Тепловые схемы АЭС

В любой АЭС различают теплоноситель и рабочее тело. Рабочее тело – это среда, совершающая работу, преобразуя тепловую энергию в механическую. Рабочим телом обычно является водяной пар. Контур рабочего тела всегда замкнут и добавочная вода в него поступает лишь в небольших количествах.

Назначение теплоносителя на АЭС – отводить тепло, выделяющееся на реакторе. Для предотвращения отложений на тепловыделяющих элементах необходима высокая чистота теплоносителя. Поэтому для него также необходим замкнутый контур, тем более что теплоноситель реактора всегда радиоактивен.

АЭС называется одноконтурной, если контуры теплоносителя и рабочего тела не разделены. Преимущества этой схемы: простота и большая экономичность по сравнению с 2–х и 3–х контурными схемами. Недостаток – все оборудование работает в радиационно–активных условиях.

АЭС называется двухконтурной, если контуры теплоносителя и рабочее тело разделены. Контур теплоносителя – первый контур, контур рабочего тела – второй. Преимущества: оборудование не работает в радиационно–активных условиях. Недостаток: более низкая экономичность и более высокая сложность по сравнению с одноконтурной схемой.

АЭС называется трехконтурной, если помимо раздельных контуров теплоносителя и рабочего тела присутствует также и промежуточный контур.

Промежуточный контур призван предотвратить опасность выброса радиоактивных веществ в случае, если давление в первом контуре выше, чем во втором, и возможно перетекание теплоносителя, вызывающее радиоактивность второго контура, если теплоноситель (например, металлический натрий) интенсивно взаимодействует с паром и водой.

На АЭС, работающей по одноконтурной схеме (рис. 3.21, а), пар образуется в активной зоне реактора и оттуда направляется в турбину.

В некоторых случаях до поступления в турбину пар подвергается перегреву в перегревательных каналах реактора. Одноконтурная схема наиболее проста. Однако образующийся в реакторе пар радиоактивен, поэтому большая часть оборудования АЭС должна иметь защиту от излучений.

В процессе работы электростанции в паропроводах, турбине и других элементах оборудования могут скапливаться выносимые из реактора с паром твердые вещества (содержащиеся в воде примеси, продукты коррозии), обладающие наведенной активностью, что затрудняет контроль оборудования и его ремонт.

По двухконтурной и трехконтурной схемам (рис. 3.21, б и в) отвод теплоты из реактора осуществляется теплоносителем, который затем передает теплоту рабочей среде непосредственно или через теплоноситель промежуточного контура. На АЭС, работающих по двухконтурной или трехконтурной схеме, рабочая среда и теплоноситель второго контура в нормальных условиях нерадиоактивны, поэтому эксплуатация электростанций существенно облегчается. Кроме того, продукты коррозии паропроводов, конденсаторов и турбинного тракта не попадают в реактор. Однако капитальные затраты в этом случае значительно выше, особенно при трехконтурной схеме.

Рис. 3.21. Одноконтурная (а), двухконтурная (б) и трехконтурная (в) тепловые схемы АЭС: 1 – реактор; 2 – промежуточный теплообменник; 3 – парогенератор, 4 – турбогенератор; 5 – конденсатор; 6 – конденсатный насос; 7 – пар от отбора; 8 – пар на регенеративный подогреватель; 9, 13 – регенеративные подогреватели низкого и высокого давления; 10 – деаэратор; 11 – пар на деаэратор;

12 – питательный насос

Такие схемы следует применять, когда вероятность контакта активного теплоносителя с водой должна быть полностью исключена, например, при использовании в качестве теплоносителя жидкого натрия, так как его контакт с водой может привести к крупной аварии. В трактах АЭС, работающих по двухконтурной схеме, даже при небольших нарушениях плотности возможен контакт активного натрия с водой, и аварию ликвидировать было бы довольно трудно. При трехконтурной схеме контакт активного натрия с водой исключен.

Во всех приведенных на рис. 3.21 схемах конденсат после конденсатора турбины проходит систему регенеративного подогрева, которая, по существу, не отличается от применяемой на обычных тепловых электростанциях.

АЭС, производящие электроэнергию и тепло, так же, как и ТЭЦ, могут иметь турбины с противодавлением, конденсацией и регулируемыми отборами. На рис. 3.22 представлены четыре наиболее распространенные тепловые схемы АТЭЦ, снабжающие потребителей и электрической, и тепловой энергией.

Эффективна также схема, в которой отвод теплоты на теплофикацию осуществляется от теплоносителя, уже охлажденного в парогенераторе (ПГ). Такую схему можно применять как в сочетании с отбором теплоты от турбины, так и при турбинах чисто конденсационного типа. Чем выше отвод теплоты в теплообменнике, тем ниже температура теплоносителя на входе в реактор и больше его тепловая мощность. Так как капитальные затраты по реакторному залу остаются при этом неизменными (а реакторный зал – один из наиболее дорогостоящих элементов АЭС), то экономические показатели станции улучшаются.

В атомной энергетике находят применение также схемы, в которых реактор используется только для выработки теплоты (теплофикации). На атомных станциях теплоснабжения реактор работает при низких температурах, и его можно изготовить из относительно недорогих материалов. Эта схема (см. рис. 3.22, г) относительно проста, легко регулируется, и в ряде случаев может оказаться экономически выгодной.

Рис. 3.22. Упрощенная тепловая схема АТЭЦ с турбогенератором

с противодавлением (а), с конденсацией и промежуточным отбором пара (б), теплообменником в первом контуре (в), а также схема установки для централизованного теплоснабжения (г): 1 – реактор; 2 – парогенератор, 2' – теплообменник первого контура ТП; 3 – РОУ; 4 – турбогенератор; 5 – пар в теплообменник контура теплового потребителя (ТП); 6 – конденсатор; 7 – конденсатный насос; 8 – конденсат из контура ТП; 8' – охлажденная вода из теплообменника ТП; 9 – пар на регенеративный подогрев и в деаэратор; 10 – система регенеративного подогрева конденсата и питательной воды; 11 –циркуляционный насос; 12 – теплообменник

Пар или горячая вода, передающие теплоту потребителю, ни в коей мере не должны быть радиоактивными. Можно полагать, что крупные АТЭЦ в основном не будут работать по одноконтурным схемам. Однако даже при двухконтурной схеме на станциях с водяным теплоносителем прямой отпуск пара потребителю из отборов турбины недопустим, так как при появлении протечек в ПГ радиоактивный пар может попасть к потребителю.

На АЭС теплота может поступать к тепловому потребителю (ТП) с паром от паропреобразователей и с горячей водой от сетевых подогревательных установок. На рис. 3.23 приведена схема подвода теплоты тепловому потребителю на ACT. Теплообменники первого контура ТП (второго контура ACT) размещены в корпусе реактора. На блоках ACT мощностью 500 МВт (АСТ–500), построенных в нашей стране, в контуре реактора давление равно 1,6 МПа, в первом контуре теплоносителя 1,2 МПа, а в линиях, подающих горячую воду потребителю теплоты, – 1,6 МПа.

Рис. 3.23. Упрощенная схема подвода теплоты к тепловому

потребителю на ACT: 1 – реактор; 2 – теплообменник контура

теплового потребителя (сетевой подогреватель); 3 – ТП;

4 – циркуляционный насос; 5 – сетевой насос

Так как это давление выше, чем в промежуточном контуре (между контурами реактора и теплового потребителя), возможность попадания радиоактивной среды к ТП при появлении неплотностей исключена.

В схеме, изображенной на рис. 3.22, в, в промежуточном контуре (между теплообменником 12 и теплообменником контура ТП) также следует поддерживать более низкое давление, чем в контуре ТП, чтобы при появлении неплотностей не было протечек в контур теплового потребителя.

Аварийность оборудования на АЭС никак не выше, чем на обычных электростанциях. Однако последствия некоторых аварий, сопровождающихся выбросом радиоактивных элементов (теплоносителя, радиоактивных газов, продуктов разрушения тепловыделяющих элементов), могут быть весьма тяжелыми. Поэтому в последние годы большое внимание уделялось созданию такой конструкции реактора и схемы контура теплоносителя, при которых выброс радиоактивных веществ полностью исключен (АСТ–500 относится к первому поколению таких установок).

Сопоставляя тепловые схемы электростанций на органическом и ядерном топливах легко заметить, что контуры АЭС всегда замкнуты, в то время как газовый контур обычной ТЭС всегда разомкнут. При разомкнутой схеме температура выбрасываемого в окружающую среду отработавшего теплоносителя выше температуры окружающей среды. Поэтому в тепловом отношении схема с замкнутым контуром теплоносителя всегда экономичнее, чем схема с разомкнутым контуром.

Таким образом, применение схем с замкнутым контуром теплоносителя на АЭС не только необходимо, но и целесообразно, так как тепловая экономичность цикла при этом возрастает. Кроме того, следует иметь в виду, что теплоноситель АЭС представляет определенную ценность (иногда его стоимость сравнительно велика).