Классификация судовых ядерных энергетических установок (СЯЭУ) и их виды (вопрос 21)

 

Обобщенная классификация СЯЭУ приведена на рисунке 2.1.

В соответствии с ней: в действующих СЯЭУ ядерная энергия преобразуется в тепловую; установки могут быть одно- и многоконтурные; принципиально в качестве теплоносителя могут быть использованы вода, газ, жидкие металлы; рабочим телом может быть водяной пар или газ. Термодинамический цикл может быть нерегенеративным, регенеративным или комбинированным, при этом СЯЭУ может иметь разное число ступеней подогрева пара, разный род греющего пара (перегретого или насыщенного) и в конечном счёте разное число автономных реакторных установок. СЯЭУ могут также различаться по числу двигателей, по числу электростанций и резервных источников энергии, по роду передачи энергии движителю и виду привода вспомогательных механизмов. Ниже рассмотрены, некоторые наиболее распространённые в СЯЭУ технологические решения в рамках приведённой классификации [2].

По числу контуров, используемых для передачи выделяющегося в реакторе тепла рабочему телу, различают три типа СЯЭУ:

- одноконтурные, в которых теплоноситель, получающий тепло в активной зоне реактора, одновременно, является рабочим телом (рисунок 2.2);

- двухконтурные, в которых теплоноситель, отводящий тепло из реактора, циркулирует по замкнутому контуру и передаёт тепло рабочему телу в парогенераторах паротурбинных установок (ПТУ) или в газонагревателях газотурбинных установок (ГТУ) (рисунок 2.3);

- трёхконтурные, в которых, между контуром циркуляции теплоносителя контуром рабочего тела предусматривается промежуточный замкнутый теплопередающий контур (рисунок 2.4).

Одноконтурная схема возможна в СЯЭУ с водяными кипящими и высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами. При прочих равных условиях одноконтурные установки наиболее просты по составу оборудования и экономичны.

 

Рисунок 2.1 – Схема классификации СЯЭУ

 

Наиболее широко применяются СЯЭУ с двухконтурной схемой. Она обеспечивает доступ к оборудованию второго контура; биологическая защита необходима только для оборудования первого контура.

 

Рисунок 2.2 – Схема одноконтурной установки: 1 – конденсатор; 2 – главная турбина; 3 – маневренное устройство; 4 – вспомогательный турбогенератор; 5 – теневая, местная, биологическая защита; 6 – реактор; 7 – первичная биологическая защита; 8 – вторичная биологиче­ская защита; 9 – подогреватель питательной воды; 10 – питательный насос; 11 – система очистки и пополнения контура, включающая ионообменные фильтры, циркуляционные и подпиточные насосы и.д.

 

Обязательным элементом двухконтурных установок является присутствие теплообменных аппаратов: парогенераторов или газонагревателей. Эти аппараты существенно усложняют установку и снижают её экономичность из-за неизбежных потерь тепла и снижения первичных параметров рабочего тела на входе в главную турбину.

 

Рисунок 2.3 – Схема двухконтурной установки:

1 – конденсатор; 2 – главная турбина; 3 – маневренное устройство; 4 – вспомогательный турбогенератор; 5 – ПГ; 6 – компенсатор объёма; 7 – реактор; 8 – первичная биологическая защита; 9 – вторичная биологическая защита; 10 – система очистки теплоносителя; 11 – циркуляционный насос первого контура; 12 – подогреватель питательной воды; 13 – питательный насос; 14 – система очистки рабочего тела второго контура

 

Трёхконтурная схема является вынужденным решением в случае применения реакторов на жидком топливе или реакторов с жидкометаллическим теплоносителем, для которого недопустим контакт с водой.

Введение промежуточного контура снижает вероятность соприкосновения рабочего тела (пара) с радиоактивным теплоносителем, но это существенно усложняет установку и снижает её эффективность.

 

Рисунок 2.4 – Схема трёхконтурной установки:

1 – конденсатор; 2 – главная турбина; 3 – маневренное устройство; 4 – вспомогательный турбогенератор; 5 – паргоненегратор; 6 – компенсатор объёма второго контура; 7 – промежуточный теплообменник первого и второго контуров; 8 – компенсатор объёма первичного контура; 9 – реактор; 10 – первичная биологическая защита; 11 – вторичная биологическая защита; 12 – система очистки в первом контуре; 13 – циркуляционный насос первого контура; 14 – система очистки второго контура; 15 – насос второго контура; 16 – подогреватель; 17 – система очистки второго контура; 18 – система очистки рабочего тела третьего контура

Термодинамический цикл СЯЭУ может быть регенеративным, то есть с подогревом конденсата (питательной воды) перед поступлением её в парогенератор. Это позволяет поднять КПД установки, так как регенерация позволяет увеличить первичные параметры пара. Схема СЯЭУ, где осуществляется такой цикл, изображена на рисунке 2.5. Здесь конденсат подогревается дважды: в подогревателе паром низкого давления (4), поступающим из турбины (8) и в подогревателе паром высокого давления (2), поступающим из турбины (8).

 

Рисунок 2.5 – Принципиальная схема СЯЭУ регенеративного цикла:

1 – парогенератор; 2 – подогреватель питательной воды высокого давления (поверхностного типа); 3 – питательный насос; 4 – подогреватель конденсата низкого давления (поверхностного типа); 5 – конденсатный насос; 6 – конденсатор; 7 – паропровод греющего пара низкого давления; 8 – главная турбина; 9 – паропровод греющего пара высокого давления; 10 – маневренное устройство; 11 – паропровод греющего пара среднего давления; 12 – паровые турбины вспомогательных механизмов; 13 – деаэратор-подогреватель конденсата смесительного типа

 

Ядерная энергия преобразуется в тепловую с последующей передачей её теплоносителем рабочему телу: пару или газу, а от него – главному двигателю судна: паровой или газовой турбине.

В одноконтурной схеме электропроводный теплоноситель циркулирует через магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор). Тепловая энергия реактора преобразуется в электрическую, и далее, в механическую с помощью гребного электродвигателя, подключённого к МГД-генератору. Вместо МГД-генератора могут быть применены теплоэлектрогенераторы.

Циркуляция теплоносителя через реактор и MГД-генератор осуществляется компрессором, включённым в контур циркуляции теплоносителя.

Привод компрессора может быть от электродвигателя или от паровой турбины.

По способу передачи энергии главного двигателя движителю судна различают следующие виды главной передачи: электрическую, гидравлическую и непосредственную.

В энергетических установках судов рабочим телом чаще всего является пар. Поэтому первичный двигатель судна, обеспечивающий работу вспомогательного оборудования всех видов – обычно паровая турбина: это может быть главная турбина (обеспечивающая в том числе и ход судна), турбина электрогенератора или автономная паровая турбина вспомогательных механизмов.

При использовании главной турбины в качестве первичного двигателя возможна механическая, гидравлическая и электрическая передача[6].

 

 

3 Использование геотермальных источников (вопрос 31)

 

Для использования геотермальных источников пригодны, те у которых температура воды не ниже (50–60) °С и в зависимости от её химического состава различают два основных варианта схемы водоснабжения:

– схема при сильной минерализации воды;

– схема при слабой минерализации воды.

В первом случае используются источники с температурой воды не ниже 80 °С, так как в системе водоподготовки необходимо применение теплообменных аппаратов и потребляемая чистая вода должна быть с температурой не ниже 60 °С. Типичная схема такой системы тепловодоснабжения приведена на рисунке 3.1. Вода из скважины (1) поступает в теплообменник системы отопления (2) и далее в последовательно включённый теплообменник первой ступени горячего водоснабжения (3). Параллельно этой ветви включена ветвь, содержащая теплообменник горячего водоснабжения второй ступени (4), в которой потребляемая вода подогревается до необходимой температуры. Охлажденная до (37–38) °С минерализованная геотермальная вода либо сливается, либо используется в ваннах больнолечебниц, так, как это, например, практикуется на курорте «Нальчик».

 

Рисунок 3.1 – Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с теплообменниками: 1 – скважина; 2 – теплообменник системы отопления; 3 – теплообменник горячего водоснабжения (г.в.) 1-й ступени; 4 – то же, 2-й ступени; 5 – система отопления

 

Во втором случае возможно применение геотермальной воды с температурой (50–60) °С и при этом различают следующие разновидности схемных решений:

– схема с пиковым подогревом воды;

– схема бессливного теплоснабжения;

– схема с тепловым насосом;

– схема совмещённого применения теплового насоса и теплового подогрева.

–

Рисунок 3.2 – Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с параллельной подачей геотермальной воды на отопление: 1 – скважина; 2 – пиковый догреватель; 3 – система отопления; 4 – бак-аккумулятор; 5 – трубопровод

 

Термальная вода (1) поступает в ветвь отопления (3) и в ветвь горячего водоснабжения, в которой включён пиковый подогреватель воды (2) и бак-аккумулятор (4). При бездействии подогревателя он шунтируется трубопроводом (5).

Схема бессливного теплоснабжения представлена на рисунке 3.3.

 

горячее водоснабжение

отопление

 

Рисунок 3.3 – Принципиальная схема бессливной системы геотермального теплоснабжения: 0 – скважина; 1 – дегазатор; 2 – химводоочистка; 3 – водонагреватель; 4 – смеситель; 5 – система отопления; 6 – система горячего водоснабжения; 7 – бак-аккумулятор; 8 – котельная; 9 – обводной путь

 

Геотермальная вода из скважины (0) поступает в котельную (8), проходит по греющему пути в подогреватель (3). Далее вода поступает в дегазатор (1) и химводоочиститель (2). Из водоподогревателя вода поступает в систему отопления (5) и, пройдя её, смешивается в смесителе (4) с сетевой водой, идущей из водоподогревателя (3). Смесителем (4) осуществляется регулирование температуры результирующего потока воды, и она направляется в систему горячего водоснабжения (6). Эта система снабжена аккумулирующим баком (7).

Если температура геотермальной воды достаточна, то котельная гасится, а водоподогреватель шунтируется по обводному пути (9). Отключение отопления при горячем водоразборе осуществляется смесителем (4). Циркуляция воды в системе отопления при отсутствии горячего водоразбора происходит под действием разности давления, возникающей вследствие конвективного теплообмена.

Схема с тепловым насосом изображена на рисунке 3.4.

Горячая вода из скважины (1) подаётся в испаритель теплового насоса (2), где происходит передача её тепла быстроиспаряющемуся рабочему телу. Образующиеся пары сжижаются компрессором (3) и направляются в конденсатор (4).

Рисунок 3.4 – Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с применением теплового насоса: 1 – скважина; 2 – испаритель; 3 – компрессор; 4 – конденсатор; 5 – вентиль

 

Различные схемы теплоснабжения зданий с помощью теплового насоса показаны на рисунках 3.5 а и 3.5 б [6].

 

а)

б)

Рисунок 3.5 (а, б) – Использование теплового насоса в схемах теплоснабжения зданий