Парогенератор

Парогенера́тор — теплообменный аппарат для производства водяного пара с давлением выше атмосферного за счёт теплоты первичного теплоносителя, поступающего из ядерного реактора^[1][2].

Ранее термин «парогенератор» применялся также для названия паровых котлов^[3][4], однако, после появления атомных электростанций, современное значение стало вытеснять первоначальное. Современными стандартами называть паровые котлы парогенераторами не допускается^[5]. Также в некоторых областях знаний под термином могут понимать электрокотлы и котлы-утилизаторы^[6].

Парогенераторы применяются на двух- и трёхконтурных АЭС. На одноконтурных их роль играет сам ядерный реактор. Парогенераторы, наряду с конденсаторами турбины и промежуточными теплообменниками (при трёхконтурной схеме), являются основными теплообменниками АЭС, от характеристик которых существенно зависят КПД и экономические характеристики станции.

На большинстве атомных электростанций используется типовая схема преобразования атомной энергии в электричество: ядерные реакции греют теплоноситель (чаще всего воду). Горячая вода из реактора прокачивается насосами через парогенератор, где отдает часть тепла, и снова возвращается в реактор. Поскольку эта вода находится под большим давлением, она остаётся в жидком состоянии(в современных реакторах типа ВВЭР около 160 атмосфер при температуре ~330 °C^[7]). В парогенераторе это тепло передается воде второго контура, которая находится под гораздо меньшим давлением (половина давления первого контура и менее), поэтому закипает. Образовавшийся пар поступает на паровую турбину, вращающую электрогенератор, а затем в конденсатор, где пар охлаждают, он конденсируется и снова поступает в парогенератор. Конденсатор охлаждают водой из внешнего открытого источника воды (например, пруда-охладителя).

И первый и второй контур замкнуты, что снижает вероятность утечки радиации. Размеры конструкций первого контура минимизированы, что также снижает радиационные риски. Паровая турбина и конденсатор не взаимодействуют с водой первого контура, что облегчает ремонт и уменьшает количество радиоактивных отходов при демонтаже станции.

Типовой парогенератор состоит из тысяч трубок, по которым прокачивается теплоноситель первого контура. Трубки погружены в теплоноситель второго контура. Понятно, что за время длительной (десятки лет) службы станции в трубках могут развиться дефекты. Это может привести к утечке теплоносителя первого контура во второй. Поэтому при плановых остановках реактора состояние теплообменных трубок контролируют и перекрывают (глушат) дефектные. В редких случаях приходится менять парогенератор целиком, но обычно срок службы парогенератора равен сроку службы реактора.

Парогенератор представляет собой рекуперативный теплообменный аппарат, в котором тепловая энергия передаётся от теплоносителя первого контура к рабочему телу второго контура через поверхность теплообмена и таким образом генерируется пар, питающий турбину. При трёхконтурной схеме (реактор на быстрых нейтронах) имеются также промежуточные теплообменники. Тепло через них передаётся от первого контура во второй (оба жидкометаллические), а в парогенераторах происходит передача тепла от второго контура в третий, водяной^[2][8].

В состав парогенератора могут входить различные элементы: экономайзер, испаритель, пароперегреватель, промежуточный пароперегреватель (промперегрев также может осуществляться в специальных теплообменниках, не входящих в состав парогенератора).

Парогенераторы классифицируются^[8]:

• по виду первичного теплоносителя — с водным, жидкометаллическим, газовым и др.;
• по организации движения рабочего тела в испарителе — с многократной естественной циркуляцией, с многократной принудительной циркуляцией, прямоточные;
• по наличию корпуса (кожуха), в котором располагается теплообменная поверхность — корпусн��е (кожухо-трубные) и типа «труба в трубе»;
• по количеству корпусов (корпусные) — однокорпусные, многокорпусные (отдельные элементы имеют собственные корпуса), секционные (разделены на несколько секций, имеющих общие системы регулирования расхода теплоносителя и рабочего тела), секционно-модульные (секции состоят из отдельных модулей, в которых располагаются различные элементы);
• по особенностям компоновки — горизонтальные (советское и российское направление развития) и вертикальные (западное).

Задачей системы автоматического регулирования парогенератора является обеспечение требуемой нагрузки, постоянство параметров перегретого пара и наиболее экономичное сжигание топлива. Проблемой регулирования является зависимость различных параметров друг от друга. Так, изменение расхода питательной воды влияет на производительность агрегата, давление и температуру пара. Основным параметром регулирования является температура перегретого пара, поскольку на неё влияет изменение большинства параметров. Так, парогенератор представляет собой сложный объект регулирования, с многими взаимосвязанными параметрами, поэтому автоматическое регулирование занимает важное место для нормальной работы парогенератора.

При нарушении нормального режима работы парогенератора происходит отклонение регулируемой величины от заданных. Во избежание аварийных ситуаций в работе парогенератора необходимо иметь значение, при котором будет срабатывать защита. Такие значения называют уставкой срабатывания. Сигналы защиты обычно бывают звуковыми или/и световыми, отображающиеся на щите управления.

Защитные устройства, используемые в системах защиты парогенератора, бывают следующими:

• Импульсно-предохранительное устройство (обычно используется при повышении давления пара сверх допустимого).
• Автомат типа АЗК-4 (используется для останова парогенератора при погашении факела или для включения форсунок во время потускнения пылевого факела в топке)