ПАРОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ОДНОКОНТУРНОЙ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
STEAM GENERATION PLANT OF SINGLE-CIRCUIT NUCLEAR POWER PLANT

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к парогенераторной установке, которая может быть использована при создании одноконтурных атомных электростанций (АЭС) с принудительной циркуляцией и водоводяным энергетическим реактором (ВВЭР), при этом работающей как в земных условиях, так и в условиях невесомости.
Создание надежных парогенераторных установок, обеспечивающих безопасность АЭС в аварийных режимах, является одной из основных задач развития атомной энергетики в настоящее время. Новые конструктивные решения парогенераторных установок позволяют повысить их эффективность и надежность.
Известна парогенераторная установка, содержащая соединенные между собой посредством питательного трубопровода парогенератор и гидроаккумулирующую емкость, подключенную к трубопроводу подвода питательной воды, при этом питательный трубопровод со стороны гидроаккумулирующей емкости выполнен с входным элементом в виде перфорированного коллектора, установленного вертикально в гидроаккумулирующей емкости (SU, №1603907, F22B 1/02, 1996 г.).
Также известна парогенераторная установка, преимущественно для АЭС, содержащая парогенератор с испарителем и основным перегревателем острого пара, последний из которых соединен с турбиной, и включенные между цилиндрами высокого и низкого давлений промежуточные сепаратор и паровой перегреватель, в которых для промежуточного перегрева пара используют острый перегретый пар, отбираемый из паропровода непосредственно перед цилиндром высокого давления турбины (патент Франции №2116671, F22G, 1972 г.).
Недостатками указанных установок являются большие размены установок и как следствие большие капитальные затраты. Кроме того, как показала практика, в установке по патенту Франции имеет место увеличение поверхности нагрева основного перегревателя и повышенное падение давления в нем, что снижает коэффициент полезного действия установки. К тому же падение давления приводит к существенному снижению температуры конденсации пара в промежуточном перегревателе по сравнению с температурой кипения в парогенераторе, соответствующему уменьшению температурного напора в промежуточном перегревателе и увеличению его поверхности нагрева.
Наиболее близкой по технической сущности является парогенераторная установка одноконтурной АЭС с принудительной циркуляцией с ВВЭР, использующая тепло от ядерного реактора для выработки подаваемого на турбину пара, информация о которой представлена в: Н.Г. Рассохин, «Парогенераторные установки атомных электростанций», Атомиздат, Москва, 1972, с.7-9.
Указанная установка включает: реактор, участок нагрева воды, участок перегрева пара, турбину, электрогенератор, конденсатор, конденсатный насос, циркуляционный насос и блок подачи добавочной воды. Установка работает следующим образом: питательную воду подают насосом в испарительную зону ядерного реактора, где ее нагревают до температуры насыщения с частичным ее испарением в количестве, соответствующем расходу пара на турбину. Далее пароводяная смесь поступает в разделительное устройство-сепаратор, в котором пароводяную смесь в сепаратор вводят на определенной заданной глубине от поверхности зеркала испарения сепаратора. Осажденная в сепараторе вода вместе с питательной водой снова поступает в испарительную зону ядерного реактора, а выделившийся и осушенный в сепараторе до заданной температуры пар по паропроводу направляется в турбогенератор.
Недостатком такой установки является низкий выход пара с единицы поверхности зеркала испарения сепаратора, что обусловлено незначительной скоростью всплытия паровых пузырей, и которая составляет не более 0,4 м/сек. Кроме того, для получения насыщенного пара высокой степени сухости следует: высоту парового объема в сепараторе задавать до значительных показателей (0,5-0,6 м), устанавливать различные дополнительные сепарационные устройства, например, в виде жалюзей или дроссельных листов с отверстиями. Все эти действия требуют значительных габаритов сепаратора и приводят к утяжелению конструкции установки. Далее указанная установка не может работать в условиях невесомости, поскольку скорость всплытия паровых пузырей относительно жидкости в условиях невесомости - нулевая. Другим недостатком является также и то, что частичное испарение жидкости в испарительной зоне ядерного реактора ведет к пульсациям расхода пароводяной смеси в нагревательных каналах и, как следствие, к снижению надежности работы установки.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности и надежности парогенераторной установки, а также возможность работать как в земных условиях, так и в условиях невесомости.
Указанный технический результат достигается тем, что в парогенераторной установке одноконтурной атомной электростанции, содержащей реактор, участок нагрева воды, участок перегрева пара, турбину, электрогенератор, конденсатор, конденсатный насос, циркуляционный насос, блок подачи добавочной воды, согласно изобретению, она дополнительно снабжена вихревым парогенератором, подключенным на входе к участку нагрева воды с подачей ее в перегретом состоянии, а на выходе - к трубопроводу участка перегрева пара.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На чертеже показан схематично общий вид предлагаемой парогенераторной установки одноконтурной атомной электростанции.
Парогенераторная установка содержит ядерный реактор 1, в котором имеется участок нагрева воды 2, участок перегрева пара 3, вихревой парогенератор 4, турбину 5, электрогенератор 6, конденсатор 7, конденсатный насос 8, циркуляционный насос 9, блок подачи добавочной воды 10. Вихревой парогенератор 4 имеет цилиндрическую входную камеру 11, выходную камеру 15. Входная камера 11 имеет центральную полость 18, соединена с выходной камерой 15 расширяющимся по ходу движения жидкости (воды) диффузором 13, внутри которого с зазором установлен в виде усеченного конуса дроссель 14, а входная камера 11 имеет входной тангенциальный канал 12. Установка снабжена паропроводами 16 и 17.
Работает парогенераторная установка следующим образом.
С помощью циркуляционного насоса 9 жидкость (вода) под заданным давлением подают в участок нагрева воды 2 ядерного реактора 1, в котором при заданном давлении ее нагревают до температуры ниже температуры насыщения, т.е. до перегретого состояния. Далее жидкость в перегретом состоянии с участка нагрева воды 2 поступает по входному тангенциальному каналу 12 в цилиндрическую входную камеру 11, а затем по кольцевому зазору, образованному между расширяющимся диффузором 13 и дросселем в виде усеченного конуса 14, поступает в выходную камеру 15, а из нее к трубопроводу участка перегрева пара и далее через циркуляционный насос 9 - к участку нагрева воды.
При движении жидкости в цилиндрической входной камере 11, закручиваясь с большего радиуса на меньший за счет сохранения момента количества движения, скорость воды будет возрастать, а статическое давление в соответствии с законом Бернулли падать. На определенном радиусе закрутки оно станет ниже давления насыщения для заданной температуры и на участке, где давление стало ниже давления насыщения, наступит термодинамическое неравновесие и произойдет частичное испарение жидкости за счет отбора от нее тепла. Образовавшийся в жидкости пар понизит ее температуру до равновесного состояния. Однако, если жидкость и далее будет закручиваться на еще меньший радиус, то скорость ее еще более возрастет, а давление в жидкости вновь станет ниже давления насыщения, что приведет к образованию новой порции пара.
Таким образом, во входной камере 5 вихревого парогенератора 4 на участке, начиная с некоторого радиуса закрутки, на котором давление в жидкости снизилось до величины меньшей давления насыщения при первоначальной температуре и, кончая радиусом свободной поверхности закрученной жидкости, будет происходить объемное кипение, так как при этом тепло на образование пара отбирается от самой жидкости, то температура ее в зоне кипения будет понижаться. Поскольку в жидкости имеется градиент давления по радиусу закрутки, то на образовавшиеся пузырьки пара будет действовать сила, обусловленная действием градиента давления, под действием которой они будут всплывать к свободной поверхности закрученной жидкости и собираться в центральной полости 18 входной камеры 11 вихревого парогенератора 4. При своем движении в зоне кипения пузырьки пара буду поступать из области повышенного давления, вследствие чего объем их будет увеличиваться, что должно привести к изменению параметров пара внутри самих пузырьков. При этом определенное влияние на изменение параметров пара внутри пузырьков будет оказать также и его теплообмен с окружающей жидкостью. Конечное значение температуры пара внутри пузырька в момент вылета его из жидкости будет зависеть от многих причин: теплопроводности пара, скорости испарения с поверхности жидкости внутри пузырька, теплоемкости, времени контакта с жидкостью, инерционных сил пленки, окружающей пузырек, величины поверхности и т.д. В общем случае, можно ожидать, что температура пара отдельных пузырьков, покидающих жидкость, будет отличаться от температуры поверхности жидкости. Однако, за счет того, что в паровой полости молекулы пара обладают тепловой скоростью, и за счет постоянного обмена энергией между ними и поверхностью закрученной жидкости, средние температуры их выравниваются, и обе фазы будут находиться в термодинамическом равновесии, т.е. температура и давление на поверхности жидкости будут равны по величине температуре и давлению, находящемуся над ней пара.
Пар над поверхностью закрученной жидкости в вихревом парогенераторе будет насыщенным и сухим, так как всплывающие пузырьки пара участвуют во вращательном движении вместе с жидкостью и вылетающие из жидкости капли при разрыве пленки пузыря снова возвращаются на ее поверхность.
Выработанный в вихревом парогенераторе 4 пар по паропроводу 16 поступает в участок перегрева пара 3, перегревается до заданной температуры и по паропроводу 17 подается в турбину 5. Из турбины 5 отработанный пар поступает в конденсатор 7 и далее в виде конденсата конденсатным насосом 8 подается на вход циркуляционного насоса 9. Возможные утечки из контура воды и пара восполняются с помощью работы блока подачи добавочной воды 10.
Таким образом, задавая определенные параметры жидкости на входе в вихревой парогенератор: расход, давление, температуру, при соответствующих геометрических размерах вихревого парогенератора скорость всплытия паровых пузырей в камере закручивания можно увеличить, как минимум, в несколько раз, тем самым повысить удельный паросъем с единицы поверхности зеркала испарения, что, в свою очередь, позволит снизить габариты парогенераторной установки.
При этом закрученная жидкость обладает одновременно хорошими сепарационными действиями, что позволяет обходиться без дополнительных сепарационных устройств в виде жалюзей или дренажных дырчатых устройств, как в известной установке по прототипу.
Перенос процесса частичного испарения воды из зоны нагрева в ядерном реакторе в зону закрученной жидкости вихревого парогенератора позволяет избавиться от пульсаций расхода в зоне нагрева жидкости, что способствует увеличению надежности работы установки.
Кроме того, предлагаемая установка способна работать в условиях невесомости, поскольку всплытие паровых пузырей происходит в потенциальном поле закрученной жидкости.