Атомные паротурбинные установки

На рис. 9.24 приведена схема двухконтурной атомной паротурбинной установки.

Атомный реактор представляет собой металлический кожух, заполненный стержнями с ядерным горючим (природный уран ²³⁸U в смеси с
ураном ²³⁵U). При делении ядер урана выделяется теплота.

В первом контуре (I) циркулирует теплоноситель (вода под давлением, жидкие металлы, органические жидкости, газы), прокачиваемый насосами через атомный реактор и нагреваемый за счет теплоты, выделяющейся в результате реакции деления ядерного топлива.

Обозначения: АР - атомный реактор;

ПГ - парогенератор; Т - турбина; К - конденсатор;

Н - насос; БЗ - биологическая защита

Во втором контуре (II) циркулирует рабочее тело (вода и водяной пар). Теплота от теплоносителя к рабочему телу передается в теплообменнике – парогенераторе.

Биологическая защита – стена из баррибетона, отделяющая оборудование второго контура, которое обслуживается людьми, от оборудования первого контура.

При одноконтурной схеме рабочее тело из реактора направляется в турбину. В этом случае все оборудование работает в радиоактивных условиях. Это усложняет эксплуатацию. Преимуществом является лишь простота конструкции.

На рис. 9.25 представлен обратимый цикл в T-s-диаграмме первой в мире атомной паротурбинной установки (1954 г.).

Установка – двухконтурная. Теплоноситель – вода при давлении 100 бар, нагреваемая в атомном реакторе от 190⁰С до 270⁰С.

Электрическая мощность установки N_э=5 МВт, электрический КПД

,

где , Вт – тепловая мощность атомного реактора;

G_T, кг/с – расход теплоносителя;

, - энтальпия теплоносителя на входе и на выходе атомного реактора.

Развитие и совершенствование оборудования атомных электростанций позволило повысить параметры пара до Р₁ = 30 - 80 бар, температуру перегрева до t₁ = 500 - 515⁰C, электрический КПД до , единичную мощность энергоблоков довести до 1000 МВт и более.

Для атомных паротурбинных установок приходится решать много проблем: обеспечение максимального теплосъема в атомном реакторе, осуществление теплообмена в парогенераторе с наименьшей степенью необратимости, проведение процесса расширения пара в турбине при допустимой влажности пара х₂ ³ х_доп = 0,88 – 0,92.

Достоинством атомных электростанций является независимость от источников сырья. Для выработки 1 млн. кВт^.ч электроэнергии требуется 200 г урана или 400 т угля. Экологическая чистота АЭС много выше, чем ТЭС, работающей на органическом топливе. Атомная энергетика – это энергетика будущего.

Методические указания

При изучении темы “Циклы газотурбинных двигателей и установок” необходимо:

· понимать принцип работы ГТД и ГТУ;

· знать схемы установок и уметь анализировать их работу, используя
p-v- и T-s- диаграммы;

· понимать смысл коэффициентов полезного действия, характеризующих различные виды потерь в ГТУ;

· уметь рассчитать составляющие уравнения теплового баланса;

· знать способы повышения тепловой экономичности ГТУ.

Паротурбинные установки являются основой теплоэнергетики, поэтому особое внимание следует уделить средствам повышения эффективности циклов паротурбинных установок. Понимать возможности и особенности применения для оценки эффективности метода КПД и эксергетического метода. Знать способы увеличения КПД паротурбинных установок: увеличение параметров пара перед турбиной, снижение давления в конденсаторе, применение промежуточного перегрева пара, регенеративного подогрева конденсата.

Разобраться с особенностями работы и расчета теплофикационных и атомных установок.

Задачи

1. Для газотурбинного двигателя с циклом Брайтона (рис. 9.4) дано:

· параметры воздуха на входе в компрессор p₁ = 1 бар, t ₁= 20 ⁰С;

· степень повышения давления в компрессоре b = p₂/p₁= 6;

· внутренние относительные КПД турбины и компрессора ;

· механические КПД турбины и компрессора ;

· КПД камеры сгорания .

Рассчитать:

· температуры t₂, t₄, термический КПД (h_t) обратимого цикла 1-2-3-4;

· эффективный КПД ГТД (h_e);

· составляющие уравнения теплового баланса, проверить тождество, сделать выводы.

Принять, что рабочее тело обладает свойствами воздуха. Теплоемкость воздуха считать постоянной (mc_v = 20,8 кДж/кмоль^.0С).

Решение

Для воздуха (двухатомный газ) при постоянной теплоемкости показатель адиабаты k = 1,4, изобарная теплоемкость

.

Температуры Т₂ и Т₄ рассчитываются по связям между параметрами в обратимых адиабатных процессах 1-2 и 3-4:

Термический КПД обратимого цикла 1-2-3-4 при постоянной теплоемкости:

.

Рассчитываются конечные температуры действительных процессов сжатия и расширения T_2д и T_4д по уравнениям (9.3) и (9.4). При постоянной теплоемкости имеем:

Рассчитываются :

Рассчитываются потери:

· тепла в камере сгорания

· тепла с отработавшими газами

· механические потери в компрессоре

· механические потери в турбине

Подстановка численных значений в уравнение теплового баланса

дает тождество

557,4 = 105,6 + 22,3 + 414,6 + 7,6 + 7,3 = 557,4 кДж/кг.

Вывод. Максимальное количество тепла в газотурбинном двигателе теряется с отработавшими газами.

2. Сравнить термические КПД трех циклов с давлением в паровом котле p₁ = 98 бар, в конденсаторе – p₂ = 0,04 бар:

а) цикла Ренкина на насыщенном паре (x₁ = 1);

б) цикла Карно;

в) цикла Ренкина на перегретом паре с t₁ = 540 ⁰С.

Затратой работы на насос пренебречь.

Как изменится термический КПД цикла Ренкина на перегретом паре с параметрами p₁ = 98 бар, t₁= 540 ⁰С, p₂ = 0,04 бар, если:

г) ввести промежуточный перегрев пара при давлении p¢ = 10 бар до первоначальной температуры?

д) ввести регенеративный подогрев конденсата в одном смешивающем подогревателе при давлении p₀ = 7 бар?

Сопоставить полученные результаты и сделать выводы.

9.7. Ответы: