Расчетно-экспериментальное обоснование параметров и конструкции СПП для перспективных блоков АЭС с ВВЭР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Денисов, Константин Николаевич

• Денисов, Константин Николаевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Денисов, Константин Николаевич

Содержание

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. Актуальность темы исследования

1.2. Степень разработанности темы исследования

1.3. Цель и задачи работы

1.4. Научная новизна

1.5. Теоретическая и практическая значимость работы

1.6. Методология и методы исследования

1.7. Положения выносимые на защиту

1.8. Степень достоверности и апробация результатов работы

1.9. Личный вклад автора

2. СЕПАРАТОРЫ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛИ АЭС, ОБЗОР РАЗВИТИЯ

2.1. Конструкции зарубежных СПП

2.2. Конструкции отечественных СПП

2.3. Предсспарацнонные устройства в системе ПСПП АЭС

2.3.1. Центробежные предсепараторы в ресиверах турбоустановок АЭС

2.3.2. Пленочные предсепараторы в ресиверах турбоустановок АЭС

3. ОПИСАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕННЫХ МЕТОДИК ТЕПЛОВОГО, ГИДРАВЛИЧЕСКОГО И ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАСЧЕТОВ

3.1. Принципы совершенствования конструкций СПП

3.2. Определение коэффициента теплоотдачи к пучкам низкорсбрнстых поперечно оребренных труб

3.2.1. Основные обобщенные зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи при поперечном обтекании пучков оребренных труб

3.2.2. Определение приведенного коэффициента теплоотдачи и коэффициента эффективности оребрения

3.2.3. Определение коэффициента теплоотдачи к низкоребристым

трубам 50 3.2.3.1. Теплоотдача в пучках из низкоребристых труб с поперечными

перегородками 50 3.2.3.1.1. Теплоотдача в пучках низкоребристых труб при чисто

поперечном обтекании

3.3. Расчет безнапорных течений в элементах СПП

3.3.1. Вывод уравнений высоты уровня жидкости по длине канала при безнапорном течении

3.3.2. Определение коэффициента сопротивления трения и учет

местных сопротивлений

3.3.3. Определение граничных условий

3.3.4. Гидравлический прыжок

3.3.5. Истечение жидкости через сливные отверстия

3.3.6. Установка гидрозатворов на трубопроводах отвода сепарант и конденсата от СПП к сепарато и конденсатосборникам

3.4. Гидравлический расчет коллекторов

3.4.1. Общие выражения для расчета гидравлических характеристик

3.4.2. Определение перепадов статического давления в раздающем и собирающем коллекторах

3.5. Шанбоваиие кассет по тракту греющего пара

3.6. Выбор типа и основных геометрических характеристик ПС для АЭС нового поколения, на основании существующих экспериментальных и теоретических данных

3.6.1. Структура влажно-парового потока в ресиверах системы ПСПП

3.6.2. Выбор пиша предсенарационного устройства в системе ПСПП для АЭС-2006

3.6.3. Описание методики оценочного расчета ПС

3.7. Методика технико-экономического анализа конструкции СПП 99 4. ОПИСАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СПП

4.1. Технические требования к СПП для АЭС 2006

4.2. Описание конструкции СПП и основные результаты расчетов

4.2.1. Пленочный сепаратор

4.2.2. Определение конструктивных характеристик СПП,

обеспечивающих максимальную величину годового экономического эффекта

4.2.3. Описание конструкции СПП, разработанной на оптимальные параметры

4.2.3.1. Сенарационная часть СПП

4.2.3.2. Пароперегревательпая часть СПП

4.2.3.3. Результаты теплового и гидравлического расчета СПП-1200

4.2.3.4. Компоновка СПП в машзале

5. СРАВНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ КОНСТРУКЦИИ СИП ДЛЯ ТУРБОУСТАНОВКИ К-1200/6,8/50 С КОНСТРУКЦИЕЙ ИЗ ТРУБ ПРОДОЛЬНЫМ ОРЕБРЕНИЕМ

5.1. Описание конструкции СПП из труб с продольным оребрением для АЭС-2006

5.2. Сравнение вариантов конструкции

6. ВЫВОДЫ 144 Список использованных источников

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЭС - атомная электрическая станция

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор

ЗиО - завод им. Орджоникидзе

КПД - коэффициент полезного действия

КПС - коленно-пленочный сепаратор

КС - конденсатосборник

ЛМЗ - Ленинградский металлический завод

ПГ - парогенератор

ПВС - пароводяная смесь

ПНД - подогреватель низкого давления

ПП - пароперегреватель

ПС - пленочный сепаратор

ПСПП — промежуточная сепарация и перегрев пара

РБМК - реактор большой мощности канальный

РУ - реакторная установка

СПП - сепаратор пароперегреватель

СС - сепаратосборник

ХТЗ - Харьковский турбинный завод

ЦВД - цилиндр высокого давления

ЦНД - цилиндр низкого давления

ЦС - центробежный сепаратор

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетно-экспериментальное обоснование параметров и конструкции СПП для перспективных блоков АЭС с ВВЭР»

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время принята программа [1] строительства новых энергоблоков проекта АЭС 2006, с водо-водяными энергетическими реакторами электрической мощностью около 1200 МВт. Первые блоки будут введены в строй на площадках ЛАЭС-2 и НВАЭС-2. Предполагается комплектация блоков турбоустановками К-1200-6,8/50 поставки ОАО «Силовые Машины». В связи с этим актуальной задачей становится комплектация новых блоков АЭС оборудованием, обеспечивающим при понижении капитальных затрат, повышение отпускаемой электрической мощности (КПД цикла ЯЭУ).

Особенностью работы турбоустановок АЭС с реакторами типа ВВЭР является применение в качестве рабочего тела сухого насыщенного пара. При этом процесс расширения пара в турбине происходит в области влажного пара.

Сепаратор - пароперегреватель предназначен для осуществления сепарации влажного пара, поступающего из ЦВД турбины, и последующего перегрева пара перед входом в ЦНД, с целью предотвращения повышенного эрозионного износа проточных частей ЦНД и повышения КПД цикла турбоустановки.

1.1. Актуальность темы исследования

В настоящее время на АЭС с ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 с турбоустановками К-220-44/3000 и К-1000-60/1500 поставки ХТЗ установлены СПП-220-1, СПП-1000 соответственно. Они представляют собой аппараты с верхним расположением сепаратора и двухступенчатым пароперегревателем, выполненным из труб с продольным оребрением. На энергоблоках с ВВЭР-1000, укомплектованных быстроходными турбинами К-1000-60/3000 поставки ЛМЗ, установлены С1И1-1000-1 с нижним расположением сепаратора и одноступенчатым пароперегревателем, выполненным также из продольно-оребренных труб. На АЭС с РБМК - 1000 установлены СПП 500 - 1,

конструкция которых принципиально аналогична конструкции Clll1-220-1 и СШ1-1 ООО, однако в пароперегревателе применены теплообменные модули с гладкими трубами из нержавеющей стали. На АЭС с РБМК-1500 были установлены СПП-750 с пароперегревателем из продольно обтекаемых гладких труб и боковым расположением сепаратора.

Данные аппараты создавались на ЗиО при участии других проектных институтов [2] в 70х годах в отсутствие достаточного опыта эксплуатации CI 111. При этом факторами, в значительной степени определившими конструкцию СПП, были допустимые габариты СПП, соответствующие требованиям компоновки в машзале и транспортировки СПП в сборе. Вследствие ограничения размеров СПП по длине и диаметру конструкция была выполнена чрезмерно компактной. Это не позволило выполнить входные камеры достаточного объема, обеспечить симметричное распределение потоков пара в сепарационные блоки, установить в камерах устройства предварительной сепарации влаги.

Зарубежные конструкции СПП имеют существенно большие размеры, что видно из сравнения отношения габаритных объемов СПП к их тепловой мощности, так в СПП - 1000 - 1 эта величина составляет около 2.5 м3/МВт, а в

о

ряде зарубежных СПП около 5 м /МВт.

Выбор для турбоустановки двухступенчатой системы перегрева определил в конструкции СПП необходимость компоновки с верхним расположением сепаратора и нижним - трубного пучка.

Это было обусловлено продольным движением пара в трубном пучке с поворотом из 1 ступени во 2 ступень. Выполнение конструкции пароперегревателя из продольно - оребренных труб в имевшихся условиях было единственно возможным, т.к. применение трубного пучка из поперечно -обтекаемых гладких труб не позволяло выполнить СПП требуемых габаритов при заданном количестве корпусов СПП, а стальные трубы с поперечным оребрением требуемых параметров в те годы отсутствовали. Вследствие этого

ЗиО применил для турбоустановок АЭС с ВВЭР трубные пучки из продольно -оребренных труб собственного производства.

В ходе эксплуатации СПП на АЭС (особенно СПП-220-1, СПП-500-1 и СПП-1000) был выявлен ряд серьезных недостатков в конструкции, влияющих на надежность и экономичность турбоустановки [3],[4],[5], [6].

Входная камера аппаратов не обеспечивает равномерной раздачи влажного пара по сепарационным блокам. Мероприятия по предсепарации пара во входной камере СПП не предусмотрены. Отдельные сепарационные блоки испытывают существенные перегрузки по расходам, как влаги, так и пара, что приводит к проносу влаги через отдельные жалюзийные пакеты и попаданию ее на элементы пароперегревателя. Дополнительным фактором, способствующим попаданию влаги в пароперегреватель, является расположение сепаратора над трубным пучком. В настоящее время влажность пара за сепарационными блоками на большинстве работающих аппаратах превышает допустимую величину (менее 1 %), что приводит к снижению температуры перегретого пара на выходе из ступеней СПП1.

Большие значения влажности пара за сепаратором приводят к увеличению расхода греющего пара в пароперегревателях, что снижает экономичность турбоустановки [7], [8].

Также установлено, что при влажности пара за сепаратором более 2% могут иметь место значительные пульсации температур стенок труб разводки и кассет пароперегревателя, что приводит к их повреждению [9]. Это требует проведения дополнительных мероприятий по защите труб разводки с использованием защитных чехлов и пр. [4].

Основным недостатком в исполнении пароперегревателя является конструкция труб подвода греющего пара к кассетам пароперегревателя и отвода конденсата греющего пара от них. Из-за разницы длин труб подвода

1 После внедрения в СПП отечественных АЭС жалюзийных пакетов на АЭС с РБМК и центробежных предсепараторов на АЭС с ВВЭР немецкой фирмы «Бакке-Дюрр» в период с 2008 по 2010 г.г. ситуацию с повышенной влажностью удалось нормализовать

греющего пара к отдельным кассетам пароперегревателя имеется разница давлений пара на входе в кассеты. Ввиду малого диаметра труб отвода конденсата греющего пара его слив из кассет происходит полным сечением. Таким образом, указанная разница давлений ведет к подтоплению кассет пароперегревателя с более длинными трубами подвода греющего пара, что ведет к выключению части теплообменной поверхности и снижению сред неинтегральной температуры перегрева пара [10; 11]. Причем, как показано в [12], уровень конденсата в трубах пароперегревателя может колебаться, что приводит к появлению термоусталостных напряжений, разрушению сварных и вальцовочных соединений. Также к недостаткам пароперегревателя можно отнести необходимость установки фигурной перегородки между корпусом СПП и первой ступенью пароперегревателя, а также между первой и второй ступенями 1111, таким образом, имеются существенные зазоры по периферии кассет, через которые осуществляется перетечка значительных (около 10 %) количеств пара практически без теплообмена [5]. Необходимо отметить, что металлоемкость ПП из кассет с продольно - оребренными трубами в 2-2,5 раза превышает металлоемкость зарубежных аппаратов из поперечно оребренных труб.

Существенные проблемы в работе СПП вызывает несимметричная обвязка параллельно работающих аппаратов, что приводит к разверке давлений нагреваемой и греющей сред на входе в СПП [4], [13].

Необходимо отметить, что большинство недостатков в сепарационной части СПП, характерных для СПП-220-1 СПП-500-1 и СПП-1000 были устранены в конструкции СПП - 1000-1. Также были приняты меры по выравниванию давлений нагреваемого пара на входе в СПП путем установки на ресиверах турбоустановок К-1000-60/3000 Ду 1400 уравнительных трубопроводов Ду 1200.

В настоящее время снижение электрической мощности турбоустановок из-за несоответствия параметров СПП (влажности пара за сепаратором и

температуры пара за ступенями 1111) нормируемым величинам составляет для СПП-500-1 - 4-5 МВт; для СПП-220 - 1 МВт; для СПП-1000 - 4 МВт на турбоустановку [ 14].

В зарубежных СПП используются трубные пучки с более эффективным с точки зрения теплоотдачи поперечным обтеканием труб паром, при этом применялись как гладкие, так и оребренные трубы с поперечным оребрением. Все конструкции СПП, как вертикального, так и горизонтального типов, выполнены только с нижним или боковым по отношению к трубному пучку расположением сепаратора. Верхнее расположение сепаратора не применяется.

В настоящее время имеется возможность применения в теплообменных аппаратах труб с поперечным оребрением российского производства (из углеродистой стали) и зарубежного (из углеродистой и нержавеющей сталей).

Также имеется возможность использовать в составе сепаратора жалюзи более совершенной конструкции, допускающие существенное увеличение скорости набегания пара при очень низких величинах влажности за сепарационными блоками (менее 0.2 %).

Для повышения надежности работы основного жалюзийного сепаратора в ресиверах ЦВД-СПП применяются предсепарационные устройства пленочного или центробежного типа. Это позволяет уловить от 30 до 90 % влаги поступающей из ЦВД, предотвращая возможность перегрузки по влаге отдельных сепарационных блоков, и оставляя за жалюзийным сепаратором фактически только функцию «тонкой» осушки пара.

Таким образом, представляется весьма актуальным исследование научных проблем, связанных с разработкой конструкции СПП для турбоустановки К-1200-6,8/50, обладающей высокой надёжностью и эффективностью работы.

1.2. Степень разработанности темы исследования

Основным документом, регламентирующим тепловые и гидравлические расчеты СПП, является РТМ 108.020.107-84, [15].Этот документ ориентирован

на расчет уже существующих конструкций СШ1-220-1, 500-1, 1000 и не содержит полной методической информации необходимой для проектирования новых СПП для перспективных энергоблоков.

1.3. Цель и задачи работы

Целью работы является оптимизация характеристик и обоснование конструкции СПП повышенной экономичности и надежности для АЭС с ВВЭР большой мощности. Для этого рассмотрен и решен ряд задач в области методик проведения тепловых и гидравлических расчетов и выполнено расчетно-экспериментальное обоснование СПП.

1.4. Научная новизна

1. Разработаны технические решения для создания СПП повышенной экономичности и надежности для проекта АЭС-2006 с ВВЭР-1200. Также предложена и обоснована оригинальная конструкция пленочного предсепаратора (ПС).

2. Разработаны новые методические подходы, необходимые для расчета современных СПП, в частности:

• Предложено наиболее подходящее критериальное уравнение для расчета коэффициента теплоотдачи при обтекании однофазным потоком шахматных пучков низкоребристых поперечно оребренных труб;

• Обобщена и расширена методика безнапорного течения жидкости в элементах оборудования системы ПСПП, с экспериментальным подтверждением примененного подхода;

• Выработаны рекомендации по гидравлическому расчету СПП, пароперегреватель и сепаратор которых представляет собой конструкцию с коллекторами, включенными по Z - схеме, при профилированном раздающем коллекторе, и переменной по высоте степени перфорации входного дырчатого листа сепарационных блоков;

• Обоснованы мероприятия, направленные на повышение надежности работы ГШ, выполненного из параллельно работающих кассет, находящихся в условиях тепловой и гидравлической неравномерности;

• Предложена расчетная методика для определения основных геометрических характеристик предсепарационных устройств пленочного типа;

3. Проведено математическое моделирование работы модулей ПП СПП -500-1 в условиях имеющейся геометрической нетождественности труб подвода греющего пара, с последующим сопоставлением с замерами, проведенными при эксплуатации аппаратов. Подтверждено предположение о существенном подтоплении части модулей ПП конденсатом греющего пара. На основании выполненных расчетно-экспериментальных работ и проектного исследования показано, что возможно создание более надежной и компактной конструкции СПП для АЭС - 2006 по сравнению с аппаратами, изготовленными из типовых конструктивных элементов, примененных в существующих СПП (220-1; 1000; 1000-1). Показана возможность снижения металлоемкости ПП в 23 раза при применении труб с низким поперечным оребрением. Проведена технико-экономическая оптимизация конструкции и выявлена целесообразность повышения параметров СПП за счет увеличения поверхности теплообмена, что позволяет увеличить электрическую мощность турбоустановки на 5.5 - 6 МВт.

1.5. Теоретическая и практическая значимость работы

Выполнено уточнение методик тепловых и гидравлических расчетов, которые могут быть использованы при конструировании как самих СПП и их обвязки, так и другого энергетического оборудования. На основании результатов проведенных исследований разработана и обоснована конструкция СПП для турбоустановки К-1200-6,8/50 с существенно более высокими технико-экономическими показателями, чем при использовании конструкции, аналогичной существующим аппаратам. Имеется патентный приоритет (патент № 88774) на конструкцию СПП с использованием в ПП кассет с концевыми

камерами в виде прямоугольных параллелепипедов и использованием в поверхности теплообмена поперечно-оребренных труб. Разработанные методики расчетов безнапорных течений жидкости применены при выполнении рабочего проекта модернизации сепарационной части СПП-500-1. Указанная модернизация была успешно произведена на ЛАЭС, СмАЭС и КуАЭС. Полученные результаты по оптимальным значениям температур перегрева пара за ступенями ПП использованы ОАО «Силовые машины» в технических требованиях на теплообменное оборудование регенеративного тракта, комплектующее турбоустановки, как уже изготавливаемые (для АЭС с ВВЭР-2006), так и перспективные (для АЭС с ВВЭР ТОЙ).

1.6. Методология и методы исследования

Методология работы в части совершенствования расчетных методик основана на исследовании имеющихся литературных источников, с анализом возможности их применения для решения рассмотренных в работе проблем, с привлечением экспериментальных и эксплуатационных данных, а также с использованием некоторых математических выкладок, выполненных автором. Конструкторские проработки основывались на анализе достоинств, недостатков и опыте эксплуатации теплообменного оборудования на действующих АЭС.

1.7. Положения выносимые на защиту

1. Методический подход при:

•Определении теплоотдачи к низкоребристым оребренным трубам при

поперечном их обтекании паром;

•Расчете безнапорного течения жидкости в элементах систем отвода

сепарата и конденсата греющего пара СПП;

•Гидравлическом расчете коллекторов в случае переменного сечения

раздающего коллектора и различной степени перфорации по длине

коллектора, дырчатого листа, устанавливаемого на входе в сепаратор и ГШ;

•Расчете шайбования труб подвода греющего пара к кассетам СПП для компенсации их геометрической нетождественности;

•Расчете порядного шайбования поперечно обтекаемых труб в кассетах СПП для компенсации возникающей тепловой нетождественности (по рядам труб);

•Определении основных геометрических характеристик пленочного сепаратора;

2. Экспериментальное подтверждение примененного подхода к расчету безнапорных течений в случае течения жидкости неполным сечением в горизонтальной трубе;

3. Результаты расчета неравномерности поля температур за 1-ой ступенью ПП СПП - 500-1, вызванного разностью длин труб подвода греющего пара и отвода конденсата греющего пара к модулям 1111. Подтверждение полученных расчетов результатами измерений, проведенных сотрудниками ОАО «НПО ЦКТИ».

4. Предложения по конструкции СПП и ПС для турбоустановки К -1200-6,8/50 в составе АЭС с ВВЭР - 2006.

1.8. Степень достоверности и апробация результатов работы

Достоверность изложенных результатов базируется на привлечении экспериментальных и эксплуатационных данных, а также широком использовании литературных источников напрямую или косвенным образом связанных с решением поставленных в работе задач.

Получено положительное заключение специалистов ОАО «ЭМ Альянс» («Красный котельщик») о возможности изготовления разработанной конструкции СПП. Результаты работы представлялись на третьей школе -семинаре «Энергосбережение - теория и практика», 21 - 29.09.2006, МЭИ, г. Москва, «Юбилейной научно-технической конференции Северо-Западного

государственного технического университета», ноябрь 2006, г. Санкт-Петербург, а также на «Совещании начальников турбинных цехов», ОАО «Концерн Росэнергоатом» в февраль 2010, г. Москва.

1.9. Личный вклад автора

В диссертации представлены результаты экспериментальных, расчётных и конструкторских разработок, выполненных как автором самостоятельно. Общая концепция конструктивного исполнения СПП была разработана

совместно с [Мариничем A.M.

2. СЕПАРАТОРЫ ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛИ АЭС, ОБЗОР

РАЗВИТИЯ

В настоящее время зарубежные фирмы не имеют единой точки зрения о компоновке СПП в машинном зале - вертикальной или горизонтальной. Вертикальная конструкция упрощает компоновку турбоустановки и сокращает размеры машинного зала, оставляет больше свободной площади возле турбины (необходимой, например, при ее ремонте). Горизонтальная компоновка облегчает дренаж сепарата и конденсата, делает его более надежным, позволяет применить сепарационные блоки меньшей высоты (в основном с одним рядом пакетов жалюзи) и повысить надежность их работы.

Зарубежные поставщики СПП считают, что в настоящее время ни одна, ни другая компоновки СПП не имеют очевидных преимуществ, по которым можно отдать предпочтение при их поставках на рынок оборудования АЭС. Нередко одни и те же фирмы применяют СПП различных типов в зависимости от компоновки машзала в целом, требований заказчика по транспортировке СПП, удобству ремонта и др.

Так как все отечественные СПП были выполнены вертикального типа, в данной главе СПП с горизонтальной компоновкой рассматриваться не будут.

2.1. Конструкции зарубежных СПП

С 1969 г. фирма КВУ по лицензии фирмы «Вестингауз» выпускала горизонтальные СПП, а в дальнейшем перешла к выпуску вертикальных аппаратов, рис. 1 [16].

Поток влажного пара входит в СПП сбоку через два патрубка и поступает в первую ступень сепаратора, представляющую собой устройство, в котором пар поворачивает на 180 градусов, а влага частично удаляется через щелевую ловушку. Предсепаратор отделяет до 60 % влаги, поступающей в СПП. Далее пар через центральную камеру подается к основному жалюзийному сепаратору.

Рисунок 1 Сепаратор пароперегреватель фирмы "КВУ" 1 - Вход греющего пара; 2 - выход перегретого пара; 3 - перегреватель; 4 - выход конденсата греющего пара; 5 — основной сепаратор; 6 - дренаж сепарата из основного сепаратора; 7 -предсепаратор; 8 - дренаж сепарата из предсепаратора; 9 - вход влажного пара; 10 -отражающие листы и жалюзи сепаратора;

С— (0*600 —•

Рисунок 2 Сепаратор-пароперегреватель для АЭС Унтервезер.

Благодаря такой конструкции сепаратора удается достигнуть конечной влажности 0,7 %. Сепарат удаляется из аппарата через дренаж первой и основной ступеней сепаратора. После сепаратора пар продольно обтекает трубы промперегревателя и выходит из СПИ через боковой патрубок, расположенный в верхней части аппарата. Греющий пар поступает в СПП сверху через входной патрубок, а конденсат удаляется через трубу в средней части корпуса аппарата.

В первых аппаратах фирмы «Балке-Дюрр» вертикального типа, выпускавшихся в 1970-80-х годах, использовались одноступенчатые пароперегреватели из прямых гладких труб, закрепляемых в двух камерах одного трубного пучка. В межтрубном пространстве трубных пучков осуществляется продольное движение перегреваемого пара. На рис. 2 представлена конструкция СПП для АЭС Унтервезер [17]. В днище входной камеры СПП установлено предсепарационное устройство щелевого типа, сепаратор выполнен многоярусным из концентрически установленных пакетов жалюзи. В дальнейшем фирма перешла к выпуску СПП, имеющих пароперегреватели с более эффективными трубными пучками с поперечным движением пара (рис. 3). При этом используются трубы с поперечным оребрением.

Рисунок 3 Одноступенчатый СПП фирмы Балке - Дюрр

Рисунок 4 Двухступенчатый СПП фирмы Балке - Дюрр

Основной сепаратор

Преде «паратор

I ступень перегрева

1! ступень перегрева

Выход перегретого пара

Представленный на рис. 3 аппарат выполнен с предсепаратором во входной камере СПИ, при этом сепарация влаги осуществляется за счет организации плавного поворота потока пара на 180 градусов и удаления влаги через щелевое устройство.

Подвод пара в сепаратор выполнен через цилиндрическую обечайку, что позволяет организовать симметричное распределение пара перед пакетами жалюзи, установленными в виде «звездочки». Одноступенчатый пароперегреватель выполнен секционированным из четырех трубных пучков из труб с поперечным оребрением. Пар подводится к пучкам через центральный канал и, пройдя поперек теплообменных труб, выходит в пространство между трубными пучками и корпусом СПП. Греющий пар подводится к трубным пучкам через верхние камеры, а конденсат отводится из нижних камер.

Фирмой была запатентована конструкция СПП такого типа с пароперегревателями, имеющими две ступени перегрева (рис. 5) [18] за счет установки перепускных перегородок. Однако данная конструкция не была реализована.

Рисунок 5. Поперечное сечение двухступенчатого СПП фирмы Балке - Дюрр

Была применена другая компоновка СПП, позволившая выполнить однотипные СПП с одной и двумя ступенями перегрева. На рис. 4 представлена конструкция СПП с двумя ступенями перегрева. Одноступенчатые аппараты были впервые применены в 1979 г. на энергоблоке мощностью 900 МВт. Компоновка сепаратора и трубных пучков пароперегревателя выполнена по

схеме, получившей название «стена»: пароперегреватель включает по фронту набегания пара четыре вертикальных трубных пучка, а по ходу движения пара 1 или 2 трубных пучка. Перед каждым трубным пучком со стороны набегания пара установлен параллельно пучку в вертикальной плоскости блок жалюзийного сепаратора, включающий по высоте несколько пакетов жалюзи. Влажный пар поступает во входную камеру CI111, поворачивает и движется по каналу вверх вдоль сепаратора. Для более равномерного распределения потока пара по пакетам жалюзи в канале установлена клиновая перегородка. Перегретый пар поступает в пространство между трубными пучками и корпусом и отводится из СПП через боковой патрубок.

Для одноступенчатого и двухступенчатого СПП применены разные схемы предсепарации: в первом варианте во входной камере установлено щелевое устройство (по типу, показанному на рис. 1), а во втором перед входом в СПП на ресивере установлен центробежный сепаратор. Данная компоновка СПП позволила обеспечить низкую величину гидравлического сопротивления аппарата, так в одноступенчатом СПП оно не превысило 3% от разделительного давления.

Для турбин АЭС, выпускаемых крупнейшей французской турбостроительной фирмой «Альстом-Атлантик», фирма «Стейн Индастри» в рамках кооперации разработала и изготовила как горизонтальные, так и вертикальные СПП.

Начиная с первых аппаратов вертикального типа, фирма применила компоновку сепаратора и пароперегревателя по схеме «стена». Для турбин мощностью 900 МВт в 1975 г. был поставлен СПП, показанный на рис. 6. Сепаратор выполнен в виде двух вертикальных блоков, установленных под углом около 90 градусов друг к другу. Пароперегреватель имеет одну ступень перегрева, состоящую из четырех трубных пучков, которые установлены в одну линию по отношению к сепаратору. Пар, пройдя сепаратор, поступает в два трубных пучка, расположенных ближе к корпусу, и далее через перепускные

каналы, имеющие в сечении форму полуцилиндра, поступает также в два пучка в центре аппарата. Последовательное движение пара через два пучка организовано с целью повышения скорости перегреваемого пара. Выход пара осуществляется через вертикальный канал, объединяющий два центральных трубных пучка и соединенный с выходным патрубком.

Греющий пар \

Перегретый пар

Рисунок 6. Одноступенчатый сепаратор пароперегреватель фирмы Альстом для турбин мощностью 900 МВт

Греющий пар \

/^^х-^тт^Ч Перегретый • jiT-"^ пер

Рисунок 7. Одноступенчатый сепаратор пароперегреватель фирмы Альстом для турбин мощностью 1300 МВт

Для турбин мощностью 1300 МВт с 1981 г. поставлялись CI 111, скомпонованные также по схеме «стена» (рис. 7). Подвод пара выполнен в нижней части корпуса, во входной камере организован плавный поворот потока на 90 градусов. При этом в поворотной обечайке имеются щели для улавливания пленочной влаги. Сепаратор включает 4 вертикальных блока пакетов жалюзи, каждый из которых выполнен из двух секций, установленных под углом. Сепарационные блоки размещены в одну линию параллельно четырем трубным пучкам пароперегревателя. СИЛ выполнен весьма

компактным и имеет длину 16500 мм и диаметр 4800 мм, при этом на турбину устанавливается два СПП.

2.2. Конструкции отечественных СПП

Первые СПП для АЭС с ВВЭР - 440 конструкции ЗиО, установленные на турбинах ХТЗ К-220-44/3000 третьего энергоблока Ново-Воронежской станции в 1971 г., выполнены в виде вертикальных двухкорпусных аппаратов (рис.8). В первом корпусе расположено сепарационное устройство и перегреватель первой ступени. Во втором - перегреватель второй ступени. Сепаратор размещается в кольцевом зазоре между корпусом и трубным пучком первой ступени и имеет по высоте 6 ярусов пакетов жалюзи. Трубные пучки перегревателей обеих ступеней выполнены из гладких труб диаметром 16x2 мм и длиной 9 м.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Денисов, Константин Николаевич, 2013 год

Список использованных источников

1 Федеральная целевая программа развития атомного энергопромышленного комплекса/ постановление Правительства Российской федерации от 06.10.2006 №605.

2 Терентьев И.К. Разработка перспективных конструкций сепараторов-пароперегревателей и парогенераторов / Терентьев И.К., Маринич А.М., Паскарь Б.Л., ЮЛ. Сорокин // Труды ЦКТИ. -1988. -№ 242. -С.3-12.

3 Анапольский A.B. Отработка аппаратов СПП - 220 в стендовых и промышленных условиях / Анапольский A.B., Андреев П.А., Дмитриев С.А. и др. // Труды ЦКТИ. -1977. -№ 145. -С. 512.

4 Сапелов В.В. Исследование и модернизация промежуточного сепаратора-пароперегревателя СПП-500-1 на Ленинградской АЭС / Сапелов В.В., Бакаев А.И., Бачило Л.Л. и др. // Труды ЦКТИ. -1982. -№ 200. -С. 93-103.

5 Винер С.Л. Исследование работы пароперегревателя СПП-1000 турбоустановки К-500-60/1500 на V блоке Нововоронежской АЭС / Винер С.Л., Леках Б.М., Сапелов В.В., Горюнов A.C. // Труды ЦКТИ. -1983. -№. 202. -С. 77-82.

6 Волков А.П. Испытания промежуточных сепараторов пароперегревателей турбины К-220-44/3000 на Кольской АЭС / Волков А.П., Келин Г.Е., Рандин В.Н. и др. // Теплоэнергетика. -1977. -№7. -С. 28-31.

7 Теплицкий М.Г. Исследование экономичности турбоустановки К-1000-60/1500 ХТЗ и энергоблока 1000 МВт Южно-Украинской АЭС / Теплицкий М.Г. и др. // Теплоэнергетика. -1986. -№ 12.

8 Бузлуков В.А. Натурные испытания турбоустановки К-1000-60/1500-2 ПО AT ХТЗ на Запорожской АЭС // Теплоэнергетика. -1989. -№ 2.

9 Дергач АА. Исследование теплоотдачи и температурного режима при обтекании влажным паром вертикальных и горизонтальных труб / Дергач A.A., Паскарь, Б.Л., C.B. Словцов и др. // Труды ЦКТИ. -1992. -№269. С. 37-45.

10 Мухачев В.Л., Панин В.В. Условия работы теплопередающих поверхностей сепараторов-пароперегревателей при вертикальном исполнении конденсаторов // Энергомашиностроение. -1989. -№6. С. 34-37.

11 Мухачев В. Л., Симкин Б.П., Разработка промперегревателя турбоустановки с исключением дефицита расхода греющего пара в СПП // Труды ЦКТИ. -1992. -№ 269. С. 9498.

12 Федорович Е.Д., Б.С. Фокин, О.П. Кректунов Экспериментальное исследование возможности работы СПП в режиме с подтоплением кассет // отчет НПО ЦКТИ. -1990. -№ 102034/0-12588.-С 901.

13 Артемов JI.H. Параллельная работа сепараторов пароперегревателей на четвертом блоке HB АЭС / Артемов JI.H., Десятун В.Ф., Крейдин Б.Л. и др. // Теплоэнергетика. -№ 12. -С. 1823.

14 Научно-техническое сопровождение работ по обоснованию выбора устройств предварительной сепарации пара для турбин АЭС концерна «Росэнергоатом» типа К-1000-60/1500-1(2), К-500-65/3000, К-500-60/1500, К-220-44", в том числе "Обоснование эффективности применения предсепарации для турбин АЭС концерна «Росэнергоатом» п.7.3.6. "Плана мероприятий по повышению безопасности АЭС ФГУП "концерна "Росэнергоатом " на 2006 г. // отчет ЦКТИ. -2006. -№153-06/2.

15 РТМ 108.020.107-84 Сепараторы-пароперегреватели турбин АЭС.

16 Анализ конъюнктуры внешнего рынка сепараторов-пароперегревателей турбин насыщенного пара АЭС. Серия «Зарубежная информация», М.. НИИЭИНФОРМЭНЕРГОМАШ, 1983, 35 с.

17 Wasserabscheider-Zwischenüberhitzer, Von W. Bruckmann und M. Kienböck. VGB KRAFTWERKSTECHNIbC 64, 1984,11.1. S. 165-175.

1 Я

Apparatus for drying wet steam and subsequently superheating the dried steam, United States Patent № 4683842, 4.08.1987.

19 Комплекс исследовательских работ в обосновании принятых решений (по сепарационным устройствам для турбины К-1000-68/1500), Отчет ЦКТИ № 054003/0-10850, Л., 1981 г., 63 стр.

Комплексные испытания системы промежуточной сепарации и перегрева пара (ПСПП) в стационарных и динамических режимах на I - ом блоке Хмельницкой АЭС // отчет ЦКТИ. -1988.-№454-87.

О t

Андреев П.А. Промежуточный сепаратор-пароперегреватель для турбин Ленинградской АЭС/ П.А. Андреев и др.// Энергомашиностроение. -1974. -№ 10. С. 1-4. 22 Шишкин А..А., Федорович Е.Д. Опыт эксплуатации промежуточных сепараторов-пароперегревателей турбин Ленинградской АЭС // Труды ЦКТИ. -1981. -№ 189. С.3-9.

Филиппов Г.А., Поваров O.A. Сепарация влаги в турбинах АЭС // Энергия. -1980. -С.320. 24 Progress achieved in steam drying: the high velocity separator/Coenca H.//Alstom Review, № 4, 1986.

25 Трояновский Б.М. Новые конструкции сепараторов зарубежных турбоустановок // Теплоэнергетика. -1986. -№ 1. С.70-73.

26 New generation Arabelle 1500 MWe steam turbine use major design advances/ Wollet G., Bruner H.//Modern Power Systems. -1983. -№ 10. -p. 32-38.

Сачков Ю.С., Федорович Е.Д. Обоснование концепции ступенчатой сепарации в тракте влажнопаровой турбины // Труды ЦКТИ. -1992. -№ 269. -С.47-51.

28 Боровков В.М. Повышение эффективности работы паротурбинных установок АЭС при применении многоступенчатой сепарации влаги/ В.М. Боровков, А.Г. Кутахов, H.H. Давиденко и др.// Известия высших учебных заведений. -1991. -№ 11. -С.62-65.

9Q

Даниленко В.Г. Модернизация оборудования систем промежуточного перегрева пара и регенерации турбоустановок с реакторами ВВЭР/ В.Г. Даниленко, В.П. Белоусов, В.Д. Белоусов и др.// Тяжелое машиностроение. -2003. -№ 4. -С. 2-6.

лц

Билявский A.A. Оборудование для атомной и тепловой энергетики // Тяжелое машиностроение. -1999. -№4. -С.18-36.

31 Научно - техническое сопровождение по обоснованию выбора устройств предварительной сепарации пара для типовых турбин концерна «Росэнергоатом» К - 1000 - 60/1500 - 1(2), К -500 - 65/3000, К - 500 - 60/1500, К - 220 - 44, в том числе: разработка рекомендаций по выбору систем предсепарации пара производства фирм «Балке - Дюрр», «Альстом», ОАО «ИК«ЗИОМАР»» для каждого типа турбин; анализ и оценка эскизных проектов привязки выбранных устройств предсепарации. Анализ и оценка конструкций предсепараторов пара производства фирм «Балке - Дюрр», «Альстом», ОАО «ИК«ЗИОМАР»» для типовых турбин. Анализ и оценка эскизных проектов привязки выбранных устройств предсепарации для типовых турбин // отчет ЦКТИ. -2006. -№208 - 06/10.

Филиппов Г.А. О структуре влажно-парового потока в перепускных ресиверах системы ПСПП. / Филиппов Г.А. и др. // Энергомашиностроение. -1989. -№ 6. -С. 24-27.

Хрунич А.Н., Гостев Д.Г. Эффективность пленочного сепаратора в системе ПСПП // Энергомашиностроение. -1989. -№ 6. -С. 31-34.

34 Бакаев А.И., Порохин С.Н., Шубин H.A. Модернизация системы промежуточной сепарации и перегрева пара турбоустановки К - 750 — 65/3000 Игналинской АЭС // Труды ЦКТИ. -1994. -№ 278. -С. 67 - 70.

35 Быков Г.С. Экспериментальное исследование влагоулавливающих устройств в трубопроводах влажного пара/ Г.С. Быков, С.Н. Порохин, А.И. Бакаев, И.А. Дёжин, Ю.И. Пономаренко// Труды ЦКТИ. -1988. -№ 240. -С. 35 - 40.

36 Сорокин IOJL, Демидова Л.Н., Сидоров В.Н. Пленочные сепараторы в ресиверах турбоустановок АЭС // Энергомашиностроение. -1989. -№ 6. -С. 28-31.

37 Назаров О.И., Деркач А.И. Модернизация системы ПСПП турбоустановки К - 220-44 Кольской АЭС с установкой в коленах пароперепускных ресиверов сепараторов влаги // Отчет ВНИИАМ. -1992. -№ 44008124. -С.16.

то

Кругликов П.А. Оптимизация конструкции и параметров сепаратора пароперегревателя для турбоустановки К - 1500 - 7.1/50 / П.А. Кругликов, A.A. Зубков, A.M. Маринич, К.Н. Денисов // труды третьей международной школы-семинара молодых ученых и специалистов - Энергосбережение теория и практика. -МЭИ 2006. -С.81 - 86.

-JQ

Юдин В.Ф. Теплообмен поперечно оребренных труб. -Л.: Машиностроение, 1982. -182с. Жукаускас A.A. Конвективный перенос в теплообменниках. -М.:Энергия, 1982. -472с. 41Heat Exchangers - Basics Design Applications, Piotr Wais, 586 стр., 2012 г. [Электронный ресурс]. URL http://\vww.intechopen.com/books/lieat-exchangers-basics-design-applications/fin-tube-heat-exchanger-optimization- (дата обращения 02.04.2013).

42 Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: Справочник / А.Н. Бессонный, Г.А. Дрейцер, В.Б. Кунтыш и др.; Под общ. ред. В.Б.Кунтьпиа и А.Н. Бессонного. - СПб.; Недра, 1996.-512 с.:ил.

43 Тепловой расчет котлов (нормативный метод). -СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. -256с.

44 Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. М. Теплопередача. -М.: Энергия, 1969. —440с.

45 Ulman A, Kaiman H., Efficiency and optimized dimensions of annular fins of different cross -section shape // International Journal of Heat and Mass Transfer. -1989. -vol. 32 №6. -P. 11051110.

46 Кругликов П.А. Совершенствование методик расчета аппаратов воздушного охлаждения / Кругликов П.А., Денисов К.Н., Соболев Д.А. и др. // Энергосбережение и водоподготовка. -2010. -№2. -С.36-40.

47 Ефимов А.Л., Бережная O.K., Данилина A.B. Расчет и интенсификация теплообмена в промышленных установках, учебное пособие. -М.: МЭИ, 2005. -64 с.

JQ

Справочник по теплообменникам под ред. Петухова Б.С. и Шикова Б.К., т.1. -М.: Энергоатомиздат, 1987. -560 с.

49 Петровский Ю.В., Фастовский В.Г. Эффективные современные теплообменники. -М.: Госэнергоиздат, 1962. -256с.

50 Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена. -М.: Энергия, 1977. -463 с.

51 Хаузен X. Теплоотдача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе. -М.: Энергоатомиздат, 1981.-384 с.

Стасюлявичус 10., Скринска А. Теплоотдача поперечно обтекаемых пучков ребристых труб. -Вильнюс.: Минтис, 1974. -250 с.

53 РД 24.035.03-88 Расчет стационарных и динамических режимов работы системы промежуточной сепарации и перегрева пара турбоустановок АЭС.

54 Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. -Москва.: Наука, 1976. -888 с.

55 Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - Москва.: Госэнергоиздат, 1975г.

56 Чисхолм Д. Двухфазные течения в трубопроводах и теплообменниках. -М.: Недра, 1986г.

57 Хабенский В.Б., Грановский B.C., Морозов П.А. Конденсация при расслоенном течении двухфазного потока внутри горизонтальных и наклонных труб // Теплообмен и гидравлика/ Труды V всесоюзной конференции по теплообмену и гидравлическому сопротивлению при движении двухфазного потока в элементах энергетических машин. -1977. -С. 162-174.

со

Курганов A.M., Федоров Н.Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. -Л.: Стройиздат, 1973. -408с.

59 Чугаев P.P. Гидравлика. -Л.: Энергия, 1975. -599с.

60 Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. -М.: Мир. -760 стр.

61 Быстров П.И., Михайлов B.C. Гидродинамика коллекторных теплообменных аппаратов. -М„ 1982.

62 Мигай В.К., Калинин Ю.С. О расчете раздающих и сборных коллекторов оборудования АЭС // Труды ЦКТИ. -1981. -№ 189. -С.77-83.

Гидравлический расчет паровых котлов. Нормативный метод. Том 1., Л., 1973 г., 166 стр. Готовский М.А., Егорова О.М. Исследование гидродинамики цилиндрического коллектора вертикального парогенератора ПГВ-250 // Труды ЦКТИ. -1982. -№ 199. -С.61-66.

65 Промежуточный сепаратор-пароперегреватель турбины К-500-65/3000 для АЭС с реактором РБМК-1000/ Технические Условия, 1972 г.

66 Разработка мероприятий по повышению экономичности и надежности системы сепарации и промперегрева пара турбины К-220-44/3000 // Отчет ЦКТИ. -1976. -№100506/0-9007.

РД 24.035.05-89 Тепловой расчет теплообменного оборудования АЭС, Методические указания.

Теплообмен в ядерных энергетических установках / Б.С. Петухов, Л.Г. Генин, С.А. Ковалев, С.Л. Соловьев. -М., МЭИ, 2003. -548 с.

69 Хьюлит Дж., Н. Холл-Тейлор Кольцевые двухфазные течения. -М.: Энергия, 1974. -408 с.

7П

Тонг Л. Теплоотдача при кипении и двухфазное течение. -М., Мир, 1964. -344 с.

Б.С. Фокин, М.А. Готовский и др., Разработка методики расчетного определения на стадии проектирования геометрических размеров и мест установки гомогенизирующих вставок, предотвращающих возникновение опасных вибраций в трубопроводах транспортирующих пароводяные потоки, Отчет ЦКТИ, договор № 149-0/10/LYG 264 от 20.03.2000, , СПб, 2000

г., 66 стр.

72

Нигматулин Б.И. Гидродинамика и теплофизика газо-парожидкостных и вскипающих потоков дисперсно-кольцевой и пузырьковой структур в каналах. -Дис. дкт. техн. наук. -Москва, 1983.-506 с.

73 Патент на полезную модель. Пленочный сепаратор. Заявка № 2010111837/06 от 29,03,2010 Парогенераторы и теплообменное оборудование АЭС: Учебное пособие/ A.B. Судаков,

Б.С. Фокин. - СПб.: НПО ЦКТИ, 2005,254 с.

75 Петреня Ю.К Основные пути повышения эффективности АЭС / Петреня Ю.К., Хоменок JI.A., Крутиков П.А., Смолкин Ю.В. // Теплоэнергетика. -2008. -№1. -С.11-13.

76 Кругликов П.А. О подходе к проектированию перспективных энергоблоков // Труды ЦКТИ. -2002. -№. 285. -С.67-71.

77

Ширани A.C., Зорин В.М. Оптимизация поверхностей нагрева промежуточного пароперегревателя турбин АЭС // Теплоэнергетика. -1999. -№ 6. -С.58-62.

78

Исходные технические требования на разработку оборудования, комплектующего турбоустановку К-1200-6,8/50 (Проект АЭС-2006) №9730001ТТ1101. -СПб.: ОАО «Силовые машины» филиал J1M3, 2007.

79 Исходные технические требования на разработку сепаратора - пароперегревателя и комплектующего оборудования в системе ПСПП для турбоустановки К - 1500 - 7,1/50 с реакторной установкой ВВЭР - 1500. -СПб.: ОАО "Силовые машины" филиал JIM3,2005.

80 Давиденко H.H. Совершенствование технико-экономических показателей технологического оборудования действующих АЭС / Давиденко H.H., Соломеев В.А., Кругликов П.А. и др. //Теплоэнергетика. -2008. -№1. -С.14-16.

81 Экономика энергетики; под ред. Н.Д. Рогалева. -М.: МЭИ, 2005. -287с.

ол

Макаров A.A. Перспективы развития электрогенерирующих мощностей России / Макаров

A.A., Волкова Е.А., Веселов В.Ф., и др. // Теплоэнергетика. -2008. -№ 2. -С.4-16.

83 Патент на полезную модель № 54271. Сепаратор пароперегреватель турбины атомной

электрической станции, gi

Исходные технические требования на разработку оборудования, комплектующего турбоустановку К-1200-6,8/50 (Проект АЭС-2006) №9730001ТТ1101 Изменение 1. -СПб.: ОАО «Силовые машины» филиал JIM3,2007.

85 тт

Патент на полезную модель № 70812. Сепаратор пароперегреватель турбины атомной

электростанции.

86

Агеев А.Г. Сепарационные устройства АЭС / Агеев А.Г., Карасев В.Б., Серов И.Т., Титов В.Ф. -М: Энергоиздат, 1982. -169 с.

R7

Аппараты воздушного охлаждения. Нормы и методы расчета на прочность. Гост 25822-83. 88 Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ Г-7-002/86. -М.: Энергоатомиздат, 1989. -525 с.

QQ

Лащинский A.A., Толчинский А.Р., Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. -М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1963. -468с.

90 Патент на полезную модель № 88774. Сепаратор пароперегреватель турбины атомной электрической станции.

Ii

0