ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АЭС С ВВЭР-440 ПУТЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

INCREASING THE EFFICIENCY OF OPERATION OF NPP WITH VVER-440 BY TURNING ON THE HEAT PUMP

Anton Ilchenko

student, Smolensk Branch of the Moscow Power Engineering Institute,

Russia, Smolensk

Irina Kabanova

scientific adviser, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Smolensk Branch of the Moscow Power Engineering Institute,

Russia, Smolensk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается вариант включения в тепловую схему атомной электростанции с ВВЭР-440 теплового насоса к трубопроводам технической воды для охлаждения конденсатора паровой турбины К-220-44 с целью утилизации низкопотенциальной теплоты. Выполнен расчет эффективности включения теплового насоса, определяющий экономичность работы станции за счет выработки дополнительной электроэнергии.

ABSTRACT

The article discusses the option of including a heat pump to the process water for cooling the condenser of the K-220-44 steam turbine in order to utilize low-grade heat into the thermal diagram of a nuclear power plant with VVER-440. The calculation of the efficiency of switching on the heat pump, which determines the efficiency of the station operation due to the generation of additional electricity.

Ключевые слова: атомная электростанция, турбина, конденсатор, тепловой насос, низкопотенциальная теплота.

Keywords: nuclear power plant, turbine, condenser, heat pump, low-grade heat.

На атомных станциях (АЭС) только треть теплоты используется для получения электрической энергии, остальные две трети теплоты теряются в системе охлаждения конденсатора паровой турбины и сбрасываются с подогретой технической водой. Так коэффициент полезного действия (КПД) АЭС с реактором ВВЭР-440 и турбоустановкой К-220-44 ХТЗ [1] составляет примерно 33%.

АЭС являются крупными источниками низкопотенциальной тепловой энергии, не пригодной для промышленного использования вследствие низкого температурного уровня (около 30 °C), поэтому одной из проблем функционирования атомных электростанций является высокое тепловое загрязнение. Потенциал вторичного энергетического ресурса слишком низок для полезной утилизации, но с помощью теплового насоса (ТН) ее можно полезно использовать, увеличив ее температуру до приемлимой для использования (до 70°С).

Существует несколько вариантов подключения теплового насоса в схемы АЭС.

Например, схема подключения теплового насоса для возврата тепла конденсатора в систему регенерации и последние ступени паровой турбины с включением теплового насоса к встроенному пучку конденсатора паровой турбины [2], когда отработавший пар поступает в конденсатор, у которого встроенным пучком труб или всем пакетом труб установлен теплообменник-испаритель теплового насоса. В конденсаторе пар, выходящий из последних ступеней паровой турбины конденсируется при температуре, определяемой теплообменником-испарителем теплового насоса. За счет повышения температуры сконденсировавшего пара и возвращения его в систему регенерации повышается экономичность работы установки, а также снижается эрозионный износ лопаток турбины последних ступеней.

Также эффективен вариант, когда часть отработавшего в турбине пара конденсируется 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.

Для двухконтурной схемы АЭС с ВВЭР-440 (как, например, на Кольской АЭС), где конденсатор паровой турбины охлаждается за счет воды из подводящего канала водоема, целесообразной является схема подключения теплового насоса, когда теплообменник-испаритель ТН устанавливается на подводящем и отводящем трубопроводах охлаждающей воды конденсатора [2]. Такая схема подключения теплового насоса показана на рис. 1

Рисунок 1. Схема подключения теплового насоса к трубопроводам технической воды энергоблока АЭС: 1 – паровая турбина; 2 – электрогенератор; 3 – конденсатор паровой турбины; 4, 6 – теплообменники-испарители теплового насоса; 5 – тепловой насос; 7 – теплообменник-конденсатор теплового насоса; 8 – конденсатный насос; 9 – трубопровод последнего отбора паровой турбины; 10 – подогреватели низкого давления паровой турбины; 11 – деаэратор; 12 – питательный насос; 13 – подогреватель высокого давления; 14 – парогенератор.

Конденсат турбины нагревается в одном из подогревателей низкого давления от теплообменника-конденсатора теплового насоса, а высвободившийся пар регенеративного отбора направляют в подогреватели сетевой воды на отопление административно-бытовых и производственных зданий или в турбину для выработки дополнительной электроэнергии. Экономичность также возрастает за счет того, что при снижении температуры охлаждающей воды улучшается вакуум в конденсаторе и возрастает полезный теплоперепад турбины.

Поскольку расчетная температура охлаждающей воды турбоустановки К-220-44 ХТЗ равна 22 °С, а температура воды в подводящем канале, используемая как охлаждающая для паровых турбин, летом поднимается до 24 – 27 °С, а зимой опускается до 2 – 5 °С, предлагается при сезонном увеличении температуры охлаждающей воды более 22 °С включать теплообменник–испаритель теплового насоса, установленный на подводящем трубопроводе, а при уменьшении температуры охлаждающей воды в зимний период ниже 12 °С включать в работу теплообменник испаритель теплового насоса, установленный на отводящем трубопроводе.

Расчет экономичности включения теплового насоса в схему проанализирован на примере работы паровой турбины К-220-44 ХТГЗ схемы с ВВЭР-440 и отключением 8-го отбора ЦНД на ПНД-1.

Нагрузка теплообменника-конденсатора теплового насоса, от которого теплоноситель направляется на подогреватель низкого давления:

,                                                       (1)

где – расход конденсата турбины, проходящий через подогреватель низкого давления ПНД-1, кг/с; h_вх, h_вых – энтальпии конденсата на входе и выходе подогревателя соответственно, кДж/кг; η_т–к – КПД теплообменника-конденсатора.

Нагрузка теплообменника-испарителя, МВт:

,                                                           (2)

где η_тн – КПД теплового насоса; φ –коэффициент преобразования теплового насоса.

Уменьшение температуры охлаждающей воды, °С:

,                                                       (3)

где W – расход охлаждающей воды, кг/с; с – теплоемкость воды, кДж/(кг К); η_ти – КПД теплообменника-испарителя.

Увеличение мощности турбины за счет снижения температуры, МВт:

,                                                  (4)

где η_т – КПД части низкого давления турбины.

Увеличение мощности турбины за счет отключения отбора пара на подогреватель низкого давления:

,                                          (5)

где D_8от – расход пара 8-го отбора турбины, кг/с; h_8от – энтальпия пара 8-го отбора турбины; h_к – энтальпия отработавшего пара на входе в конденсатор, кДж/кг.

Мощность компрессора составит, МВт:

,                                                (6)

При отключении последнего отбора пара на подогреватель низкого давления увеличивается электрическая мощность установки за счет направления пара на рабочие лопатки турбины. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты расчета эффективности включения ТН

В результате подключения теплового насоса к трубопроводам технической воды для охлаждения конденсатора паровой турбины К-220-44 ХТГЗ с учетом нагрузки ТН увеличивается электрическая мощность турбоустановки на 17,22 МВт. Из расчетов видно, что теплообменник-испаритель теплового насоса снижает температуру конденсации на большую величину, чем при использовании существующей схемы подвода и отвода охлаждающей воды.

Список литературы:

1. Щегляев А.В. Паровые турбины. Теория теплового процесса и конструкции турбин: Учебн. для вузов: В 2 кн. Кн.2 / Трояновский Б.М. – Москва: Энергоатомиздат, 1993. – с.347-350
2. Ефимов Н.Н., Папин В.В., Малышев П.А., Безуглов Р.В. Анализ использования тепловых насосов на тепловых и атомных электростанциях // Технические науки. – 2010. - № 4. – с.35-39