Эффективность вытеснения ПВД в схеме ПГУ на базе АЭС

УДК 621.039.58

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЫТЕСНЕНИЯ ПВД В СХЕМЕ ПГУ НА БАЗЕ АЭС

З.Ю. НОВИКОВА, В.А. ХРУСТАЛЕВ

Саратовский научный центр Российской академии наук Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.

Рассмотрен один из вариантов повышения КПД и мощности второго контура АЭС с ВВЭР вытеснением греющего пара верхнего ПВД с полной компенсацией подогрева за счет теплоты уходящих газов ГТУ. Приведена методика расчета эффективности «вытеснения» ПВД для системы аккумулятора фазового перехода или газоводяного подогревателя. Рассмотрены методика расчета системы аккумуляторов и способы ее зарядки.

Ключевые слова: повышение маневренности, АЭС, парогазовая установка, ГТУ, аккумулирование тепла, вытеснение регенеративного отбора, аккумулятор фазового перехода, газоводяной подогреватель.

В связи с наблюдаемой тенденцией роста стоимости ядерного горючего для российских АЭС вопросы модернизации и повышения КПД второго контура, а также общей эффективности АЭС, в том числе в составе энергокомплексов1, становятся сегодня весьма актуальными. В этом аспекте перспективной является схемно-параметрическая оптимизация комбинирования схем АЭС и ГТУ, позволяющая расширить регулировочный диапазон таких энергокомплексов.

Помимо известных особенностей и преимуществ комбинирования ГТУ и АЭС следует отметить, что в ПГУ на базе энергоблоков АЭС целесообразны только схемы, не вытесняющие более дешевое ядерное топливо при заданной тепловой мощности реакторной установки. В таких схемах глубокая утилизация теплоты уходящих газов возможна «напрямую» - через специальные газопаровые, газоводяные теплообменники с выработкой дополнительной мощности в пиковый период [1]. Другой вариант утилизации теплоты уходящих газов газовой турбины - системы аккумуляторов фазового перехода (САФП) с предпочтительной зарядкой в «провальные» (тзар ) и разрядкой в пиковые (Траз) периоды графиков нагрузки (разной

продолжительности тзар > Траз). При этом следует всемерно повышать величину

«относительного разгрузочного диапазона»

N + AN N

1' ном т ш' пик _ ' max

N -AN N  '

1' ном ш' пров 1' min

что достижимо ростом обеспечиваемых приращения ANпик и снижения А^ров.

Однако в большей мере эффективно приращение А^пик, поэтому необходимо

согласовывать значения ANпик и А^ров так, чтобы показатель коэффициента

использования установленной мощности АЭС с ВВЭР (КИУМдэс) оставался стабильно высоким даже при выполнении возлагаемых на них в будущем требований Системного

1 «АЭС+ пиковый водородный комплекс», «АЭС+ГАЭС» и др.

© З.Ю. Новикова, В.А. Хрусталев Проблемы энергетики, 2012, № 9-10

Оператора по разгрузке. Эффективность высоких КИУМ очевидна из соотношения цен «и02 - газ» в условном эквиваленте для внутреннего и внешнего рынков. При обосновании схем и параметров комбинирования, выборе соотношения мощностей газовой и влажнопаровой частей необходимо обеспечение достаточно высокой загрузки ГТУ, а следовательно, и всей ПГУ (АЭС+ГТУ). Следует также учитывать относительный рост тарифных ставок на пиковую мощность.

В рамках данной статьи рассмотрен один из вариантов повышения КПД и мощности второго контура АЭС с ВВЭР вытеснением греющего пара верхнего ПВД с полной компенсацией подогрева за счет теплоты уходящих газов ГТУ.

При отключении по греющему отборному пару верхнего ПВД для повышения мощности турбины компенсация подогрева питательной воды (один из вариантов) может осуществляться в низкотемпературной секции САФП, где в качестве теплоаккумулирующего вещества (ТАВ) используется нитрат лития (LiNOз). При этом для оценки расхода пара, высвобождаемого из верхнего греющего отбора, необходимо знать температуры подогрева питательной воды в секции САФП. Верхняя температура

задается либо нормативным значением: вариант а) (пв = /Лв, либо повышенным -

вариант б) ?пв > . Вариант б) реализуется, когда имеются возможности по пропуску

дополнительного расхода пара в голову и через последние ступени влажнопаровой турбины. Начальной температурой питательной воды в процессе компенсационного подогрева в низкотемпературной секции системы аккумуляторов следует считать температуру (7 (рис. 1), устанавливающуюся при сливе в этот подогреватель горячего дренажа из второй ступени СПП (случай вытеснения только отборного греющего пара ПВД). Ниже представлены схема отключения ПВД и включения низкотемпературной секции САФП (рис. 1), (-д диаграмма (рис. 2) и Н-8 диаграмма (рис. 3) процесса подогрева питательной воды в ПВД горячим дренажем второй ступени СПП (ПП2).

ух. газы

Рис. 1. Схема отключения ПВД и включения низкотемпературной секции САФП: АФП - аккумулятор фазового перехода; ПП2 - вторая ступень промежуточного пароперегревателя; КС - конденсатосборник подогревателя ПП2

h, кДж/кг

hnnl

Jf=l

Рис.2. Диаграмма подогрева питательной воды в ПВД горячим дренажем ПП2: точки 1, 2, 3, 4 - дросселирование горячего дренажа со вскипанием, конденсацией 1-2-3 и переохлаждением дренажа 3-4; точки 5, 6, 7 -подогрев питательной воды на участках переохлаждения дренажа 5-6 и конденсации пара горячего дренажа после вскипания 6-7

5, кДж/

Рис.3. Диаграмма /г-5 процесса нагрева питательной воды в ПВД только горячим дренажем второй ступени СПП (ПП2): т.1 - состояние дренажа греющего пара ПП2; т.2 - состояние влажного пара после расширения (по изоэнтальпе) в верхнем ПВД; т. 3, 4 - дренаж в состоянии насыщения и переохлаждения

Определим температуру ?7 на примере полного отключения ПВД по греющему пару

й = А -др?2 —3 +¿3 —4) = А •

а по нагреваемой воде

G2.fi D t

или

t3 = t2 = tx, t7 = ty , тогда

Q1 =D •[te + tpm • ( x - 4)]> Q2ri= D t pmt •( y - s )•

В уравнениях (1)^(4): 01, 02 - тепловой поток, передаваемый от горячего дренажа и воспринимаемый питательной водой в ПВД, кВт; А - расход горячего дренажа в ПВД, кг/с; А2 = Апв - расход питательной воды в ПВД, кг/с; срп1 - средняя

изобарная теплоемкость переохлаждаемого дренажа, кДж/(кг-град); гх - теплота конденсации влажного пара (с начальной сухостью х в т.2), кДж/кг.

А А

АлТ А =апп2 ,

где апп2 - относительный расход пара на вторую ступень СПП.

Уравнениям теплового баланса соответствуют уравнения теплопередачи по участкам рис. 2: т.2-3, 3-4 и, соответственно, т.6-7, 5-6. С приближением

Ql = Q2n= k  F

t4 + t3 - t5 + t6 2 2

+ к  F

tx -

t6 +17

Неизвестными в уравнениях (2)^(6) являются ¿х, ¿4, Х6, ?7. Их поиск ведется по четырем уравнениям, на каждом из двух участков (использованы уравнения тепловых балансов и теплопередачи). Так, для участка переохлаждения дренажа расширительного пара из конденсатосборника

»С• трт*т( 34) = Р

¿4 + ¿3 ¿5 + ¿6 —Т2---

с • рт*( );

для участка конденсации

Ак гх • Л Ч -

^ + ^

= Б

' 7 рт 6

( - ),

где кп; кк - коэффициенты теплопередачи на участке переохлаждения дренажа расширительного пара из конденсатосборника и на участке конденсации

соответственно, кВт/(м -град); Рп , Рк - площади поверхности теплопередачи ПВД на

2

соответствующих участках, м ;

Из уравнений (2)^(7) составлена система уравнений (8):

»Г

кп • р

¿4* + *х - ¿5 + ¿6

2 2

Б1 • с = • рт •(у- 6),

( ¿6 + (у 4 кк • Рт ' ' ^ у

- »2 • рт '(6 - 5),

¿хрт

- »2

•( - 6).

При рассмотрении системы уравнений (8) выделим следующие очевидные соотношения, облегчающие ее решение:

Iх - ¿4 • рт „ . , , ¿х - ¿4 . - -- а0. ¿6 - '5 --

5 -'5 »1 • рт «0

¿4 + ?х ¿5 + ¿6 • рт

2 •(¿6 - ¿й) п2 •(¿6 - ¿5 ) к • Р »1

- «1.

¿У -

гх с »2 • рт

- «2; ? у«- ¿6 - гх • 2;

¿V

¿6 **у

^2 рт

¿у - «

- «3-

к 2 •ёу - ¿6) к •Р Приравнивая первые два соотношения, получим

¿4 - ¿5 + ¿х - ¿6 2 • «1

7 х«- ¿4

0

- «4.

Из двух последних соотношений следует, что

¿х - ¿6 + ¿у«- 2г 3 • х • 2 - 5 • х.

Задавая 5?м - ¿х - ¿у , т.е. ¿х -¿у + 5?м, решаем методом итерации следующую систему:

1 у - ¿4

¿6 -+ '5,

«0

¿6 - 1у - гх • 2,

¿6м-(¿у + 5-4*)• (1-«4 )- +4 -о + ),

¿6м- ?уГ+ - • х. Из первых двух уравнений системы

км & «0

- ¿5«- гх • 2

*у

К -1 «0

4* + 5«- 5 •

Из двух последних уравнений

Отсюда, подставив (11) в (10), найдем

Величина гх связана в данном расчетном алгоритме простой аппроксимационной формулой с ¿х - температурой насыщения.

Решим данную систему методом итерации (табл. 1, 2).

Таблица 1

Исходные данные для решения системы уравнений

Наименование Размерность Значение

Температура питательной воды перед верхним ПВД, °С 209,2

Энтальпия горячего дренажа ПП2, Нкс кДж/кг 1214

Расход пара отбора на ПВД, кг/с 82,02

Расход питательной воды через ПВД, кг/с 1518,54

Коэффициент теплопередачи в зоне переохлаждения дренажа ПВД, кп кВт/(м2трад) 2,00

Коэффициент теплопередачи конденсационной части ПВД, кк кВт/(м2трад) 3,50

Площадь поверхности теплообмена в зоне переохлаждения дренажа ПВД, Рп м2 2250

Площадь поверхности теплообмена конденсационной части ПВД, Рк м2 250

Численное значение комплекса: а0 - 17,28

а1 - 12,76

а2 (ктград)/кДж 0,0129

а3 - 0,81

а4 - 1,48

а5 (ктград)/кДж 0,021

Задаваясь (рис. 3) давлением насыщения рх = р2 и определяя энтальпию в т.3, находим гх = к2 - Ь3.

Проведя расчет системы уравнений по данным табл. 2 и принятому температурному напору на горячем участке подогрева питательной воды Ым = 1^5 0С, найдем для каждого значения ¿6, ¿4 и ¿х. В результате анализа полученных данных,

находим единственное верное решение системы уравнений: t6 ~ 209,4 0С, ?7 = 212,64 0С, ?4 = 210,133 0С и tх = 213,64 °С.

Таблица 2

Исходные данные для принятых шагов итерации

Давление насыщения рх, МПа 3,5 3 2,8 2,5 2,2 2

Энтальпия пит. воды ПВД в т.3, h3, кДж/кг 1049,8 1008,4 990,5 962 941,6 908,6

Значение rx, кДж/кг 164,2 205,6 223,5 252 272,4 305,4

Температура пит. воды на выходе из ПВД ty, 0С 211,4 212 212,3 212,6 212,9 213,4

Вышеприведенная методика расчета эффективности «вытеснения» ПВД является общей для случаев полной компенсации подогрева как в газоводяном подогревателе (ГВП), так и в аккумуляторах фазового перехода (АФП).

Выше учтен эффект частичного подогрева питательной воды в корпусе ПВД, отключенного по греющему пару основного отбора за счёт сброса горячего дренажа второй ступени СПП. Перенаправление этого горячего дренажа в деаэратор или ПНД-4 нецелесообразно не только термодинамически, но и в связи с опасностями стояночной коррозии и циклических нагрузок в металле трубчатки и корпуса, полностью отключенного по воде и пару верхнего ПВД. Компенсационный подогрев питательной воды до расчетного значения осуществляется в низкотемпературной секции АФП, где в качестве ТАВ выбран LiNO3 с температурой плавления 252 °С [2].

Тепловой баланс для низкотемпературной секции системы аккумуляторов фазового перехода был представлен в расчетном виде (с газовой стороны и по питательной воде):

°пв = Агв -(Лв1 -Лв2), йг = G -Ср - ^г2),

Ог ' тзар ' "Лзар =

Оп

раз

"Л раз

где 0г , 0пв - теплота, передаваемая от газов (0г ) к питательной воде (0пв ), кВт; Ог - расход уходящих газов ГТУ, кг/с; стр - теплоемкость уходящих газов газовой турбины, кДж/(кг-К); tгl, ^ - температура уходящих газов на входе и выходе секции САФП соответственно, 0С; пзар, Праз - КПД зарядки и разрядки секции аккумуляторов соответственно; тзар , Траз - время зарядки секции САФП и время ее разрядки, с; Опв - расход питательной воды в подогревателях высокого давления, кг/с; кв1, кв2 - энтальпии питательной воды до и после подогрева в секции САФП соответственно, кДж/кг.

Масса теплоаккумулирующего вещества и площадь поверхности теплообмена секции САФП находятся из равенства

Оп

фаз

"Лраз

= кв -МИ- Atв<? траз =

тав тав >

где кв - коэффициент теплопередачи при разрядке аккумуляторов (от ТАВ к питательной воде), кВт/(м2-град); И - площадь поверхности теплопередачи

теплообменного элемента секции САФП,

AtH - среднелогарифмический

2

м

температурный напор между нагреваемой и греющей средой в секции САФП, 0С; Мтав - масса теплоаккумулирующего вещества секции САФП, кг; дтав - теплота, аккумулирующаяся в 1 кг массы ТАВ, кДж/кг:

^ав - *тв •(*пл - тав$ + Д ф +* ж • ( тав2 - пл ), где ^ - температура плавления теплоаккумулирующего вещества, 0С; /тав1 -температура хранения ТАВ, 0С; ¿тав2 - температура, необходимая для полного перехода ТАВ в жидкую фазу, 0С; ств, сж - теплоемкость ТАВ в твердом и жидком состоянии, кДж/(кг-К); ДАф - теплота фазового перехода ЫК03, кДж/кг.

Объем ТАВ в аккумуляторах

Мтав

V -_тав

тав р '

где рж - средняя «компоновочная» плотность ТАВ в жидком состоянии, кг/м3.

Коэффициент теплопередачи при разрядке и зарядке аккумуляторов определяется соответственно. В процессе разрядки вода в аккумуляторе поперечно омывает капсулы с ТАВ, расположенные в шахматном порядке. При зарядке в таком же движении капсулы омываются газами. Например, для режима разрядки (теплоотдачи) коэффициент теплопередачи

кв - V

1 8с 1

— + —с +—

^^в ^ с гч

V й ^ а тав у

где а тав - приведенный коэффициент теплоотдачи от ТАВ к стенке капсулы, Вт/(м2-град); ав - коэффициент теплоотдачи от стенки капсулы к воде, Вт/(м2-град); 8с - толщина стенки капсулы, м; - коэффициент теплопроводности металла стенки, Вт/(м-град);

Тогда необходимая поверхность при разрядке (теплоотдаче) секции САФП

Р - бпв_

кв • Дв • "Л раз

При заданном времени пика графика электрических нагрузок Траз задаём время

зарядки секции аккумуляторов и находим температуру уходящих газов ГТ на выходе из нее:

бив • Тзар

¿г2 - ¿г1--г-.

°г • ср • Траз • "Лзар

Если газотурбинная установка работает 24 часа в сутки без останова, внепиковый суточный период составляет твн, то очевидно, что зарядка аккумулятора может

длиться до тзар < твн . Для разнесения во времени суток провалов разрядки и зарядки

и безостановочной работы ГТУ (без наложения этих процессов) принято, что тзар + Траз < 24, при плановых остановах ГТ на время то

условие: Тзар < Твн - Тост .

Таблица 3

Расчетные данные компенсационного подогрева питательной воды в секции САФП

Характеристики Обозначение Размерность Значение

1 2 3 4

Температурный напор на холодном участке ДГб 0С 39,36

Температурный напор на горячем участке ДГм 0С 22

Среднелогарифмический температурный напор Дв 0С 29,84

Коэффициент теплопередачи по воде кв кВт/(м2-град) 0,46

Теплота передаваемая при разрядке питательной воде ёЛв кДж/кг 156591

Площадь поверхности теплопередачи F м2 11640

Теплота, аккумулирующаяся в 1 кг массы ТАВ Чтав кДж/кг 592,3

Масса ТАВ в секции САФП Мтав кг 4856340

Объем ТАВ в аккумуляторах ^тав м3 4856

Часы разрядки секции САФП траз ч 5,00

Результаты расчета АФП выполненного по разным схемам для принятых условий работы ПГУ приведены в табл. 4.

Таблица 4

Расчетные данные температур газов на входе и выходе АФП для разных длительностей зарядки

Наименование Обозначение Размерность Значение

Часы зарядки секции САФП тзар ч 19 15 10 7 5 3 2

Температура на выходе из АФП способ Л1 при Ог = 602,2 кг/с (1 ГТЭ-180) Гг2 0С 491,5 477,4 443,7 400,4 342,6 - -

Температура на выходе из АФП способ Л при Ог = 1204,4 кг/с (2 ГТЭ-180) Гг2 0С 518 511 494,2 472,5 443,7 376,3 292

Температура газов на входе АФП способ В Гг1 0С 490,9 476,5 - - - - -

Температура на выходе из АФП способ В Гг2 0С 437,7 409,2 - - - - -

Температура газов на входе АФП способ С Гг1 0С 517,8 510,6 493,6 471,6 - - -

Температура на выходе из АФП способ С Гг2 0С 491,2 476,9 454,7 421 - - -

Температура газов на входе АФП способ В Гг1 0С 487 471,7 - - - - -

Температура на выходе из АФП способ В Гг2 0С 460,5 438 - - - - -

А - способ эксплуатации ПГУ, при котором зарядка низкотемпературной секции АФП осуществляется

уходящими газами после газовой турбины с fri = 544,7 0С;

В - способ эксплуатации ПГУ с одной ГТЭ-180 (Ог = 602,2 кг/с), при котором вначале осуществляется зарядка

высокотемпературной секции САФП, необходимой в пиковый период для перегрева свежего пара перед ЦВД

до 300 "С, после чего уходящие газы направляют в низкотемпературную секцию аккумулятора для дальнейшей

утилизации;

С - способ отличающийся от варианта В тем, что зарядку САФП осуществляют две ГТЭ-180 (Ог 1204,4 кг/с);

В - способ отличающийся от варианта С тем, что разрядка высокотемпературной секции САФП направлена на

вытеснение и дополнительный перегрев промежуточного пара перед ЦНД до 300 °С.

Как видно из табл. 4, для зарядки от одной ГТУ низкотемпературной секции САФП необходимо не менее 5 часов. Однако если изначально работали две ГТУ на зарядку высокотемпературных секций САФП, то при trj = 544,7 0С на зарядку низкотемпературной секции АФП потребуется всего 2 часа.

Вопросы рациональных способов зарядки и разрядки последовательно расположенных секций САФП с учетом нестационарного теплообмена в них для разных режимов работы ГТУ представляют самостоятельный интерес и в данной статье не рассматриваются. Таким образом, можно констатировать:

• установка низкотемпературной секции САФП позволяет вытеснять греющий пар верхнего ПВД с полной компенсацией подогрева за счет теплоты САФП, что соответствует приросту мощности ПТУ АЭС на ~ 32,6 МВт;

• сброс горячего дренажа второй ступени СПП в верхний ПВД, при отключении регенеративного отбора, уменьшает количество тепла в САФП, необходимого на подогрев питательной воды до ее номинальной температуры (/пв = 230 0С), и способствует снижению стояночной коррозии подогревателя.

Summary

Considered one of the variants increasing the efficiency and capacity of the secondary circuit of NPP with WWER displacement heating steam of the upper high-pressure heater with full compensation heated by the heat of gas turbine exhaust gases. A method for calculating the efficiency of "crowding out" of high-pressure heater accumulators system of the phase transition or gas-water heater. The method of calculation of the accumulators system and the ways of charging.

Key words: increase agility, nuclear power plants, combined cycle gas turbine, gas turbine, heat storage, the displacement of the regenerative selection, accumulator of a phase transition, gas-water heater.

Литература

1. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые тепловые электростанции. М: Издательский дом МЭИ, 2009. 584 с.

2. Онищенко В.Я. Тепловое аккумулирование энергии на электростанциях. Основы аккумулирования: учеб. пособие. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1995. 84 с.

3. Нуждин В.Н., Просвирнов А.А. Союз атома и газа. / Материалы инновационного форума Росатома, 2007 г. М: Центр «Атом-Инновация», 2007. С. 28-33.

4. Ольховский Г.Г. Энергетические газотурбинные установки. М: Энергоатомиздат, 1985.

304 с.

Поступила в редакцию 13 сентября 2012 г.

Хрусталев Владимир Александрович - д-р техн.х наук, профессор кафедры «Тепловые электрические станции» Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., ведущий научный сотрудник Саратовского научного центра Российской академии наук (СНЦ РАН). Тел.: 8 (8452) 998761; 8 (8452) 998760; 8 (8452)569195. E-mail: oepran@inbox.ru.

Новикова Зоя Юрьевна - ассистент и аспирант кафедры «Тепловые электрические станции» Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., младший научный сотрудник Саратовского научного центра Российской академии наук. Тел.: 8 (8452)998761; 8 (8452)569195; 8 (927) 1266065. E-mail: zoi87@rambler.ru, oepran@inbox.ru.