Оборот воды в ТЭС и в АЭС

История человеческой цивилизации, если отложить в сторонку развитие общественных отношений, сводится к истории развития энергетических ресурсов. От собственной мускульной силы – к мускульной силе животных, к энергии падающей воды и ветра, после познания тайн энергии пара к энергетическим ресурсам, скрывающимся в кусочках «черного камня», нефти, природного газа и, как сегодняшняя вершина развития – овладение энергией атомных ядер урана и плутония. Сейчас мы умеем пользоваться всей палитрой возможностей – от волн прибоя до атомных реакций, хотя споры о том, какой должна быть доля каждого из возможных способов получения энергии, с каждым днем становятся все более жаркими.

Активисты альтернативной «зеленой» энергетики, сторонники и противники атомной энергетики, борцы против использования угля и схватка всех со всеми «за» и «против» роста поставок природного газа – трубопроводного из России и сжиженного американского. Отслеживать все, что происходит одновременно можно так же бесконечно, как смотреть на горящий огонь и бегущую воду. Но и горящий огонь, и бегущая вода – это источники энергии, которые мы научились использовать одновременно и в одном месте, и именно поэтому смогли достигнуть такого уровня комфорта, именно поэтому нам тепло и светло в любое время года и в любое время суток. Это у нашего великого классика вода (лед) и пламень – две противоборствующие стихии, а у энергетиков они давно в одной упряжи, в полнейшей гармонии. Споры и диспуты вокруг использования тех или иных энергетических ресурсов будут продолжаться долго, а в топках тепловых электростанций все так же будет пылать огонь, греющий и перегревающий воду, которая, превратившись в пар, будет все так же вращать турбины, обеспечивая всех нас электроэнергией.

Традициям верны

С той поры, когда была изобретена тепловая машина Уатта, прошло уже больше двух веков, и мы, несмотря на весь технический прогресс, продолжаем пользоваться этим чрезвычайно полезным изобретением. Принцип любой тепловой электростанции неизменен: в топке горит огонь, вода превращается в пар, который направляется на лопатки турбины. Энергия уранового ядра используется ровно для того же – для нагрева и перегрева воды, превращения ее в пар, который все так же направляется на турбину, которая все так же вращает ротор генератора. Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru уже рассказывал об «электрической части электростанций», и тогда мы выяснили, что физические принципы, позволяющие вырабатывать электроэнергию совершенно одинаковы для любого типа электростанций, от атомных до гидро.

Если убрать из «общего строя» ГЭС, оставив в нем только тепловые, то мы снова обнаруживаем единый подход, универсальный для угольных, парогазовых, атомных электростанций, для электростанций, сжигающих торф, мусор, горючий сланец, мазут, дизельное топливо и любое другое органическое топливо. Принцип паровой машины, усовершенствованный за счет того, что хождение поршней вверх-вниз заменили на вращение турбины – един для тепловых и атомных электростанций. Еще одно усовершенствование со времен первых колесных пароходов – то, что энергетики научились получать пар намного более горячий, чем это удавалось сделать Уайту.

Из школьного курса физики вспомнить нужно ровно одно: температура кипения воды – 100 градусов Цельсия, но таковой она является только при нормальном давлении. Если есть необходимость увеличить температуру пара – придется повышать давление. Температура пара, в который превращается вода во втором контуре водно-водяных реакторов АЭС – чуть выше 270 градусов, температура пара, создваемого на угольных и газовых электростанциях в два раза выше, порядка 545 градусов. Для того, чтобы добиться такой температуры пара, давление в паропроводах АЭС поднимают до 60 – 70 атмосфер (6-7 мегапаскалей), давление в паропроводах электростанций угольных и газовых – 137 атмосфер (13,7 Мпа). Разные давление и температура – а в случае атомных и тепловых электростанций оно, как видим, двукратное, предъявляет совершенно разные требования к материалам, из которых изготовлены паропроводы и лопатки турбин. Но в этот раз мы предлагаем порассуждать не о таких вот нюансах, а о самом принципе парового двигателя, замененного на турбину, для того, чтобы ответить на очередной «детский» вопрос — а что делают энергетики с паром после того, как он выполнил свою работу, провернув сколько-то там раз турбину? Вот куда его после этого деть?

Да, сразу нужно сказать, что мы немного схитрили – если внимательно присмотреться к использованным нами названиям, то становится видно, что мы ведем речь о ТЭС, топливных электростанциях. Разница в написании ТЭС и ТЭЦ – всего одна буква, но это только для филологов особой разницы нет. ТЭС вырабатывают для наших с вами потребностей только электроэнергию, ТЭЦ обеспечивают нас еще и теплой водой – как для обогрева, так и для горячего водоснабжения. Начали мы с ТЭС не случайно – с ТЭЦ сложнее, и логичнее двигаться от простого к сложному, а не наоборот.

Итак, из паропроводов на лопатки турбины со свистом лупит необычайно горячий пар, турбина начинает вращаться, вращая, в свою очередь, генератор. Именно лупит и именно со свистом – паропровод заканчивается соплом, подведенным как можно ближе к лопаткам турбины. В паропроводе давление очень высокое, сразу за соплом – пониженное, потому пар из сопла буквально вырывается, вся его потенциальная энергия стремительно переходит в энергию кинетическую, в энергию движения. Чем меньше расстояние между соплом и лопаткой турбины – тем больше этой кинетической энергии получит турбина. Энергетики не зря называют такой пар «острым» сопла формируют струи достаточно узкие, температура этих струй, как мы уже писали – сотни градусов. Набор технических требований к лопаткам турбины, которые должны выдерживать нагрузки, которые несет с собой «острый» пар, превращают их производство в отдельную инженерную науку, освоение которой происходит и в наши дни – наверняка о проблемах создания турбин большой мощности слышали многие.

Турбина – многообразие в едином корпусе

После того, как лопатки турбины приводят ее в движение, начинается вращение ротора генератора и та самая «электрическая часть» электростанции, про которую мы и так довольно много знаем. А что с паром? Он успевает остыть и потерять часть давления, но не очень много, его можно и нужно продолжать использовать – в конце концов, для того, чтобы получить столь высокие начальные параметры, приходится тратить достаточно дорогостоящее топливо и, чем больше энергии пара удается пустить в дело, тем полнее окупятся затраты. Или, с технической точки зрения – чем полнее будет использована энергия пара, тем выше будет конечный КПД всей электростанции. Реальная, а не абстрактная «турбина из учебника», хоть и собрана в одном корпусе, состоит из трех частей-цилиндров – цилиндра высокого давление, цилиндра среднего давления и цилиндра низкого давления, соответственно ЦВД, ЦСД и ЦНД. Названия и аббревиатура – совершенно реальные и «говорящие».

Первый цилиндр получает «острый» пар, с начальными давлением и температурой, пар при вращении этой части турбины частично теряет то и другое, но оставшегося вполне хватает на то, чтобы обеспечить вращение ЦСД, на котором «остается» еще часть давления и температуры. Еще одна хитрость конструкторов турбин, стремящихся поднять общий КПД – промежуточный паронагреватель, к которому мы еще вернемся, а пока давайте определим общую схему прохождения пара через турбину. ЦВД – здесь пар теряет половину давления, оно снижается с 7 МПа (70 атмосфер) до 3,5 МПа. Промежуточный паронагреватель возвращает температуру в начальные параметры – те же 540-560 градусов и вот такой пар поступает в ЦСД. Здесь пар практически полностью расстается со своим давлением – на выходе из ЦСД у него всего 2 атмосферы, из него «выжата» практически вся накопленная энергия. Половину такого пара отправляют в конденсатор, половину – на ЦНД. Здесь давление пара окончательно падает, и все, что с ним остается сделать – отправить в конденсатор.

Оборот воды в недрах электростанции

Что такое этот самый конденсатор и зачем он вообще нужен? Конечно, после окончательного прохождения турбины можно было бы отправить пар в атмосферу, открыв настежь окна – водяной пар вреда экологии не причиняет. Но вот тут уже приходится учитывать нюанс, связанный с качеством воды. Вода, бегающая по трубопроводам электростанций, стоит приличных денег – она не только отфильтрована, ее приходится чистить от солей, от железа и кальция, поскольку в противном случае внутренняя часть трубопроводов в кратчайшие сроки придет в полную негодность. На любой тепловой электростанции всегда есть целый цех водоподготовки, где происходят все эти процессы, имеются специальные лаборатории, в которых соответствующие специалисты проверяют качество подготовленной воды – это целая наука, отдельная технология, отдельные постоянные расходы денег. Иначе никак, ведь трубопроводы выполнены из сплавов, которые выдерживают немалое давление и температуру, их замена или ремонт были бы слишком дорогим удовольствием. Так что пар, выпущенный после полного прохождения турбины в условную форточку – убытки в чистом виде. Поэтому выгоднее организовывать переход пара в состояние воды и возврат ее обратно в топку, для обеспечения замкнутого цикла. Поэтому и возникает в схеме конденсатор – емкость, внутрь которой отправляют пар, внутри емкости — змеевик, по которому запускают холодную воду. Несложное устройство, предназначенное для того, чтобы пар охладился настолько, чтобы превратиться в воду, после чего остается только включить насос, который и отправит эту воду в обратном направлении – на новый цикл, в топку, где эта вода снова станет паром и повторит маршрут полностью.

Рис. 1, Общая схема турбины

Вот самая общая схема турбины и проходящего сквозь нее рабочего тела – так обычно теплоэнергетики называют пар. Аббревиатура «ПП» обозначает промежуточный пароперегреватель, а буква «Z» с разными числами намекает на то, что в каждом из цилиндров имеется различное количество ступеней, но о них и о прочих соплах и лопатках – в следующий раз. Стрелочки, уходящие вниз – направление движения пара после ЦСД и после ЦНД. Но есть и другая схема, которая лучше поясняет, как устроен пароперегреватель и что такое конденсатор:

Рис. 2, Схема паросильной установки

Пар, образующийся непосредственно в котле, имеет температуру всего в 100 градусов и давление, равное атмосферному, повышение того и другого происходит за счет того, что на пароперегреватель направляют горячие газы, образующиеся в котле при сгорании топлива. Под топливом в данном случае имеется в виду природный газ или уголь – уточнять, что именно, просто не хочется, поскольку тонкостей там столько, что вполне хватит на несколько отдельных статей. А для того, чтобы не возвращаться к теме путешествий в недрах тепловых электростанций разных видов пара и разных видов воды, рассмотрим более подробную схему, рассказывающую о том, как выглядит паро-водная часть АЭС. Ни слова про ядерные реакции и всяческие нейтроны с осколками деления и прочей радиацией – любая ТЭС является потомком паровой машины Уатта!

АЭС – дальний родственник паровоза

Отличия от газовых и угольных теплоэлектростанций имеются, но они не касаются принципа тепловой машины Уатта.

Рис. 3, Схема движения воды первого и второго контура на АЭС

В левой части схемы – активная зона реактора и трубопровод первого контура со своим собственным циркуляционным насосом. Компенсатор давления выравнивает давление для необходимых значений – у воды первого контура давление «плавает» из-за изменения ее температуры. Пламени в реакторе нет, есть пышущее жаром ядерных реакций урановое топливо, тепло которых и забирает на себя вода первого контура. Пройдя активную зону реактора нагревшаяся вода первого контура по трубопроводам уходит в теплообменник-парогенератор, в котором происходит следующее:

Рис. 4, Схема парогенератора

Горячая вода первого контура через патрубок (9) приходит в корпус парогенератора (1) , внутри которого эту воду разводят в множество трубочек небольшого диаметра (8). Трубочки эти, кстати, тоже весьма непросты – они должны обеспечить качественный теплообмен, но при этом уберечь воду второго контура от радиации – не забывайте, откуда приходит вода первого контура! Так что и в этом случае профессионалам материаловедения приходится потрудиться для того, чтобы придумать сплав, который отвечает всем требованиям. Трубки теплообменника должны выдерживать давление воды первого контура (те самые 65 атмосфер), должны легко передавать тепло и совершенно не передавать наведенную радиацию, при этом температура воды первого корпуса не опускается ниже 290 градусов. Жестко, но никто ведь и не говорил, что будет легко. Внутри корпуса плещется вода второго контура, поступающая по патрубку (6). Давление внутри корпуса парогенератора ниже, чем в трубопроводе первого контура, поэтому вода второго контура, забрав на себя тепло воды первого контура, вскипает, превращаясь в пар, который поднимается в верхнюю часть корпуса парогенератора (7), откуда через патрубки (4) и уходит к турбине. Вода первого контура, наоборот – теряет часть температуры до значения, которое необходимо на входе в активную зону реактора, куда она и отправляется через патрубок (10). В парогенераторе, таким образом, происходят сразу два полезных процесса – температура воды первого контура понижается (это дает возможность снова отправить ее снимать температуру с тепловыделяющих элементов), а температура воды второго контура повышается настолько, что эта вода превращается в пар – рабочее тело для турбины. Сколько воды второго контура в виде пара изъяли из парогенератора – столько воды добавили через патрубок (6), темп этого процесса рассчитывают так, чтобы пара для турбины всегда было достаточно для ее непрерывной работы.

Быстроходная паровая турбина «Силовых машин» мощностью 1’200 МВт для первого энергоблока Ленинградской АЭС-2

Конечно, мы умышленно выбрали самые схематичные картинки, в реальности все выглядит куда сложнее. При прохождении пара через цилиндры турбины часть пара неизбежно теряется, эти потери приходится компенсировать добавлением подготовленной воды в трубопровод, идущий от конденсатора. Мало того – во время своего движения по лопаткам турбины водяной пар захватывает воздух, пузырьки которого противопоказаны, поэтому на настоящей схеме должен присутствовать еще и деаэратор – устройство, которое изничтожает вредные пузырьки воздуха. И, разумеется, качество полученной в результате воды снова приходится проверять – соответствует ли оно требованиям, предъявляемым внутренними поверхностями трубопроводов и лопаток турбин. Так что, когда мы писали, что водоподготовкой занимается целый цех – это не было шуткой, нагрузка у специалистов тут весьма серьезная. В трубопроводы, ведущие к турбине, пар должен поступать в сухом виде, не тащить с собой капелек воды, так что на всех реальных схемах есть еще и сепаратор – устройство, отделяющее воду от рабочего пара.

Но и на этом описание всего, что происходит с водой на ТЭС и АЭС, не заканчивается. Если внимательно присмотреться к Рис.2 и к Рис.3, то можно увидеть, что еще кое о чем пока не сказано ни слова. На Рис.2 есть надпись «Охлаждающая вода», которая приходит откуда-то справа и туда же, направо, возвращается. На Рис.3 появляется нечто более подробное – в правом нижнем углу присутствует надпись «К водохранилищу или к градирне». Зачем электростанции еще и водохранилище, почему его можно заменить градирней? Но ответы на эти вопросы мы прибережем на следующую статью – водный режим ТЭС и АЭС того стоит.

Мы постараемся убедить вас, уважаемые читатели, в том, что любая электростанция – это прибежище не только специалистов по проводам да трансформаторам с генераторами, набор специальностей у профессионалов, обеспечивающих нас 24/7 и на 365 электроэнергией и горячей водой, значительно шире, а водопроводчикам знаний требуется куда как больше, чем только для того, чтобы сменить прокладку потекшего на кухне крана. Вы думаете, они просто так оказываются в уставшем состоянии? Нет – это им после работы с трубопроводами, где давление и температуру обозначают числами больше, чем с одним нулем, стресс снимать приходится. Потому к людям этой профессии будьте добры относиться с почтением и уважением!