Принцип работы циркуляционного контура
Движение продуктов сгорания по газоходам котла осуществляется за счет разряжения, создаваемого дымососом. В верхней части топки разряжение составляет не более 30 мм водяного столба, а перед дымососом 200 мм. Поэтому для устранения присосов холодного воздуха по длине газохода обмуровку котла тщательно уплотняют. Воздух необходимый для горения, через воздухоподогреватель подается в топку котла с помощью дутьевого вентилятора. Питательная вода, прошедшая предварительную подготовку подается в экономайзер, где подогревается до температуры насыщения, а затем подается в барабан котла. В барабане она смешивается с котловой водой, затем по опускным трубам попадает в нижний коллектор, из которого по подъемным экранным трубам вода, а затем пароводяная смесь, поднимается обратно в барабан. В барабане происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Пар скапливается в верхней части барабана, а затем направляется в пп, где нагревается до заданной температуры. Вода находящиеся в нижней части барабана, снова направляется в опускные трубы. Этот замкнутый контур состоящий из барабана опускных труб нижнего коллектора и подъемных экранных труб называется циркуляционным контуром котла
Движение воды в опускных и пароводяной смеси в испарительных обогреваемых трубах происходит за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси. Пароводяная смесь образ в подъемных трубах за счет теплоты, излучаемым факелом и раскаленными продуктами сгорания. Поднимаясь в барабан, пароводяная смесь разделяется на пар и воду, при этом пар скапливается в верхней части барабана, а оставшая вода подается обратно в опускные трубы, по которым спускается в нижний коллектор, и далее направляется в подъемные трубы. В циркуляционном контуре вода находится в состоянии насыщения. Высота контура для котлов различной производительности сильно отличается. Для котлов низкой производительности она составляет от 3 до 5 м, для котлов средней производительности до 12 м и котлов высокой производительности 30-40 м. в результате такой значительной высоты вода в нижней части контура имеет некоторый недогрев за счет статического давления столба воды.
ПРИМЕР. Котел с давлением 13 атм, высота контура 10 м. Значит давление в нижней части будет 14 атм. Давлению 13 атм соответствует температура насыщения 194 градуса С, а давлению 14 атм – 197 градусов С. Таким образом, в нижнем коллекторе температура котловой воды будет на 3 градуса ниже температуры насыщения. Поэтому в нижней части подъемных труб происходит нагрев воды до температуры насыщения. Испарения здесь не происходит и поэтому эту часть называют экономайзерной частью. По высоте обогревательных труб становится меньше, а паросодержание растет.
Движущая сила естественной циркуляции определяется:
S дв = H*(ρ 1 – ρ пв)*g H-высота контура; ρ 1 - плотность воды в опускных трубах; ρ пв - средняя плотность пароводяной смеси
Напор естественной циркуляции может достигать до 0,5-0,8 атм. Котлы, работающие за счет разности плотностей воды и пароводяной смеси, называются котлами с естественной циркуляцией . Если движущей силы циркуляции не достаточно для обеспечения заданной кратности в котле, то тогда в циркуляционный контур устанавливают дополнительный циркуляционный насос. Такие котлы называются котлами с многократно принудительной циркуляцией . В тех случаях, когда в котлах очень высокое давление и разность плотностей воды и пароводяной смеси становится незначительной, а высокая температура не позволяет использовать циркуляционный насос для получения пара, используют прямоточные котлы, в которых отсутствует контур циркуляции.
Как отмечают грамотные инженеры, главным минусом системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя можно назвать низкий напор циркулирующей жидкости, в результате чего необходимо заботиться об увеличенном диаметре труб. При этом стоит лишь слегка ошибиться с диаметром при установке подходящей трубы, как теплоноситель уже не сможет преодолеть гидравлического сопротивления.
Чтобы вновь восстановить работоспособность системы отопления, вам необязательно потребуется совершать слишком большой объём работы. Достаточно лишь включить в схему циркуляционный насос и перенести расширяющий бачок с передачи на обратку. Хотя, при этом стоит заметить, что второй пункт выполнять всегда вовсе не обязательно. При простой переделке, к примеру, квартирной, бачок можно оставить на месте и не трогать. Если же система переустанавливается глобально, то бачок заменяется с открытого на закрытый и переносится на обратку.
Вообще, стоит упомянуть и ещё об одном случае в котором вам способен помочь циркуляционный насос. Владельцы частного дома, обладающие собственной системой отопления, могут столкнуться с тем, что тепло по их дому распределяется неравномерно. В комнатах, которые расположены дальше от котла может быть просто холодно зимой, так как эти комнаты недостаточно прогреваются. Конечно, тут можно и заменить всю отопительную систему , установив новую с трубами более широкого диаметра. Но как показывает практика, этот способ гораздо более дорогостоящ и не совсем оправдан.
О типах насосов и их питании
Для бытовых систем отопления используются насосы с энергопотреблением в 60-100 ватт. Это сравнимо с обычной электрической лампочкой. Из-за чего столь низкое потребление энергии? Дело в том, что циркуляционный насос не поднимает воду
, а только помогает преодолеть ей местное сопротивление в отопительных системах. Попросту говоря, насос циркуляционного типа можно сравнить с винтом корабля. Винт обеспечивает движение корабля, толкая воду, однако воды в океане при этом не убавляется, сохраняется баланс.
Однако, тут кроется свой минус. При длительном отключении электричества, владельца дома может ждать крайне неприятный сюрприз. Перегрев теплоносителя может вызвать разрушение контура, а остановка циркуляции поведёт за собой и последующую разморозку.
Поэтому при отключении электричества должна оставаться возможность для функционирования системы на условиях естественной циркуляции. Для этого необходимо минимизировать всевозможные повороты и изгибы в контуре , а также важно использование в качестве запорной арматуры именно современных шаровых вентилей. В отличие от своих винтовых собратьев, они оказывают минимальное сопротивление току жидкости в открытом виде.
В схему системы отопления могут быть включены два типа насосов:
- циркулярные;
- повысительные.
Циркуляционный насос толкает воду, при этом сколько бы он её ни вытолкнул, с другой стороны к нему поступит такое же количество воды. Опасения, что насос может вытолкнуть теплоноситель через открытый расширитель необоснованны. Системы отопления имеют замкнутый контур и количество воды в них всегда одинаковое.
В системы централизованного отопления также могут быть включены повысительные насосы , которые называть насосами будет более корректнее, так как они и поднимают воду при помощи повышения давления. Приведём аналогию с вентилятором. Сколько бы обычный вентилятор ни гонял воздух по квартире, количество воздуха не изменится. Образуется лишь лёгкий ветерок и циркуляция воздуха. Атмосферное же давление останется прежним.
Важные нюансы эксплуатации
В результате использования насосной циркуляции воды увеличивается радиус действия системы отопления, а диаметры труб уменьшаются. Появляется возможность присоединения к котлам с повышенными параметрами. Для того чтобы обеспечить постоянную циркуляцию воды требуется установить не менее двух таких устройств. Один будет основным, рабочим, а другой - резервным.
В отопительной системе подобный насос постоянно заполнен водой и испытывает гидростатическое давление с двух сторон - со стороны всасывающего и нагнетательного (выходного) патрубков.
Насосы, сделанные с водяной смазкой подшипников, тем не менее можно размещать на подающем и обратном трубопроводе. Однако наиболее частое их использование можно обнаружить на обратке. Хотя это и происходит скорее по привычке, потому что раньше имело смысл ставить циркуляционный насос на обратке потому, что при размещении в более холодной воде срок службы подшипников увеличивался. Теперь же, если судить объективно, место установки не имеет существенного значения.
Тем не менее, чтобы воздушные пробки не оставили подшипники без охлаждения и смазки, вал двигателя должен располагаться строго горизонтально. Да, конструкция устройства такова, что ротор и вал с подшипниками должны непрерывно охлаждаться , чтобы не произошёл непредусмотренный сбой в работе. На корпусе данного оборудования обычно обозначают стрелку, показывающую направление по которому должен двигаться теплоноситель в системе.
Крайне желательна, но необязательна, установка перед насосом грязевика. Функция этого оборудования заключается в отфильтровывании неизбежного песка и прочих абразивных частиц. Они способны разрушить крыльчатку и подшипники. Так как диаметр врезки обычно достаточно невелик
, то подойдёт и обычный фильтр грубой очистки. Бочонок для сбора взвесей должен быть направлен вниз - так даже при частичном заполнении водой он не будет препятствовать её циркуляции. Фильтры также зачастую снабжены стрелкой. Если вы проигнорируете её, то чистить фильтр придётся намного чаще.
Резервный источник питания
Когда система отопления установлена по принципу принудительной циркуляции, то имеет смысл позаботиться также и об резервном источнике питания. Обычно, его устанавливают с расчётом на то, что его работы хватит на пару часов в случае отключения электричества. Примерно такого количества времени обычно хватает специалистам для установки причины аварийного отключения тока и восстановления функционирования. Чтобы продлить время работы резервного источника питания, вам понадобятся внешние аккумуляторы , которые подключаются к нему.
Термостойкий кабель
При подключении электрического оборудования, в систему отопления нужно исключить вероятность попадания влаги или конденсата в клеменную коробку. Если теплоноситель разогревается в системе отопления более чем на 90 градусов, то используется термостойкий кабель. Соприкосновение кабеля со стенками труб, корпусом насоса, двигателем ни в коем случае не допускается. С левой или правой стороны к клеменной коробке подключается кабель. При этом переставляется заглушка. Если расположение клеменной коробки боковое, то кабель подводят исключительно снизу. При этом естественной мерой безопасности является обеспечение заземления.
Байпас
Популярна схема установки циркулярного насоса на байпасе, который отсекается от основной системы при помощи двух кранов. Такая установка может помочь произвести ремонт или замену устройства
без ущерба для всей отопительной системы дома. В межсезонье всё может функционировать и без насоса, который перекрывается при помощи всё тех же вентилей. С приходом морозов его работа возобновляется. Достаточно открыть запорную арматуру по краям и закрыть шаровой вентиль, расположенный на основном контуре.
Особенности выбора
Для благополучного отопления дома, как правило, не имеет смысла покупать огромный прибор с заоблачной мощностью. Подобный аппарат будет создавать огромное количество шума. Жильцам частного дома это будет неприятно. Помимо прочего и стоить он будет на порядок дороже. В плане обеспечения тепла при отоплении же подойдёт и более дешёвый, меньший по мощностям вариант. Поэтому и надобность в мощном насосе по сути отпадает
для бытовых случаев.
Однако важно рассчитать необходимую для вас мощность. Важными параметрами является диаметр трубопровода, температура воды и уровень напора теплоносителя. Для того чтобы рассчитать уровень расхода теплоносителя, его нужно сравнить с показателем расхода воды для котла. Требуется знать какова мощность котла. Какое количество теплоносителя может пройти через его систему в минуту.
Показатели мощности циркуляционного насоса напрямую зависят от длины трубопровода. Если говорить напрямую, то на десять метров отопительной системы вам потребуется полметра насосного напора.
Классифицировать помпы принято на два типа:
- сухие;
- мокрые.
Первые во время работы не соприкасаются с теплоносителем, а вторые погружены в него. Сухие помпы обычно достаточно шумные , поэтому такой тип помп подходит для установок:
- на фирмах;
- в производственных цехах;
- на предприятиях.
Второй тип подходит для того чтобы устанавливать их в загородные дома. В правильном варианте их корпуса делаются из бронзы или латуни, с нержавеющими деталями.
Завершение установки
После завершения монтажных работ система заполняется водой. Удаляется воздух путём открытия центрального винта на крышке корпуса. Как только появится вода, то это будет сигнализировать о том, что воздушные пузырьки удалены из устройства. И теперь насос можно запускать в рабочий режим.
Правильно установленный циркуляционный насос в вашей системе отопления поможет согреть ваш дом очень эффективно. Но важно помнить всю сложность системы насосного типа. Возможно, гораздо более благоразумным решением будет обратиться к услугам грамотных профессионалов , которые помогут вам в установке и выборе оборудования. Сломать систему отопления неправильной эксплуатацией может выйти гораздо дороже по деньгам, чем обратиться к квалифицированному специалисту.
Если же вы решили, что достаточно разбираетесь в нюансах отопления вашего дома, то будьте внимательны к деталям, внимательно изучите схему установки циркуляционного насоса, составьте точный план действий, в том числе и в непредвиденной ситуации и не забудьте о мерах безопасности.
2.1.1. ГЦТ, ГЦН
Главный циркуляционный контур ЯЭУ с ВВЭР-1000 состоит из реактора и четырех циркуляционных петель, шести петель для ВВЭР-440, трех петель для многих PWR на Западе (рис. 14). Каждая циркуляционная петля включает парогенератор, главный
циркуляционный насос и главные циркуляционные трубопроводы (ГЦТ), соединяющие оборудование петли с реактором. ГЦТ соединяют оборудование петель, создавая возможность циркуляции теплоносителя по замкнутому контуру.
Материал трубопровода -сталь 10ГН2МФА с плакировкой нержавеющей сталью внутренней поверхности. К главным циркуляционным трубопроводам подсоединяются трубопроводы системы компенсации давления и технологических систем (подпитки, продувки, дренажа, контура расхолаживания и т.д.). Для ограничения перемещений трубопроводов при аварийных разрывах предусмотрены аварийные опоры (ограничители).
Главный циркуляционный трубопровод (ГЦТ) обеспечивает нормальную эксплуатацию при воздействии нагрузок, вызванных различным по силе землетрясением, а также обеспечивает безопасный останов и расхолаживание при нагрузках, вызванных максимальным расчетным землетрясением. ГЦТ сохраняет работоспособность в условиях режима нарушения теплоотвода из герметичной оболочки и режима «малой течи». Каждая из четырех циркуляционных петель имеет два участка труб с внутренним диаметром 850 мм. Участки между выходными патрубками реактора и входными патрубками ПГ называются «горячими» нитками. Участки между выходными патрубками ПГ и входными патрубками реактора называются «холодными» нитками.
Размер внутреннего диаметра – 850 мм – выбран из условия обеспечения приемлемого гидравлического сопротивления главного циркуляционного контура. «Горячая» нитка петли под № 4 соединена соединительным трубопроводом 426х40 мм с компенсатором объема,. предназначенным для компенсации тепловых расширений теплоносителя без превышения давления выше номинального (160 атм.).
На рис. 14 помимо основных элементов, составляющих ГЦК, показаны некоторые технологические системы, которые связаны с этими элементами. Данными системами являются системы TH, RL,RA (станционные имена технологических систем, унифицированные для АЭС во всем мире). Система TH–это система планового расхолаживания ЯЭУ и одновременно выполняет функцию аварийной системы низкого давления для охлаждения реактора при потере теплоносителя в 1-м контуре и существенном снижении давления в ГЦК. RL–система подпитки питательной водой парогенераторов, RA–система паропроводов для подачи пара из ПГ на турбину.
Для осуществления технологического процесса при нормальных условиях эксплуатации и выполнения функций по обеспечению безопасности в аварийных режимах, а также для контроля за параметрами теплоносителя в главном циркуляционном контуре ГЦТ соединен со следующими вспомогательными системами:
Системой поддержания давления в первом контуре;
Системой планового расхолаживания;
Системой подпитки и продувки первого контура;
Системой аварийного впрыска бора;
Системой измерения параметров теплоносителя;
Системой дренажа.
Параметрами, характеризующими нормальное функционирование системы, являются температура теплоносителя в горячей и холодной нитках ГЦТ, а также разница указанных температур.
При нормальном функционировании ГЦТ номинальное давление стационарного режима составляет 15,7 МПа (160 кгс/см2). Плановый разогрев ГЦТ производился со скоростью не выше 20 °С/ч. Плановое расхолаживание ГЦТ производится со скоростью не выше 30 0 С/ч. Основные параметры ГЦТ для действующих АЭС с ВВЭР-1000 представлены в табл. 8.
Главный циркуляционный контур ЯЭУ для ранних проектов (проект В-187, проект В-338), кроме перечисленного выше оборудования, имеет также по две запорные задвижки ДУ-850 на каждой циркуляционной петле. Главные запорные задвижки (ГЗЗ) позволяют отключить, в случае необходимости, одну или две петли и эксплуатировать реакторную установку на остальных петлях с соответствующим снижением мощности.
Таблица 8.
Параметры ГЦТ
ГЗЗ устанавливаются на «горячей» и «холодной» нитках циркуляционных петель и управляются при помощи электропривода или вручную. Основное положение затвора задвижки - «открыто».
Циркуляционные петли ЯЭУ В-320 в отличие от ЯЭУ В-187, ЯЭУ В-302 и ЯЭУ В-338 не имеют запорных задвижек ДУ-850. Для создания циркуляции теплоносителя в первом контуре используется вертикальный насос центробежного типа с уплотнением вала (ГЦН-195) с трехфазным асинхронным электродвигателем.
Характеристики ГЦН-195:
Производительность насоса 20 000 м3/ч;
Напор насоса 6,75 + 0,25 кг/см2;
Мощность на валу при рабочих параметрах 5300 кВт;
Число оборотов ротора 1000 об./мин.
Нормальное функционирование системы ГЦН основывается на режиме длительной параллельной работы в контуре четырех ГЦН при нормальных параметрах теплоносителя ЯЭУ В-1000. Допускается:
Длительная работа одного и параллельная работа двух и трех ГЦН в контуре при номинальных параметрах теплоносителя;
Работа одного, двух, трех и четырех ГЦН в контуре при изменении параметров теплоносителя в переходных режимах (разогрев, расхолаживание) при температуре от 20 до 300 °С на входе в насос, давлении от 0,98 (10) до 17,6 (180) МПа (кгс/см2);
Работа одного, двух, трех и четырех ГЦН в контуре на холодном теплоносителе и в режиме дезактивации при температуре 20-100 °C;
Стоянка в режиме холодного и горячего резерва без ограничения времени при условии подачи запирающей и охлаждающей воды промежуточного контура и работы насоса аварийной системы запирающей воды.
При отказах в системах АЭС, сопровождающихся обесточиванием ГЦН, обеспечивается выбег ГЦН для исключения кризиса теплообмена в активной зоне реактора. При отказах в системах АЭС, сопровождающихся обесточиванием, обеспечивается спад расхода теплоносителя не ниже значений, указанных в табл. 9. В этой таблице приведены данные по гидравлической характеристике ГЦН при выбеге насоса и его останове.
Таблица 9.
Необходимо отметить, что выбег насоса при различном количестве работающих насосов существенно может отличаться друг от друга. Минимальный выбег насоса происходит при трех работающих насосах. Качественно это объясняется тем, что в этом случае наблюдается максимальное противодавление движению теплоносителя через остановленный насос в реакторе. Максимальный выбег насоса происходит при трех остановленных до этого насосах, так как в этом случае нет никакого противодавления с их стороны.
В реакторной установке В-320 используется серийный модернизированный реактор ВВЭР-1000. Понятие «модернизация» по отношению к серийному реактору ВВЭР-1000 заключается в том, что в проект реактора были внесены изменения, которые учитывали специфику работы реактора в составе ГЦК, в котором нет ГЗЗ, но применены ГЦН, разработанные для ГЦК с ГЗЗ. Поэтому, с учетом напорной характеристики ГЦН, в модернизированном серийном реакторе ВВЭР-1000 было увеличено гидравлическое сопротивление тракта в основном за счет уменьшения проходного сечения отверстий в днище внутрикорпусной шахты. В последующее был разработан новый ГЦН-195М и с учетом опыта эксплуатации ГЦН-195 был доработан в следующих направлениях:
Достигнута максимальная герметизация насоса, создано механическое уплотнение вала с минимальными протечками, т.е. реконструирован узел, во многом определяющий надежность и безопасность работы ГЦН и АЭС в целом;
Достигнуто снижение зависимости насоса от влияния обслуживающих систем АЭС, т.е. обеспечена автономность ГЦН;
Повышена пожарная безопасность ГЦН путем замены горючих масел на воду в системе смазки подшипников насоса и электродвигателя;
Обеспечена целостность и работоспособность насоса в горячем контуре без подачи охлаждающей воды при длительном обесточивании АЭС;
Созданы и внедрены диагностические средства, обеспечивающие качественный контроль ГЦН и его систем и возможность определения остаточного ресурса.
2.1.2. Реактор
Реактор предназначен для выработки тепловой энергии в составе реакторной установки АЭС. Реактор ВВЭР-1000 является водоводяным энергетическим реактором корпусного типа. Теплоносителем и замедлителем в реакторе является химически обессоленная
вода с борной кислотой, концентрация которой изменяется в процессе эксплуатации. При прохождении через ТВС теплоноситель нагревается за счет реакции деления ядерного топлива. Теплоноситель принудительно поступает в реактор через четыре входных
патрубка корпуса (три – на некоторых западных АЭС с PWR,шесть – на АЭС с ВВЭР-440), проходит по кольцевому зазору между корпусом и внутрикорпусной шахтой, через перфорированное эллиптическое днище и опорные трубы шахты и входит в ТВС.
Из ТВС через перфорированную нижнюю плиту блока защитных труб (БЗТ) теплоноситель выходит в межтрубное пространство БЗТ, в кольцевой зазор между шахтой и корпусом и через четыре выходных патрубка (три, шесть) корпуса выходит из реактора.
Активная зона ВВЭР-1000 набирается из тепловыделяющих сборок (ТВС) шестигранной формы на гексагональной сетке с постоянным шагом порядка 200-240 мм (для PWR из квадратных ТВС на квадратной сетке). Число ТВС в зоне определяется их размером и мощностью реактора, а также транспортабельными свойствами корпусного оборудования по железной дороге в нашей стране. При формировании облика активной зоны главным является определение размеров и материального состава тепловыделяющей сборки (ТВС) и твэлов в ней. Максимальный размер ТВС ограничен требованиями по ядерной безопасности по недопустимости возникновения критической массы в одной ТВС, а минимальный – экономическими соображениями (чем крупнее ТВС, тем дешевле активная зона). В ходе различных исследований для реактора ВВЭР-1000 была выбрана ТВС с шагом под ключ на гексагональной сетке, равным 234 мм (в западных аналогах шаг под ключ на квадратной сетке равен величине порядка 205 мм). Для реактора
ВВЭР-1000 достаточно 163 таких ТВС.
ТВС для ВВЭР в общем случае состоит из регулярной решетки твэлов, часть из которых заменена на нетопливные элементы, которыми могут быть трубки под поглощающий элемент органа СУЗ или стержни с выгорающим поглотителем. На рис.3 показаны схематически основные элементы ТВС.
Рис.3 Схематическое изображение основных элеменов ТВС
На рис. 4 показаны конфигурации активной зоны и ТВС ВВЭР-1000. Ниже при рассмотрении конструктивных характеристик активной зоны реактора ВВЭР-1000 для сравнения приводятся и характеристики активной зоны реактора PWR (на примере АЭС Гёсген).
Рис. 4. Схематическое изображение расстановки ТВС в активной зоне и ТВЭЛ в ТВС ВВЭР-1000
В табл. 1 помещены основные данные по конструкции активной зоны реактора ВВЭР-1000 и реактора PWR (для АЭС Гёсген).
В реакторе ВВЭР-1000 ТВС представляет собой конструкцию, собранную из тепловыделяющих и других конструкционных элементов, расположенных на гексагональной сетке с постоянным потвэльным шагом (рис. 4).
В наиболее напряженных ТВС для выравнивания потвэльного энерговыделения применяется профилирование обогащения топлива, заключающееся в размещении по периметру ТВС около 66 твэлов с более низким обогащением, чем у остальных твэлов (рис. 5).
Таблица 1.
Профилирование уменьшает потвэльное энерговыделение на стыке между периферийным рядом ТВС и следующим рядом в активной зоне и повышает теплотехническую безопасность активной зоны.
Рис. 5. Схематическое изображение ТВС ВВЭР-1000 и ее отдельных фрагментов
Данное профилирование уменьшает потвэльное энерговыделение на стыке между периферийным рядом ТВС и следующим рядом в активной зоне и повышает теплотехническую безопасность активной зоны. В табл. 2 и 3 приведены характеристики ТВС и ТВЭЛ для ВВЭР-1000 и PWR.
Таблица 2
Примечание: 3530(3550) – длина в холодном состоянии, 3550(3564) – длина в горячем состоянии, сталь (цирконий) – сталь в прошлом, цирконий в настоящее время, 14 решеток в прошлом, 12 – в настоящем.
Таблица 3
Выбор приведенных размеров и материального состава ТВС и твэлов был осуществлен в результате большого количества расчётно-экспериментальных исследований по оптимизации топливного цикла ВВЭР и обеспечению требований правил ядерной безопасности по коэффициентам реактивности в различных состояниях активной зоны и сохранению её теплотехнической надежности. Нужно сказать, что в России для водно-водяных реакторов применяются только два типа твэлов: с диаметром 9.1 (ТВЭЛ ВВЭР) и диаметром 13.6 (ТВЭЛ РБМК).
Второй тип используется в реакторах АСТ и в канальных графитовых реакторах Он обладает лучшей экономичностью при малых обогащениях. Размеры ТВС изменялись следующим образом:
Тенденция изменения размеров ТВС ясна. Главная причина уменьшение стоимости активной зоны и повышение надежности ее изготовления и монтажа. На Западе для реакторов типа PWR используется ТВЭЛ размером ∼10 мм и квадратные ТВС размером порядка 200 мм.
Обращает на себя внимание некоторые отличия в конструкции активных зон реакторов PWR и ВВЭР. В западных реакторах данного типа, как правило, не применяется никаких твердых поглотителей в составе ТВС для компенсации начальной реактивности. Обогащение топлива подпитки у них несколько меньше, чем в наших реакторах при той же примерно энерговыработке. Это достигается за счет отсутствия «борных хвостов» (нет СВП) и высоких коэффициентов неравномерности энерговыделения по ТВС в центре зоны (ниже приводятся их и наши коэффициенты неравномерности). При этом ухудшается теплотехническая надежность активной зоны, но несколько лучше экономичность использования топлива.
В табл. 4 приведены характеристики поглощающего элемента в составе органов механической СУЗ. В наших реакторах основным материалом поглощающего элемента является карбид бора.
На Западе применяется серебро, индий и кадмий. Данные материалы более эффективны как поглотители, но они намного дороже карбида бора. В настоящее время проводится модернизация поглощающего элемента и замена старого на новый элемент на действующих АЭС с ВВЭР-1000 и на вновь строящихся. Об этом подробней будет рассказано ниже.
Таблица 4.
Для получения представления о том, какие выгорающие поглотители использовались раньше и используются сейчас в первых топливных загрузках при первом пуске энергоблоков,
в табл. 5 приводятся данные по этим элементам. В этой же таблице приведены данные по центральной трубке, предназначенной помимо всего прочего для размещения канала нейтронного измерения (КНИ).
В новых проектах ВВЭР в рамках программы АЭС-2006 предусматривается размещать канал нейтронного измерения не в центральной трубке, а ближе к периферии ТВС, так как нейтронный поток в этой области ТВС дает более достоверную информацию о среднем потоке в тепловыделяющей сборке.
Помимо того, что активная зона предназначена для генерации тепла и его передачи с поверхности тепловыделяющих элементов теплоносителю первого контура, она обеспечивает выполнение следующих требований в области безопасности АЭС:
Таблица 5.
Непревышение допустимых пределов повреждения оболочек твэл в ТВС в пределах проектного срока службы;
Поддержание требуемой геометрии и положения твэл в ТВС и ТВС в реакторе;
Возможность осевого и радиального расширения ТВЭЛ и ТВС при температурных и радиационных воздействиях, разности давлений, взаимодействия топливных таблеток с оболочкой;
Прочность при воздействии механических нагрузок в проектных режимах;
Вибрационная стойкость при воздействии потока теплоносителя с учетом перепада и пульсации давления, нестабильности потока, вибраций;
Стойкость материалов против коррозионных, электрохимических, тепловых, механических и радиационных воздействий;
Непревышение проектных значений температуры топлива и оболочки;
Отсутствие кризиса теплообмена в постулированных проектом режимах;
Стойкость СУЗ в пределах проектного ресурса от воздействия нейтронного потока, температуры, перепада и изменения давления, износа и ударов, связанных с перемещениями;
Возможность размещения внутри ТВС контролирующих датчиков;
Взаимозаменяемость ТВС со свежим топливом, ТВС с частично выгоревшим топливом и ПС СУЗ путем унификации установочных размеров;
Предотвращение плавления топлива;
Сведение к минимуму реакции между металлом и водой;
Перевод активной зоны в подкритическое состояние, его поддержание в пределах, определенных проектом;
Возможность послеаварийного расхолаживания активной зоны.
Необходимо отметить, что в ходе эксплуатации было замечено явление азимутального скручивания ТВС, при котором сборки могли застрять в зоне, а ПЭЛ при движении органа СУЗ – в трубках с водой. Скручивание приводило к ухудшению прочностных и нейтронно-физических характеристик зоны.
Для устранения этого дефекта была предложена новая конструкция ТВСА (ОКБМ Нижний Новгород) с циркониевыми уголками жесткости, установленными по всей длине ТВС. На рис. 6 и 7 приведены схематические изображения старой и новой конструкции ТВС. Данные ТВС в настоящее время проходят опытную эксплуатацию на КлнАЭС. Первые результаты говорят о том, что данная конструкция не только уменьшает существенно изгиб новых ТВС, но и выправляет изгиб старых ТВС в зоне (коллективный эффект).
Альтернативным решением является конструкция ТВС-2 (ОКБ «Гидропресс», Главный конструктор ВВЭР), в которой центральная трубка и дистанционирующие решетки стали силовым элементом для решетки твэл. Размер дистанционирующих решеток увеличен, и они стали выполнять аналогичную роль, что и уголки в ТВСА.
По мере эксплуатации ВВЭР-1000 была произведена модернизация ТВС за счет замены стальных направляющих под ПЭЛ и дистанционирующих решеток на циркониевые решетки с небольшими добавками для улучшения их прочностных характеристик.
2.1.3. Парогенератор
Парогенератор (ПГ) как элемент оборудования входит в состав 1-го и 2-го контуров и предназначен для отвода тепла от теплоносителя первого контура и генерации сухого насыщенного пара.
Парогенератор является горизонтальным однокорпусным, с погруженной поверхностью теплообмена из горизонтально расположенных труб.
Парогенератор состоит из следующих основных узлов:
Корпуса;
Устройства раздачи основной питательной воды;
Устройства раздачи аварийной питательной воды;
Теплопередающей поверхности и коллекторов первого контура;
Сепарационного устройства;
Устройства выравнивания паровой нагрузки;
Опорных конструкций;
Уравнительных сосудов;
Гидроамортизаторов.
Корпус парогенератора является составной частью парогенератора и предназначен для размещения внутрикорпусных устройств и трубного пучка с коллекторами первого контура. Корпус воспринимает проектное давление второго контура, равное 7.84 МПа
(80 кГс/см2). Парогенератор в боксе установлен на две опорные конструкции. В каждой опорной конструкции имеется 2-ярусная роликовая опора, которая обеспечивает перемещение парогенератора при термическом расширении трубопроводов ГЦК в продольном направлении +80 мм, в поперечном – + 98 мм.
На рис. 17 и 18 показаны продольный и поперечный разрезы ПГ. На этих рисунках помечены следующие элементы:
1) люк-лаз внутренней полости;
2) точки крепления уравнительных сосудов (уровнемеров) или датчиков температуры;
3) контроль плотности разъема коллектора по 1-му контуру;
4) контроль плотности разъема по 2-му контуру;
5) уплотняющие фланцы (крышка с уплотнением);
6) патрубки отвода пара;
7) паровой коллектор;
8) устройство раздачи питательной воды;
9) коллектор раздачи аварийной питательной воды;
10) продувка ПГ;
11) погруженный дырчатый лист;
12) теплообменные трубы;
13) «холодный» коллектор;
14) «горячий» коллектор;
15) дренажный патрубок Dy 100;
16) патрубок продувки Dy 80;
17) вход питательной воды;
18) выход теплоносителя;
19) вход теплоносителя.
Опорная конструкция рассчитана на восприятие одновременного действия вертикальной составляющей нагрузки и реактивного усилия, возникающего в аварийной ситуации при поперечном разрыве трубопровода Ду-850 главного циркуляционного контура на вертикальном участке у парогенератора. При аварийной ситуации с разрывом трубопровода Ду-850 на горизонтальном участке реактивное усилие не действует на парогенератор, а полностью воспринимается аварийными опорами трубопроводов.
При нормальном функционировании парогенератора скорость разогрева не более 20 °С/ч. Уровень воды в парогенераторе при разогреве 3700 мм. Снижение уровня до номинального (320+50) мм разрешается после повышения температуры воды в парогенераторе до величины в регламентируемых пределах (100-200 °С) при
наличии кипения в парогенераторе.
При работе парогенератора на номинальной мощности выполняются следующие требования:
Автоматически поддерживается давление пара в парогенераторе (6,27+0,19) МПа;
Влажность пара на выходе из парогенератора не более 0,2 %
Автоматически поддерживается номинальный уровень воды в парогенераторе (320+50) мм;
Обеспечивается контроль за плотностью разъемов по 1 и 2 контуру;
Обеспечивается водно-химический режим.
Для поддержания водно-химического режима обеспечивается непрерывная продувка каждого парогенератора расходом 0,5 % его паровой производительности и периодическая продувка расходом 0,5 % общей паровой производительности не менее 0,5 ч в сутки в стационарном режиме. При переходных режимах эксплуатации
блока продувка парогенератора поддерживается на максимально возможном уровне (не менее 1 %) до достижения нормируемых показателей качества рабочей среды.
При работе на номинальной мощности температура питательной воды парогенератора составляет величину, равную 220° (±5°). Допускается длительная работа при отключенных подогревателей высокого давления (ПВД), когда температура питательной воды равна 164 °С (±4 °С). При изменении нагрузки в диапазоне (30-100)%N ном допускается работа парогенератора при постоянной температуре питательной воды с отклонениями +5 °С в интервале (225 –160 °С). Допускается резкое изменение температуры питательной воды с 220 до 164 °С. Количество циклов за ресурс не более 1000.
При плановом останове парогенератора давление по II контуру и уровень поддерживаются номинальными до момента отключения парогенератора от потребителя. Скорость планового расхолаживания парогенератора не превышает 30 °С/ч. Допускается плановое расхолаживание со скоростью 60 °С/ч (30 циклов за весь период эксплуатации)
Надёжная работа парового котла возможна при условии непрерывного отвода теплоты, передаваемой газами поверхности нагрева. Теплота отводится нагреваемой средой, т.е. водой, паром или пароводяной смесью. Хороший отвод теплоты нагреваемой средой обеспечивается при правильной организации циркуляции.
Циркуляция – многократное движение воды по замкнутому контуру.
Контур циркуляции – замкнутая система непрерывного движения воды и пароводяной смеси по трубам, подключённым к паровому и водяным коллекторам котла.
Непрерывное движение воды и пароводяной смеси в циркуляционном контуре водотрубного котла осуществляется вследствие разности их плотностей (естественная циркуляция ) или с помощью циркуляционных насосов (принудительная циркуляция ).
Контуры циркуляции бывают независимыми и смешанными . У независимого контура циркуляции опускные трубы обслуживают только свой контур, а у смешанного – опускные трубы питают водой подъёмные трубы нескольких контуров.
В водотрубном паровом котле (рис. 6.1) вода из пароводяного коллектора 4 по опускным трубам 2 и 5 , наиболее удалённым от топки и получающим меньше теплоты, поступает в водяные коллекторы 1 и 7 . Опускные трубы 5 являются обогреваемыми, 2 – необогреваемыми. Первые получают теплоту, идущую на подогрев воды, а вторые теплоту практически не получают. Трубы 6 конвективного пучка и трубы 3 экрана, воспринимающие больше теплоты, являются подъёмными – по ним движется в коллектор 4 образующаяся пароводяная смесь. В пароводяном коллекторе происходит разделение пара и воды, смешение питательной воды с котловой и организация поступления воды в опускные трубы. У большинства котлов все конвективные пучки труб подъёмные, а опускные необогреваемые трубы размещаются за первым рядом бокового экрана или в воздушных коробах фронта котла, т.е. вне топки.Во вспомогательном огнетрубном котле и утилизационном газотрубном котле, относящихся к котлам с неорганизованной циркуляцией, процесс циркуляции осуществляется благодаря восходящим потокам на участках поверхностей нагрева наиболее обогреваемых и нисходящим потокам – на необогреваемых или слабообогреваемых участках.
Расход воды через циркуляционный контур превышает количество образующегося в нём пара.
Кратность циркуляции – отношение расхода циркулирующей воды к паропроизводительности контура:
Кратность циркуляции показывает, сколько раз должна пройти по контуру определённая масса воды, чтобы полностью превратиться в пар.
k ц = 20 – 70 в ГК
k ц = 20 – 40 в ВК
k ц = 2 – 10 в УК с принудительной циркуляцией.
Движущий напор циркуляции – разность масс столбов воды и пароводяной смеси соответственно в опускных и подъёмных трубах контура.
Высота подъёмной трубы складывается из экономайзерного участка h э (рис. 6.2), в котором вода, поступающая из водяного коллектора, доводится до кипения, и участка h п, называемого высотой паросодержащей части. На участке h п происходит парообразование и восходящее движение пароводяной смеси. Движущий напор зависит от высоты паросодержащей части и разности плотностей воды и пароводяной смеси, находящихся практически при одинаковой температуре.Полезный напор циркуляции – разность между значениями движущего напора и сопротивлений движению в подъёмных трубах.
Скорость циркуляции – скорость входа воды в подъёмные трубы контура [т/ч]. В зависимости от расположения пучков труб по отношению к источнику теплоты значения скорости циркуляции составляют 0,3 – 1,5 м/с.
Застой циркуляции – замедление или прекращение движения пароводяной смеси вверх. Это явление возникает в случае неравномерного обогрева или загрязнения парообразующих труб, расположенных в одном ряду. При застое циркуляции в менее нагретых трубах образуется свободный уровень воды. По участку труб, расположенному выше свободного уровня, будет медленно двигаться пар, а не пароводяная смесь. Нормального отвода теплоты от стенки обогреваемой трубы не будет и произойдёт аварийный перегрев металла.
Опрокидывание циркуляции – явление, при котором в подъёмных трубах, получающих по сравнению с другими трубами ряда меньше теплоты, происходит выделение пара и его подъём с одновременным опусканием воды. Причины и последствия опрокидывания те же, что и при застое циркуляции.
В горизонтальных трубах и трубах с небольшим уклоном к горизонту возможно расслоение пароводяной смеси . При движении пароводяной смеси с небольшой скоростью пар, имеющий меньшую плотность, чем вода, поднимается и отделяется от воды, в результате чего возникает раздельное движение по трубе воды и пара. Это приводит к перегреву участков труб, омываемых паром. Расслоение пароводяной смеси усиливается с увеличением диаметра труб, снижением скорости движения среды, повышением давления пара.
Кавитация – явление, при котором во входном сечении опускной трубы происходит парообразование. Оно может наступить, если статическое давление в этом сечении окажется меньше давления в пароводяном коллекторе. При кавитации нарушается нормальное поступление воды в опускные трубы, следовательно, и в подъёмные. Образующиеся паровые пузырьки и их конденсация вызывают в трубах гидравлические удары, которые могут быть причиной образования трещин в трубах. Для предотвращения кавитации следует поддерживать уровень воды в пароводяном коллекторе не менее чем на 50 ммвыше верхней кромки входного сечения опускных труб.
С целью обеспечения надёжной циркуляции необходимо содержать в чистоте поверхности нагрева, не допускать резких колебаний давления пара, поддерживать нормальный уровень воды в пароводяном коллекторе, особенно при качке, а также не допускать модернизационных мероприятий без предварительной оценки надёжности циркуляции для нового варианта котла.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Отопительная система – это целый комплекс устройств, которые объединены в единый контур при помощи трубопровода. Работа отопления в таком случае заключается в постоянном движении теплоносителя (как правило, жидкости). Нагреваясь, теплоноситель расширяется, и в закрытой отопительной системе для нейтрализации этого явления используется расширительный бак. Эти устройства делятся на два типа, и именно от них зависит, будет система закрытой или открытой. Замкнутая система отопления подразумевает наличие бака, который не контактирует с окружающей средой, а в открытой отопительной системе бак взаимодействует с воздухом.
Для циркуляции теплоносителя в закрытых отопительных системах используются насосы, которые обеспечивают постоянное движение жидкости на достаточном уровне. Использование насосов позволяет закрытой системе работать гораздо эффективнее, варьируя скорость движения теплоносителя (прочитайте: " ").
Принудительная циркуляция хороша еще и тем, что в такую систему можно подключать дополнительные контуры с подключенными отопительными приборами. Конечно, такие системы становятся энергозависимыми, поскольку для функционирования насосов требуется электричество, но этот недостаток компенсируется высоким КПД всей конструкции.
Насосы в замкнутой отопительной системе монтируется на трубе обратки непосредственно перед котлом. В этом же месте можно разместить и расширительный бачок. Закрытая система отопления имеет ряд плюсов, которые становятся очевидными при сравнении с другими типами отопительных систем: установка системы осуществляется без особых затруднений, поскольку не нужно соблюдать постоянный уклон. Трубопроводу не потребуется утепление, да и сам трубопровод можно сделать потоньше, что скажется не только на его эстетических качествах, но и на стоимости конструкции.
В закрытой отопительной системе теплоноситель не может испаряться, поэтому следить за его уровнем придется гораздо реже. Кроме того, использование циркуляционных насосов обеспечивает ускоренный прогрев помещений, а если установить в контуре термостаты, то появляется возможность тонкой настройки температурного режима во всем доме.
Элементы системы отопления замкнутого типа
Схема замкнутой системы отопления содержит большое количество элементов:- отопительный котел;
- мембранный расширительный бачок;
- циркуляционный насос;
- отопительные приборы;
- трубы для прокладки контура, установки стояков и подводок;
- фитинги;
- краны;
- фильтры;
- крепежные элементы.
Принцип работы замкнутой отопительной системы
В котле происходит нагрев теплоносителя, после чего он разносится по отопительным приборам через трубопровод. Когда теплоноситель заполняет все пространство контура, к работе присоединяется расширительный бак, вмещая в себя излишки жидкости. Мембранный расширительный бачок состоит из двух полостей: в одну из них поступает лишний теплоноситель, а вторая часть заполнена газом или воздухом. Читайте также: " ".При монтаже в закрытой отопительной системе создается давление, которое в дальнейшем задает давление всему контуру. Нагрев теплоносителя провоцирует увеличение давления в системе, и его излишки вместе с возникшим давлением поступают в бак, прогибая расположенную в нем мембрану. Дальнейший путь теплоносителя пролегает через циркуляционный насос, и работа системы продолжается в штатном режиме.
Особенности схемы замкнутой системы отопления
В закрытой отопительной системе с принудительной циркуляцией есть несколько особенностей:- Возможность установки расширительного бачка и циркуляционного насоса рядом с отопительным котлом, что позволяет снизить затраты на трубы и упрощает монтаж всей системы.
- Полная герметичность бака приводит к тому, что теплоноситель не может испаряться из системы, а сам трубопровод надежно защищен от попадания воздуха.
- Устанавливать расширительный бачок и насос нужно на трубе обратки. Эксплуатация насоса возможна лишь в том случае, когда через него проходит жидкость, имеющая низкую температуру.
- По сравнению с открытой отопительной системой, замкнутая может располагаться в помещениях любой площади.
Плюсы и минусы замкнутой отопительной системы
Схема замкнутой системы отопления, в которой движение теплоносителя осуществляется принудительно, имеет свои преимущества и недостатки. Отрицательных моментов меньше, но они в некоторых случаях являются решающими.Достоинства замкнутой системы отопления:
- высокий КПД;
- невозможность испарения жидкости;
- использование труб уменьшенного диаметра;
- повышение срока службы котла за счет разности температур на подающем и обратном контурах;
- снижение коррозийного влияния на трубопровод;
- возможность применения антифриза.
- зависимость от электричества, особенно в регионах, где перебои с электроэнергией – не редкость;
- необходимость установки более сложного, вместительного и дорогого расширительного бачка.
Переоборудование открытой системы в закрытую
Замкнутая система отопления с естественной циркуляцией теплоносителя используется довольно редко, но исключительно из-за своих особенностей. О каких особенностях идет речь, и как осуществляется переход от одного типа системы к другой? При монтаже открытой отопительной системы мысль о переходе на замкнутую систему приходит нечасто, но сделать это довольно просто – достаточно установить мембранный расширительный бак, и конструкция сразу же станет закрытой.Конечно, всегда есть возможность спроектировать подобную схему, но она будет обладать некоторыми минусами двух типов систем. Для обеспечения естественного движения теплоносителя трубопровод необходимо укладывать с соблюдением постоянного уклона, что нередко приводит к появлению воздушных пробок и существенно усложняет монтаж.
Какие преимущества даст такая конструкция? Независимость от электричества в данном случае является единственным плюсом, но его необходимость можно подвергнуть сомнению: как правило, в большинстве домов электричество есть всегда. Стоимость насоса и эксплуатационные расходы, связанные с его использованием, достаточно невысоки, поэтому классическая замкнутая схема все же гораздо лучше, чем открытая.
Установка системы отопления
Перед монтажом отопительной системы составляется проект, согласно которому и будут устанавливаться все элементы. Чтобы выбранная схема оправдывала себя, необходимо грамотно подобрать устройства, которые будут работать в контуре, и начать стоит с выбора отопительного котла. Выбирая котел, нужно отталкиваться от типа котла, зависящего от используемого топлива, и его мощности.В последние годы получают распространение твердотопливные котлы, которые практически не требуют эксплуатационных затрат, но можно выбрать и другой вариант из числа представленных на рынке.
Как рассчитывается мощность системы? При проведении усредненных расчетов обычно берется соотношение 1 кВт мощности на 10 квадратных метров помещения. Выбрав подходящий котел, можно начинать расчет отопительных приборов. Лучшим вариантом являются радиаторы, характеристики которых индивидуальны, но отличий в них обычно немного, поэтому выбирать подходящие устройства можно, исходя из личных предпочтений. Кроме котла и отопительных приборов, потребуются и остальные элементы, да и установку системы тоже нужно включать в расчеты.
Приблизительная стоимость конструкции может колебаться в пределах от 4000 до 4500 тысяч долларов, но при желании можно найти варианты дешевле или дороже. Важно помнить, что слишком дешевая конструкция может не обеспечить дом необходимым количеством тепла, а чересчур дорогие варианты часто не оправдывают возложенных надежд.
Заключение
Какие выводы можно сделать из всего вышесказанного? Замкнутая система отопления с принудительной циркуляцией достаточно надежна и долговечна, и такая конструкция прослужит дому на протяжении многих лет. При необходимости можно использовать в закрытой схеме и естественную циркуляцию, но этот вариант создаст некоторые неудобства, без которых вполне можно было бы обойтись.
