ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР
HORIZONTAL STEAM GENERATOR

Изобретение «Горизонтальный парогенератор» относится к теплообменной технике и может быть использовано в парогенерирующих установках для атомных электрических станций.
Известен парогенератор для РУ с ВВЭР (Б.И. Лукасевич, Н.Б. Трунов, Ю.Г. Драгунов, СЕ. Давиденко Парогенераторы реакторных установок ВВЭР для атомных электростанций. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. стр. 191-192) - принят за прототип.
Недостатками данного парогенератора являются пониженные характеристики прочности корпуса, удельной мощности и безопасности.
Первый недостаток связан с наличием конструктивного зазора между корпусом парогенератора и коллекторами теплоносителя, приводящего к накоплению коррозионно-опасных примесей и к высоким растягивающим напряжениям на корпусе парогенератора.
Второй недостаток связан с наличием двух коллекторов теплоносителя разнесенных от верхней образующей корпуса парогенератора, что ограничивает наполняемость парогенератора теплообменными трубами. Повысить удельную мощность парогенератора не позволяет схема с непосредственным подключением главного циркуляционного насоса к коллектору теплоносителя, которая не позволяет подключить одновременно два циркуляционных насоса к одному коллектору парогенератора, без существенного усложнения конструкции парогенератора или значительного увеличения гидравлического сопротивления по тракту теплоносителя.
Третий недостаток связан с отсутствием естественной циркуляции теплоносителя во всех теплообменных трубах, а также с наличием вероятности отрыва крышки коллектора теплоносителя с большой течью радиоактивного теплоносителя во внутренний объем горизонтального парогенератора.
Задачей изобретения является уменьшение удельной массы, повышение удельной мощности, надежности и безопасности горизонтального парогенератора.
Техническим результатом предлагаемого РИД является новая конструкция горизонтального парогенератора, обладающая повышенной прочностью и пониженной металлоемкостью горизонтального парогенератора, большим количеством теплообменных труб в корпусе парогенератора, позволяющая, при необходимости, подключить два циркуляционных насоса к парогенератору, всем теплообменным трубам работать в режиме естественной циркуляции теплоносителя и обладающая повышенной безопасностью за счет исключения аварии с большой течью теплоносителя из коллектора теплоносителя во внутренний объем горизонтального парогенератора, а также за счет пониженного уровня растягивающих напряжений в корпусе парогенератора и отсутствия конструктивного зазора между корпусом парогенератора и коллектором теплоносителя.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном горизонтальном парогенераторе, содержащим горизонтальный корпус, теплообменные трубы и патрубки теплоносителя, предлагается раздающий и собирающий коллекторы выполнить в виде единого сосуда, разделенного перегородкой на верхнюю и нижнюю части таким образом, что теплообменные трубы соединяют верхнюю часть сосуда с его нижней частью, причем указанный сосуд в своих верхней и нижней частях сварными соединениями присоединен к горизонтальному корпусу, таким образом, что верхняя часть сосуда проходит через верхнюю образующую горизонтального корпуса, располагается снаружи горизонтального корпуса и закрыта крышкой, а нижняя часть сосуда проходит через нижнюю образующую горизонтального корпуса и закрыта приварным днищем, в котором расположено, по крайней мере, два патрубка теплоносителя, при этом к одному из патрубков теплоносителя подсоединена труба, расположенная в нижней части сосуда.
Сущность изобретения поясняется чертежом, представленным на фиг. 1.
На фиг. 1 показан фрагмент горизонтального парогенератора.
Горизонтальный парогенератор является одним из основных частей реакторной установки (РУ) с водо-водяным энергетическим реактором (ВВЭР). Горизонтальный парогенератор предназначен для охлаждения теплоносителя, поступающего из ядерного реактора, за счет испарения котловой воды, подаваемой внутрь корпуса горизонтального парогенератора. В результате испарения котловой воды происходит генерация пара, который по паропроводам отводится от горизонтального парогенератора и используется как рабочее тело турбины для производства электроэнергии.
В заявленном в изобретении горизонтальном парогенераторе, содержащим горизонтальный корпус 1, теплообменные трубы 2 и патрубки теплоносителя 3, предлагается раздающий 4 и собирающий 5 коллекторы выполнить в виде единого сосуда 6, разделенного перегородкой 7 на верхнюю и нижнюю части таким образом, что теплообменные трубы 2 соединяют верхнюю часть сосуда 6 с его нижней частью, причем указанный сосуд 6 в своих верхней и нижней частях сварными соединениями 8 и 9 присоединен к горизонтальному корпусу 1, таким образом, что верхняя часть сосуда 6 проходит через верхнюю образующую 10 горизонтального корпуса 1, располагается снаружи горизонтального корпуса 1 и закрыта крышкой 11, а нижняя часть сосуда проходит через нижнюю образующую 12 горизонтального корпуса 1 и закрыта приварным днищем 13, в котором расположено, по крайней мере, два патрубка теплоносителя 3, при этом к одному из патрубков теплоносителя подсоединена труба 14, расположенная в нижней части сосуда.
Основными элементами реакторной установки ВВЭР являются: ядерный реактор, главный циркуляционный насос, горизонтальный парогенератор, компенсатор давления и трубопроводы, соединяющие эти элементы. В ядерном реакторе за счет контролируемой, самоподдерживающейся ядерной реакции происходит нагрев оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Циркулирующая через ядерный реактор вода первого контура охлаждает ТВЕЛы и с помощью главного циркуляционного насоса по трубопроводу подается в горизонтальный парогенератор.
Горизонтальный парогенератор с двумя коллекторами теплоносителя, принятый за прототип, работает следующим образом. «Горячий» теплоноситель из ядерного реактора поступает во входной коллектор теплоносителя, раздается в теплообменные трубы и проходя по теплообменным трубам, соединяющим два коллектора теплоносителя, отдает тепло котловой воде, которая от тепла «горячего» теплоносителя кипит и превращается в водяной пар, который по паропроводам подается на турбину. «Горячий» теплоноситель из ядерного реактора пройдя по теплообменным трубам парогенератора и отдав свое тепло котловой воде становится «холодным» и поступает в выходной коллектор горизонтального парогенератора. «Холодный» теплоноситель через присоединенный к выходному коллектору трубопроводу поступает в главный циркуляционный насос, из которого снова подается в ядерный реактор для охлаждения ТВЭЛов. Так как горизонтальный корпус парогенератора нагружен давлением котловой воды и пара, то в его стенках, и особенно на его внутренней поверхности, возникают растягивающие напряжения, максимальная интенсивность которых возникает на кромках отверстий под патрубки, к которым подсоединяются коллекторы теплоносителя. Для уменьшения уровня растягивающих напряжений от действия давления второго контура приходится увеличивать толщину корпуса парогенератора. Снизить интенсивность растягивающих напряжений от действия давления котловой воды и пара второго контура можно путем непосредственного (без переходного патрубка) присоединения коллектора теплоносителя к корпусу парогенератора. Однако, в этом случае, в корпусе ПГ увеличиваются температурные напряжения от термического расширения коллекторов теплоносителя. В существующих горизонтальных ПГ коллекторы теплоносителя в своей верхней части не соединяются с корпусом ПГ и могут свободно перемещаться вверх при нагреве. Если вертикальное перемещение коллектора теплоносителя ограниченно корпусом парогенератора, то в коллекторе теплоносителя возникают осевые температурные сжимающие напряжения, а в корпусе ПГ возникают температурные растягивающие напряжения. Если коллектор теплоносителя смещен от центра поперечного сечения корпуса и не проходит через верхнюю образующую корпуса ПГ, то возникают еще и изгибающие корпус парогенератора напряжения, вызванные неуравновешенностью силы от ограниченного вертикального расширения коллектора. Кроме того, если в корпус ПГ непосредственно вварено два коллектора теплоносителя, имеющих разную температуру (один «горячий», а другой «холодный»), и эти коллектора теплоносителя смещены от центра поперечного сечения корпуса, а также не проходят через верхнюю образующую корпуса ПГ, то корпуса парогенератора будет нагружен дополнительным изгибающим моментом. Для компенсации всех вышеназванных нагружающих корпус ПГ факторов придется увеличивать толщину корпуса ПГ. Внутренний диаметр выходного коллектора равен внутреннему диаметру трубопровода, по которому осуществляется отвод «холодного» теплоносителя, что делает невозможным подключить два параллельно работающих главных циркуляционных насоса к выходному коллектору без использования тройников, значительно увеличивающих гидравлическое сопротивление контура циркуляции. Из-за того, что входной и выходной коллекторы расположены вертикально и параллельно друг другу в режиме естественной циркуляции (например, при полном обесточивании АЭС) в нижних рядах теплообменных труб наблюдается опрокидывание циркуляции теплоносителя, приводящее к снижению эффективности работы горизонтального парогенератора в режиме естественной циркуляции. В горизонтальном парогенераторе с двумя коллекторами теплоносителя, оба коллектора закрыты крышками, расположенными внутри корпуса парогенератора в паровом объеме. При отрыве крышки любого коллектора возникает аварийная ситуация с течью высокорадиоактивной воды охлаждающей реактор во внутренний объем парогенератора. Данная радиоактивная вода по паропроводам через предохранительные клапана может быть выброшена в окружающую среду, что приведет к радиоактивному заражению местности.
Основным средством достижения заявленного в изобретении технического результата является ранее не известная из уровня техники компоновка теплообменных труб в корпусе горизонтального парогенератора с закреплением их в одном, единственном коллекторе. В предлагаемом изобретении содержатся признаки по конструкции собирающего и раздающего коллекторов, выполненных в виде единого сосуда, который своими верхней и нижней частью сварными соединениями присоединен к горизонтальному корпусу парогенератора. Признаки изобретения удовлетворяют требованиям по новизне и изобретательскому уровню, так как приводят к неизвестному из открытых источников техническому результату: повышению прочности и понижению металлоемкости горизонтального парогенератора, большему количеству теплообменных труб в корпусе парогенератора.
Предлагаемый в изобретении горизонтальный парогенератор, в котором раздающий 4 и собирающий 5 коллекторы выполнены в виде единого сосуда 6 работает следующим образом. «Горячий» теплоноситель из ядерного реактора поступает во входной патрубок теплоносителя 3 приварного днища 13, далее «горячий» теплоноситель поступает в трубу 14, присоединенную к патрубку теплоносителя 3. Пройдя по трубе 14 «горячий» теплоноситель оказывается в раздающем коллекторе 4, отделенном перегородкой 7 собирающего коллектора 5. Теплообменные трубы 2 соединяют верхнюю часть сосуда 6 (раздающий коллектор 4) с его нижней частью (собирающий коллектор 5). «Горячий» теплоноситель, раздается по теплообменным трубам 2, соединяющим две части сосуда 6, и проходя по ним, отдает тепло котловой воде, которая от тепла «горячего» теплоносителя кипит и превращается в водяной пар, который по паропроводам подается на турбину, при этом пар находится под большим давлением и нагружает горизонтальный корпус 1 растягивающими напряжениями. «Горячий» теплоноситель из ядерного реактора пройдя по теплообменным трубам 2 горизонтального парогенератора и отдав свое тепло котловой воде становится «холодным» и поступает в собирающий коллектор 5. «Холодный» теплоноситель опускается в приварное днище 13 и через патрубок теплоносителя 3 по трубопроводу поступает в главный циркуляционный насос, из которого снова подается в ядерный реактор для охлаждения ТВЭЛов.
Повышение прочности горизонтального корпуса 1 достигается за счет снижения в нем уровня растягивающих напряжений. В предлагаемом изобретении собирающий коллектор 5 и раздающий коллектор 4, выполнены в виде единого сосуда 6, вваренного в горизонтальный корпус 1 парогенератора по его центру, то есть указанный сосуд 6 проходит через верхнюю 10 и нижнюю 12 образующие горизонтального корпуса 1. Подобная конструкция обладает минимальными растягивающими напряжениями в горизонтальном корпусе 1 от ограниченного вертикального расширения сосуда 6, так как полностью отсутствуют изгибающие горизонтальный корпус 1 моменты и растягивающие напряжения в горизонтальном корпусе 1 будут минимальны, а прочность горизонтального корпуса 1 максимальна. Отверстия под коллектора теплоносителя в горизонтальном корпусе 1 укреплены вваренным в них сосудом 6 и являются самоукрепленными, то есть не требуют дополнительного увеличения толщины горизонтального корпуса 1 для повышения его прочности. А если нет необходимости увеличивать толщину горизонтального корпуса 1, то заявляемый горизонтальный парогенератор будет обладать пониженной металлоемкостью по сравнению с прототипом, в котором отверстия в горизонтальном корпусе парогенератора дополнительно укреплены приварными патрубками и увеличенной толщиной горизонтального корпуса.
Расположение сосуда 6, проходящего через верхнюю 10 и нижнюю 12 образующие горизонтального корпуса 1, то есть по центру горизонтального корпуса 1 на максимальном удалении от боковых образующих горизонтального корпуса 1, позволяет увеличить наполняемость горизонтального парогенератора теплообменными трубами 2 (чем больше расстояние между горизонтальным корпусом 1 и коллекторами теплоносителя 4 и 5, тем большее количество теплообменных труб 2 можно разместить внутри горизонтального парогенератора) и тем самым увеличить удельную мощность горизонтального парогенератора при снижении его удельной массы.
Внутренний диаметр сосуда 6 значительно больше внутреннего диаметра трубопровода, по которому осуществляется отвод «холодного» теплоносителя, что делает возможным подключить два параллельно работающих главных циркуляционных насоса к приварному днищу 13 без увеличения гидравлического сопротивления контура циркуляции.
Из-за того, что раздающий коллектор 4 располагается над собирающим коллектором 5, в режиме естественной циркуляции в теплообменных трубах 2 явления опрокидывания циркуляции теплоносителя полностью исключается и все теплообменные трубы 2 работают в режиме естественной циркуляции, повышая безопасность АЭС.
Сосуд 6 в своих верхней и нижней частях сварными соединениями 8 и 9 присоединен к горизонтальному корпусу 1 таким образом, что верхняя часть сосуда 6 проходит через верхнюю образующую 10 горизонтального корпуса 1, располагается снаружи горизонтального корпуса 1 и закрыта крышкой 11. Прямое подсоединение сосуда 6 к горизонтальному корпусу 1, без использования переходного патрубка (как это сделано в прототипе), позволяет повысить прочность горизонтального корпуса 1 и соответственно уменьшить его толщину и массу, а также позволяет (удалить) избавиться от конструктивного зазора, в котором скапливаются коррозионно-опасные примеси между горизонтальным корпусом и коллектором теплоносителя, что приведет к повышению надежности горизонтального парогенератора. Расположение съемной крышки 11 снаружи горизонтального корпуса 1 приводит к повышению безопасности предлагаемого горизонтального парогенератора, так как при отрыве съемной крышки 11 возникает аварийная ситуация с течью высокорадиоактивной воды охлаждающей реактор в герметичный объем АЭС, при этом радиоактивная вода не может быть выброшена в окружающую среду и привести к радиоактивному заражению местности.
Таким образом, предлагаемый горизонтальный парогенератор по сравнению с прототипом обладает уменьшенной удельной массой, повышенной удельной мощностью, надежностью, прочностью и безопасностью.
Экономическая эффективность применения предлагаемого технического решения определяется снижением стоимости комплекта парогенераторов для АЭС за счет снижения удельной массы и увеличения удельной мощности парогенератора, а также за счет сокращения количества парогенераторов на АЭС при подключении предлагаемого парогенератора одновременно к двум главным циркуляционным насосам.