ПАРОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА
STEAM GENERATING PLANT

Изобретение относится к области энергетики, а именно к парогенераторной установке, которая может быть использована при создании двухконтурных атомных электростанций (АЭС) с принудительной циркуляцией.
В настоящее время задача создания современных парогенераторных установок, обеспечивающих более высокую производительность, безопасность АЭС, надежность и экономическую эффективность, является одной из основных проблем развития атомной энергетики.
Известна парогенераторная установка, содержащая парогенератор с испарителем, основной перегреватель острого пара, соединенный с турбиной, промежуточный паровой перегреватель и сепаратор, установленные между цилиндрами высокого и низкого давления (патент Франции №2116671, F22G, 1972 г.).
Недостатком указанной установки является низкий коэффициент полезного действия, обусловленный тем, что имеет место увеличение поверхности нагрева основного перегревателя и повышенное падение в нем давления. К тому же падение давления приводит к снижению температуры конденсации пара в промежуточном перегревателе по сравнению с температурой кипения в основном перегревателе, приводящему к уменьшению температурного напора в промежуточном перегревателе и увеличению его поверхности нагрева. Известна парогенераторная установка АЭС с принудительной циркуляцией, в которой для выработки подаваемого на турбину пара используется тепло от ядерного реактора и содержащая реактор, блок нагрева воды, турбину, электрогенератор, конденсатор, разделительное устройство (сепаратор), кондесатный насос, циркуляционный насос и блок подачи добавочной воды (Η.Г. Рассохин «Парогенераторные установки атомных электростанций», Атомиздат, 1972, с. 11-13, 57-64).
Одним из недостатков данной установки является то, что в испарительной зоне ядерного реактора, где питательная вода нагревается до температуры насыщения, происходит частичное испарение воды в количестве, соответствующем расходу пара на турбину, приводящее к пульсации расхода пароводяной смеси в нагревательных каналах и, как следствие, к снижению надежности работы установки в целом. Другим недостатком является низкий выход пара с единицы поверхности зеркала испарения сепаратора, который, как выявлено, обусловлен низкой скоростью (не более 0,4 м/сек) всплытия паровых пузырей. К тому же для получения насыщенного пара высоту парового объема в сепараторе следует задавать значительных размеров, в частности 0,5-0,6 м, и устанавливать различные дополнительные сепарационные устройства, например, в виде жалюзей или дроссельных листов с отверстиями. Все указанные действия увеличивают размеры сепаратора и приводят к утяжелению конструкции установки в целом.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является парогенераторная установка одноконтурной атомной электростанции, содержащая ядерный реактор, блок нагрева воды, турбину, блок перегрева пара, электрогенератор, конденсатор, конденсатный насос, блок подачи добавочной воды, циркуляционный насос и вихревой парогенератор, вход которого подключен к участку нагрева воды с подачей ее в перегретом состоянии, а выход - к трубопроводу участка перегрева пара (патент RU, №2493482 C2, F22B 1/02, 20.09.2013 г.).
Недостатком указанной установки является то, что рабочее тело, которым является радиоактивная вода, из активной зоны реактора непосредственно поступает в парогенератор, повышая тем самым радиационную опасность.
Кроме того, установка имеет низкую производительность и не может быть использована в двухконтурной АЭС.
Задачей заявленного изобретения является создание такой парогенераторной установки, которая имела бы высокую радиационную безопасность, высокую паропроизводительность и была бы использована в двухконтурной АЭС.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в снижении радиационной опасности атомной электростанции, позволяющей использовать ее в густонаселенных регионах страны, в повышении производительности установки в целом и в расширении диапазона использования установки, а именно в двухконтурной АЭС.
Указанные технические результаты достигаются тем, что известная парогенераторная установка, содержащая ядерный реактор, участок нагрева воды, турбину, электрогенератор, конденсатор, конденсатный насос, блок подачи добавочной воды, циркуляционный насос и вихревой парогенератор, она содержит дополнительные вихревые парогенераторы, в количестве не меньше одного, и подкачивающие насосы, каждый из которых установлен перед каждым дополнительным вихревым парогенератором и соединяет выход предыдущего вихревого парогенератора со входом последующего, при этом все вихревые парогенераторы соединены между собой последовательно, и каждый из них имеет одинаковое конструктивное исполнение, а выход последнего дополнительного вихревого парогенератора соединен со входом циркуляционного насоса.
На чертеже схематично представлена предлагаемая парогенераторная установка, которая содержит ядерный реактор 1, блок 2 нагрева воды, насос 3, вихревой парогенератор 4, турбину 5, электрогенератор 6, конденсатор 7, конденсатный насос 8, циркуляционный насос 9, блок 10 подачи добавочной воды, дополнительные парогенераторы 11 и 12 и подкачивающие насосы 13 и 14, паропровод 15 и биологический защитный элемент 16, при этом каждый из вихревых парогенераторов 4, 11 и 12 имеет одинаковое конструктивное выполнение и включает цилиндрическую входную камеру 17, имеющую входной тангенциальный канал 18, центральную полость 19, диффузор 20, дроссель 21 и выходную камеру 22.
Работает парогенераторная установка следующим образом.
С помощью циркуляционного насоса 9 жидкость (воду) под заданным давлением подают в блок нагрева воды 2 ядерного реактора 1, где нагревают до температуры выше температуры кипения, т.е. до перегретого состояния. Далее жидкость в перегретом состоянии из блока нагрева воды 2 поступает последовательно в первый вихревой парогенератор 4 и далее в дополнительные вихревые парогенераторы 11 и 12, при этом в каждый дополнительный вихревой парогенератор жидкость подают также в перегретом состоянии с помощью подкачивающих насосов 13 и 14 соответственно.
Каждый из указанных выше вихревых парогенераторов 4, 11 и 12 имеет одинаковое конструктивное исполнение, и в них проходят аналогичные процессы выработки пара для турбины 5.
В каждом парогенераторе 4, 11 и 12 жидкость поступает в цилиндрическую входную камеру 17 через входной тангенциальный канал 18 и далее по кольцевому зазору, образованному расширяющимся диффузором 20 и дросселем 21, в виде усеченного конуса, и далее поступает в выходную камеру 22.
При движении воды в цилиндрической входной камере 17 ее скорость будет возрастать, а статическое давление в соответствии с законом Бернулли падать. Это обусловлено тем, что за счет сохранения момента количества движения во входной камере происходит закручивание жидкости с большого радиуса на меньший. На определенном радиусе закрутки давление станет ниже давления насыщения для заданной температуры и на участке, где давление стало ниже давления насыщения, наступит термодинамическое неравновесие, в результате чего произойдет частичное испарение жидкости за счет отбора от нее тепла. Образовавшийся в жидкости пар понизит ее температуру до равновесного состояния. Однако если жидкость и далее будет закручиваться на еще меньший радиус, то скорость ее еще более возрастет, а давление в жидкости вновь станет ниже давления насыщения, что приведет к образованию новой порции пара.
Таким образом, во входной камере 17 вихревых парогенераторов 4, 11 и 12 на участке, начиная с некоторого радиуса закрутки, на котором давление в жидкости снизилось до величины, меньшей давления насыщения при первоначальной температуре, и кончая радиусом свободной поверхности закрученной жидкости, будет происходить объемное кипение. Так как при этом тепло на образование пара отбирается от самой жидкости, то температура ее в зоне кипения будет понижаться. Поскольку в жидкости имеется градиент давления по радиусу закрутки, то на образовавшиеся пузырьки пара будет действовать сила, обусловленная действием градиента давления, под действием которой они всплывают к свободной поверхности закрученной жидкости и собираются в центральной полости 19 входной камеры 17 вихревых парогенераторов. При своем движении в зоне кипения каждого вихревого парогенератора 4, 11 и 12 пузырьки пара будут поступать из области повышенного давления, вследствие чего объем их будет увеличиваться и будут изменяться параметры пара внутри самих пузырьков.
Выявлено, что на изменение параметров пара внутри пузырьков оказывает влияние и теплообмен с окружающей жидкостью. Конечное значение температуры пара внутри пузырька в момент вылета его из жидкости будет зависеть от теплопроводности пара, скорости испарения с поверхности жидкости внутри пузырька, от теплоемкости, времени контакта с жидкостью, от инерционных сил пленки, окружающей пузырек, и величины их поверхности и др. причин. Однако в любом случае температура пара отдельных пузырьков, покидающих жидкость, будет отличаться от температуры поверхности жидкости. Исследовано, что за счет того, что в паровой полости молекулы пара обладают тепловой скоростью и за счет постоянного обмена энергией между ними и поверхностью закрученной жидкости средние температуры их выравниваются и обе фазы будут находиться в термодинамическом равновесии, т.е. температура и давление на поверхности жидкости будут равны по величине температуры и давлению находящегося под ней пара.
В каждом из вихревых парогенераторов 4, 11 и 12 выработанный пар из паровых полостей 19 поступает по паропроводу 15 в турбину 5. При этом пар над поверхностью закрученной жидкости будет насыщенным, так как всплывающие пузырьки пара участвуют во вращательном движении вместе с жидкостью и вылетающие из жидкости капли при разрыве пленки пузырька снова возвращаются на ее поверхность.
При движении жидкости в диффузоре 20 каждого вихревого парогенератора давление в жидкости будет частично восстанавливаться, но не полностью, так как часть давления тратится на преодоление трения. С помощью подкачивающих насосов 13 и 14 давление жидкости доводят до заданного значения. Определено, что температура пара, вырабатываемого в дополнительных вихревых парогенераторах 11 и 12, несколько ниже, чем температура пара, вырабатываемого в первом вихревом парогенераторе 4. Однако на снижение производительности парогенераторной установки двухконтурной атомной электростанции этот момент существенно не влияет.
Предлагаемая парогенераторная установка предназначена для двухконтурной АЭС, снижает радиационную опасность АЭС, позволяющую использовать АЭС в густонаселенных регионах страны, и имеет повышенную производительность по сравнению с прототипом.