4.1. Тепловые схемы атомных станций

В системе любой АЭС имеются теплоноситель и рабочее тело. Рабочим телом, совершающим работу с преобразованием тепловой энергии в механическую, является водяной пар. Требования к чистоте пара, поступающего на турбину, настолько высоки, что экономически приемлемые показатели могут быть достигнуты при конденсации всего пара и возврате конденсата в цикл. Поэтому контур рабочего тела в АЭС всегда замкнут и добавочная вода поступает лишь в небольших количествах для восполнения утечек и других потерь конденсата.

Теплоносителем, отводящим теплоту из активной зоны в энергетических ядерных реакторах ВВЭР и PWR, является вода. Для предотвращения отложений на тепловыделяющих элементах активной зоны реактора необходима высокая чистота теплоносителя. Поэтому для теплоносителя существует замкнутый контур, который одновременно изолирует радиоактивные вещества, образованные в воде излучениями в активной зоне.

Контуры теплоносителя и рабочего тела могут быть совмещены, такая АЭС называется одноконтурной (например Чернобыльская с ядерным реактором РБМК-1000). По такой схеме работают все кипящие ядерные реакторы типа РБМК (за рубежом BWR – Boiler Water Reactor).

На рисунке 4.1 представлена тепловая схема одноконтурной АЭС с кипящим канальным ядерным реактором. Энергетический блок АЭС такого типа состоит из одного реактора РБМК1000 и двух турбоагрегатов К-500-65 мощностью по 500 МВт. Реактор имеет две циркуляционные петли, состоящие из четырех циркуляционных насосов с подачей 7000 м 3 /ч, двух внешних испарителей-сепараторов пара диаметром 2,3 м и длиной 30 м и 22 раздаточных групповых коллекторов диаметром 300 мм, питающих каналы реактора.

Вода в каналах 2 реактора 1 нагревается до температуры кипения, собирается в коллекторы и направляется в сепараторы пара 3. После отделения пара вода направляется циркуляционными насосами 4 в реактор, а насыщенный пар под давлением 6,5 МПа с влажностью 0,1–0,2% подается на пятицилиндровую турбину с одним цилиндром высокого (ЦВД) 7 и четырьмя цилиндрами низкого (ЦНД) давления 8. Между ЦВД и ЦНД установлены сепараторы пара 10 и промежуточные пароперегреватели 9. Отработанный пар из турбоагрегатов попадает в конденсатор 1, затем конденсат проходит систему очистки 11 и далее через системы регенеративных подогревателей высокого (ПВД) и низкого (ПНД) давления 12 и деаэратор 5 с помощью питательного насоса 6 возвращается в сепараторы пара 3. Превращение воды в пар в ядерном реакторе одноконтурной АЭС происходит при температуре 285°С.

Рис. 4.1. Тепловая схема одноконтурной АЭС с канальным кипящим реактором (Ленинградская АЭС): 1 – реактор; 2 – каналы активной зоны; 3 – сепараторы; 4 – циркуляционные насосы; 5 – деаэратор; 6 – питательный насос; 7 – пятицилиндровая турбина с одним ЦВД и четырьмя ЦНД-8; 8 – цилиндры низкого давления; 9 – промежуточные пароперегреватели; 10 – сепараторы между ЦВД и ЦНД турбины; 11 – система очистки конденсата; 12 – система регенеративных подогревателей (ПВД и ПНР); 13 – конденсатор

Рис. 4.2. Тепловая схема двухконтурной АЭС с реакторами ВВЭР: 1 – деаэратор подпитки; 2 – насос подпитки; 3 – реактор; 4 – компенсатор объема теплоносителя; 5 – задвижка трубопровода; 6 – главный циркуляционный насос; 7 – парогенератор; 8 – охладитель продувной воды; 9 – питательноый насос дегазированного конденсата; 10 – деаэратор и дегазация конденсата; 11 – конденсатор отработанного пара; 12 – сепаратор пара; 13 – перегреватель пара; 14 – деаэратор конденсата и его очистка; 15 – насос конденсата; 16 – бак очищенной и осветленной питательной воды; 17 – насос питательной воды второго контура; 18 – ионообменные фильтры; 19 – осветитель питательной воды второго контура; 20 – насос продувочной воды; 21 – охладитель воды втрого контура; 22 – расширитель воды второго контура; 23 – бак активного конденсата; 24 – хранение жидких отходов; 25 – выпарные установки; 26 – бак чистого конденсата

В одноконтурных системах все оборудование работает в радиоактивных условиях, что усложняет эксплуатацию. Большим преимуществом таких систем являются простота и экономичность. Параметры пара перед турбиной и в реакторе отличаются на величину потерь в паропроводах. По одноконтурной схеме работают Ленинградская, Курская и Смоленская АЭС России.

Если контур теплоносителя отделен от контура рабочего тела, то АЭС называют двухконтурной. Контур теплоносителя называют первым, контур рабочего тела – вторым. В таких системах теплоноситель прокачивается главным циркуляционным насосом через ядерный реактор (охлаждая его активную зону), парогенератор и компенсатор объема. Пар из парогенератора двухконтурной АЭС поступает в турбину, затем в конденсатор, из которого конденсат возвращается в парогенератор. Оборудование второго контура работает в отсутствие радиоактивности, что упрощает эксплуатацию АЭС. В двухконтурной системе парогенератор разделяет первый контур от второго, он в равной степени принадлежит им обоим. Передача теплоты через поверхность нагрева парогенератора требует перепада температур между теплоносителем первого контура и кипящей водой второго контура. Для этого в первом контуре водного теплоносителя поддерживается более высокое давление, чем давление пара второго контура, подаваемого в турбину. Высокое давление воды первого контура должно исключать возможность ее закипания, и оно значительно превосходит давление во втором контуре. Максимально возможное давление теплоносителя первого контура определяется возможностью изготовления мощных корпусов и составляет 16 МПа. Условия однофазности теплоносителя на выходе из реактора определяют его температуру, она равна 325°С. Необходимый перепад температур в парогенераторе между теплоносителем и пароводяной смесью определяет температуру парообразования равной 278°С, что соответствует давлению 6,4 МПа. Начальные параметры пара перед турбиной – 6 МПа и 274°С.

По двухконтурной схеме работают все АЭС Украины, основу которых составляют ядерные энергетические реакторы с водой под давлением ВВЭР-1000. На рис. 4.2 представлена тепловая схема двухконтурной АЭС с реактором ВВЭР. Теплоноситель (вода первого контура при температуре 278°С под давлением 16 МПа) нагревается в активной зоне реактора 3 до температуры 325°С и по трубопроводам, снабженным задвижкой 5, поступает в парогенератор 7. В парогенераторе теплоноситель передает тепло рабочему телу второго контура и с помощью главного циркуляционного насоса (ГЦН) 6 возвращается в ядерный реактор. Компенсатор объема 4 компенсирует тепловое расширение теплоносителя при разогреве и расхолаживании ядерного реактора. Пар, образованный в парогенераторе, подается в цилиндр высокого давления (ЦВД) турбины, совершает работу и увлажняется. После ЦВД пар пропускается через сепаратор 12 (для отделения влаги), перегреватель 1 и направляется в цилиндр низкого давления (ЦНД) турбоагрегата. Конденсат из сепаратора поступает на дегазацию в деаэратор 10.

Перегрев пара в перегревателе 1 осуществляется острым паром, отобранным из парогенератора 7. Отработанный в турбоагрегате пар конденсируется в конденсаторе 11 и с помощью конденсатного насоса 15 через конденсатоочистку 14 и регенеративные подогреватели низкого давления (ПНД) направляется на дегазацию в деаэратор 10. Конденсация отработанного пара в конденсаторе 11 осуществляется его охлаждением технической водой из моря, реки, пруда-охладителя или в градирне. Регенеративный подогрев питательной воды увеличивает к.п.д. АЭС за счет отвода теплоты от пара в турбине и передачи ее питательной воде. Очистка всего конденсата 2-го контура в деаэраторе 10 от растворенных в нем газов происходит за счет вскипания при подогреве паром от ЦВД турбины. Дегазированный конденсат собирается в баке деаэратора и с помощью питательного насоса 9 через регенеративные подогреватели высокого давления (ПВД) направляется в парогенератор 7. Подогрев питательной воды в ПВД осуществляется паром от ЦВД турбины. Образовавшийся конденсат направляется на дегазацию в деаэратор 10.

Для поддержания чистоты воды в первом контуре на заданном уровне необходимо непрерывное выведение примесей, образующихся в результате коррозии металлов элементов внутрикорпусных конструкций. Примеси удаляются путем отбора части воды (продувки), ее очистки и возвращения в первый контур. Продувочная вода отбирается из трубопровода между главным циркуляционным насосом 6 и задвижкой 5. Продувочная вода проходит через охладитель продувки 8, питаемый насосом 20, ионообменные фильтры 18 и возвращается в контур.

Наряду с непрерывной продувкой существует спецводоочистка. Вода первого контура (или протечки, дренажные воды и т.д.) собирается в бак активного конденсата 2 и насосом направляется на выпарные установки 25 и далее через фильтры 18 в бак чистого конденсата 26. Очищенный конденсат насосом направляется для дегазации в деаэратор подпитки 1, и подпиточным насосом 2 возвращается в реактор 3. При глубокой очистке активность конденсата не превосходит 10 - 8 Ки/кг. Выпар конденсата по спецканализации направляется в хранилище 24.

Очистка (продувка) воды второго контура от примесей производится ее отбором из парогенератора 7 с подачей в расширитель 22, охладитель 21 и фильтры 18. Очищенная питательная вода собирается в баке 16 и с помощью насоса направляется в конденсатор турбины 11. Подпитка питательной воды второго контура осуществляется подачей насосом 17 в осветлитель 19, сбором осветленной воды в баке 16, из которого она направляется через фильтры 18 в бак чистого конденсата 27. Представленная на рис. 4.2 тепловая схема АЭС с водо-водяными реакторами и металлическими корпусами давления широко используется в отечественной и зарубежной практике.