1.2 Системы нормальной эксплуатации аэс с реактором ввэр-1000

Современные АЭС с реактором ВВЭР-1000 компонуются блоками. Главный корпус АЭС состоит из реакторной установки с водо-водяным реактором (1-ый контур) и турбогенераторной установки (2-ой контур) с турбиной на насыщенном паре. Основными компонентами АЭС являются реакторное отделение, содержащее оборудование и системы 1-го контура, и турбинное отделение, содержащее оборудование и системы 2-го контура (рис. 1.11). Тепловая схема – двухконтурная. 1-ый контур радиоактивный и состоит из реактора ВВЭР-1000, парового компенсатора давления, четырех парогенераторов ПГВ-1000М, четырех главных циркуляционных насосов ГЦН-195М и четырех петель (трубопроводов) диаметром 850 мм, соединяющих оборудование 1-го контура с реактором. Трубопровод, соединяющий все оборудование реакторной установки, называется главным циркуляционным трубопроводом (ГЦТ). Четыре петли ГЦТ, реактор, ГЦНы и парогенераторы образуют главный циркуляционный контур АЭС (ГЦК) (рис. 1.12). Т.е. ГЦК плюс некоторые вспомогательные системы – это и есть 1-ый контур АЭС с ВВЭР-1000. Трубопроводы, соединяющие парогенераторы с реактором, называют горячими нитками, т.к. здесь температура теплоносителя максимальна и равна 322 ⁰С. Трубопроводы, соединяющие парогенераторы, ГЦНы и реактор, называют холодными нитками, т.к. здесь температура теплоносителя минимальна и составляет 289 ⁰С. Тепловая мощность реактора ВВЭР-1000 составляет 3000 МВт, электрическая в три раза меньше – 1000 МВт. Каждый парогенератор ПГВ-1000М имеет тепловую мощность 750 МВт, электрическую – 250 МВт. Т.е. кпд энергоблока составляет около 33 %.

Рассмотрим принцип работы двухконтурной АЭС, ограничившись одной петлей, так как процессы в других петлях 1-го контура идентичны (рис. 1.13).

Рис. 1.11 Главный корпус атомной электрической станции: ПГ – парогенератор, ГЦН – главный циркуляционный насос, ГЦТ – главный циркуляционный трубопровод

Рис. 1.12 Главный циркуляционный контур (1-ый контур) АЭС с ВВЭР-1000

Д ля того, чтобы отбирать от реактора тепло, выделяющееся в результате ядерной реакции, в него с помощью ГЦН подается вода под давлением Р=160 кгс/см². На входе в реактор вода имеет температуру Т=289 ⁰С, на выходе она нагревается до Т=322 ⁰С (т.е. ΔТ≈30 ⁰С). Как видно из рис. 1.6, при Р=160 кгс/см² вода закипает при Т=346 ⁰С и, таким образом, в 1-ом контуре всегда циркулирует только вода без образования пара. Из реактора (рис. слева) вода с температурой 322 ⁰С поступает в парогенератор. Парогенератор – это горизонтальный цилиндрический сосуд, частично заполненный водой 2-го контура; над водой имеется паровое пространство. В воду 2-го контура погружены многочис­ленные трубы, в которые поступает нагретая вода из ядерного реактора. Под действием теплоты 1-го контура происходит парообразование воды 2-го контура. Можно сказать, что парогенератор – это кипятильник, выпаривающий воду 2-го контура при повышенном давлении в 1-ом контуре. В парогенераторе создается давление существенно меньшее, чем в 1-ом контуре (для ВВЭР-1000 и турбины К-1000-60/1500-2 это давление свежего пара 60 кгс/см²). Поэтому уже при нагреве до 275 ⁰С (рис. 1.6) вода в парогенераторе закипает. Таким образом, в парогенераторе, являющимся связывающим звеном 1-го и 2-го контура (но расположен­ном в реакторном отделении), генерируется сухой насыщенный пар с давлением Р=60 кгс/см² и температурой Т=275 ⁰С. Если говорить строго, то этот пар влажный, однако его влажность очень мала (Y=0,2-0,5 %).

Рис. 1.13 Тепловая схема АЭС с реактором ВВЭР-1000: ПГ - парогенератор, ГЦН – главный циркуляционный насос, КД – компенсатор давления, ТЭН - трубчатый электронагреватель, САОЗ – емкость системы аварийного охлаждения активной зоны, «___» - горячая нитка 1-го контура, «___» - холодная нитка 1-го контура, БРУ-А – быстродействующая редукционная установка сброса пара в атмосферу, БРУ-К – быстродействующая редукционная установка сброса пара в конденсаторы турбины, БРУ-СН – быстродействующая редукционная установка сброса пара в коллектор собственных нужд, СРК – стопорно-регулирующий клапан, ЦВД – цилиндр высокого давления турбины, С – сепаратор, ПП – пароперегреватель, СПП – сепаратор пароперегреватель, ЦНД – цилиндр низкого давления турбины, КЭН – конденсатный электронасос, БОУ – блочная обессоливающая установка, ПНД – подогреватель низкого давления, ТПН – турбопитательный насос, ПВД – подогреватель высокого давления

С выхода парогенератора (рис. слева), охлажденная до 289 ⁰С вода 1-го контура возвращается обратно на вход ГЦН, откуда, проходя через холодную нитку, опять направляется в реактор для последующего нагрева. Т.е. теплоноситель 1-го контура (вода) с помощью ГЦН непрерывно прокачивается по замкнутому циклу: холодный теплоноситель поступает в реактор → нагревается в нем → подается в парогенераторы → отдает полученное тепло воде 2-го контура и вызывает ее парообразование → охлажденная вода 1-го контура с выхода парогенератора подается на всас ГЦН (рис. слева), который закачивает воду в реактор для последующего нагрева → далее процесс повторяется (рис. 1.13).

Если при постоянном давлении в 1-ом контуре, будет происходить интенсивное изменение температуры теплоносителя, то и его объем также будет изменяться. Например (табл. 2.1), при Р=160 кгс/см² и изменении температуры от 290 ⁰С до 320 ⁰С, удельный объем воды увеличится в 1,12 раза. При больших перепадах температур, изменения объема будут еще большими. Поэтому в состав 1-го контура АЭС с ВВЭР-1000 обязательно должен входить компенсатор давления, который предназначен для компенсации изменения объема теплоносителя и поддержания заданного давления в 1-ом контуре во всех режимах работы. Изменение объема воды происходит из-за изменения ее температуры – при увеличении температуры воды, ее объем также увеличивается, и наоборот (табл. 2.1). Компенсатор давления подключается к горячей нитке 4-ой петли (рис. 1.13). Отсутствие арматуры на этом трубопроводе обеспечивает беспрепятственный переток теплоносителя из 1-го контура в компенсатор давления и обратно. Нижняя часть компенсатора заполнена водой и обогревается электрическими нагревателями ТЭН; в верхней части, заполненной азотной или паровой подушкой, расположено распылительное устройство. Для регулирования давления в сторону повышения, в КД установлены трубчатые электронагреватели (при включении ТЭН давление в 1-ом контуре начинает расти), а в сторону понижения - к нему подведен трубопровод впрыска холодного теплоносителя из холодной нитки 1-ой петли (при распылении холодного теплоносителя в паровом пространстве КД давление в нем и, следовательно, в 1-ом контуре падает).

Таким образом, теплоноситель 1-го контура температурой 322 ⁰С и давлением 160 кгс/см², проходя через четыре парогенератора, вызывает нагрев и парообразование воды 2-го контура. Пар с выхода ПГ по четырем паропроводам подается на турбину. Непосредственно у турбоагрегата установлены секции стопорно-регулирующих клапанов СРК, которые предназначены для аварийной остановки турбины при выходе параметров основного оборудования (реактора, турбины) за пределы уставок. Каждый из четырех паропроводов имеет связь с главным паровым коллектором, который предназначен для выравнивания давления в паропроводах путем организации перетока пара между отдельными паропроводами. На главном паровом коллекторе установлен ряд устройств, предназначенных для удаления излишков пара из главных паропроводов при протекании переходных и аварийных режимов – БРУ-А, БРУ-К и БРУ-СН (рис. 1.14). БРУ-А – сбрасывает излишки пара в атмосферу, БРУ-К – в конденсаторы турбины, БРУ-СН – в коллектор собственных нужд (КСН).

Рис. 1.14 Тепловая схема 2-го контура АЭС с ВВЭР-1000

Насыщенный пар температурой T=275 ⁰С и давлением P=60 кгс/см² по четырем паропроводам подается на вход ЦВД турбины и приводит во вращение ее вал. Вал турбины, вращающийся с частотой 25 об/сек, соединен с электрическим генератором, который преобразует механическую энергию вращения в электроэнергию - трехфазное переменное напряжение 24 кВ с частотой 50 Гц. Чтобы получить как можно большую работу от пара, необходимо его расширение в турбине с сопутствующим уменьшением давления и температуры. Чем больше будет изменение давления, тем больше производимая работа. Однако в процессе расширения пара увеличивается его влажность, которая достигает на выходе ЦВД недопустимых значений (около Y=12%). Элементы паровых турбин, работающие во влажном паре, подвергаются непрерывному воздействию со стороны образовавшихся капель, вследствие чего возникает износ лопаток и другие дефекты. Система промежуточного перегрева предназначена для отделения влаги (сепарата) из отработавшего в ЦВД пара и последующего его перегрева. Перегрев обеспечивает работу последних ступеней турбины с допустимой влажностью на период расчетного срока эксплуатации блока (30 лет).

Отработавший в ЦВД пар, при давлении P=11,6 кгс/см², температуре T= =184 ⁰C и влажности Y=12 %, по паропроводам поступает в сепаратор С, где от него отделяется до 10 % влаги. Сепарат (влага, отделенная от пара) сливается в сепаратосборник и далее подается в подогреватели низкого давления, а точнее в общий коллектор за ПНД-4. Сухой пар после С направляется в пароперегреватели 1-ой (ПП1) и 2-ой (ПП2) ступени, где перегревается до 250 ⁰С и далее под давлением 11,6 кгс/см² проходит в три ЦНД турбины. Перегрев сухого пара в ПП производится за счет отбора теплоты пара из ЦВД: ПП1 обогревается паром 1-го отбора ЦВД, а ПП2 обогревается свежим паром непосредственно со входа ЦВД. В ЦНД перегретый пар опять расширяется, совершает работу и увлажняется. С целью совершения как можно большей работы, на выходе турбины поддерживается давление, близкое к вакууму, и конденсаторы, которые принимают отработавший водяной пар, также находятся под разряжением. С выхода трех ЦНД отработавший в турбине пар под давлением Р=0,04 кгс/см² поступает в три конденсатора – для каждого ЦНД свой конденсатор. Через конденсаторы прокачивается охлаждающая вода температурой 15-20 ⁰С, которая вызывает конденсацию пара и образование воды. Для создания разрежения (вакуума) в выходных патрубках ЦНД, в состав конденсационной установки входят пароструйные эжекторы – пусковые, основные и эжекторы уплотнений. Отсос несконденсировавшихся газов и воздуха из конденсаторов с целью поддержания в них постоянного разрежения производится основными эжекторами ЭО (рис. 1.14). Отсос паровоздушной смеси из уплотнений турбины осуществляется эжектором уплотнений ЭУ. Пусковые эжекторы используются и создают вакуум в конденсаторах только при пуске энергоблока (причем совместно с ЭО).

Вода из конденсаторов, пройдя 100%-ную очистку в блочной обессоливающей установке (БОУ), конденсатным насосом 2-ой ступени направляется в систему регенерации (конденсатно-питательный тракт АЭС), состоящую из четырех ступеней подогревателей низкого давления (ПНД 1 – ПНД 4), двух деаэраторов и двух групп по два подогревателя высокого давления (ПВД 6 и ПВД 7 - А и Б) (рис. 1.13). Из-за того, что фильтры БОУ не могут выдержать больших давлений, используют две группы конденсатных насосов - КЭН 1 и КЭН 2. Насосы 1-ой ступени работают при низком давлении Р=12 кгс/см² и перекачивают воду от конденсаторов через БОУ на всас насосов 2-ой ступени, давление которых гораздо выше – Р=20 кгс/см². Подогреватели низкого давления предназначены для повышения температуры конденсата (воды) перед его возвратом в парогенераторную установку. Повышение температуры воды производится за счет пара, отбираемого из ЦНД турбины – отборы 4,5,6,7 (рис. 1.13). Пропуская пар турбины через группы последовательно включенных ПНД, происходит увеличение температуры конденсата от 35 ⁰С (на входе в ПНД 1) до 146 ⁰С (на выходе ПНД 4). Удаление конденсата греющего пара 4,5,6 и 7-го отборов турбины из корпусов ПНД выполняется специальными насосами (рис. 1.14). Конденсаторы турбины и ступени ПНД совместно образуют конденсатный тракт АЭС. С выхода конденсатного тракта вода, нагретая до температуры 146 ⁰С, под давлением 6 кгс/см² подается в два деаэратора, которые удаляют из конденсата вредные газы (кислород О₂ и углекислота СО₂) и повышают его температуру до 165 ⁰С. Очищенный конденсат, из которого удалены вредные примеси, называется питательной водой. Деаэраторы также используются как аккумулирующие емкости для запаса питательной воды в аварийных ситуациях. Питательная вода с выхода деаэраторов двумя питательными насосами подается в систему регенерации высокого давления. Питательные насосы ТПН состоят из двух насосов – основного и бустерного – и в отличие от конденсатных насосов, работают не от электропривода, а от отдельных турбин, питаемых перегретым паром СПП (рис. 1.14). Бустерный (разгоняющий) насос через редуктор подключается к валу той же турбины, что питает основной питательный насос, и создает для него заданный напор. С выхода каждого из деаэраторов питательная вода подается на вход подогревателей высокого давления, которые образуют две параллельно работающие группы: ПВД 6А – ПВД 7А и ПВД 6Б – ПВД 7Б. Пройдя через тракт ПВД, температура воды повышается до 225 ⁰С, а давление под воздействием насосов ТПН возрастает до 82 кгс/см². В парогенераторах происходит отбор тепла от воды 1-го контура, в результате чего вода 2-го контура превращается в пар, который затем подается на турбину и описанные процессы повторяются. Устройство деаэрации и ступени ПВД совместно образуют питательный тракт АЭС. Таким образом, конденсаторы, конденсатные электроприводные насосы, эжекторы, ступени ПНД и ПВД, деаэраторы и турбопитательные насосы совместно образуют конденсатно-питательный тракт АЭС. Использование в схеме 2-го контура подогревателей низкого и высокого давления, а также деаэраторов, приводит к уменьшению поверхности теплообмена парогенераторов. Если бы схемы регенерации не было, а конденсат напрямую подавался на вход парогенераторов, то их размеры были бы очень велики, т.к. приходилось бы преодолевать значительный перепад температур для образования насыщенного пара – на выходе конденсаторов турбины Т=25-30⁰С, а температура парообразования Т=274⁰С (при Р=60 кгс/см²). Причем, такой перепад температур приходилось бы преодолевать только за счет «реакторной теплоты», что, в свою очередь, усложнило бы конструкцию и размеры ядерного реактора.