Расчет котлов и котельных установок

ПАРОГЕНЕРАТОРЫ С ВОДЯНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

В настоящее время на АЭС с водо-водяными реакто­рами широкое распространение получили горизонтальные одно - корпусные парогенераторы с естественной циркуляцией. Прин­ципиальная конструктивная схема такого парогенератора пока­зана на рис. 150. Основными элементами парогенератора яв­ляются: корпус 1 с патрубками 13 подвода питательной воды и 12 отвода пара; коллектора теплоносителя с подводящими и отво­дящими патрубками 7 и б, трубная теплообменная поверхность 9, устройство сепарации влаги 2, коллектора 14 раздачи питатель­ной воды, штуцера 5 продувок, 8 дренажей и 4 к уровнемерам.

Корпус парогенератора представляет собой цилиндрический сосуд, сваренный из отдельных обечаек с лазом 3. С обеих сторон

Рис. 150. Однокорпусный горизонтальный пароге­нератор АЭС

К нему приварены эллиптические днища с люками, предназна­ченными для проникновения внутрь парогенератора. Снизу к цен­тральной части корпуса приварены входной и выходной коллек­тора. Коллектора расположены симметрично относительно вер­тикальной оси парогенератора на одинаковом от нее расстоянии в продольном и поперечном направлениях. К переходным коль­цам коллектора приварены трубопроводы для подвода и отвода теплоносителя. В верхней части коллектора уплотняются съем­ными крышками 11, которые обеспечивают доступ к местам вваль - цовки труб теплообменной поверхности для ревизии и ремонтных работ. Для обслуживания коллекторов в верхней части централь­ной обечайки приварены два люка 10.

Приварка коллекторов к корпусу осуществляется в такой последовательности: к корпусу приваривается патрубок, а к па­трубку — коллектор. Такое конструктивное решение ввода кол­лекторов в корпус парогенератора вызвано необходимостью устра­нить термические напряжения в сварном шве, которые имели бы место в случае непосредственной приварке коллектора к кор­пусу. Аналогичным образом выполняют узел ввода в корпус трубопровода питательной воды.

Поверхность теплообмена выполнена из U-образных змеевико­вых труб, скомпонованных в два пучка, между которыми обра­зуются вертикальные коридоры для обеспечения устойчивой циркуляции воды. Использование U-образных змеевиков вызвано как формой корпуса, так и необходимостью обеспечения само­компенсации температурных удлинений труб теплообмен ного пучка. В таком исполнении трубы могут свободно перемещаться при нагреве от мест заделки в коллектор в обе стороны.

Трубы в теплообменных пучках размещены в шахматном по­рядке с шагом по высоте Sjd =1,2, а по ширине S/d = 1,4. Концы змеевиковых труб завальцованы на всю толщину стенки коллекторов с предварительной аргонодуговой сваркой их торцов с внутренней поверхностью коллекторов. Змеевики дистанциони - руются в трубном пучке с помощью волнообразных и плоских полос, закрепляемых в опорных конструкциях. В паровом про­странстве парогенератора установлен жалюзийный сепаратор 2, представляющий собой набор пакетов из волнообразных пластин.

Нагретый в реакторе теплоноситель поступает во входной коллектор, а затем, протекая по трубкам теплообменной поверх­ности, охлаждается и, собираясь в выходном коллекторе, через циркуляционный трубопровод насосом снова подается в реактор. Весь теплообменный пучок труб расположен в объеме воды вто­рого контура, верхний уровень которого находится несколько выше горизонтальной осевой плоскости парогенератора. Обра­зующийся в межтрубном пространстве влажный пар поднимается вверх.

Для сушки пара используются две ступени сепарации. Пер­вая — гравитационно-осадительная сепарация. Ее эффективность 248 определяется прежде всего паровой нагрузкой зеркала испарения или скоростью выхода пара с зеркала испарения. Для осуществ­ления первичной сепарации в парогенераторе предусмотрен свободный объем между уровнем воды и жалюзийными сепара­торами.

Жалюзийные сепараторы являются наилучшим типом уст­ройств вторичной сепарации. Они работают в довольно широком диапазоне начальной влажности (до 20 %) и обеспечивают ко­нечную влажность пара около 0,2 %. Эти сепараторы относятся к классу инерционных. Пароводная смесь, проходя между волно­образными пластинами, резко поворачивается, в результате чего капельки влаги под действием инерционных сил попадают на стенки и стекают вниз. Для выравнивания скоростей пара по всей площади жалюзийного сепаратора на выходе из него, как пра­вило, устанавливают дополнительное сопротивление в виде листа с отверстиями диаметром 5—6 мм.

Характерной особенностью водо-водяных парогенераторов АЭС является наличие тепловой неравномерности объема. Появление ее связано с переменным температурным напором по длине труб теплообменной поверхности и неодинаковым расходом теплоно­сителя в трубах (ввиду различия сопротивления труб разной длины). Различие в тепловыделении приводит к неравномерности парообразования в пучке, а следовательно, к неравномерности скорости пара в отдельных частях парогенератора, повышению влажности пара. В конструкции парогенератора предусматри­вается ряд мер по борьбе с тепловой неравномерностью. Так, питательная вода, как более холодная по сравнению с внутрикор - пусной, подается через систему раздающих труб на более горячую часть теплообменного пучка. Этим достигается частичное вырав­нивание нагрузки по сечению парогенератора. Кроме того, для выравнивания скорости выхода пара по поверхности зеркала испарения под уровнем воды располагают дырчатый лист с опу­щенными вниз бортами высотой около 200 мм, с площадью отвер­стий, составляющей примерно 5 % площади листа. Такой лист создает определенное гидравлическое сопротивление, благодаря чему под ним образуется паровая подушка, перераспределяющая пар по зеркалу испарения.

Циркуляция воды в рассматриваемом парогенераторе — есте­ственная, т. е. имеется необогреваемый опускной участок и обо­греваемый подъемный. Опускным участком в горизонтальном парогенераторе служит объем, расположенный между корпусом и трубным пучком.

Важным условием работы парогенератора является обеспече­ние его водного режима. В процессе образования пара солесодер - жание парогенераторной воды возрастает. Для исключения по­явления накипи на теплообменных трубах, приводящей к сниже­нию эффективности их работы, в нижней части корпуса парогене­ратора предусмотрены штуцера для непрерывной продувки воды (10 % паропроизводительности). Одновременно в объем паро­генератора в таком же количестве вводится добавочная, более чистая, питательная вода. Смыв и удаление солей, выпавших в нерастворимый осадок в виде рыхлого дисперсного шлама, производится через штуцера периодической промывки.

Для контроля за уровнем воды в парогенераторе вдоль его боковой поверхности расположен ряд штуцеров-уровнемеров 4. Поддержание заданного уровня воды — одна из основных кон­трольных операций при эксплуатации парогенератора. Повыше­ние уровня сверх допустимого вызывает повышение влажности пара, поступающего в турбину, а падение уровня может при­вести к снижению эффективности работы поверхности нагрева.

На парогенераторе имеется система воздушников, дренажных штуцеров. Воздушники, располагаемые в верхних точках как по первому, так и по второму контуру, необходимы для заполнения систем теплоносителем и питательной водой. Дренажные шту­цера предназначены для опорожнения парогенератора.

Необходимость ремонта элементов парогенератора, относя­щихся к первому контуру, в основном связана с возможностью повреждения труб теплообменной поверхности, особенно мест их заделки в коллектор. Учитывая большое число труб, обеспечение плотности и прочности их соединения с коллекторами в основном и определяет надежность и безопасность эксплуатации парогене­ратора. Поскольку давление в первом контуре существенно выше, чем во втором, нарушение прочности и плотности крепления труб к коллектору или нарушение целостности самих труб приведет к резкому повышению радиоактивности во втором контуре. Доступ к поврежденным трубам со стороны второго контура в парогенераторе практически исключен ввиду большой плот­ности расположения труб в теплообменной пучке. Единственно возможной ремонтной операцией в этих условиях является от­соединение труб внутри коллекторов. Для этого у коллекторов в верхней части выполнены крышки, а в корпусе парогенератора — два люка.

Со стороны второго контура парогенератора имеются два лаза 3, расположенных на эллиптических днищах. Они позволяют осмо­треть во время останова парогенератора жалюзийный сепаратор, внутреннюю поверхность корпуса; демонтировать дырчатый лист и осмотреть состояние поверхности трубок, дистанционирующих устройств; проверить наличие на трубках отложений и взять пробу для химического анализа. Кроме того, можно провести некоторые ремонтные работы.

Правильный выбор конструкционных материалов определяется не только требованиями безопасности эксплуатации парогенера­тора. Конструкционные материалы влияют на экономичность па­рогенератора в целом. От них зависят и массогабаритные харак­теристики, и, в определенной степени, возможность повышения единичной мощности парогенератора. 250

Для парогенераторов горизонтального типа в качестве мате­риала корпуса широко использовалась известная углеродистая конструкционная сталь 22К, обладающая хорошими технологи­ческими свойствами. Она хорошо поддается ковке, прокатке, штамповке, хорошо сваривается. Опыт эксплуатации парогенера­торов показал и ее хорошие эксплуатационные качества. При повышении единичной мощности парогенератора использование этой стали связано с существенным утолщением стенок корпуса. Для снижения массогабаритных характеристик парогенератора может оказаться целесообразным применение более прочных низ­колегированных сталей перлитного класса.

В качестве материала для изготовления паропроводов, трубо­проводов системы ввода и раздачи питательной воды, штуцеров системы продувок, дренажа и воздушников широко применяют сталь 20. Эта сталь обладает высокой пластичностью и, как по­казывает опыт эксплуатации котлов ТЭС, надежна в эксплуата­ции и при температурах до 450 °С.

Жалюзийный сеператор и дистанционирующие элементы трубок поверхности теплообмена изготовляют из листовой стали аусте - нитного класса 12Х18Н10Т.

Жесткие нормы содержания продуктов коррозии в первом кон­туре обусловили. изготовление всех элементов парогенератора, которые омывает теплоноситель, из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т. Вместе с тем следует учитывать, что аустенитные стали имеют значительно большую стоимость, чем перлитные, поэтому при изготовлении из них коллекторов и циркуляционных трубопроводов существенно повышается стоимость парогенерато­ров. Коллектора и трубопроводы первого контура целесообразно изготовлять из той же стали, что и корпус, но при этом плакиро­вать внутреннюю поверхность сталью 12Х18НЮТ.

Опорная конструкция парогенератора представляет собой две двухъярусные роликовые опоры, которые обеспечивают переме­щение парогенератора при термическом расширении циркуля­ционных трубопроводов в продольном и поперечном направле­ниях. Эти опоры допускают также небольшой поворот парогене­ратора, обеспечивают восприятие реактивного усилия в аварийной ситуации.

Опыт эксплуатации горизонтальных парогенераторов показал, что наряду с достаточно высоким качеством пара они обладают высокой надежностью, безопасностью работы. Поставляются они на АЭС собранными блоками. Однако по - условиям транспорти­ровки размеры корпуса парогенератора ограничены, что в свою очередь определяет максимальную мощность отдельного паро­генератора.

Вертикальная конструкция парогенератора позволяет обойти это ограничение. В основу этого типа парогенератора положена идея использования цилиндрических коллекторов вместо больших плоских трубных досок. Цилиндрические трубные доски, или кол­
лектора, имеют относительно небольшую толщину стенки, вполне приемлемые мас- согабаритные характеристики.

На рис. 151 показана схема верти­кального парогенератора с естественной циркуляцией, со спиралевидной поверх­ностью теплообмена.

Коллектор 7 теплоносителя расположен вдоль оси парогенератора и присоединен к корпусу 6 через переходной цилиндри­ческий патрубок 5. Разделение потоков теплоносителя осуществляется с помощью внутриколлекторной обечайки 4. Тепло­носитель, поступая из входного патрубка / во внутриколлекторную обечайку, по­дается в раздающую верхнюю часть коллектора. Затем по системе труб теп­лообменной поверхности 8 входит в соби­рающую часть коллектора, заключенную ме? жд-у его стенкой и внутриколлектор­ной обечайкой, откуда через выходной патрубок 2 проходит в циркуляционный трубопровод.

Нижний конец обечайки крепится к фланцу. Таким ■ образом, для получения доступа в коллектор при необходимости отсоединения трубок достаточно вывести из парогенератора внутриколлекторную обечайку вместе с фланцем. На верхнем конце обечайки выполнено разъемное уплотнение, отделяющее раздающую и со­бирающую части коллектора. Теплообменный пучок представляет собой витую теплообменную поверхность, составленную из кон­центрических слоев спиральных труб. Концы труб ввальцованы в стенки коллектора в его раздающей и собирающей частях. Дистанционирование труб осуществляется с помощью вертикаль­ных планок, расположенных между слоями и имеющих пазы с уг­лом наклона, равным углу навивки трубок соответствующего слоя. Сваренные между собой дистанционирующие планки образуют жесткие ребра, передающие нагрузку от пучка-на коллектор. Для организации контура естественной циркуляции между трубным пучком и корпусом помещен цилиндрический кожух, который крепится и фиксируется относительно оси парогенератора с помощью специальных ребер, смонтированных на коллекторе. На этом же кожухе расположены осевые центробежные сепара­торы 12 первой ступени. Второй ступенью сепарации служат вертикальные жалюзийные сепараторы 11.

Рис. 151. Вертикальный парогенератор АЭС со спиралевидной поверхно­стью теплообмена

Питательная вода поступает в парогенератор через патрубок 18 в кольцевой коллектор 10, находящийся у центробежных сепара - 252
торов. Из кольцевого коллектора по системе отводящих труб 9

Вода подводится к опускному участку движения контура есте­ственной циркуляции. Несколько выше ввода питательной воды в объеме парогенератора располагается также кольцевой коллек­тор непрерывной продувки. Местоположение непрерывной про­дувки определяется областью повышенного солесодержания; от­вода отсепарированной влаги из сепараторов. Периодическая продувка и дренирование парогенератора производятся через( штуцер 3, расположенный на нижнем днище парогенератора.

Идея использования для изготовления поверхности нагрева труб спиральной формы привлекает к себе внимание следующим. Спиральные трубы отличаются самокомпенсацией температурных расширений. Благодаря возможности применения труб одинако­вой длины обеспечивается равномерное распределение расходов теплоносителя по трубам. Кроме того, поверхность нагрева из спиральных труб обладает высокой компактностью, что способ­ствует снижению металлоемкости парогенератора.

Однако изготовление поверхностей из спиральных труб свя­зано с определенными трудностями. При одинаковой длине труб навивка каждого слоя теплообменной поверхности должна иметь разные углы подъема. В связи с этим и изготовление, и (особенно) сборка теплообменного пучка являются весьма трудоемкими про­цессами .

Поверхность теплообмена парогенератора может быть собрана из плоских ширм, что целесообразно с точки зрения возможности их параллельной сборки и сокращения цикла сборки парогенера­тора. Вместе с тем, и в этом случае обе­спечение компенсации температурных рас­ширений труб достигается усложнением их конфигурации. Можно, например, исполь­зовать ширмы из S-образных змеевиков. , Достаточно сложно обеспечить одинаковую длину труб в ширмах.

Следует отметить, что вертикальная компоновка корпуса предпочтительна и для прямоточных парогенераторов.