CC BY
22УДК 661.521
А. И. Смородин, В. В. Р е д ь к и н, О. В. Кемаев, А. А. Коробков
ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СТРУКТУРНЫХ CХЕМ РЕФРИЖЕРАТОРНЫХ И ОЖИЖИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ МНОГОРЕЖИМНЫХ АЗОТНЫХ КРИОГЕННЫХ СИСТЕМ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Рассмотрены принципиальные структурные схемы рефрижераторных и ожижительных установок для крупнотоннажных азотных криогенных систем атомных электростанций. Оптимизация и выбор схем установок проводились по последовательно применяемым критериям надежности и термодинамической эффективности.
E-mail: crio@power.bmstu.ru
Ключевые слова: криогенный цикл, криогенный комплекс, криогенная система,
реконденсация, обратная конденсация паров, недогретая криогенная жидкость,
влажно-паровой турбодетандер, комплекс технологической защиты.
Одной из основных систем комплекса технологической защиты атомных электростанций (АЭС) является система охлаждения и флег-матизации азотом атомных реакторов. Система применяется как при плановых и внеплановых остановах, так и в аварийных ситуациях. В последнем случае, как показал опыт ликвидации аварий на Чернобыльской АЭС и на АЭС в Японии, требуется форсированное охлаждение реактора с расходом азота на порядок больше, чем при флег-матизации. Для этой цели на площадках АЭС в аварийном порядке создаются крупнотоннажные системы хранения жидкого азота. Неэффективность такого технического решения для аварийной защиты реактора АЭС в условиях дефицита времени очевидна.
Альтернативным техническим решением, обеспечивающим форсированное охлаждение атомного реактора с последующей флегматиза-цией, является включение в комплекс технологической защиты (КТЗ) АЭС крупнотоннажной многорежимной азотной криогенной системы (МАКС). Данная система строится по энерготехнологической схеме и включает в себя следующие базовые подсистемы:
— рефрижераторную азотную подсистему для реконденсации паров азота при проведении процессов охлаждения и флегматизации во время плановых и внеплановых остановов на АЭС;
— ожижительную азотную подсистему для получения, накопления и использования жидкого азота для охлаждения и флегматизации атомного реактора в аварийных ситуациях на АЭС;
— подсистему хранения и выдачи жидкого азота;
— подсистему форсированной газификации жидкого азота с реверсивными тепловыми аккумуляторами;
— подсистему аварийного энергоснабжения с газотурбинной установкой (ГТУ) с дополнительной парогазовой камерой сгорания и азотным турбодетандером-электрогенератором, работающим на перепаде давления газифицированного азота.
Теплота отработавших продуктов сгорания топлива ГТУ используется реверсивными тепловыми аккумуляторами, а также для перегрева газифицированного азота перед подачей в турбодетандер-электрогенератор.
Технический уровень системы МАКС зависит от совершенства схемных решений [1, 2] входящих в МАКС подсистем и, в значительной мере, от КПД и надежности машинного оборудования энергетической, рефрижераторной и ожижительной установок.
Целью настоящей работы является выбор принципиальных схемных решений и криогенных циклов, которые могут быть положены в основу создания установки реконденсации паров азота, входящей в рефрижераторную азотную подсистему, и установки получения и ожижения азота, входящей в ожижительную азотную подсистему.
На этапе выбора рефрижераторного цикла для установки рекон-денсации паров азота сравнивали следующие криогенные циклы:
— одноступенчатый цикл низкого давления (р2 = 0,7 МПа) с газовым турбодетандером (цикл акад. П.Л. Капицы);
— соединенный цикл (Линде-Брайтона) низкого давления с влажно-паровым детандером (р2 = 1,0 МПа).
Для построения принципиальных структурных схем рефрижераторных детандерных установок (РДУ) были выбраны следующие турбоагрегаты:
— турбокомпрессоры низкого давления для сжатия воздуха;
— турбодетандер (компрессорный агрегат низкого давления), работающий как на газовых, так и на влажно-паровых потоках.
Исходные данные для проведения оптимизационных термодинамических расчетов схем РДУ, построенных по этим циклам, представлены в табл. 1.
При этом было принято, что внешняя работа турбодетандеров /д используется для дожатия всего прямого потока криоагента от давления после компрессора р2 до р'2 (р'2 = 1,15р2); паросодержание криоагента на выходе из детандера в схеме Линде-Брайтона х > 0,93.
На рисунке а, б представлены принципиальная схема воздушного одноступенчатого регенеративного цикла РДУ с влажно-паровым детандером и вТ-диаграмма протекающих в нем процессов. В этом цикле рабочее тело — воздух после охлаждения до температуры
Таблица 1
Детандерный цикл (схема) РДУ Принимаемые значения
р2, МПа Яъ, кДж/кг »?из 'Пз 1 + 8У х (после т/д) Ат/к, Ч 1 ^т/д, Ч 1
Линде-Брайтона низкого давления с влажно-паровым детандером 1,0 1,5 0,70 0,80 1,03 0,93... 0,99 1 10.000 1 20.000
Одноступенчатый низкого давления (акад. П.Л. Капицы) с газовым турбодетандером 0,7 1,5 0,70 0,80 1,03 1,0 1 10.000 1 20.000
Примечание. Давление обратного потока во всех схемах рх = 0,1 МПа; дЕ — приток теплоты из окружающей среды (на 1 кг сжатого крпоагента); ёу — потери сжатого криоагента; г/т — изотермический КПД компрессора; г/3 — КПД детандера; Ат/К, Ат/Д — интенсивности отказов соответственно турбокомпрессоров и турбодетандеров; х — паро содержание.
и» и.»
Рефрижераторная детандерная установка с влажно-паровым детандером (ДТ = 10 ^ р! = 0,1 МПа; АТк = 3 K; Тн = 94,01 ^ рн = 0,6; р2 = = тг(1,0... 3,0МПа; х = тг(0,93... 0,99)):
а — принципиальная схема одноступенчатого цикла воздушной РДУ с влажно-паровым детандером; б — соответствующая в Т-диаграмма; в — характеристики цикла: пт, Яо
83... 84 К (двухфазное состояние) используется для конденсации азота при р = 0,6 МПа и температуре Т и 94 К.
На рисунке в приведены расчетные характеристики воздушного влажно-парового цикла воздушной РДУ: термодинамический КПД пТ и удельная холодильная мощность д0.
При работе на низком давлении (р2 = 1,2 МПа) КПД цикла ПТ = 15,6 %.
Повышение р2 до 3 МПа приводит к незначительному росту эффективности цикла: при р2 = 3 МПа пТ = 18 %, что на 15 % больше, чем при р2 = 1,2 МПа.
При значении р2 = 0,7 МПа в цикле акад. Капицы с газовым детандером пТ = 10 %, что примерно на 35 % меньше, чем при р2 = 1,2 МПа в цикле с влажно-паровым детандером.
Для того чтобы отдать предпочтение схеме среднего или низкого давления, сравним интенсивности отказов Л их машинного оборудования. У турбокомпрессоров среднего и низкого давления значения Л существенно не различаются [3, 4]. Интенсивность отказов турбо-детандеров среднего давления Л^д ~ 1/2000 ч-1, а турбодетандеров низкого давления Л^' и 1/20000 ч-1 [2, 5].
Сравнение показателей безотказности турбодетандеров среднего и низкого давления предопределяет выбор схемы РДУ низкого давления для комплекса технологической защиты АЭС.
Дополнительное преимущество цикла низкого давления состоит в том, что установки, построенные на его основе, могут быть укомплектованы высокоэффективными пластинчато-ребристыми теплообменниками.
Таким образом, можно считать, что в настоящее время схему с турбомашиной РДУ целесообразно строить на основе цикла низкого давления (р2 = 1,0... 1,2 МПа) с влажно-паровым детандером. Одна из модификаций РДУ с влажно-паровым детандером была положена в основу рабочего проекта установки обратной конденсации паров азота УОК-1000 производительностью 1000 кг/ч, разработанной ОАО "Криогенмаш" для АЭС "Сосновый бор".
Выбор криогенного цикла и принципиальной структурной схемы крупнотоннажной воздухоразделительной установки для производства и накопления жидкого азота (ВРУ типа Аж) в ожижительной подсистеме МАКС АЭС проводился по последовательно применяемым критериям: надежность, термодинамическая эффективность криогенного цикла ВРУ типа Аж.
При сравнении вариантов схем ВРУ типа Аж использовались результаты расчетных исследований [6], проектные данные ОАО "Криогенмаш" [7] и показатели безотказности машинного оборудования [2, 4].
В качестве конкурирующих вариантов криогенных циклов рассматривались:
— цикл среднего давления с турбодентандером, предварительным охлаждением воздуха в холодильной машине и разделением воздуха в узле двукратной ректификации (для установки ОАО "Криогенмаш" ВРУ типа Аж среднего давления [7]);
— цикл "Компаунд" акад. П.Л. Капицы [8] с детандерованием азота низкого давления в циркуляционном цикле и дросселированием технологического потока воздуха среднего давления (для ВРУ типа Аж двух давлений);
— цикл "Компаунд-МВТУ" с детандированием воздуха низкого давления в циркуляционном цикле и двухступенчатым дросселированием технологического потока воздуха среднего давления (для ВРУ типа Аж двух давлений с воздушным турбокомпрессором низкого давления и дожимающим воздушным турбокомпрессором).
На этапе сравнения конкурирующих вариантов принципиальных структурных схем ВРУ типа Аж по критерию надежности рассматривались показатели безотказности машинного оборудования, на базе которого построены схемы установок. Сравнительные показатели безотказности машинного оборудования конкурирующих вариантов схем представлены в табл. 2.
Исходя из требований к безотказности элементной базы АЭС для этапа выбора криогенного цикла и принципиальной структурной схемы по критерию термодинамической эффективности оставлены рав-нонадежные конкурирующие варианты 2 и 3. Сравнительные показатели термодинамической эффективности криогенных циклов, на базе которых построены эти схемы, приведены в табл. 3.
Сравнение равнонадежных принципиальных структурных схем ВРУ типа Аж-"Компаунд" и Аж-"Компаунд-МВТУ" по удельному расходу энергии (/уд) позволяет выбрать для системы МАКС АЭС в качестве основного варианта схему ВРУ типа Аж, построенную по модифицированному криогенному циклу "Компаунд-МВТУ". При этом следует отметить преимущества, которые показала опытная эксплуатация ВРУ, работающей по схеме "Компаунд", по сравнению с серийными установками высокого давления [8]:
— быстрый вывод на рабочий режим (не более двух часов);
— простота технологической схемы и использование турбомашин-ного оборудования позволяет свести к минимуму число персонала;
— пониженное давление сжатия упрощает и удешевляет изготовление аппаратуры холодного блока;
— высокая эксплуатационная надежность и эффективность благодаря использованию турбомашин с высокими КПД.
Таблица 2
Принципиальная структурная схема (цикл) р2, МПа ЛН.Д -1 Ат/к>4 Ат/д'4 ЛН.Д -1 Ат/к>4 и-1 АТ/Д'4 Ахмч 1
1. ВРУ типа Аж, построенная по циклу среднего давления с тур- 3,0 1 1 1
бодетандером и холодильной машиной с винтовым компрессором 20.000 2000 5000
2. ВРУ типа Аж двух давлений, построенная по циклу "Компаунд" акад. П.Л. Капицы с азотным турбодетандером и турбокомпрессором низкого давления, а также с воздушным турбокомпрессором среднего давления 3,0 1 1 1
20.000 20.000 10.000
3. ВРУ типа Аж двух давлений, построенная по циклу "Компаунд-МВТУ" с воздушным турбодетандером и турбокомпрессором низкого давления, а также с воздушным дожимающим турбокомпрессором 3,0 1 1 1
20.000 20.000 10.000
и» -л
и»
00
Таблица 3
Криогенный цикл ВРУ-Аж „С.д 1 из.т/к „Н.Д 1 из.т/к „Н.Д 1 ад.т/д р2, МПа ^N2, МПа /уд,кВт-ч/лжМ2
1. Цикл "Компаунд" с детандиро-ванием азота низкого давления в циркуляционном цикле и дросселированием воздуха среднего давления (р2 = 1,9 и 4,0 МПа) 0,60 0,70 0,70 0,70 0, 80 0, 85 1,9 4,0 0,10 0,10 0,96 0,80
2. Цикл "Компаунд-МВТУ" с де-тандированием воздуха низкого давления в циркуляционном цикле и двухструпенчатым дросселированием воздуха среднего давления 0,70 0,70 0,85 4,0 0,50... 0,80 0,64
Примечание. ^Здт/К и т)™т/к — изотермические КПД турбокомпрессоров среднего и низкого давления; т)"ддт/к — адиабатический КПД турбодетандера низкого давления; РЖМ2 — давление продукционного жидкого N2; 1УД — удельный расход энергии.
Перечисленные преимущества относятся также и к выбранным вариантам РДУ и ВРУ типа Аж "Компаунд-МВТУ", оснащенным высоконадежными турбомашинами низкого давления.
При этом отметим, что повышенная термодинамическая эффективность ВРУ типа Аж "Компаунд-МВТУ" достигается за счет двухступенчатого дросселирования воздуха среднего давления; получения и хранения продукционного жидкого азота при повышенном давлении 0,5... 0,8 МПа и при более высокой температуре [9, 10].
Таким образом, выбранные схемные решения турбомашинных РДУ и ВРУ типа Аж "Компаунд-МВТУ" целесообразно использовать при построении надежных и эффективных многорежимных азотных криогенных систем атомных электростанций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. МатюхинВ. Г. Термодинамический анализ систем криостатирования // Сб. науч. трудов НПО "Криогенмаш", 1978 г. - С. 28-41.
2. Сравнительный анализ криогенных циклов установок обратной конденсации паров азота / Е.И. Микулин, Н.В. Филин, В.В. Редькин и др. // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1993. - № 2. - С. 14-17.
3. К а д и Ф. Дж. Оптимизация ГХУ для СП ЛЭП по стоимости и надежности // Тр. Амер. общества инженеров механиков. Конструирование и технология машиностроения. - 1977. - № 3. - С. 38-46.
4. Т а р а с о в В. М. Эксплуатация компрессорных установок. -М.: Машиностроение, 1987. - 146 с.
5.Давыдов А. Б., Кобулашвили А. Ш. Расчет и конструирование тур-бодетандеров. - М.: Машиностроение, 1987. - 232 с.
6. Беляков В. П. Криогенная техника и технология. - М.: Энергоиздат, 1982. - 272 с.
7. В о з д у х о р а з д е л и т е л ь н ы е установки нового поколения: Проспект ОАО "Криогенмаш". Балашиха, 2007 г. - С. 18.
8. Капица П. Л. Научные труды. Физика и техника низких температур. - М.: Наука, 1989.-392 с.
9. Х р з В. Новые технологии компании CHART для хранения и распределения криогенных газов // 2-я Междунар. конф. "Промышленные газы", 2011. - С. 7786.
10. Р е д ь к и н В. В. Хладоснабжение систем хранения и транспорта сжиженного природного газа с гомологами метана // Газовая промышленность. - 1975. -№ 11. - С. 17-18.
Статья поступила в редакцию 27.06.2012
