Какими должны быть парогенераторы (ПГ) для АЭС - горизонтальными или вертикальными? Какими достоинствами и недостатками обладают эти две конструкции, и из каких материалов лучше изготавливать трубчатку?
На эти и другие вопросы постарался дать ответы коллектив авторов во главе с Н.Б.Труновым из ОКБ "Гидропресс" на состоявшейся в прошлом году представительной международной конференции в Торонто.
В основе доклада лежат материалы статьи в журнале "Атомная энергия", том 105, сентябрь 2008, "Парогенераторы- горизонтальные или вертикальные (каким быть парогенератору АЭС с ВВЭР?)". Авторы статьи - Трунов Н.Б., Лукасевич Б.И., Веселов Д.О., Драгунов Ю.Г. |
Вертикальные и горизонтальные ПГ - плюсы и минусы
Вертикальные ПГ - хорошо освоенная концепция, которая с давних времён применяется на АЭС с водо-водяными реакторами PWR. В отличие от них, на российских (советских) ВВЭР используются ПГ с горизонтальным цилиндрическим корпусом и горизонтальными змеевиками поверхности теплообмена.
Отечественные ПГ заделаны в вертикальные коллекторы теплоносителя первого контура. Осушение пара происходит в верхней части объёма корпуса путем гравитационной сепарации. Материал трубчатки - аустенитная сталь типа 08Х18Н10Т c содержанием никеля 10%.
Парогенератор ПГВ-1000МКП для перспективного блока с ВВЭР-1200.
1-корпус; 2-трубный пучок; 3-патрубки входа и выхода теплоносителя.
Выбор в пользу горизонтального расположения ПГ в блоках с ВВЭР был сделан во второй половине 50-ых годов не в последнюю очередь благодаря накопленному опыту создания и эксплуатации горизонтальных ПГ для Первой АЭС и промышленных реакторов.
Вместе с тем, отечественные специалисты не отказывались посмотреть на практике возможность использования вертикальных ПГ - так было сделано, в частности, на АЭС "Райнсберг" (ГДР).
Как отмечается в докладе, оба типа ПГ сталкиваются с проблемами при эксплуатации, но у вертикальных их больше. Принципиальные недостатки, присущие вертикальным ПГ, таковы:
В свою очередь, сторонники вертикальных ПГ приводят два важных, на их взгляд, аргумента, способных перевесить недостатки и обосновать целесообразность использования вертикальной компоновки:
Вертикальные ПГ из Подольска
Развитие и совершенствование российской технологии ВВЭР продолжается. Планируемый переход на проекты ВВЭР-1200 стал хорошим поводом для того, чтобы вновь обратиться к принятым в начале пути принципиальным решениям и проанализировать возможные альтернативы.
Не стали исключением и парогенераторы. В докладе, представленном в Торонто, рассмотрены последствия от гипотетического применения вертикальных ПГ в перспективных проектах на основе разработок ОКБ "Гидропресс" для АЭС с ВВЭР.
Прежде всего, следует отметить, что разработки вертикальных ПГ проводятся в Подольске, начиная с 60-ых годов. Специалисты ОКБ "Гидропресс" занимаются поисками такой конструкции, которая позволила бы использовать преимущества горизонтальных ПГ с одновременным устранением недостатков, присущих "традиционным" вертикальным ПГ.
Некоторые варианты вертикальных ПГ, разработанных в ОКБ "Гидропресс".
а) горизонтальные трубы, один коллектор б) горизонтальные трубы, два коллектора в) витой пучок г) ширмовый пучок.
Но наличие проекта - не единственное из того, что потребуется сделать до внедрения новой концепции в жизнь. "При анализе разных конструкций вертикальных парогенераторов было показано, что для их реализации требуется решение множества проблем со значительным объёмом расчётных, экспериментальных и технологических работ. Некоторые вопросы требуют согласования и решения с другими службами и ведомствами", - отмечается в докладе.
Авторы иллюстрируют свой вывод рядом конкретных примеров. Так, для горизонтальных ПГ не существует проблемы логистики - они могут перевозиться железнодорожным, водным и автомобильным транспортом. В то же время, перевозка вертикальных ПГ по суше сильно затруднена вследствие их габаритов (длина около 23 м). Стоит напомнить, что атомная ФЦП предусматривает строительство АЭС в России не только у крупных водоёмов, но и на значительном удалении от них.
В середине 80-ых годов в нашей стране прорабатывался концептуальный проект ВВЭР-1500 с вертикальным ПГ. Практически сразу была понята необходимость в проведении представительной экспериментальной проверки на крупномасштабной модели с натурными размерами и рабочими параметрами.
"Несмотря на весьма объёмное расчетное обоснование и наличие экспериментальных исследований некоторых элементов парогенератора, проект (ВВЭР-1500 с вертикальным ПГ) не был рекомендован к дальнейшей разработке", - говорится в докладе.
Создание на блоках с ВВЭР вертикальных ПГ потребует значительных инвестиций для углублённого изучения практически всех аспектов, начиная от технологии изготовления до проблем обслуживания и дезактивации. Прежде чем вкладывать средства, необходимо оценить, какие экономические выгоды могут принести вертикальные ПГ для российской атомной отрасли.
Сравнительный анализ
Эффективность теплообмена
Вопрос о сравнении эффективности той или иной конструкции не имеет простого ответа, так как при этом необходимо учитывать различия параметров, норм проектирования, материалов и так далее, отмечается в докладе.
Первый анализ, результаты которого были изложены в докладе, связан с рассмотрением сравнительной эффективности теплообмена вертикальных и горизонтальных ПГ.
Используя известные проектные параметры ПГ AP-1000 и результаты расчётов эквивалентных теплообменных пучков по корреляциям, верифицированным для горизонтальных парогенераторов, специалисты ОКБ "Гидропресс" пришли к выводу - режимы теплоотдачи в испарительной части ПГ и тепловая эффективность не зависят от расположения поверхности теплообмена.
Вместе с тем, проектные параметры горизонтальных пучков парогенератора эквивалентного АР-1000 достигаются только при 20%-ном запасе труб на глушение или при повышении давления генерируемого пара внутри парогенератора примерно на 0,2 МПа. Это объективно говорит в пользу горизонтального парогенератора, говорится в докладе.
Ценовое сравнение
Следующий этап сравнения - ценовой. Проводить его затруднительно из-за нехватки данных. Но если разбить задачу на части, то определённые выводы можно всё-таки получить.
Прежде всего, следует выполнить сравнение вертикальных и горизонтальных ПГ по весогабаритным характеристикам. В докладе приводится заключение, данное по итогам сравнения ПГВ-1600 и ПГ EPR (обе конструкции с экономайзером). Было показано, что при прочих подобных условиях эти конструкции по весу практически не отличаются друг от друга.
С точки зрения технологии изготовления и контроля, у различных типов ПГ отсутствуют какие-либо специфические операции, которые существенно влияли бы на стоимость изделия. Но нержавеющая сталь, применяемая на горизонтальных ПГ, в несколько раз дешевле высоконикелевых сплавов, ставших неотъемлемой чертой западных парогенераторов.
Таким образом, если не брать во внимание стоимость материалов, то переход на вертикальную конструкцию ПГ не даст экономических преимуществ. Нельзя забывать и о другом обстоятельстве - любая экономия в стоимости ПГ, которая, кстати, не превышает всего лишь 5% от общей стоимости энергоблока, будет быстро перекрыта потерями в случае отказов.
Авторы доклада неявно ссылаются в этом утверждении на известную проблему сплава 600 - коррозионного растрескивания под напряжением оборудования западных АЭС, выполненного из высоконикелевого (до 76%) сплава I600MA. Наиболее известный случай такой коррозии - инцидент на АЭС "Дэвис Бесс" в 2002 году, когда под угрозой оказалась безопасность станции. |
Влияние типа ПГ на компоновку РУ и размеры герметичной оболочки
Парогенератор, как известно, не может существовать сам по себе. Он является частью энергоблока, и любое серьёзное изменение в его конструкции - такое, как переход от горизонтального расположения к вертикальному - не может быть сделано без изменения других принципиальных технических решений.
Авторы доклада рассмотрели основные последствия от перехода на ВВЭР к вертикальным ПГ, которые скажутся на компоновке реакторной установки и на размерах гермооболочки. Сразу же следует сказать, что влияние на эти параметры будет оказывать не только тип ПГ, но и другие факторы, в том числе:
На последнем факторе авторы остановились поподробнее. С точки зрения финансовых затрат на замену, горизонтальные ПГ имеют определённое преимущество.
Это связано с тем, что для обеспечения кантовки вертикального ПГ внутри гермооболочки необходимо предусматривать в проекте АЭС гораздо более высокое расположение подкранового пути, чем в АЭС с горизонтальными ПГ. Доставка новых и удаление старых горизонтальных ПГ выполняется по штатному тракту, предусмотренному технологией монтажа, а для вертикальных необходимо делать проёмы в стене гермооболочки.
Операция по доставке нового вертикального ПГ на блоке "Сент-Люси-1" (США).
На фотографии хорошо виден проём в стене гермооболочки.
Следующий момент, подробно разобранный в докладе - расположение бассейна выдержки. Он может быть размещён как внутри гермооболочки, так и вне её в специальном здании - пристройке к зданию реактора.
Каждый из вариантов имеет как преимущества, так и недостатки. Если бассейн находится внутри оболочки, то в этом случае потребуется увеличение её диаметра. А если бассейн будет вынесен в отдельно стоящее здание, то проект такого строения должен будет обеспечивать такую же степень защиты ОЯТ от внешних воздействий - землетрясения, падения самолёта и так далее.
При отдельном размещении бассейна возникает также и проблема, связанная с транспортировкой отработавшего топлива из одного здания в другое.
Авторы доклада приводят сравнение компоновок РУ с обоими типами ПГ. Если использовать вертикальный ПГ и разместить бассейн внутри оболочки, то самой затеснённой окажется отметка обслуживания. Фактически, затеснённость отметки настолько высока, что техническое обслуживание РУ становится невозможным даже при выносе гидроёмкостей за пределы оболочки.
"По всей видимости, указанная особенность компоновки реакторной установки с вертикальными парогенераторами вынудила разработчиков АЭС с PWR размещать бассейн выдержки в отдельном здании", - говорится в докладе.
В компоновке с горизонтальными ПГ самой затеснённой является отметка, на которой они расположены. Внутренний диаметр оболочки определяется в целом за счёт очертаний бассейна выдержки, боксов ПГ, компенсаторов давления, ГЦН, колодцев и шахт ревизии оборудования на этой отметке.
С целью получить окончательный ответ на вопрос о влиянии ПГ на строительные объёмы, авторы рассмотрели компоновку двухпетлевой реакторной установки ВВЭР-1200А. Хотя в этой компоновке пока не учтены некоторые позиции, связанные с обеспечением размещения оборудования для технического обслуживания, основной вывод уже очевиден - применение горизонтальных ПГ не только не противоречит идее сокращения фундаментных площадей, но и даёт принципиальную возможность уменьшения гермообъёма за счет уменьшения его высоты.
Выводы
Вертикальные ПГ не имеют преимуществ перед горизонтальными ни по тепловой эффективности, ни по требуемым размерам герметичной оболочки, говорится в докладе.
Принимая во внимание такие соображения, как
следует признать, что отсутствуют аргументы для перехода на компоновку реакторных установок с вертикальными парогенераторами в новых проектах АЭС с ВВЭР, констатируют специалисты ОКБ "Гидропресс".
Полный текст доклада "Вертикальные парогенераторы для ВВЭР. Мифы и реальность." будет опубликован в трудах международной конференции по парогенераторам (Торонто, Канада, 2009 год).
ИСТОЧНИК: По материалам ОКБ Гидропресс
ДАТА: 26.01.2010
Темы: Парогенераторы, ОКБ Гидропресс, Николай Трунов, Юрий Драгунов
