Анализ термодинамических циклов судовых ядерных энергетических установок

Результаты рассмотрения позволяют сделать следующий вывод. Полученные при расчетах околорезонансные частоты свидетельствуют о нежелательных режимах работы двигателя. В соответствии с ТТХ достигаться

может лишь частота к

Рекомендуется выбрать такой режим работы, при котором частота вращения коленчатого вала не будет достигать величины к2.

Список литературы

1. Обзор повреждений судов и их элементов за 2001-2006 гг. — М.: Изд-во Рос. реч. регистра.

2002.

2. Обзор повреждений судов и их элементов за 2007-2009 гг. — М.: Изд-во Рос. реч. регистра.

2006.

3. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле / С. П. Тимошенко. — М.: Ком. книга. 2006. — 440 с.

4. Валопровод проекта № Р118 / ЦТКБ МРФ. — Л., 1975.

5. Семенов Ю. А. Механика. Теория механических колебаний / Ю. А. Семенов. — СПб.: СПГПУ, 2008. — 412 с.

6. Лашко В. А. Матричные методы в расчетах крутильных колебаний в силовых установках с ДВС / В. А. Лашко, М. В. Лейбович; ХГТУ. — Хабаровск, 2003. — 212 с.

7. Терских В. П. Крутильные колебания валопровода силовых установок. Свободные и резонансные колебания: в 4 т. / В. П. Терских. — Л.: Судостроение, 1970. — 208 с.

8. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. — М.: Наука, 1970. — 720 с.

УДК 629.5.03-8:621.039

Б. В. Ракицкий,

д-р техн. наук, профессор, СПбГМТУ;

И. А. Боровикова,

канд. техн. наук, СПбГМТУ;

А. Ю. Чистяков,

канд. техн. наук, СПбГМТУ

АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ СУДОВЫХ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

m

THE ANALYSIS OF MARINE NUCLEAR POWER PLANTS THERMODYNAMIC CYCLES

В работе выполнен сравнительный термодинамический анализ четырех вариантов судовых ядерных энергетических установок, а также осуществлена оценка влияния рода цикла судовой ядерной энергетической установки на массу, габариты и надежность установки.

The comparative thermodynamic analysis offour versions of marine nuclear power plants and the influence assessment of marine nuclear power plants cycle sort on weight, dimensions and reliability are carried out in the work.

Ключевые слова: судовые энергетические установки, термодинамический цикл, паротурбинная установка, турбозубчатый агрегат, плавучая атомная электростанция, регенеративный цикл, вероятность отказа, эффективный коэффициент полезного действия.

Key words: nuclear power plants, thermodynamic cycle, steam-turbine plant, turbogear assembly, floating nuclear power plant, regenerative cycle, probability of failure, efficiency сoefficient.

ЯДЕРНЫЕ энергетические установки (ЯЭУ) судов и кораблей отечественного флота отличаются разнообразием принципиальных схем паротурбинных установок (ПТУ). Так, установки атомных подводных лодок имеют в своем составе ПТУ нерегенеративного цикла, что объясняется совокупностью требований к энергетическим установкам этого типа кораблей. ПТУ линейных атомных ледоколов выполнены по регенеративному циклу с одной ступенью подогрева питательной воды в деаэраторе отработанным паром в турбоприводах питательных и циркуляционных насосов системы охлаждения главного конденсатора. Подобное решение обеспечивает устойчивую работу системы регенерации при маневрировании судна. В ПТУ транспортного судна «Севморпуть» реализована регенеративная система с тремя ступенями подогрева питательной воды паром отбора от ГТЗА. Дополнительно во 2-ю ступень подогрева направлен отработанный пар питательных турбонасосов. Энергетическая установка плавучей атомной электростанции (ПАЭС) действует по регенеративному циклу с тремя ступенями подогрева питательной воды паром отборов из проточной части ГТА. Эта же установка наряду с электроэнергией вырабатывает тепловую энергию в количестве, необходимом для береговых потребителей.

В табл. 1 приведены характеристики следующих вариантов термодинамических циклов ЯЭУ:

— вариант 1. Цикл нерегенеративный. электрооборудование ЯЭУ и судна обеспечивается электроэнергией автономных турбоэлектрогенераторов;

— вариант 2. Цикл регенеративный с

одноступенчатым подогревом питательной воды в деаэраторе отработанным паром турбоприводов насосов системы охлаждения главного конденсатора и питательной системы ППУ. Питание электроэнергией потребителей ЯЭУ и судна осуществляется главными турбогенераторами;

— вариант 3. Цикл регенеративный с тремя ступенями подогрева питательной воды паром отборов из проточной части главных турбин. Дополнительно во вторую ступень подогрева питательной воды, осуществляемую в деаэраторе, направляется отработанный пар турбоприводов питательных насосов. Обеспечение электроэнергией оборудования ЯЭУ и судна осуществляется автономными турбогенераторами;

— вариант 4. Цикл регенеративный с тремя ступенями подогрева питательной воды паром отборов из проточной части главных турбогенераторов. Питание электроэнергией потребителей ЯЭУ и судна осуществляется главными турбогенераторами. Особенностью варианта 4 является отбор пара из второй ступени подогрева питательной воды в сетевой подогреватель тепловой мощностью 20 МВт. обеспечивающий тепловой энергией береговых потребителей.

Анализ результатов исследования:

1. В вариантах 1 и 3 предусмотрены автономные турбогенераторы для снабжения электроэнергией потребителей ЯЭУ и судна. Вариант 4, прототипом для которого послужил отечественный проект ПАЭС, занимает особое положение. В проекте предусмотрено снабжение потребителей электроэнергией и тепловой энергией. Кроме этого, в ПАЭС, а также в варианте 2 электроэнергия для потребителей ЯЭУ и судна генерируется главными электрогенераторами.

Выпуск 1

Таблица 1

Характеристики термодинамических циклов ЯЭУ

№ п/п N, кВт N^, кВт ^ТГ, кг/с Пэу N. , мВт ^ППУ кг/с ^ кВт

1 40 000 40 000 8,9 0,2 173 63 4353

2 40 000 43 160 0,0 0,25 159 71,7 3160

3 40 000 40 000 7,2 0,26 151 72,8 3894

4 60 000 64 822 0,0 0,27 239 108 4848

В таблице: N — эффективная мощность АТГ; N^ — суммарная мощность АТГ; ЙТГ — паропроизводительность ППУ; пЭУ — КПД СЯЭУ; N. — тепловая мощность реактора; ^ППУ — паропроизводительность ППУ; ^П — суммарная мощность вспомогательных потребителей.

2. Различие в полезном эффекте рассматриваемых установок, послужило основанием для различного подхода к оценке их коэффициента полезного действия. Так, в установках вариантов 1, 2 и 3 к полезному эффекту отнесена мощность главных двигателей, равная 40 мВт, в то время как в установке варианта 4 полезным эффектом считается сумма электрической энергии, равная также 40 мВт и тепловой энергии в количестве 20 мВт

Полученная зависимость КПД от рода регенеративного цикла подтверждает известное положение теории. Целью исследования было установить, сохраняется ли это положение при различном конструктивном выполнении системы регенерации? Как следует из результатов расчетов, приведенных в табл. 1, при переходе от варианта 3 к варианту 4, КПД установки изменяется незначительно в 1,02 раза. Отсюда можно считать варианты 3 и 4 термодинамически примерно равноценными. Для целей проектирования более важными показателями служат мощность реакторов, паропроизводительность ППУ и суммарная электрическая мощность вспомогательных потребителей.

3. Сравнение рассмотренных вариантов ЯЭУ следует производить не только по термодинамической эффективности регенеративных циклов, но и по комплексу таких важнейших показателей, как масса и габариты, на-

дежность, маневренность, технологичность, удобство и безопасность эксплуатации.

4. Различие мощностей реакторов в вариантах 2 и 3 составляет 1,05 раза.

5. Паропроизводительность ППУ в варианте 3 превышает этот же параметр варианта 2 в 1,1 раза. В то же время суммарная электрическая мощность вспомогательного оборудования в варианте 3 выше этой мощности в варианте 2 в 1,24 раза.

6. Сравнительная оценка показателей вариантов 1, 2 и 3 показывает, что ЯЭУ нерегенеративного цикла характеризуется КПД в

1,25 раза ниже КПД установки, действующей по регенеративному циклу. Как следствие, мощность реактора варианта 1 выше мощности реактора установки варианта 2 в 1,1 раза. Однако паропроизводительность ППУ этого варианта ниже варианта 2 в 1,12 раза, так как в связи с полностью электрофицированными вспомогательными механизмами и отсутствием отбора пара мощность электростанции в варианте 1 больше этого показателя варианта 2 в 1,35 раза.

7. Можно предположить что в целях унификации в установках 1, 2 и 3 могут быть применены однотипные реакторы с одинаковой спецификационной мощностью. В этом случае реакторы в установках 2 и 3 на режимах полного хода будут работать с недогрузкой, что приведет к продлению активной зоны реакторов этих установок. Увеличенная паропроизводительность парогенераторов в вариантах 2 и 3 по сравнению с вариантом 1 при их унификации потребует выбора режимов циркуляции теплоносителя первого контура, обеспечивающих постоянство температуры перегретого пара. В этом случае можно считать массу и габариты блочной ППУ рас-

сматриваемых вариантов установок примерно равными.

8. Увеличенная мощность электростанции варианта 1 приведет к увеличению ее массы и габаритов, что отрицательно скажется на соответствующих показателях установки варианта 1.

Учитывая соотношение показателей основных факторов, влияющих на массу ЯЭУ, окончательное суждение о преимуществе какого-либо варианта ЯЭУ можно сделать по результатам проектной проработки рассматриваемых установок.

9. Сравнение установок по показателям надежности является сложной задачей. В целях упрощения ее решения следует сделать ряд допущений. Так, будем считать, что показатели безотказности одноименного оборудования одинаковы и не зависят от его мощности. Кратность резервирования оборудования в вариантах ЯЭУ одинакова и соответствует нормативным требованиям. Оценка показателей надежности должна производиться применительно к спецификационной мощности установок.

В этом случае структурная схема установки с увеличением последовательно включенных звеньев будет характеризоваться более высоким показателем вероятности отказов.

Сравнивая структурные схемы установок вариантов 1, 2 и 3, можно сделать вывод о большей надежности установки нерегенеративного цикла, так как в установках 2 и 3 в роли дополнительных звеньев выступают системы регенерации теплоты, особенно развитые в установке 3.

В установке 1 роль деаэратора выполняет электронообменый фильтр, показатели безотказности которого существенно выше показателей безотказности термического деаэратора.

Второй важнейшей составляющей надежности служит ремонтопригодность. В установках 2 и особенно 3 появляются вспомогательные паропроводы и трубопроводы конденсатов с системами автоматизированного контроля и управления, а также собственно подогреватели питательной воды. Все это усложняет проведение осмотров и восстановительных ремонтов, а следовательно, снижает ремонтопригодность установок.

10. Технологичность установки зависит от объема и сложности технологической подготовки производства, объема и стоимости монтажных работ. Существует очевидная связь этих показателей со сложностью состава оборудования установки. Отсюда можно сделать вывод, что установка варианта 1 имеет преимущество по сравнению с установками регенеративных циклов.

11. Безопасность и условия обитания экипажа судна должны соответствовать нормативным, санитарным нормам и правилам. Выполнение этих требований зависит, в частности, от уровня тепло- и влаговыделения в помещения паротурбинных установок судна. Больший уровень потоков теплоты и влаговы-деления в установках 2 и 3 потребует развитую изоляцию нагретых поверхностей оборудования систем регенерации, а также систему кондиционирования повышенной холодопро-изводительности.

12. Уровень требований к маневренности паротурбинных установок связан с назначением судна. К таким требованиям можно, в частности, отнести поведение установки на частичных режимах эксплуатации. Так, в установке по варианту 2 необходимо предусмотреть систему регулирования параметров отработанного пара вспомогательных турбин, направляемого в деаэратор. Исследования подтверждают, что в случае осуществления баланса по пару ступени подогрева на режиме полной нагрузки на частичных режимах образуются избытки пара, что является недостатком этой схемы. Сложнее решается эта задача в установках с подогревом питательной воды паром отборов из проточной части главной турбины. С изменением нагрузки турбины изменяются параметры отборов пара. Существует несколько решений поддержания параметров отбора пара в допустимых пределах. Однако, по мнению ряда специалистов, в частности А. Г. Курзона, все они с точки зрения тепловой экономичности неудовлетворительны. Наиболее просто решается задача работы 149 установки на частичных режимах, выполненной по нерегенеративной схеме в варианте 1.

13. Особое положение занимает установка варианта 4. Как отмечалось выше, установка ПАЭС генерирует два вида энергии, в связи

Выпуск 1

с чем ее эффективность следует оценивать по аналогии с оценкой стационарных теплоэлектростанций. Основным критерием эффективности следует считать стоимость вырабатываемой энергии. Отсюда первостепенное значение приобретают первоначальные затраты на сооружение станции, в том числе стоимость активной зоны реактора, стоимость эксплуатации, включая стоимость реализации ядерной и радиационной безопасности, влияющие на стоимость производимых видов энергии. Последние зависят от местоположения станции, наличия конкурирующих поставщиков энергии, особенностей режимов использования энергии потребителями. Все это относится к области коммерческой эксплуатации станции, показатели которой оцениваются вероятностными величинами, а в ряде случаев неопределенными параметрами.

Очевидно, что различные виды энергии будут иметь различную стоимость. В ра-

боте принято допущение об энергетической равноценности тепловой и электрической энергии. Отсюда их суммарная мощность рассматривается как полезный эффект станции, что обусловило существенный рост ее КПД по сравнению с установкой варианта 3, где также реализуется 3-ступенчатый подогрев питательной воды. В целях объективности исследования рассмотрен вариант ЯЭУ, где применительно к варианту 4 ЯЭУ введено понятие эксергии тепловой энергии. Эксергия 20 мВт тепловой энергии при сохранении параметров термодинамического цикла эквивалентна 9000 кВт электрической энергии. В этом случае эффективный КПД станции равен 0,21, против КПД основного варианта 4, равного 0,268. Это вытекает из положений теоретической термодинамики, однако, как следует из рассмотренных выше соображений, коммерческий эффект станции может быть иным.

Список литературы

1. Ракицкий Б. В. Термодинамический анализ судовой ядерной энергетической установки / Б. В. Ракицкий // Тр. ЛКИ. — 1971.

2. Ракицкий Б. В. Судовые ядерные энергетические установки / Б. В. Ракицкий. — Л.: Судостроение, 1976.

3. Ракицкий Б. В. Исследование к проектированию плавучих энергоблоков / Б. В. Ракицкий,

В. Ф. Диденко, А. И. Чернов; НТК СПбГМТУ. — СПб., 1999.

4. Ракицкий Б. В. Программа «Энергетический расчет ЯЭУ» / Б. В. Ракицкий. — СПб.: СПбМТУ. 2000. Рукопись.