СНИЖЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК АЭС НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СХЕМЕ ОСНОВНОГО КОНДЕНСАТОРА ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

К АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

ATOMIC ENERGY

Статья поступила в редакцию 11.03.12. Ред. рег. № 1237 The article has entered in publishing office 11.03.12. Ed. reg. No. 1237

УДК 621.039.56

СНИЖЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК АЭС НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СХЕМЕ ОСНОВНОГО КОНДЕНСАТОРА ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

О.Л. Ташлыков, Е.М. Толмачев, М.Ю. Семенов, Б.Г. Сапожников

Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина 620002 Екатеринбург, ул. Мира, д. 19 Тел./факс: (343) 375-95-08, тел.: (343) 375-47-78, e-mail: oleg_lt@rambler.ru

Заключение совета рецензентов: 21.03.12 Заключение совета экспертов: 25.03.12 Принято к публикации: 28.03.12

Обоснована актуальность задачи снижения тепловых сбросов атомными электростанциями. Рассмотрены различные варианты включения теплового насоса в схему основного конденсатора паротурбинной установки электростанции. Описан алгоритм оценки использования тепловых насосов. Проведен анализ эффективности применения тепловых насосов в схеме основного конденсатора паротурбинной установки АЭС с реакторами на быстрых нейтронах. Выполнена оценка снижения тепловых нагрузок АЭС на окружающую среду при использовании тепловых насосов.

Ключевые слова: низкопотенциальное тепло, утилизация, атомная электростанция, реактор на быстрых нейтронах, тепловой насос, тепловые сбросы, паровая турбина.

REDUCTION OF THE NPP HEAT LOAD ON THE ENVIRONMENT BY THE USE OF HEAT PUMPS IN THE SCHEME OF MAIN CONDENSER OF THE STEAM TURBINE

O.L. Tashlykov, E.M. Tolmachev, M.Yu. Semenov, B.G. Sapozhnikov

Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin

19 Mira ave., Yekaterinburg, 620002, Russia Tel./fax: (343) 375-95-08, tel.: (343) 375-47-78, e-mail: oleg_lt@rambler.ru

Referred: 21.03.12 Expertise: 25.03.12 Accepted: 28.03.12

The urgency of the nuclear power plants thermal effluent reduction problem is substantiated. Different variants of the thermal pump inclusion into the circuit of the steam turbine main condenser are considered. The algorithm of the thermal pumps use efficiency estimation is described. The analysis of the thermal pumps use efficiency in the steam turbine main condenser circuit of the fast breeder reactor NPP is made. The estimation of the reduction of the NPP heat load on the environment by thermal pumps application is made.

Keywords: low potential heat, utilization, nuclear power plant, fast breeder reactor, thermal pump, heat emission, steam turbine.

Сведения об авторе: доцент кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УрФУ, канд. техн. наук, доцент. Государственные и отраслевые награды: почетное звание «Заслуженный учитель профессионального образования РФ», серебряная медаль концерна «Росэнергоатом» - За заслуги в повышении безопасности атомных станций, «Ветеран атомной энергетики и промышленности России».

Образование: Томский политехнический институт (1978 г.) по специальности «Атомные электрические станции и установки».

Область научных интересов: ядерная энергетика и технологии, радиационная безопасность персонала, оптимизация ремонтных работ на АЭС.

Публикации: 1 монография, более 100 научных публикаций, учебник и 10 учебных пособий.

Олег Леонидович Ташлыков

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (107) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

ж

л

Тх Ц

Евгений Михайлович Толмачев

Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор кафедры «Теоретическая теплотехника» УрФУ.

Образование: теплоэнергетический факультет Уральского политехнического института им. С.М. Кирова (1965 г.) по специальности «Проектирование и эксплуатация атомных энергетических установок», физический факультет Уральского гос. университета им. М. Горького (1971 г.) по специальности «Теоретическая физика».

Область научных интересов: гидромеханика, термодинамика и статистическая физика псевдоожиженных систем; конденсация на криволинейных поверхностях; пространственные течения чистых жидкостей и дисперсных потоков.

Публикации: более 60.

Максим Юрьевич Семенов

Сведения об авторе: студент УрФУ. Специальность «Атомные электрические станции и установки». Борис Георгиевич Сапожников

Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор кафедры «Теоретическая теплотехника» УрФУ. Образование: Московский энергетический институт по специальности «Теплоэнергетические установки электростанций» (1960 г.).

Область научных интересов: гидродинамика, теплообмен, диффузия и массообмен в дисперсных средах с активными гидродинамическими режимами (псеводосжиженный и виброкипящий слои). Публикации: 160 научных публикаций, в том числе монография.

Введение

Снижение тепловых сбросов, производимых тепловыми и атомными электростанциями, является актуальной задачей. Одним из возможных способов уменьшения теплового загрязнения атомными электростанциями может стать применение тепловых насосов в схеме основного конденсатора паротурбинной установки с целью утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты.

Теоретический анализ

Произведем аналитическое и численное сравнение термических КПД циклов традиционной паросиловой установки с одним регенеративным отбором в подогреватель низкого давления (ПНД) смешивающего типа и паросиловой установки с использованием теплового насоса для подогрева конденсата путем отнятия части теплоты сбрасываемой охлаждающей воды и передачи ее в ПНД поверхностного типа.

Считаем заданными: Жпотр. - мощность, отдаваемая потребителю (полезная мощность); р1, ^ - параметры острого (свежего) пара; р2 - давление в конденсаторе паровой турбины; р0 - давление регенеративного отбора; /в2 - соответственно, температура охлаждающей воды на входе в конденсатор и на выходе из него.

Всеми потерями для упрощения анализа пренебрегаем.

Диаграмма T-s цикла Ренкина представлена на рис. 1, а.

Q(H) - конд.

0 71«) _/

2 \ \

о / Аг- Цн) \

/с 3, \-— S / s*"1"

Рис. 1. Цикл Ренкина (а) и теплового насоса (b) Fig. 1. Rankine cycle (a) and thermal pump cycle (b)

По заданным исходным данным находим энтальпии водяного пара и воды в характерных точках цикла Ренкина с использованием известных допущений и приближений: Н1, И0, И2, И3, Ипв.

Приведем последовательность расчета регенеративного цикла Ренкина: доля отбора:

(р) h - h3 а(р) — ™ 3 • h0 - h3 '

(1)

удельная работа цикла:

4р) — (hi - h) - a (h - h) — (hi - ho) + (1 - a) (ho - h) •

(2)

массовый расход пара:

D«=-

N

(3)

( -к2)-а(р) (к0 -к2)' тепловая мощность ПНД:

С?ПН)д = ^(к -) = Я(р)(1 -а(р))(кш -къ); (4)

тепловая мощность конденсатора паросиловой установки:

Ф = D(р) (l -а(р))(й2 - h3);

массовый расход охлаждающей воды:

M„(p) = -

ё2р)

(5)

(6)

Уконд. "2 "3

(8)

удельная теплота испарителя ТН:

J«) = h<H> _ h(K) = ä(h) - h(H

'/исп "l "4 "l "3

удельная работа компрессора ТН:

/(н) = ¿<н)- й(н); комп 2 1 >

(9)

(10)

мощность паровой турбины блока, обеспечивающей нагрузку потребителя и работу ТН:

N(н)= N + N(K) ;

потр. комп. ■

массовый расход пара на турбину:

. ) N + N(k)

н) потр. комп.

Dw =

h1 - h2

(11)

(12)

" Св (в2 - К1 )' термический КПД цикла с регенеративным отбором:

„(p) = Nпoтp. = ^отр. (7)

П = = D<p)(h1 - hm )• ()

Алгоритм термодинамического расчета цикла

паросиловой установки с использованием теплового насоса с влажным ходом компрессора для подогрева питательной воды

Замечания:

1) величины, относящиеся к циклу теплового насоса и к параметрам хладагента, отмечаются верхним индексом (н);

2) для обозначения теплового насоса используется сокращение ТН;

3) давление хладагента в конденсаторе теплового насоса выбирается таким, чтобы температура его конденсации совпадала с температурой питательной воды 'пв (на выходе из ПНД в регенеративном цикле);

4) давление хладагента в испарителе теплового насоса выбирается таким, чтобы температура его испарения совпадала с температурой охлаждающей воды на выходе из испарителя;

5) все значения величин приводятся здесь по абсолютной величине.

В соответствии с принятыми допущениями из справочных источников находятся энтальпии хладагента в точках 2(н) и 3(н), равные к,(н) и к^н) (рис. 1, Ь). В силу того, что в дроссельном вентиле в процессе

(н) (н)

3 ' - 4 ' энтальпия остается неизменной, имеем к4н) = к3(н). Температура 43 и энтальпия к1(н) подлежат нахождению в последующих расчетах.

Удельная теплота конденсатора ТН:

тепловая мощность конденсатора ТН:

& . = е ПНД = ^(н)(кпв - к( )=

= О(н)*<1 = 0(н)(к2н)-к(н)), (13)

где О(н) - массовый расход хладагента теплового насоса;

тепловая мощность испарителя ТН:

= о(н)£ = о(н) (к<н) - к((н))=Мв Св (ъ - ^); (14)

мощность компрессора ТН:

ж(н) = о(н)/(н) = о(н)(к<н)-к,(н)) = 0(н) -е(н); (15)

комп. комп. \ 2 1 / г^конд. г^исп > V '

массовый расход охлаждающей воды в конденсаторе турбины:

. () ()(н) £(н)(к2 - к3) м(н) =—г1—г = —т"^——Ц. (16)

Св (в2 - 'в1 ) Св (в2 - 'в1 )

Выразив в (14) расход хладагента О(н) через Д(н) из (13) и расход охлаждающей воды М в(н) через Д(н) из (16), приходим к трансцендентному алгебраическому уравнению

() () (h2 -h3)(h2K)-h3(i,)) h^(t3)=h3(ii)+\2 —v

1 ^ 3 (hпв -h3)( - tB1)

((2 - tвз), (17)

позволяющему численным путем с помощью таблиц термодинамических свойств хладагента найти температуру 43 и затем энтальпию к1(н).

Считая теперь известными /в3 и к1(н), из (13) с учетом (12) и (15) вычисляем мощность компрессора теплового насоса:

N„,

N(н) -потр. (h1 - h2 )(h2M)- h3")) > 1 (18)

Nw =-—, где m =-V—-—V> 1. (18)

"" m - ^ д (hпв - h3 ))н)-hi")) ( )

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (107) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Массовые расходы водяного пара и хладагента находим из (12) и (15) с учетом (18):

D(н) = _ m Nno-rp.

m -1 h1 - h2 Термический КПД цикла

N

G (н) =

N

Nt,

h2H)- h<H)-

n V =•

й(н) D(h)( - hm)

(19)

(20)

m

D (

D(p) m -1

1 -a(p) hzh. 1.

hj - h2

т.е., как видно из (7) и (20), сравнение эффективности схем паросиловых установок с регенерацией тепла и с использованием теплового насоса сводится к сравнению расходов пара в соответствующих установках. Используя (3) и (19), вычислим отношение расходов:

Без численного счета это выражение не дает однозначного ответа на вопрос о соотношении расходов в рассмотренных выше двух схемах.

Методика проведения оценочных расчетов

В качестве возможных вариантов включения тепловых насосов в схему основного конденсатора паротурбинной установки АЭС был рассмотрен ряд схем, предлагаемых в различных источниках. Так, в одной из схем [1] предлагается часть отработавшего в турбине пара конденсировать в конденсаторе турбины, а часть - в испарителе теплового насоса. При этом конденсат турбины перед нагревом в регенеративных подогревателях, а также сетевую воду, поступающую от потребителей, предполагается нагревать в конденсаторе теплового насоса. В другой схеме [2] испаритель теплового насоса подключается непосредственно к пучку или ко всему пакету труб конденсатора паровой турбины.

В этих и других аналогичных предлагаемых схемах монтаж испарителя теплового насоса влечет за собой необходимость изменения конструкции конденсатора, а также паропроводов, идущих от турбины к конденсатору. Повышенные требования к обеспечению безопасности АЭС исключают изменения в штатной схеме и оборудовании атомной станции.

Поэтому для анализа эффективности использования теплового насоса в схеме паротурбинной установки АЭС был выбран предложенный коллективом разработчиков из Южно-Российского государственного технического университета вариант, в котором теплоту можно забирать от воды на входе или на выходе конденсатора турбины. При этом конденсатор теплового насоса подключается к системе регенеративного подогрева и заменяет первый подогреватель низкого давления (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная тепловая схема подключения теплового насоса: 1 - испаритель теплового насоса;

2 - компрессор теплового насоса; 3 - дросселирующее устройство; 4 - подогреватель низкого давления (ПНД-1);

5 - конденсатор турбины; 6 - турбина Fig. 2. Schematic diagram of the thermal pump connection: 1 - thermal pump evaporator; 2 - thermal pump compressor;

3 - throttler; 4 - low-pressure heater; 5 - turbine condenser;

6 - turbine

При такой схеме подключения конструкция паротурбинной установки АЭС требует минимальных вмешательств. В данной схеме испаритель теплового насоса устанавливается в подводящий или отводящий канал охлаждающей воды, что значительно упрощает его монтаж.

При подключении испарителя теплового насоса к охлаждающей воде на входе в конденсатор повышение вырабатываемой турбиной мощности происходит за счет двух факторов:

1) увеличивается расход пара в последних ступенях турбины за счет того, что подогрев конденсата в ПНД-1 осуществляется тепловым насосом, а не отбираемым паром;

2) появляется возможность увеличения срабатываемого теплоперепада на последних ступенях турбины за счет понижения давления насыщения в конденсаторе в результате отбора тепла испарителем теплового насоса от охлаждающей воды и понижения ее температуры.

При подключении испарителя теплового насоса к охлаждающей воде на выходе из конденсатора увеличение мощности турбины достигается только за счет первого фактора. Но так как температура охлаждающей воды на выходе из конденсатора выше, чем на входе, работа теплового насоса более эффективна.

При подключении теплового насоса к охлаждающей воде на входе в конденсатор будут больше дополнительно вырабатываемая мощность и затраты энергии на тепловой насос. Во втором случае дополнительно вырабатываемая мощность будет меньше, но меньше будут и затраты электроэнергии на компрессор теплового насоса.

Исходя из вышеперечисленного, анализ будет состоять из следующих этапов:

- определение параметров тепловой схемы тур-боустановки;

- определение параметров хладагента в испарителе и конденсаторе теплового насоса в зависимости от выбранного режима работы теплового насоса;

- определение количества теплоты, отдаваемого конденсату в ПНД-1 и отбираемого от охлаждающей воды;

- определение мощности компрессора теплового насоса;

- определение дополнительно вырабатываемой мощности в зависимости от выбранного режима работы теплового насоса;

- анализ полученных результатов.

В приведенном варианте расчета использованы данные среднемесячных значений температуры воды в Белоярском водохранилище за 2007 г. При этом максимальные значения температуры воды составили 25,8 °С на входе и 34,6 °С - на выходе конденсатора.

При выборе рабочего тела для теплового насоса было проанализировано несколько различных хладагентов. Для проведенных расчетов было выбрано рабочее тело Я22.

Для определения дополнительной электрической мощности, вырабатываемой энергоблоком, при подключении испарителя теплового насоса к входу в конденсатор рассчитывались уменьшение температуры охлаждающей воды и параметры насыщения в конденсаторе.

Температура насыщения в конденсаторе определялась по методике [3].

Результаты и их обсуждение

Как показывают результаты вычислительного эксперимента (рис. 3), мощность, необходимая для работы компрессора теплового насоса, выше дополнительно вырабатываемой энергоблоком электрической мощности при размещении испарителя как на входе, так и на выходе охлаждающей воды основного конденсатора турбины.

С экологической точки зрения, предварительные результаты оценочных расчетов позволяют рассматривать возможность использования теплового насоса в схеме основного конденсатора паротурбинной установки для сокращения тепловых сбросов, производимых АЭС в окружающую среду (рис. 4) [4].

Рис. 3. Дополнительно вырабатываемая мощность энергоблока и мощность, потребляемая компрессором теплового насоса Fig. 3. The additional power of the unit and the power consumed by the thermal pump compressor

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (107) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Рис. 4. Абсолютное уменьшение тепловых сбросов энергоблока электрической мощностью 600 МВт

с реактором на быстрых нейтронах Fig. 4. The absolute reduction of thermal effluent of an unit of 600 MW electric power with a fast breeder reactor

Заключение

Применение тепловых насосов в схеме основного конденсатора паротурбинной установки с целью повышения экономических показателей не оправдано.

Как показали предварительные результаты оценочных расчетов, использование тепловых насосов в схеме основного конденсатора паротурбинной установки может оказаться перспективным для сокращения тепловых сбросов, производимых АЭС в окружающую среду, с экологической точки зрения.

Дальнейшей целью представленной работы является проведение численного анализа, который позволит более детально оценить возможности использования тепловых насосов для сокращения тепловых сбросов атомных и тепловых электростанций.

Список литературы

1. Патент РФ № 2247840 от 10.03.2005. МПК F01K13/00. Способ работы тепловой электрической станции / Стенин В. А.

2. Патент РФ № 81259 от 23.05.2007. МПК F01K13/00. Тепловая электрическая станция / Ефимов Н.Н., Лапин И.А., Малышев П.А., Попов Р.В., Радаев П.Н., Черьни А.В., Лемешев А.А., Каратаев Г.Б., Ску-биенко С.В., Ощепков А.С. // Опубл. 10.03.2009.

3. Технические требования к генерирующему оборудованию участников оптового рынка. Приложение 4: Методические указания по определению и согласованию ограничений установленной электрической мощности тепловых и атомных электростанции. М.: ОАО «СО ЕЭС», 2010.

4. Семенов М.Ю., Ташлыков О.Л. Оценка использования тепловых насосов в схеме АЭС с целью снижения тепловых сбросов в окружающую среду. Энергетика настоящего и будущего: сборник материалов I Евроазиатской выставки и конференции 1618 февраля 2010 г. Часть 2. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010. С. 28-30.