Технологические схемы АЭС

Технологические схемы АЭС. Графики потребления электроэнергии, вырабатываемой электрическими станциями всех видов, неравномерны и зависят от времени суток (резкое уменьшение потребления электроэнергии в ночное время и увеличение его в дневное с провалом в обеденный перерыв), дня недели (уменьшение потребления электроэнергии в субботние, воскресные и праздничные дни) и времени года (уменьшение потребления электроэнергии летом.

Для повышения маневренности АЭС и надежности обеспечения потребителей электроэнергией, а также повышения качества электроснабжения электростанции объединяют в общую энергетическую систему, что дает возможность уменьшить резерв мощности на каждой электростанции за счет несовпадения во времени максимумов нагрузок в различных районах и облегчает прохождение ночного провала нагрузок.

Атомные электростанции, так же как другие электростанции, могут работать в общей энергосистеме, объединенной электрическими сетями, и изолированно, для покрытия нужд определенного района, например в труднодоступных районах СССР или в районах, где поблизости нет месторождений органического топлива.

Для покрытия максимумов нагрузок эффективно создание пиковых энергетических установок, работающих относительно короткое время (1—2 ч в сутки и менее). Основным требованием, предъявляемым к этим установкам, является максимальное снижение стоимости их оборудования. Себестоимость электроэнергии (КПД установки) в этом случае не имеет решающего значения.

Большинство тепловых электростанций сооружаются как базовые, т. е. для длительной работы в номинальном режиме. Учитывая значительную капиталоемкость, АЭС в основном также сооружаются как базовые.

Как и тепловые, атомные электростанции подразделяются на конденсационные и теплофикационные. На конденсационных АЭС пар от турбины (ее также называют конденсационной) поступает в теплообменник- конденсатор, в котором остаточная теплота отдается холодной воде, забираемой из моря, реки, пруда-охладителя или градирни.

На теплофикационных электростанциях теплота, отводимая от теплофикационных турбин, может быть направлена с горячей водой или паром для последующего использования потребителями: на промышленных предприятиях, для обогрева зданий ит. д.

Основными потребителями органического топлива являются промышленные, районные, квартальные и местные котельные. Поэтому взамен таких котельных решено создать атомные станции теплоснабжения, имеющие более высокий К.ПД по сравнению с котельными благодаря отсутствию теплопотерь с уходящими газами. Кроме того, использование ACT приведет к снижению загрязнения воздушной среды в городской черте.

В настоящее время существуют несколько технологических схем АЭС (рис. 1.8). На всех АЭС необходимо создание биологической защиты вокруг оборудования, являющегося источником ионизирующих излучений. Биологическую защиту можно условно разделить на первичную — защиту собственно реактора н вторичную — защиту трубопроводов и другого оборудования, доступ к которому возможем после остановки реактора.

Рис. 1.8. Принципиальные технологические схемы атомных электростанции: а — одноконтурная; 6 — двухконтурная АЭС или АТЭЦ: в— не полностью двухконтурная АЭС; г — трехконтурная АЭС; д — трехконтурная ACT; 1 — реактор; 2 — первичная биологическая защита; 3 —вторичная биологическая защита; 4 —регулятор давления в контуре; 5— турбина; 6— электрогенератор; 7 — конденсатор или газоохладитель; 8 —насос или компрессор; 9 — емкость для пополнения теплоносителя или рабочего тела; 10 — регенеративный подогреватель; 11 — циркуляционный насос: 12 — парогенератор; 13 — промежуточный теплообменник; 14 — сетевой теплообменник; 15 —сетевой насос; 16 — встроенный в корпус реактора промежуточный теплообменник; 17 — фильтр спец-водоочистки

В современных АЭС рабочим телом (веществом, совершающим работу, преобразующую тепловую энергию в механическую) является водяной пар.

При одноконтурной схеме АЭС (рис. 1.8,а) вода (пар) выполняет функции теплоносителя и рабочего тела. Пар, образующийся в активной зоне, сепарируется и подается на турбину. Отработанный пар конденсируется, и конденсат возвращается в реактор. Эта схема характерна для кипящих реакторов, у которых все оборудование, включая турбину, работает в радиационных условиях что является одним из недостатков схемы. Однако значительное преимущество таких АЭС — меньшее количество теплотехнического оборудования и, следовательно, уменьшение потерь теплоты, увеличение КПД. По одноконтурной схеме работают АЭС с реакторами РБМК.

Наибольшее распространение получили двухконтурные схемы АЭС, в которых контуры теплоносителя и рабочего тела разделены (рис. 1.8,6). Радиоактивный контур теплоносителя называют первым, а нерадиоактнвный контур рабочего тела -— вторым. Теплоноситель, нагреваясь в активной зоне, подается в парогенератор, отдает теплоту воде второго контура, превращая ее в пар, и с помощью циркуляционного насоса возвращается в реактор. Пар, образовавшийся в парогенераторе, подается на турбину, затем конденсируется и конденсат возвращается в парогенератор. Отсутствие радиоактивности во втором контуре упрощает эксплуатацию электростанции.

По двухконтурной схеме работают атомные электростанции с корпусными водо-водяными реакторами.

В качестве теплоносителя в первом контуре двухконтурной схемы могут использоваться вода, газ или органические теплоносители. Здесь должно поддерживаться достаточно большое давление во избежание закипания теплоносителя и в связи с необходимостью иметь достаточный перепад температуры в парогенераторе между теплоносителем и водой второго контура.

Для увеличения КПД АЭС желательно подавать на турбины перегретый пар. В связи с этим появилась не полностью двухконтурная схема отбора теплоты (рис. 1.8,в). Нагретая в реакторе вода подается в парогенератор и возвращается в реактор. Образовавшийся в парогенераторе насыщенный пар подается для перегрева в реактор и поэтому является одновременно теплоносителем и рабочим телом. Далее перегретый пар подается на турбину. Эта схема получила название схемы АЭС с ядерным перегревом.

Используемый в качестве теплоносителя в реакторах на быстрых нейтронах натрий бурно реагирует с водой и водяным паром. В связи с этим появилась необходимость создать дополнительный промежуточный контур, исключающий даже в аварийной ситуации возможность выхода из строя первого радиоактивного контура. Технологические схемы таких атомных электростанций относятся к трехконтурным (рис. 1.8,г).

В первом контуре циркулирует натрий, который через промежуточный теплообменник отдает теплоту натрию второго контура. Натрий второго контура, проходя через парогенератор, отдает теплоту воде третьего контура, далее схема ничем не отличается от двухконтурной. Наличие второго промежуточного контура ведет к увеличению капитальных затрат, но обеспечивает безопасность работы реактора. По трехконтурной схеме работают реакторы БН-350 на Шевченковской АЭС и БН-600 на Белоярской АЭС.

Для сокращения теплопотерь и затрат на сооружение коммуникаций атомные станции теплоснабжения должны располагаться как можно ближе к потребителю, т. е. к крупному населенному пункту. В связи с этим, как уже отмечалось, к безопасности ACT предъявляются очень жесткие требования, которые могут быть выполнены при обязательном использовании трехконтурной схемы отбора теплоты (рис. 1.8, д). Первый контур — контур естественной циркуляции теплоносителя в корпусе реактора, второй — промежуточный нерадиоактивный. В него входят встроенные в корпус реактора промежуточные теплообменники, с помощью которых теплота из первого контура реактора передается на сетевые теплообменники.

Все теплотехническое оборудование АЭС по стадиям технологического процесса подразделяется на реакторную, парогенерирующую, паротурбинную и конденсационную установки и конденсационно-питательный тракт. Взаимосвязь между этими элементами образует тепловую схему электростанции.