Устройство первого контура двухконтурной ядерной энергетической установки
TWO-CIRCUIT NUCLEAR ENERGY PLANT THE FIRST CIRCUIT DEVICE

Изобретение относится к устройству первого контура системы циркуляции двухконтурной ядерной энергетической установки, а именно к обеспечению охлаждения активной зоны реактора и передача теплоты в парогенераторе второму контуру, с помощью как минимум одного главного циркуляционного насоса, а также при наличии компенсатора давления, включенного в контур системы циркуляции первого контура ядерной энергетической установки.
Известна система циркуляции воды двухконтурной ядерной энергетической установки [1], схема которой приведена на фиг. 1.
Система содержит два контура циркуляции жидкости двухконтурной энергетической установки (например ядерной), включающие следующее оборудование: 1 - реактор; 2 - трубопровод: главный циркуляционный насос - реактор; 3 - главный циркуляционный насос; 4 - трубопровод: парогенератор -главный циркуляционный насос; 5 - трубопровод от нижней части компенсатора давления к первому контуру; 6 - трубчатые электронагреватели; 7 - компенсатор давления; 8 - парогенератор; 9 - трубопровод: реактор - парогенератор и другие.
С целью упрощения представленной схемы выделим гидравлическую схему первого контура двухконтурной ядерной энергетической установки с компенсатором давления, которая представлена на фиг. 2, которая и является предметом подробного рассмотрения.
На фиг 2 обозначены: 1 - реактор; 2 - трубопровод: главный циркуляционный насос - реактор; 3 - главный циркуляционный насос; 4 - трубопровод: парогенератор - главный циркуляционный насос; 5 - трубопровод от нижней части компенсатора давления к первому контуру; 6 - трубчатые электронагреватели; 7 - компенсатор давления; 8 - парогенератор; 9 -трубопровод: реактор - парогенератор;
В состав энергетической реакторной установки [1, 2, 3] входят следующие основные контуры и системы:
- первый контур;
- второй контур;
- промежуточный контур охлаждения оборудования реакторной установки;
- система аварийного отвода тепла;
- система аварийного охлаждения активной зоны;
- система подпитки первого контура;
- система ввода жидкого поглотителя;
- система снижения давления в герметичном ограждении;
- система охлаждения корпуса реактора (заполнения кессона реактора водой);
- система рециркуляции.
Первый контур [1] представляет собой герметичную замкнутую систему, предназначенную для отвода тепла от активной зоны реактора и передачи его воде-пару второго контура в парогенераторах.
В состав первого контура входят:
- реакторный блок;
- система компенсации давления;
- система очистки и расхолаживания.
Циркуляция теплоносителя первого контура в реакторном блоке осуществляется следующим образом. Теплоноситель с напора главных циркуляционных насосов (фиг 2, поз 3) через внутренние насосные патрубки и кольцевую полость парогенератора (фиг 2, поз 8) попадает в реактор (фиг 2, поз 1). Пройдя кольцевой зазор между корпусом реактора и обечайкой внутрикорпусной шахты теплоноситель через щелевой фильтр, попадает в напорную камеру активной зоны.
Пройдя активную зону, нагретый теплоноситель первого контура попадает в сливную камеру реактора, откуда через внутренние патрубки поступает в кольцевой зазор между обечайкой трубной системы и корпусом парогенератора (фиг 2, поз 8), а затем через переливные окна на трубную систему парогенератора.
Из парогенератора охлажденный теплоноситель первого контура по кольцевым полостям между главными и внутренними патрубками поступает в гидрокамеры на всасывании главных циркуляционных насосов (фиг 2, поз 3).
При нормальной эксплуатации теплоноситель первого контура отводит тепло от активной зоны реактора (фиг 2, поз 1) и передает его в парогенераторах (фиг 2, поз 8) воде-пару второго контура, в аварийных режимах - обеспечивает расхолаживание реактора, отводя тепло от активной зоны и передавая его в парогенераторах теплоносителю второго контура или в теплообменнике системы очистки и расхолаживания теплоносителю промежуточного контура.
В качестве теплоносителя первого контура используется специально подготовленная вода.
Система компенсации объема предназначена для компенсации увеличения объема воды при ее нагреве и создания давления в первом контуре реакторной установки в заданных пределах при работе реакторной установки в стационарных режимах в заданных пределах и ограничения отклонений давления в переходных и аварийных режимах.
В реакторной установке использована вынесенная паровая система компенсации давления (фиг 2, поз 7). В качестве источника пара применяются электрические нагреватели (фиг 2, поз 6) (например, в контуре реактора ВВЭР 1000 используется 4 блока по 6 кассет трубчатых электронагревателей (фиг 2, поз 6) с мощностью по 100 кВт каждый, всего 600 кВт, в каждом блоке, суммарная мощность подогревателей 2400 кВт).
Система компенсации объема относится к системам нормальной эксплуатации, важным для безопасности. В состав системы входят:
- паровой компенсатор давления;
- электронагреватели;
- регулирующая и предохранительная арматуры;
- трубопроводы;
- первичные измерительные преобразователи.
Размеры компенсатора давления (фиг 2, поз 7) исключают оголение электронагревателей и превышение максимально допустимого уровня теплоносителя в нем при изменении мощности реакторной установки в диапазоне от нулевой до номинальной. При плановом разогреве и расхолаживании масса теплоносителя в первом контуре компенсируется системами. Компенсатор давления подключен к первому контуру по «горячей ветке» трубопроводом (фиг 2, поз 5) и к одному из парогенераторов. Впрыск «холодного» теплоносителя в душирующее устройство компенсатора давления производится с напора главного циркуляционного насоса трубопроводом, на котором установлен регулирующий клапан.
Работа системы компенсации давлении осуществляется следующим образом. При снижении давления в первом контуре производится включение в работу регулирующей группы нагревателей (фиг 2, поз 6), при повышении давления - в паровую полость компенсатора давления производится впрыск «холодного» теплоносителя с напора главного циркуляционного насоса (фиг 2, поз 3).
Объем компенсатора давления, соотношение пара и воды в нем, производительность впрыска и мощность нагревателей обеспечивают снижение, повышение и поддержание давления в первом контуре в определенных проектом интервалах и с допустимыми скоростями изменения во всех проектных режимах.
Это техническое решение и принято за прототип предлагаемого технического решения.
Здесь следует отметить некоторые недостатки технического решения прототипа.
Первое, это то, что при циркуляции воды по первому контуру (в схеме прототипа), отсутствует циркуляция горячей воды через компенсатор давления и при этом возникают термические напряжения при работе трубопроводов систем и оборудования первого контура за счет возникающего перепада температур. Это связано с тем, что горячая вода первого контура по трубопроводу 9 (фиг 2) не поступает в компенсатор давления, а только передает увеличивающийся объем воды из-за повышения ее температуры.
Нагрев объема воды в компенсаторе давления осуществляется электрическими нагревателями (фиг 2, поз 6), что в свою очередь дополнительно расходуется электроэнергия.
Второе. Как уже было сказано, что в качестве источника пара применяются электрические нагреватели (фиг 2, поз 6). При этом расходуется электрическая энергия, которая и вырабатывается самой электростанции, что также в свою очередь снижает коэффициент полезного действия самой станции.
Третье. В инструкции по эксплуатации имеются требования по обеспечению перепада температур в системах (например, в инструкции по эксплуатации реакторной установка В-320 (с реактором ВВЭР - 1000) ИЭ.4.УА.РЦ-2/01 от 2000 года описано требование:
пункт 5.2.3 Разность температур раствора борной кислоты в компенсаторе давления (КД) и корпуса КД не должна превышать 60°С,
пункт 5.2.4. Разность температур верха и низа корпуса КД не должна превышать 50°С,
пункт 5.2.5. Разность температур верха и низа корпуса КД при разогреве не должна превышать 85°С,
пункт 5.2.6 Разность температур теплоносителя в КД и в первом контуре не должна выходить за пределы 20÷70°С,
пункт 5.2.7 Разность температур «горячих» и «холодных» ниток петель не должна превышать 10°С).
Тем самым необходимо при работе обеспечивать эти перепады температур, что влечет за собой их контроль, работу системы автоматики и работу электрических нагревателей (фиг 2, поз 6), что влечет за собой потребление выработанной электроэнергии и снижению КПД самой энергетической установки.
Такие обстоятельства приводят к снижению надежности и экономичности самой электрической станции, что является недостатком прототипа.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание первого контура системы циркуляции двухконтурной ядерной энергетической установки повышению ее надежности и экономичности путем установки компенсатора давления параллельно ректору, через который обеспечивается циркуляция части воды первого контура.
В заявленном изобретении для достижения данного технического результата является создание устройства первого контура системы циркуляции двухконтурной ядерной энергетической установки.
Это достигается тем, что компенсатор давления включен в первый контур энергетической установки, таким образом, что через него обеспечивается часть циркуляционной «горячей» воды первого контура (например, 5…40 процентов). Схема представлена на фиг. 3.
В ней компенсатор давления подключен параллельно ректору. В этом случае нагретая вода в реакторе подается по трубопроводу 9 в парогенератор 8, но при этом часть горячей воды по трубопроводу 10 подается в верхнюю часть компенсатора давления 7, а уже от него с нижней части по трубопроводу 5 подводится на вход главного циркуляционного насоса 3.
При этом часть горячей воды проходит через компенсатор давления 7 и тем самым, испаряясь, уже создает давление пара в компенсаторе давления 7, равным давлению насыщения пара при соответствующей температуре. Таким образом, создается часть давления для поддержания необходимого давления пара в компенсаторе давления 7, а значит, нет необходимости включать трубчатые электронагреватели 6 либо уменьшить их количество, что в свою очередь ведет к экономии электроэнергии и снижению стоимости изготовления электронагревательного устройства 6.
При этом трубчатые электронагреватели 6 могут использоваться для поддержании необходимого давления до необходимого, но с учетом уже созданного давление пара при циркуляции и испарении воды в объеме компенсатора давления. Причем при изменении температуры воды, поступающей в компенсатор давления 7, будет изменяться и давление в нем, а это будет зависеть от нагрузки на ректоре 1.
Далее, при прохождении горячей воды через компенсатор давления будут прогреваться сам корпус компенсатора давления и все трубопроводы и системы первого контура, что приведет к выравниванию их температур, а значит и к снижению внутренних термических нагрузок действующих на них, и как следствие приведет к повышению надежности всей системы.
Тем самым предлагаемое техническое решение включения компенсатора давления параллельно реактору в первом контуре системы циркуляции двухконтурной ядерной энергетической установки способствует повышению надежности и экономичности ядерной энергетической установки относительно имеющегося технического решения прототипа.
Литература:
1. Основное оборудование АЭС с корпусными реакторами на тепловых нейтронах: учеб. пособие / С.М. Дмитриев, Д.Л. Зверев, А.Г. Орлов [и др.] / под общ. ред. С.М. Дмитриева; НГТУ им. Р.Е. Алексеева, Н. Новгород, 2008. - 458 с.
2. Т.X. Маргулова Атомные электрические станции. Издательство по атомной технике (ИздАТ), пятое издание, 1994, 269 с
3. Конструирование основного оборудования АЭС: учеб. пособие / С.М. Дмитриев, В.А. Фарафонов / под общ. ред. С.М. Дмитриева; НГТУ им Р.Е. Алексеева, Издание 2-ое дополненное и переработанное, 2009, С 509 ISBN 978-5-93272-581-8