ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР
HORIZONTAL STEAM GENERATOR

Предлагаемое техническое решение относится к энергетике, в частности к парогенераторам, которые могут быть использованы в ядерных энергетических установках.
Предлагаемый парогенератор предназначен для генерации сухого насыщенного пара за счет отвода тепла от теплоносителя первого контура и представляет собой горизонтальный, с погружной теплообменной поверхностью и естественной циркуляцией нагреваемой среды теплообменный аппарат.
Во многих странах мира, например в США, Франции, Германии, для ядерных энергетических установок АЭС разрабатываются горизонтальные парогенераторы, состоящие из горизонтального цилиндрического корпуса, в котором размещена теплообменная поверхность, выполненная из горизонтально расположенных труб, например U-образных, барабана для сбора пара, коллекторов подвода и отвода греющего теплоносителя, патрубков подвода нагреваемой среды (см., например, патент № ЕР 2278220, кл. МПК F22B 1/00, опубл. 26.01.2011).
Недостатками являются:
- наличие парового барабана, что увеличивает габариты парогенератора и снижает прочность и надежность конструкции из-за дополнительных мест заделки подъемных и опускных труб;
- расположение всех «горячих» ветвей труб теплообменной поверхности в одной половине корпуса испарителя, а всех «холодных» - в другой, что ухудшает теплофизические характеристики парогенератора, в частности приводит к неравномерности нагрузки зеркала испарения, также в корпусе испарителя возникают дополнительные термические напряжения. Известны горизонтальные парогенераторы типа ПГВ-440 и ПГВ-1000, применяемые в настоящее время на отечественных АЭС с ВВЭР. Парогенераторы выполнены в виде цилиндрического корпуса, в котором размещены горизонтальными рядами теплообменные U-образные трубы, подключенные к трубным доскам вертикальных коллекторных камер (см., например, а.с. SU №995557, кл. МПК F22B 1/00, опубл. 23.07.87, статья Трунов Н.Б., Драгунов Ю.Г. Совершенствование конструкции ПГ АЭС с ВВЭР. The International Nuclear Forum "Nuclear Energy - Challenges and Prospects", Warna, Bulgaria, June 2003, статья Лукасевич Б.И., Давиденко С.Е., Трунов Н.Б., Драгунов Ю.Г. Парогенераторы реакторных установок ВВЭР для атомных установок. М., Наука, 2004, статья Трунов Н.Б., Лукасевич Б.И., В.В. Сотсков, А.С. Харченко. Прошлое и будущее горизонтальных парогенераторов, ФГУП «Гидропресс», г. Подольск).
Недостатками являются:
- расположение всех «горячих» ветвей горизонтальных U-образных теплообменных труб в одной половине корпуса парогенератора, а всех «холодных» - в другой. Основная часть пара вырабатывается в «горячей» половине парогенератора, что ухудшает теплофизические характеристики парогенератора, в частности приводит к большой неравномерности нагрузки зеркала испарения;
- поперечное сечение трубного пучка парогенератора - близкое по форме к половине круга, вследствие чего производство пара по ширине парогенератора неодинаковое, что также приводит к неравномерности нагрузки зеркала испарения;
- вертикальные коллектора первого контура парогенератора, проходящие через уровень котловой воды, что приводит к термоциклированию коллекторов при колебаниях уровня, и образованию на их поверхностях зон досыхания, в которых накапливаются коррозионно-активные примеси. Эти факторы могут привести к повреждению коллекторов на границе водораздела, то есть понижению надежности парогенератора.
Следует отметить, что для парогенераторов типа ПГВ-440 и ПГВ-1000, вырабатывающих насыщенный пар высоких параметров (температуру, давление) большая неравномерность нагрузки зеркала испарения представляла определенные технические трудности в получении пара заданной влажности, даже не смотря на небольшую скорость пара с зеркала испарения, обусловленной малым удельным объемом пара и большой площадью зеркала испарения.
Для получения пара заданной влажности был проведен большой комплекс опытно-конструкторских работ по снижению неравномерности нагрузки зеркала испарения, основными из которых были:
- оптимизация конструкции погружного дырчатого листа;
- оптимизация раздачи питательной воды по объему парогенератора.
Парогенератор, описанный в вышеуказанных статьях, является наиболее близким к предлагаемому техническому решению, его выбираем за прототип.
Технической задачей является создание парогенератора, позволяющего обеспечить требуемые параметры по влажности вырабатываемого пара за счет выравнивания нагрузки зеркала испарения.
Решение поставленной задачи позволяет повысить надежность и тепловую эффективность работы парогенератора, улучшить его теплофизические характеристики.
Применение данного технического решения наиболее актуально в парогенераторах, вырабатывающих насыщенный пар низких параметров (температура, давление). Эти парогенераторы обладают большой скоростью пара с зеркала испарения ввиду большого удельного объема пара, что при наличии неравномерности нагрузки зеркала испарения, как в прототипе, усложняет проблему обеспечения требуемой влажности пара. Для получения пара заданной влажности необходимо оптимизировать условия работы сепарационных устройств, что и достигается выравниванием нагрузки зеркала испарения.
Решается поставленная задача тем, что в парогенераторе, состоящем из расположенного горизонтально цилиндрического корпуса с двумя днищами, коллекторных камер с патрубками подвода и отвода греющего теплоносителя, патрубка подвода нагреваемой среды и патрубков отвода пара, теплообменной поверхности, выполненной из горизонтальных U-образных теплообменных труб, имеющих «горячую» и «холодную» ветви, сепарационного устройства, на каждом днище корпуса выполнены коллекторные камеры подвода и отвода греющего теплоносителя, причем часть труб теплообменной поверхности подключена к коллекторным камерам подвода и отвода греющего теплоносителя, расположенным на одном днище, а другая часть - соответственно на втором днище, образуя секции, кроме того, по высоте теплообменные трубы размещены слоями с чередованием по секциям так, что слои «горячих» или «холодных» ветвей одной секции размещены между слоями «холодных» или «горячих» ветвей другой секции.
Кроме того:
- коллекторные камеры подвода и отвода греющего теплоносителя выполнены квадратной формы;
- патрубки подвода или отвода греющего теплоносителя расположены на противоположных относительно вертикальной диаметральной плоскости парогенератора коллекторных камерах;
- дистанционирующие устройства для теплообменных труб выполнены в виде планок с пазами и отверстиями, обеспечивающими циркуляцию нагреваемой среды;
- сепарационное устройство выполнено в виде верхнего и нижнего перфорированного листа, причем нижний лист снабжен безбарботажными съемными насадками;
- патрубки подвода и отвода греющего теплоносителя выполнены в виде тройника.
Расположение теплообменных труб слоями по высоте - слой «горячих» труб, затем слой «холодных» труб, выполнение трубных пучков в поперечном сечении в виде квадрата обеспечивают равномерную нагрузку зеркала испарения парогенератора, что улучшает теплофизические характеристики парогенератора, работу сепарационных устройств и упрощает задачу измерения уровня нагреваемой воды.
Применение сепарационных устройств в виде погружного листа со съемными безбарботажными насадками и потолочным перфорированным листом позволяет увеличить нагрузку зеркала испарения по сравнению с жалюзийными сепарационными устройствами, что при заданных низких параметрах пара (температура, давление) необходимо для получения заданной влажности пара.
Применение съемных безбарботажных насадок на погружном листе позволяет производить диагностику состояния верхних слоев теплообменных труб.
Применение в качестве дистанционирующих устройств теплообменных труб планок с пазами под теплообменные трубы, которые по высоте устанавливаются друг на друга, позволяет исключить действие веса верхних труб на нижележащие и тем самым минимизировать степень истирания труб в планках с пазами в процессе их температурного перемещения.
Поверхности трубных досок коллекторных камер, имеющие вертикальное положение, позволяют исключить накопление на них шламовых отложений, так как происходит процесс естественного ″сваливания″ шлама и интенсивное смывание восходящими потоками воды и пароводяной смеси.
Исключение фактора накопления шламовых отложений на поверхностях трубных досок уменьшает вероятность фактора коррозионного повреждения теплообменных труб.
Теплообменная поверхность и коллекторные камеры, полностью погруженные под уровень нагреваемой воды, позволяют исключить возможное термоциклирование и образование зоны досыхания, в которой накапливаются агрессивные примеси на границе водораздела.
Применение горизонтальных U-образных теплообменных труб обеспечивает возможность использования парогенератора в системе пассивного отвода тепла СПОТ от реактора в аварийных режимах LOCA (связанных с разгерметизацией по первому контуру). Так как при горизонтальных теплообменных трубах смеси газов первого контура, поступающие в парогенератор из активной зоны реактора, скапливаются в верхних теплообменных трубах (и могут удаляться из верхних точек входных и выходных коллекторных камер), а необходимый теплообмен реализуется циркуляцией теплоносителя первого контура по тракту «реактор-парогенератор» через нижележащие теплообменные трубы.
Суть технического решения поясняется чертежами, где:
на фиг.1, 2 показан продольный разрез парогенератора;
на фиг.3 показан поперечный разрез парогенератора;
на фиг.4, 5 показана схема циркуляции греющего теплоносителя в парогенераторе;
на фиг.6 показано дистанционирование теплообменных труб парогенератора.
Парогенератор представляет собой горизонтальный цилиндрический корпус 1 с двумя днищами 2 и 3. В корпусе 1 установлена теплообменная поверхность 4 и встроенное сепарационное устройство 5. В верхней части корпуса 1 выполнены патрубки 6, предназначенные для отвода пара, например, семь патрубков, а в нижней части патрубок 7, предназначенный для подвода нагреваемой среды (воды второго контура) и расположенный ниже уровня нижних теплообменных труб, патрубки продувки и дренажа 8, патрубки смыва шлама 9. Сепарационное устройство 5 состоит из верхнего потолочного перфорированного листа 10, нижнего погружного перфорированного листа 11, на котором установлены съемные безбарботажные насадки 12. Теплообменная поверхность 4 состоит из горизонтальных теплообменных труб U-образной формы 13, сгруппированных в две секции. Часть труб одной секции подключена к коллекторной камере подвода 14 и отвода 15 греющего теплоносителя (первого контура), расположенных на днище 2, образуя первую секцию. Другая часть труб подключена к коллекторной камере подвода 16 и отвода 17 греющего теплоносителя, расположенных на днище 3, образуя вторую секцию. Коллекторные камеры подвода 14, 16 и отвода 15, 17 имеют квадратную форму и состоят из квадратных трубных досок 18, приваренных через конический переход к патрубкам 19, выполненным в виде тройника. Теплообменные трубы 13, образующие трубный пучок, закреплены в трубных досках 18 по прямоугольной сетке разбивки.
Ветви каждой теплообменной трубы U-образной формы 13 - «горячая», по которой подводится греющий теплоноситель, и «холодная», по которой отводится греющий теплоноситель, расположены в одной горизонтальной плоскости. По высоте корпуса 1 теплообменные трубы U-образной формы 13 расположены слоями друг над другом с чередованием горячих и холодных в следующей последовательности: слой теплообменных труб первой секции, затем слой теплообменных труб второй секции. Дистанционирующие устройства 20 теплообменных труб 13 выполнены из планок с пазами под трубы и отверстиями для циркуляции нагреваемой среды. Планки установлены друг на друга по высоте и закреплены на опорных конструкциях корпуса 1 (на чертежах не показано).
Парогенератор работает следующим образом. Греющий теплоноситель первого контура (вода) движется внутри теплообменных труб 13, нагреваемая среда второго контура (вода-пар) - в межтрубном пространстве. Теплоноситель первого контура из реактора поступает через патрубки 19 во входные коллекторные камеры 14 и 16 (первой и второй секции) парогенератора. Далее теплоноситель проходит по горизонтальным теплообменным U-образным трубам 13, отдавая тепло нагреваемой среде второго контура, поступает в выходные коллекторные камеры 15 и 17 (первой и второй секции) и направляется обратно насосом в реактор.
Нагреваемая среда через патрубок 7 поступает в нижнюю часть корпуса 1 парогенератора, смешиваясь с отсепарированной водой, поступает в межтрубное пространство теплообменной поверхности 4. В межтрубном пространстве среда подогревается, кипит, образуя пароводяную смесь, которая поднимается вверх. Пароводяная смесь на выходе из межтрубного пространства теплообменной поверхности 4 сепарируется на погружном перфорированном листе 11, пар проходит через безбарботажные насадки 12 и попадает в паровую полость корпуса 1, а вода разворачивается, смешивается с нагреваемой средой и отсепарированной водой и опускается вниз, образуя контур многократной естественной циркуляции. Пар через потолочный перфорированный лист 10 и паровые патрубки 6 отводится к потребителю.
Теплообменная поверхность 4 приподнята на определенную высоту относительно нижней части корпуса 1, что исключает повышенную концентрацию шлама в зоне теплообменных труб 13. Так как при развороте нагреваемой воды на вход в теплообменную поверхность 4 в месте разворота основная масса шлама отбрасывается вниз и накапливается в нижней части корпуса 1 вне пределов теплообменной поверхности 4. В процессе эксплуатации парогенератора шлам, накапливаемый в нижней части корпуса 1, удаляется через продувочные патрубки 8 за пределы корпуса.
Система продувки и смывки шлама через патрубки 9 обеспечивает эффективное удаление шлама из зоны его накопления.
Выполнение парогенератора предложенным образом позволяет выравнять нагрузку зеркала испарения, что обеспечивает получение требуемых параметров по влажности вырабатываемого пара, повысить надежность и тепловую эффективность работы парогенератора, улучшить его теплофизические характеристики.
Применение горизонтальных U-образных теплообменных труб в предложенной конструкции парогенератора также обеспечивает надежную естественную циркуляцию греющего теплоносителя по первому контуру даже при снижении его массового уровня ниже верхних рядов труб теплообменной поверхности, что создает благоприятные условия для обеспечения естественной циркуляции теплоносителя в аварийных режимах, связанных с разгерметизацией по первому контуру.