- •1.1. Основные схемы аэс
- •1.2. Конструкционная схема канального реактора
- •1.3. Конструкционная схема корпусного реактора
- •1.4. Конструкционные схемы кассет и технологических каналов
- •2.1. Основные двух- и трехкоитурные
- •2.2. Общая характеристика парогенераторов
- •2.3. Основные схемы парогенераторов,
- •2.4. Основные схемы парогенераторов, обогреваемых жидким металлом
- •2.5. Парогенераторы, обогреваемые газами
- •3.1. Общая характеристика процесса генерации в парогенерирующем элементе
- •3.2. Генерация пара на плоских поверхностях в свободном объеме
- •3.3. Генерация пара на плоских поверхностях при направленном движении восходящего пароводяного потока
- •3.4. Определение реактивной силы жуковского и статической силы магнуса
- •3.5. Анализ действия сил на пузырек пара
- •3.6. Плотность центров парообразования на теплообменной поверхности
- •3.7. Частота отрыва паровых пузырьков
- •4.1. Изменение структуры пароводяного потока по длине парогенерирующего канала
- •4.2. Расходные характеристики пароводяного потока
- •4.3. Истинные характеристики пароводяного потока
- •4.4. Изменение основных характеристик пароводяного потока по длине парогенерирующего канала
- •4.5. Влияние давления на истинные
- •5.1. Определение истинного паросодержания
- •5.2. Определение истинного паросодержания
- •5.3. Определение истинного паросодержания в трубах методом просвечивания γ-излучением
- •5.4. Выбор нуклидов для просвечивания γ-излучением
- •6.1. Физическая модель восходящего пароводяного потока
- •6.2. Определение истинного паросодержания в парогенерирующих трубах
- •6.3. Определение истинного паросодержания в парогенерирующих кольцевых щелях
- •6.4. Определение истинного паросодержания в кассетах и технологических каналах
- •7.1. Гидравлические сопротивления
- •7.2. Гидравлическое сопротивление трения в кассетах при движении однофазных потоков
- •7.3. Уравнения движения двухфазного потока
- •7.4. Сопротивление дистанционирующих решеток при течении двухфазных потоков
- •7.5. Сопротивление трения в кассетах
- •7.6. Определение полного сопротивления в кассетах и технологических каналах
- •8.1. Гидравлическое сопротивление трения при движении однофазных потоков
- •8.2. Гидравлическое сопротивление трения при движении двухфазных потоков
- •8.3. Определение местных гидравлических сопротивлении
- •8.4. Влияние плотности теплового потока на гидравлическое сопротивление
- •9.1. Физическая основа естественной циркуляции
- •9.2. Движущий и полезный напоры
- •9.3. Среднеинтегральное паросодержание на участке парогенерирующего канала
- •9.4. Расчет естественной циркуляции в простых контурах
- •9.5. Расчет естественной циркуляции в сложных контурах
- •9.6. Экспериментальные исследования
- •9.7. Расчет естественной циркуляции по упрощенному методу
- •9.8. Показатели надежности естественной циркуляции
- •10.1. Уравнение гидродинамической характеристики
- •10.2. Тепловая и гидравлическая неравномерности параллельно включенных парогенерирующих каналов
- •10.3. Методы устранения межвитковых пульсаций
- •10.4. Экспериментальные исследования
- •10.5. Исследования гидродинамической устойчивости с использованием теории автоматического регулирования
- •11.1. Физическая основа безнапорного движения пара через слой жидкости
- •11.2. Парораспределительные дырчатые щиты
- •11.3. Гидродинамика барботажного слоя
- •11.4. Паропромывочные устройства
- •12.1. Сепарация пара в паровом объеме
- •12.2. Жалюзийная сепарация
- •12.3. Центробежная сепарация парожидкостных систем
- •12.4. Экспериментальные методы отбора проб пара и обоснование сепарирующих устройств
- •13.1. Требования к качеству пара и питательной воды
- •13.2. Уравнения солевого баланса
- •13.3. Условия получения чистого пара
- •13.4. Коррозионные процессы на поверхностях теплообмена со стороны рабочего тела
- •13.5. Отложение примесей воды на поверхностях
- •13.6. Водный режим в парогенераторах и реакторах
- •14.1. Теплообмен на погруженных теплоотдающих поверхностях
- •14.2. Теплообмен при пузырьковом кипении в условиях направленного движения потока
- •14.3. Теплообмен при кипении жидкости, не догретой до температуры насыщения
- •14.4. Режим ухудшенного теплообмена
- •14.5. Теплообмен при движении однофазных сред
- •14.6. Особенности теплообмена в активной зоне ядерного реактора
- •15.1. Механизм процесса кризиса теплообмена
- •15.2. Кризис теплообмена при кипении на погруженных поверхностях
- •15.3. Кризис теплообмена в условиях направленного движения пароводяного потока
- •15.4. Области кризиса теплообмена при продольном обтекании твэлов
- •15.5. Определение запаса до кризиса теплообмена в наиболее энергонапряжеиной кассете ядерного реактора
- •16.1. Общие положения при проектировании
- •16.2. Выбор числа петель и мощности
- •16.3. Расчет паропроизводительности
- •16.4. Теплотехнические расчеты
Л. Ф. Федоров, Н. Г. Рассохин
ПРОЦЕССЫ
ГЕНЕРАЦИИ
ПАРА
НА АТОМНЫХ
ЭЛЕКТРО-
СТАНЦИЯХ
МОСКВА. ЭНЕРГОАТОМИЗ ДАТ.1985
УДК [621.311.25:621.039] :621.181
Федоров Л. Ф., Рассохин Н. Г. Процессы генерации пара на атомных электростанциях. М.: Энергоатомиздат, 1985. 288 с, ил.
Описаны схемы и конструкции парогенераторов различных типов. Рассмотрены процессы теплопереноса во всех элементах парогенератора и способы интенсификации теплообмена. Дан анализ процессов гидродинамики одно- и двух-фазных потоков в каналах различной формы. Даны рекомендации по проектированию парогенераторов, описаны методы их исследования с помощью моделей и экспериментальных стендов.
Для научных работников и инженеров, занимающихся исследованием и проектированием ядерных паропроизводящих установок.
Табл. 1. Ил. 79. Библиогр. 63.
Р е ц е н з е н т А. Л. Шварц
© Энергоатомиздат, 1985
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современное развитие ядерной энергетики харак-теризуется массовым строительством ядерно-энергетических установок, вырабатывающих в ряде стран значительную долю энергии. Ни одна отрасль техники не развивалась так быстро.
В нашей стране широко используются АЭС с корпус-ными и канальными ядерными реакторами, производство пара в которых осуществляется или в специальных теп-лоэнергетических устройствах — парогенераторах или не-посредственно в активной зоне реактора. Сложная взаи-мосвязь процессов, протекающих при производстве пара на парогенерирующих поверхностях реактора и пароге-нератора, предопределяет надежную продолжительную ра-боту этих элементов оборудования АЭС и безаварийное состояние станции.
В данной книге сделана попытка описания некоторых процессов, протекающих в элементах парогенерирующего оборудования АЭС, с позиции современного представления о механизмах переноса теплоты и массы.
Несмотря на то что исследованию процессов генерации пара посвящено достаточно большое количество работ, все же обобщающих зависимостей, описывающих процессы в конкретных реакторах и парогенераторах, крайне мало, и для инженеров, не имеющих достаточного опыта и занимающихся проектно-расчетными и экспериментально-исследовательскими работами, выбор расчетных формул и обоснование экспериментальных методик часто связаны с большими трудностями.
Отличительная особенность данной книги заключается в том, что авторы стремились изложить материал по про-цессам генерации пара, гидродинамике и теплообмену применительно к конкретным геометрическим формам твэлов кассет и технологических каналов ядерных реакторов и теплопередающих поверхностей парогенераторов.
Генерация пузырьков пара на теплообменных поверх-ностях, расположенных в свободном объеме, рассмотре-
на с позиции принципа минимума свободной энергии тер-модинамической системы жидкость — пузырек — поверх-ность, а генерация на поверхностях различной геомет-рии — при направленном движении потока с учетом взаи-модействия основных сил, которые действуют на пузырек, растущий на поверхности до момента его отрыва. При-ведены результаты аналитических и экспериментальных исследований истинных характеристик пароводяного потока в простых и сложных каналах с учетом его трехгрупповой структуры, а также гидродинамические и физико-химические исследования некоторых элементов парогенерирующих систем. Описаны методики экспериментальных исследований процессов при парообразовании, рассмотрены конструкционные особенности элементов оборудования АЭС и основы их проектирования.
Главы 3 — 10 написаны Л. Ф. Федоровым, главы 11 — 13 — Н. Г. Рассохиным. Остальные главы написаны совместно. Аналитические решения в § 3.4, 3.5, 6.4 выполнены В. Л. Федоровым.
Авторы
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КНИГЕ
tw — температура стенки
ts— температура насыщения
tf— температура потока
i' — энтальпия воды при ts
i — энтальпия потока
r — теплота парообразования
q — плотность теплового потока
ρ'— плотность воды при ts
ρ'' — плотность сухого насыщенного пара
λ — коэффициент теплопроводности
α — коэффициент теплоотдачи
а — коэффициент температуропроводности
ν — коэффициент кинематической вязкости
μ — коэффициент динамической вязкости Ts = 273+ts — абсолютная температура насыщения Tw = 273+tw — абсолютная температура стенки
σ — коэффициент поверхностного натяжения
x — массовое паросодержание
β — расходное паросодержание
φ — истинное паросодержание Re — число Рейнольдса Рr — число Прандтля Ре — число Пекле Nu — число Нуссельта Fr — число Фруда
τ — время
g=9,81 —ускорение свободного падения
Глава первая
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СХЕМЫ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ С КИПЕНИЕМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ
1.1. Основные схемы аэс
В нашей стране на АЭС широко используются ядерные реакторы канального типа, в которых теплоноси-телем является вода, а замедлителем — графит. Такая конструкция была разработана в конце 40-х годов. На отдельных этапах развития отечественной ядерной энерге-тики конструкция канального реактора была применена в Первой в мире АЭС, Сибирской, Белоярской, Билибинской, Ленинградской, Курской, Смоленской АЭС и др. [10]. Реализация в блоке большой единичной мощности, улучшение удельных показателей АЭС и повышение эко-номичности станций свидетельствуют о важных преиму-ществах реактора данного типа. Первый энергоблок с канальным реактором (РБМК) электрической мощностью 1000 МВт (РБМК-1000) был введен в эксплуатацию в 1973 г. на Ленинградской АЭС им. В. И. Ленина. Этот реактор стал головным в большой серии действующих и сооружаемых энергоблоков на различных станциях общей мощностью от 4000 до 6000 МВт.
Принципиальная схема энергоблока с реактором РБМК представлена на рис. 1.1.
Реактор РБМК является гетерогенным канальным реактором, активная зона 5 которого имеет форму цилиндра. В вертикальные отверстия графитовой кладки активной зоны вставлены технологические каналы 4 и каналы системы управления и защиты (СУЗ) 3. В нижнюю часть технологических каналов по водоподводящим трубам 8 подается теплоноситель, который, поднимаясь вверх, подогревается до температуры кипения и затем испаряется. Пароводяная смесь по отводящим трубам 9 из технологических каналов подается в сепараторы 2.
Рис. 1.1. Принципиальная схема энергоблока с реактором РБМК
На отводящих трубах установлена система контроля герметичности оболочек 1. В барабанах-сепараторах осуществляется разделение паро-водяной смеси. Из водяных объемов барабанов по опускным трубопро-водам 6 вода поступает в циркуляционные насосы 7, а затем в техно-логические каналы. Описанный тракт представляет собой контур с мно-гократной принудительной циркуляцией (МПЦ). В реакторе РБМК две автономные циркуляционные петли, каждая из которых отводит теплоту от половины тепловыделяющих кассет. В одну петлю входят два сепаратора пара, опускные трубопроводы, четыре главных циркуляционных насоса, всасывающий и напорный коллекторы, водоподводящие трубопроводы, технологические каналы и отводящие пароводяную смесь трубопроводы. В периоды пуска реактора, нормальной работы и начального расхолаживания циркуляция теплоносителя осуществляется насосами марки ЦВН-7 (центробежными, вертикальными, одноступенчатыми с уплотнением вала, исключающим выход теплоносителя в помещение). Расход насоса 8000 м3/ч, давление на выходе 2 МПа, абсолютное давление на всасе 7 МПа.
Из сепараторов пар направляется в два турбогенератора высокого давления 12, на выходе из которых установлены сепараторы-паропере-греватели 13, в них осуществляется подсушка отработавшего в ступенях пара посредством подачи пара высоких параметров. Отработавший пар конденсируется в конденсаторах 14, конденсат насосами 15 подается в подогреватели и деаэраторы 16. Из деаэраторов питательными насосами 17 конденсат подается в барабаны по трубопроводам 18. В схеме предусмотрен бак аварийной питательной воды 10 с аварийным питательным насосом 11.
Рис. 1.2. Принципиальная схема установки с реактором ВК-50
В энергоблоке РБМК-1000 установлены две паровые турбины электрической мощностью 500 МВт каждая, ра-ботающие на насыщенном паре.
В 1966 г; в нашей стране был сооружен и введен в эксплуатацию энергоблок электрической мощностью 50МВт с корпусным атомным реактором ВК-50, в котором кипение теплоносителя осуществляется в активной зоне. Расположение реактора и парогенератора в одном корпусе имеет некоторые преимущества, дающие возможность исключить первый контур или упростить его.
На рис. 1.2 дана принципиальная схема установки с реактором ВК-50.
Пароводяная смесь, образующаяся в активной зоне реактора 1, под-нимается вверх по рабочим кассетам и далее попадает в тяговый участок. На поверхности уровня воды в реакторе происходит отделение пара от воды. Вода по переливным окнам направляется в опускной участок 25, а пар отбирается из реактора по пароотводящим трубам 2 и направляется в сепаратор высокого давления 3. Подсушенный пар дросселируется в клапане 4, проходит сепаратор среднего давления 5 и направляется в турбогенератор 8. На пути между сепаратором среднего давления и паровой турбиной основной пар смешивается с паром, поступающим из вспомогательного парогенератора 6, в котором генерация пара осуществляется за счет теплоты, которая поступает с водой, отбираемой из реактора по трубопроводу 22. Вода, отдавшая в парогенераторе теплоту, циркуляционным насосом 20 по трубопроводу 21 возвращается в опускной участок реактора 25,
После первой ступени турбины пар сепарируется во влагоотделите-ле 9, поступает во вторую ступень и на выходе из пес конденсируется в конденсаторе 10. Конденсат насосом 11 подается вначале в подогреватель 12, а затем в деаэратор 13. Подача питательной воды в парогенератор осуществляется по трубопроводу 23 питательным насосом 15. В реактор питательная вода подается насосом 14 по трубопроводу 18. Вода для охлаждения привода 24 системы СУЗ подается по трубопроводу 19. Для компенсации потерь воды предусмотрена выпарная установка водоочистки 16, из которой конденсат может подаваться непосредственно в реактор по трубопроводу 17.
В процессе энергопуска и опытной эксплуатации установки ВК-50 проводилось опробование возможных режимов ее работы: раздельное получение пара в реакторе и парогенераторах, одновременная выработка пара в реакторе и парогенераторах с подачей получаемого пара в турбину и подачей пара только на вспомогательные конденсаторы 7. Исследования этих режимов работы позволили сделать вывод о целесообразности получения пара только в реакторе, так как это заметно сокращает количество находящегося в работе оборудования, повышает надежность установки и упрощает ее обслуживание.