Выбор начальных и конечных параметров термодинамического цикла

1. Выбор начальных и конечных параметров термодинамического цикла

Термодинамический цикл – это замкнутый
круговой процесс, совершаемый рабочим
телом в тепловой машине.
Здесь под тепловой машиной будем
подразумевать цикл в рабочем контуре
ЯЭУ.

2. Идеальный рабочий цикл

Т
Подвод
тепла
Подвод
тепла
4
1
3
2
Отвод тепла
Отвод тепла
s
Цикл Ренкина
Цикл Карно
1 – 2 – адиабатическое расширение рабочего тела в турбине; 2 – 3 –конденсация пара в
конденсаторе; 3 – 4 – сжатие рабочего тела; 4-1 (4-5-1) – подвод тепла к рабочему телу (по изотерме
– цикл Карно, по изобаре – цикл Ренкина) в ПГ или в реакторе.
К.п.д. цикла:
t
l
q0
,
l - полезная работа, q0 – подведенное в цикле тепло

3.

• В основе оценки тепловой экономичности цикла лежит
термодинамическая эффективность преобразования тепловой
энергии, характеризуемая к.п.д. термодинамического цикла –
термическим к.п.д.
• Термический к.п.д. зависит от многих факторов, в частности, от
начальных и конечных параметров рабочего цикла.
• Реализуемые в ЯЭУ термодинамические циклы и начальные
параметры рабочего тела в значительной мере зависят от
конструкции и типа реактора и от теплофизических свойств
используемого теплоносителя. Более того, параметры
теплоносителя и рабочего тела ЯЭУ тесно взаимосвязаны и
влияют не только на к.п.д., но и на удельные капитальные
затраты, надежность, безопасность и удобство эксплуатации.

4. Выбор начальных параметров рабочего цикла одноконтурных ЯЭУ с реакторами типа РБМК-1000

t
5
10
15
20
Р0, МПа
Характер зависимости к.п.д. цикла Ренкина на насыщенном паре от начального давления рабочего тела
(конечное давление не изменяется)

5. Анализ зависимости к.п.д. цикла Ренкина от начального давления насыщенного пара

• заметный рост к.п.д. наблюдается при повышении
начального давления пара до 7,0 – 7,5 МПа,
• при давлении 12 – 13 МПа к.п.д. достигает
максимума (видно, что максимум пологий),
• при дальнейшем увеличении начального давления
наблюдается уменьшение к.п.д. цикла,
• с точки зрения тепловой эффективности, а также с
учетом всех запасов (по предельной температуре
оболочек твэлов, по запасу до кризиса теплообмена),
начальное давление рабочего тела можно было бы
выбрать в диапазоне 12 – 12,5 МПа,
• при выборе начального давления пара необходимо
также учитывать и экономический фактор.

6. Анализ зависимости к.п.д. цикла Ренкина от начального давления насыщенного пара (продолжение)

• технологическая схема блока с реактором РБМК является
одноконтурной,
• начальные параметры рабочего тела фактически совпадают с
параметрами теплоносителя,
• при повышении давления с 7 – 7,5 МПа до 12 – 12,5 МПа
прирост к.п.д. будет незначительным, а металлоемкость
оборудования возрастёт, а значит и капитальные затраты тоже
возрастут,
• увеличение массы металла в активной зоне реактора приведет
к увеличению поглощения нейтронов в конструкционных
материалах, для компенсации этого эффекта необходимо
использовать топливо повышенного обогащения, что
дополнительно увеличивает эксплуатационные затраты,
• с ростом давления уменьшается критический тепловой поток,
следовательно надо уменьшать энергонапряженность активной
зоны, а значит при фиксированной мощности реактора это
приводит к росту размеров активной зоны,
• с учётом всех этих факторов для одноконтурных АЭС с
водяным теплоносителем начальное давление рабочего тела
принимается равным Р0 ≈ 7 МПа, t = ts (P0).

7. Выбор начальных параметров рабочего цикла двухконтурных ЯЭУ с реакторами типа ВВЭР-1000

• Технологическая схема энергоблока с
реактором ВВЭР является двухконтурной
• Выработка рабочего пара осуществляется в
парогенераторе (ПГ) за счет передачи тепла
от теплоносителя к рабочему телу
• температура (и начальное давление)
рабочего тела зависит от температуры
теплоносителя

8. T-Q диаграмма парогенератора блока с реактором типа ВВЭР

Т
ТВХ,ПГ
ТА.З.. ( ТПГ)
ТВЫХ,ПГ
Тmin
ТS (P0)
ТПВ
QПГ
Q

9. Анализ T-Q диаграммы ПГ

• Температура кипения ТS(P0), а следовательно и давление рабочего
тела зависит от температуры теплоносителя на выходе из
парогенератора ТВЫХ,ПГ и минимального температурного напора Тmin.
• ТВЫХ,ПГ будет зависеть от ТА.З. = ТВХ,ПГ - ТВЫХ,ПГ.
• В реакторе ВВЭР обычно не допускают кипения теплоносителя,
поэтому ТВХ,ПГ < ТS(P1), где Р1 – давление теплоносителя в первом
контуре. Запас до кипения выбирается ≈ 20 -250С.
• При выборе максимальной температуры теплоносителя необходимо
также учитывать и ограничения по максимальной рабочей
температуре оболочек твэлов, изготовленных из циркония.
Допустимая рабочая температура циркониевого сплава составляет
порядка 3500С (при повышении температуры выше указанного
значения заметно ухудшаются механические свойства циркониевого
сплава).

10. Анализ T-Q диаграммы ПГ (продолжение)

• При повышении давления заметно снижаются
критические тепловые потоки, а следовательно, и
допустимые удельные тепловыделения в активной зоне.
Поэтому в настоящее время для реактора типа ВВЭР-1000
давление принято равным 16 МПа (температура
насыщения при данном давлении равна ≈ 3470С). С учетом
запаса до кипения температура теплоносителя на выходе
из реактора составляет 320÷325 0С.
• Подогрев ТА.З теплоносителя в активной зоне реактора
ВВЭР-1000 – величина оптимизируемая.
• Мощность реактора QР-Р можно записать следующим
образом:
QР-Р = GТН * СР * ТА.З

11. Начальные параметры рабочего тела для блока с ВВЭР-1000

• TА.З
TА.З
G
ТS(P2)
РА.З.
wтн
ηt
• TА.З = 300C
• QПГ = k* F* Tл
Tл = f( Тmin); Тmin
Tл
F
Тmin
ТS(P2)
ηt
Тmin = 10-150C
ТВХ = TS(P1) - Tзап; Тоб ≤ 3500С
ТВХ = 320-3250С
ТS(Р2) = 280-2750С, Р2 = 60-65 ата

12. Начальные параметры рабочего тела на блоке с реактором на быстрых нейтронах

• Технологическая схема блока с реакторами,
охлаждаемыми жидким натрием, трехконтурная.
• Натрий сильно активируется при прохождении
через активную зону.
• Натрий химически агрессивен по отношению к
воде и водяному пару.
• Чтобы исключить контакт радиоактивного
натрия с водой и водяным паром вводится
промежуточный контур, теплоносителем в
котором является натрий, но только
нерадиоактивный.

13. T-Q диаграмма промежуточного теплообменника (а) и парогенератора (б)

Т
Т
Т2ВЫХ
Т1ВХ
Тmin
ТПТО
Т0
Т2ВЫХ
Т1ВЫХ
Т2ВХ
Т2ВХ
ТПВ
Q
а)
QТО
Q
QПГ
б)

14.

• Начальная температура пара Т0 зависит от температуры
натрия второго контура на выходе из промежуточного
теплообменника Т2ВЫХ и минимального температурного
напора Тmin в пароперегревателе парогенератора.
• Величина Тmin выбирается такой же как и в
парогенераторе блока с реактором ВВЭР-1000, т.е.
10÷150С.
• Температура Т2ВЫХ зависит от максимальной температуры
натрия первого контура Т1ВХ и температурного напора в
промежуточном теплообменнике ТПТО.
• Максимальная температура натрия первого контура
определяется допустимой рабочей температурой
материала оболочки твэлов, изготавливаемых из
нержавеющей стали (рабочая температура ≈ 6000С)
• Температура Т1ВХ может достигать 550÷5700С, а при
ТПТО= 25-350С Т2ВЫХ = 525÷5300С..

15.

• Температура острого пара может достигать
значения ≈ 510 – 5150С.
• При такой температуре пара его давление
может быть выбрано в широком диапазоне
значений, вплоть до сверхкритических
величин.
• Например, для блока с реактором БН-600
начальная температура пара выбрана
равной 5050С при давлении 13,7 МПа (140
ата). Что касается давления теплоносителя
в реакторе, то оно невелико, как правило,
не превышает 1 МПа.

16. Выбор конечных параметров рабочего тела.

• Чем ниже конечное давление пара, тем большую работу
он совершает в турбине.
• Добиваясь расширения пара в турбине до давления, ниже
атмосферного, можно увеличить теплоперепад на 20-25%.
• При снижении конечного давления пара возникает ряд
проблем.
• В процессе расширения пара в турбине его влажность
непрерывно увеличивается и в конце процесса
расширения достигает неприемлемо высоких значений.
• Наличие влаги в потоке приводит к увеличению
коррозионного и эрозионного износа лопаток, снижает
внутренний к.п.д турбины.
• Технически данная проблема решается путем сепарации
пара в специальных сепарационных устройствах.

17. Выбор конечных параметров рабочего тела (продолжение).

Выбор конечных параметров рабочего тела
(продолжение).
При снижении давления пара происходит увеличение
его удельного объема.
Чтобы скорость пара оставалась в пределах
допустимых значений, необходимо увеличивать
проходное сечение, т.е. увеличивать длину лопаток
турбины.
Предельная длина лопаток ограничена прочностными
характеристиками материала.
Чтобы длина лопаток не превышала предельных
значений, необходимо исходный поток пара после
цилиндра высокого давления разделять на несколько
потоков, т.е. увеличивается общее число цилиндров
турбины, увеличивается ее длина, а следовательно,
металлоемкость стоимость.

18. Выбор конечных параметров рабочего тела (продолжение).

• Конденсация пара в конденсаторе турбины происходит за
счет передачи теплоты конденсации циркуляционной
охлаждающей воде. Температура конденсации не может быть
ниже температуры охлаждающей воды.
• Температура охлаждающей воды на входе в конденсатор
зависит от типа системы технического водоснабжения,
местоположения станции, времени года, изменяясь от 2-100С
зимой до 15-300С летом.
• При нагреве охлаждающей воды в конденсаторе ≈100С можно
получить давление в конденсаторе турбин АЭС порядка
• Рк = 0,004÷0,006 МПа.
• (для турбин ТЭС Рк = 0,0035 – 0,005 МПа).