Второй закон термодинамики.

Цикл Ренкина

Теоретическим циклом современной паросиловой установки является цикл Ренкина.

Пароводяная смесь образовавшаяся в результате передачи тепловой энергии воде в активной зоне поступает в Барабан – сепаратор где происходит разделение пара и воды. Пар направляется в паровую турбину, где расширяясь адиабатно, совершает работу. Из турбины отработавший пар направляется в конденсатор. Там происходит отдача теплоты охлаждающей воде, проходящей через конденсатор. Вследствие этого пар полностью конденсируется. Полученный конденсат непрерывно засасывается насосом из конденсатора, сжимается и направляется вновь в барабан сепаратор.

Конденсатор играет двоякую роль в установке: Во-первых, он имеет паровое и водяное пространство, разделенные поверхностью, через которую происходит теплообмен между отработавшим паром и охлаждающей водой. Поэтому конденсат пара может быть использован в качестве идеальной воды, не содержащей растворенных солей. Во-вторых, в конденсаторе вследствие резкого уменьшения удельного объема пара при его превращении в капельножидкое состояние наступает вакуум, который будучи поддерживаемым в течение всего времени работы установки, позволяет пару расширяться в турбине еще на одну атмосферу (Рк около 0,04 - 0,06 бар) и совершать за счет этого дополнительную работу.

Цикл Ренкина в T-S диаграмме.

Синяя линия в Т-S диаграмме воды является разделительной, при энтропии и температуре соответствующим точкам лежащим на диаграмме выше этой линии существует только пар, ниже паро–водяная смесь.

Влажный пар в конденсаторе полностью конденсируется по изобаре p₂=const (линия 2 - 3). Затем вода сжимается насосом от давления P2 до давления P1, этот адиабатный процесс изображен в T-S-диаграмме вертикальным отрезком 3-5.

Длина отрезка 3-5 в T-S-диаграмме весьма мала, так как в области жидкости, изобары (линии постоянного давления) в T-S-диаграмме проходят очень близко друг от друга. Благодаря этому при изоэптропном (при постоянной энтропии) сжатии воды, температура воды возрастает менее чем на 2 - 3 °С, и можно с хорошей степенью приближения считать, что в области жидкости изобары воды практически совпадают с левой пограничной кривой (синяя линия); поэтому зачастую при изображении цикла Ренкина в Т-S-диаграмме изобары в области жидкости изображают сливающимися с левой пограничной кривой. Малая величина отрезка адиабаты 3-5 свидетельствует о малой работе, затрачиваемой насосом на сжатие воды. Малая величина работы сжатия по сравнению с величиной работы, производимой водяным паром в процессе расширения 1-2, является важным преимуществом цикла Ренкина.

Из насоса вода под давлением P2 поступает в барабан сепаратор, а затем в реактор, где к ней в изобарно (процессе 5-4 P1=const) подводится тепло. Вначале вода в реакторе нагревается до кипения (участок 5-4 изобары P₁=const) а затем, по достижении температуры кипения, происходит процесс парообразования (участок 4-1 изобары P₁=const). Пароводяная смесь поступает в барабан сепаратор где происходит разделение воды и пара. Насыщенный пар, из барабана сепаратора поступает в турбину. Процесс расширения в турбине изображается адиабатой 1-2 (Этот процесс относится к классическому циклу Ренкина в реальной установке процесс расширения пара в турбине несколько отличается от классического). Отработанный влажный пар поступает в конденсатор, и цикл замыкается.

С точки зрения термического к. п. д. цикл Ренкина представляете менее выгодным, чем цикл Карно, изображенный выше (рисунок 5) поскольку степень заполнения цикла (равно как и средняя температур подвода тепла) для цикла Ренкина оказывается меньше, чем в случае цикла Карно. Однако с учетом реальных условий осуществления экономичность цикла Ренкина выше экономичности соответствующего цикла Карно во влажном паре.

Цикл с промежуточным перегревом пара.

Для того чтобы увеличить термический к. п. д. цикла Ренкина, часто применяют так называемый перегрев пара в специальном элемент установки - пароперегревателе, где пар нагревается до температуры, превышающей температуру насыщения при данном давлении P₁. В этом случае средняя температура подвода тепла увеличивается по сравнению с температурой подвода тепла в цикле без перегрева и, следовательно, термический к. п. д. цикла возрастает. Цикл Ренкина с перегревом пара является основным циклом теплосиловых установок, применяемых в современной теплоэнергетике.

Поскольку в настоящее время не существует промышленных энергетических установок с ядерным перегревом пара (перегрев пара в непосредственно в активной зоне ядерного реактора), то для ядерных реакторов BWR и РБМК используется цикл с промежуточным перегревом пара.

Цикл с промежуточным перегревом пара в T-S диаграмме.

Для повышения КПД в цикле с промежуточным перегревом пара, используется двух ступенчатая турбина, состоящая из цилиндра высокого давления и нескольких (4 для РБМК) цилиндров низкого давления. Пар из барабана сепаратора направляется в цилиндр высокого давления (ЦВД), часть пара отбирается для перегрева. Расширяясь в цилиндре высокого давления процесс на диаграмме 1-6, пар совершает работу. После ЦВД пар направляется в пароперегреватель, где за счет охлаждения отобранной в начале части пара, осушается и нагревается до более высокой температуры, (но уже при более низком давлении, процесс 6-7 на диаграмме) и поступает в цилиндры низкого давления турбины (ЦНД). В ЦНД пар расширяясь, снова совершает работу (процесс 7-2 на диаграмме) и поступает в конденсатор. Остальные процессы соответствуют процессам в выше рассмотренном цикле Ренкина.

Регенеративный цикл

Малое значение КПД цикла Ренкина по сравнению с циклом Карно связано с тем, что большое количество тепловой энергии при конденсации пара передается охлаждающей воде в конденсаторе. Для снижения потерь часть пара из турбины отбирается и направляется на регенерационные подогреватели, где тепловая энергия, высвобождаемая при конденсации отобранного пара, используется для подогрева воды, полученной после конденсации основного парового потока.

В реальных паросиловых циклах регенерация осуществляется с помощью регенеративных, поверхностных или смешивающих, теплообменников, в каждый из которых поступает пар из промежуточных ступеней турбины (так называемый регенеративный отбор). Пар конденсируется в регенеративных теплообменниках, нагревая питательную воду, поступающую в реактор. Конденсат греющего пара смешивается с основным потоком питательной воды.

Цикл паросиловой установки с регенерацией, строго говоря, нельзя изобразить в плоской Т-S-диаграмме, поскольку эта диаграмма строится для постоянного количества рабочего тела, тогда как в цикле установки с регенеративными подогревателями количество рабочего тела оказывается различным по длине проточной части турбины.

Поэтому, в дальнейшем, рассматривая изображение цикла этой установки в плоской Т-S-диаграмме, следует иметь в виду условность этого изображения; для того чтобы подчеркнуть это, рядом с Т-S-диаграммой (рисунок 9) помещена диаграмма, показывающая расход (D) пара через турбину вдоль ее проточной части. Эта диаграмма относится к линии 1-2 в T-S-диаграмме — линии адиабатного расширения пара в турбине. Таким образом, на участке 1-2 цикла в T-S-диаграмме количество рабочего тела убывает с уменьшением давления, а на участке 5 - 4 количество рабочего тела возрастает с ростом давления (к питательной воде, поступающей из конденсатора, добавляется конденсат пара из отборов).

Рисунок 9.Т-S диаграмма цикла с регенеративным подогревом.

Диаграмма состояния вещества, i-s-диаграмма

Изображение циклов и процессов в T-S диаграмме обладает большой наглядностью, поскольку площади на данной диаграмме соответствуют работе или энергии процесса. Эта наглядность позволяет визуально сравнивать различные процессы и циклы, однако эта наглядность является одновременно и недостатком Т-S диаграммы, поскольку измерить площадь сложной фигуры очень сложно, а все основные циклы, как мы видели представляют собой именно комбинацию сложных кривых, исключение составляет только цикл Карно.

Для практического применения более удобна диаграмма тепловых процессов, на которых значение энергии, теплоты или работы соответствует не площади а отрезку, такой диаграммой является i,s –диаграмма. По вертикальной оси на этой диаграмме откладывается энтальпия по горизонтальной – энтропия. Такая диаграмма с нанесенными на нее линиями постоянного давления (изобарами), линиями постоянной температуры (изотермами), линиям постоянного паросодержания и постоянным постоянного объема, называется диаграмма состояния вещества.

В тепловых расчетах паросиловых циклов используется диаграмма состояния воды. На рисунке 10 изображен цикл с перегревом пара на диаграмме состояния воды (см рисунок 10).

На диаграмме состояния воды изображены линии постоянных температур, давлений и паросодержания. Линия постоянного паросодержания X=1 (вся вода находится в виде пара), является разделительной, при параметрах соответствующим точкам выше этой линии существует один пар, ниже – паро-водяная смесь.

Цикл с перегревом пара в i -S диаграмме состояния воды. (обратно к содержанию) Точка 1 верхняя точка цикла, по линии 1-2 происходит адиабатное расширение пара от давления Р₁ до давления Р₂ (Р₁>Р₂). При этом происходит снижение температуры пара с Т₁ до Т₄, и увлажнение пара до паросодержания X₁<1. Величина отрезка 1 – 2 соответствует работе совершенной паром в процессе расширения, в некотором масштабе схемы. (Далее подобная диаграмма будет рассмотрена с конкретными цифрами, в данный момент нас интересует только сам принцип определения величины работы.) Пар с параметрами соответствующими точке 2 поступает в конденсатор, где при постоянных давлении P₂ и температуре Т₄, происходит конденсация пара, линия процесса 2 – 3. Характерной особенность данного процесса является то что, температура и давления остаются постоянным, меняется только паросодержание от Х₁ до нуля, линии изображающие этот процесс являются прямыми причем изотерма (Т₄=const) совпадает с изобарой (P₂ = const). Вода с параметрами соответствующими точке 3 на диаграмме поступает в насос. Здесь происходит процесс адиабатного сжатия воды от давления Р₂ до давления Р₁ по линия процесса 3-4. Линия 4–5, это линия нагрева воды до температуры насыщения Т₃ при постоянном давлении Р₁ этот участок не является прямой линией, а представляет собой некую кривую. В точке 5 начинается испарение воды. Изобара P₁ = const от этой точки превращается в прямую линию, которая совпадает с прямой линией изотермой (Т₃=const) в плоть до точки 6, где вся вода превращается в пар (паросодержание Х=1) . Процесс 6 – 1 это процесс перегрева пара при постоянном давлении P₁=сonst. В точке 6 происходит разделения линий процессов изобарического (изобара P₁=сonst) и точки изотермического (изотерма Т₃=const). По линии 6–1 пар нагревается до температуры Т₁ – цикл замкнулся.

Упрощенная тепловая схема АЭС с реактором РБМК – 1000

Введение

Основы термодинамики, в частности знание о регенеративных паросиловых циклах, позволяют перейти от очень упрощенного теплового контура, который был рассмотрен в самом начале к более подробной (но тоже упрощенной) тепловой схеме АЭС. Говоря о тепловом контуре, мы рассматривали источники и потребители тепловой энергии и устройство для прокачки теплоносителя – насос. Для контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ), изображения теплового контура вполне соответствует изображению тепловой схемы, другими словами присутствующие в схеме теплового контура элементы (реактор, главный циркуляционный насос, и барабан сепаратор) соответствуют реальным агрегатам имеющимся на АЭС. Поэтому устройство и технические характеристики реактора РБМК-1000 и главного циркуляционного насоса ЦВН-8 были в общих чертах рассмотрены раньше. Для второго теплового контура ситуация несколько иная, дело в том, рассмотренная в начале схема не содержит большое количество устройств которые имеются на АЭС и являются важными для понимания базовых принципов работы АЭС. Например регенеративные подогреватели, это те элементы назначение которых, в сильно упрощенных терминах теплового контура, трудно объяснить. Упрощенная тепловая схема АЭС содержит все наиболее важные элементы, соответствующие реальным машинам и агрегатам эксплуатируемые в составе реакторной установки. Упрощения этой схемы заключаются в отсутствии управляющих элементов и элементов связанных с уплотнением турбоагрегата.

Некоторые понятия и определения. На тепловой схеме изображаются устройства, в которых происходит изменение параметров (температуры, энталпии, давления, влажности и т.д.) рабочего тела, в нашем случае, пара и воды. Довольно много оборудования включено в схему параллельно по ходу движения рабочего тела, (например насосы ГЦН). Так как параметры рабочего тела в одинаковых устройствах, включенных параллельно, изменяются на одну и туже величину, то на тепловой схеме такие устройства обозначаются одним элементом. Например: Давление при прохождении жидкости через насос изменяется на величину напора создаваемого насосом. Если вода поступает по параллельным трубопроводам в три работающих ГЦН то давление на входе в каждый насос одинаково и равно предположим P₁, а на выходе из насосов давление: P₂ = P₁ + dP где dP – напор создаваемый насосом. Если все насосы работают в нормальном режиме, то их напор dP одинаков и давление после всех насосов P2 одинаково. На схеме в этом случае изображается один значок насоса в котором происходит изменение давления теплоносителя от P1 до P2. При описании тепловой схемы и технологического оборудования часто используются перечисленные ниже понятия и определения. Они являются общепринятыми и широко используемыми. 

• Пар отбора – пар отводимый из турбины на различных ступенях расширения, для использования его тепловой энергии в различных целя, например для регенеративного подогрева.

• Дренаж – вода полученная при конденсации пара обора в различных устройствах (кроме конденсатора) например в подогреватели низкого давления. 

• Основной конденсат – вода полученная в конденсаторе, за счет конденсации расширившегося в турбине пара (после совершения работы), и сливе в него (конденсатор) дренажей.

• Острый пар – пар после барабана сепаратора направляемый, в частности, в сепаратор пароперегреватель.

Описание упрощенной тепловой схемы АЭС.

По отдельным стадиям технологического процесса все теплоэнергетическое оборудование одноконтурной АЭС подразделяют на реакторную, паро-турбинную и конденсационную установки и конденсатно-питательный тракт. Взаимосвязь между этими элементами образует тепловую схему станции. Рассмотрим упрощенную тепловую схему реакторной установки АЭС (смотри рисунок 1). Реакторная установка—источник тепла, теплоноситель вода в реакторе нагревается и частично испаряется образуя пароводяную смесь. В барабане сепараторе (БС) происходит разделение пароводяной смеси на воду и пар, пар направляется на турбину. Турбина состоит из одного цилиндра высокого давления (ЦВД) и четырех цилиндров низкого давления (ЦНД). В турбине происходит расширение пара и соответствующая работа. Так как, пар поступает в турбину насыщенным то, расширяясь в турбине, он быстро увлажняется. Предельно допустимая влажность пара обычно не должна превышать 8—12% во избежание интенсивного эрозионного износа лопаточного аппарата каплями воды. При достижении предельной влажности весь пар выводится из цилиндра высокого давления и пропускается через сепаратор – пароподогреватель (СПП), где он осушается и нагревается. Для подогрева основного пара до температуры насыщения используется пар первого обора турбины, для перегрева используется острый пар (смотри схему), дренаж греющего пара сливается в деаэратор, дренаж полученный после осушки пара – в ПНД. После сепаратора – пароподогревателя пар поступает в цилиндр низкого давления. Здесь пар в процессе расширения снова увлажняется до предельно допустимой влаж-ности и поступает в конденсатор (К). Стремление получить от каждого килограмма пара возможно большую работу и тем самым повысить к.п.д. заставляет поддерживать в конденсаторе возможно более глубокий вакуум. В связи с этим конденсатор и большая часть цилиндра низкого давления турбины находятся под разрежением. Тепло, передаваемое в конденсаторе охлаждающей воде, безвозвратно теряется. Величину потерь можно снизить путем уменьшения пропуска пара в конденсатор, что достигается направлением части пара в систему регенеративных подогревателей воды. Турбина имеет семь отборов пара, второй отбор используется для подогрева воды в деаэраторе, а отборы 3 – 7 используются для подогрева основного потока конденсата в, соответственно, ПНД-5 - ПНД-1 (подогреватели низкого давления). Так как цикл рабочего тела замкнут, то весь турбинный конденсат должен быть подан в барабан сепаратор. За счет работы насосов давление повышается от величины, характерной для конденсатора, до давления в барабане сепараторе, с учетом необходимости преодоления сопротивления тракта от конденсатора до барабана сепаратора. Этот тракт делят на две части. Конденсатные насосы первой ступени (КН1) забирают конденсат из водяного объема конденсатора и прокачивают его через блочную очистную установку (БОУ), после чего, конденсатные насосы второй ступени (КН2) прокачивают основной конденсат через охладитель дренажа (ОД) и регенеративные подогреватели, называемые подогревателями низкого давления, до деаэратора (ДА) назначение которого в схеме будет объяснено позже. В деаэраторном баке, давление в котором выше атмосферного, создается определенный запас воды. Питательным насосом (ПН), обеспечивающим последующее повышение давления вплоть до рабочего в барабане сепараторе, вода из деаэраторного бака подается в барабан сепаратор. Где происходит ее смешение с водой контура многократной принудительной циркуляции. Главными циркуляционными насосами (ГЦН), вода из барабана сепаратора подается в активную зону реактора, цикл замыкается. Весь тракт от конденсатора до барабана сепаратора называют конденсатно-питательным, а его части до и после деаэратора — конденсатным и питательным трактами соответственно. В регенеративных подогревателях конденсат подогревается отборным паром турбин, конденсат которого возвращается в систему (в конденсатор) . Так как цилиндр низкого давления турбины работает в области вакуума, то трубопроводы отборного пара к ПНД, сами эти подогреватели по стороне греющего пара и линии конденсата греющего пара находятся под разрежением. Из цилиндра высокого давления отбор пара производится также и для подогрева воды в сетевом подогревателе для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения (на схеме это не показано). Таким образом, по конденсатно-питательному тракту происходит увеличение давления и энтальпии рабочего тела. В реакторе установке энтальпия пара увеличивается при постоянном давлении до максимальной величины для данного цикла. Далее в паровой турбине энтальпия и давление пара непрерывно уменьшаются до давления в конденсаторе, где в связи с конденсацией пара при постоянном давлении энтальпия уменьшается до минимального значения для данного цикла, цикл замыкается.

Упрощенная тепловая схема установки РБМК-1000 Обозначения:

БС -барабан сепаратор; ГЦН - главный циркуляционный насос; ДА - деаэраторы; ПН - питательный насос; ЦНД - цилиндр низкого давления турбины; СПП - сепаратор пароперегреватель; ЦВД -цилиндр высокого давления; К - конденсатор; КН1 - конденсатные насосы первой ступени; КН2 - конденсатные насосы второй ступени; ОД - охладитель дренажа; ПНД - подогреватель низкого давления; БОУ - блочная очистная установка.

Турбина реакторной установки РБМК-1000. Общие сведения.

Введение

На тепловой схеме турбина представлена цилиндром низкого давления (ЦНД) и цилиндром высокого давления (ЦВД). Один реактор РБМК-1000 снабжает паром две турбины мощностью 500 МВт каждая. В состав турбоагрегата входит один цилиндр низкого давления и четыре цилиндра высокого давления. Турбина является пожалуй самым сложным агрегатом, после самого реактора в составе АЭС.

Принцип действия. Принцип действия любой турбины схож с принципом действия ветряной мельницы. В ветряных мельницах воздушный поток вращает лопасти и совершает работу. В турбине пар вращает лопатки распложенные по кругу на роторе. Ротор турбины жестко связан с ротором генератора, который вырабатывает ток. Рассмотрим работу ротора ветряной мельницы

Схема работы ветряной мельницы

Ротор представляет собой вращающийся вал с жестко закрепленными на нем лопатками. Ротор как правило, связан с каким либо механизмом, который совершает полезную работу при его (ротора) вращении. Рабочим телом в мельнице условно можно считать поток воздуха. Набегающий поток воздуха движется по направлению оси вращения ротора. Лопатки закреплены таким образом, что их плоскость повернута относительно на некоторый угол, этот угол в аэродинамике называют углом атаки.

Схема работы ветряной мельницы (разрез А-А рис.1)

Лопатка стоит на пути движения воздуха, когда поток сталкивается с лопаткой, он тормозится и изменяет направление движения, обтекая лопатку, как показано на (рисунке 2). При этом неизбежно около передней поверхности лопатки возникает область с повышенным давлением воздуха, а около задней поверхности возникает область с пониженным давлением. Величина разницы давлений dP зависит от многих параметров, например скорости движения воздуха, угла атаки, формы поверхности. Из-за разности давлений на поверхностях на лопатку начинает действовать сила P, направленная по нормали к ее плоскости. Поскольку лопатка жестко закреплена на роторе и не может совершать осевые перемещения на нее действует сила реакции N, направленная по оси ротора в сторону противоположную движению потока. Суммарной силой при сложения этих двух сил является сила S направленная перпендикулярно оси ротора. Поскольку это сила приложена к лопатке, то возникает крутящий момент, который заставляет ротор вращаться. Связанный с ротором механизм выполняет полезную работу. В случае ветряной мельницы перепад давления на лопатке не большой и для увеличения силы Р увеличивают площадь, поскольку сила Р = dP x А, где: dP – средней перепад давления; А - площадь лопатки. Другим способом увеличить силу Р, а значит и полезную работу всей установки, это увеличить перепад давления dP. В турбине, где средой вращающей лопатки с ротором, является пар при давлении около 60 атмосфер на входе и 0.04 атмосферы на выходе, перепад настолько большой, что для увеличения общей мощности используют не один ряд лопаток а несколько расположенных друг за другом, на одном роторе. Один круговой ряд лопаток называется ступень расширения (или ступень давления). Когда говорят о том, что турбина имеет пять ступеней давления это значит что, на роторе данной турбины находятся пять круговых рядов лопаток, через которые последовательно проходит рабочие тело. Лопатки которые закреплены на роторе и передают вращающий момент, называются рабочими лопатками они вращаются вместе с ротором.

Рабочие лопатки турбины

Сечение рабочих лопаток, сопловых аппарата и лопаток диафрагмы ( разрез А-А рис. 3)

Путем длительных исследований и сложных расчетов была определена оптимальная форма рабочей лопатки для максимального использования энергии расширяющегося пара или максимального КПД. На рисунке 4 представлено сечение лопатки, цилиндра высокого давления. Для дальнейшего повышения КПД, на пути пара перед лопаткой устанавливают сопловой аппарат, который изменяет направление движения и скорость потока так, чтобы работа расширяющегося пара была максимальной. Сопловой аппарат представляет собой круговой ряд неподвижных лопаток, проходя которые поток пара поворачивается. После обтекания рабочей лопатки направление движения потока изменяется. Поскольку для повышения КПД необходимо определенное направление движения на входе в ступень, между лопатками последовательных ступеней устанавливают диафрагмы, которые подобно сопловому аппарату на входе изменяют направления движения потока пара.(смотри рисунок 4) На входе в турбину как было уже сказано, давление около 60 атмосфер ---- на выходе из турбины пар находится при давлении меньше атмосферного, и его свойства по ходу в турбине меняются очень сильно, поэтому и профиль рабочих лопаток стоящих в начале отличается от профиля рабочих лопаток стоящих в конце. Кроме того, расширение пара ведет к тому, что проходное сечения канала, должно увеличиваться для этого высота лопаток по ходу движения пара в турбине возрастает от ступени к ступени. Скорость вращения ротора современной турбины очень велика (3000 об/мин для турбины к реактору РБМК-1000) поэтому особое внимание уделяется прочности крепления лопаток к ротору. После закрепления на роторе по верхнему краю лопаток устанавливается ленточный бандаж который соединяет все лопатки в жесткую конструкцию. Для уменьшения габаритных размеров турбины АЭС выполняют двухпоточными, это означает что подвод рабочего тела осуществляется к центральной части откуда он распределяется на два потока, движущихся вдоль оси ротора в противоположных направлениях, от центра к торцам. Соответственно углы установок лопаток в потоках должны быть зеркально противоположными. Прежде чем приступить к краткому техническому описанию турбины в реакторной установке РБМК-1000, необходимо остановится на особенностях присущих практически всем турбинам на атомных станциях.

Турбина реакторной установки РБМК-1000. Общие сведения.