Парогенераторы предназначены для выработки пара заданных параметров и используются в судовых ядерных паропроизводящих установках с паротурбинной исполнительной частью.
Парогенераторы, применяемые в судовых ядерных установках, должны иметь малые массогабаритные показатели, обеспечивающие их монтаж в затесненных условиях судна, простую конструкцию, обеспечивающую максимально возможное время работы без специального обслуживания и ремонта, обладать высокой надежностью и необходимой маневренностью, которая не ограничивала бы маневренность судна. Требуемая маневренность зависит от назначения и типа судна, а также условий его работы.
Основным классификационным признаком парогенераторов является способ циркуляции рабочего тела. По этому признаку различают парогенераторы с естественной и принудительной циркуляцией.
Парогенераторы с принудительной циркуляцией в свою очередь делятся на парогенераторы с многократной принудительной циркуляцией – МПЦ, и прямоточные.
Парогенераторы с естественной циркуляцией
В парогенераторах с ЕЦ (естественная циркуляция) циркуляция рабочего тела происходит под действием движущего напора естественной циркуляции, возникающего вследствие разности удельных весов (плотностей) воды в опускном участке и пароводяной смеси в подъемном.
Схема работы парогенератора с ЕЦ показана на рис. 30.а. Парогенератор разделен вертикальной перегородкой на две части: подъемную, в которой происходит движение воды и образующейся пароводяной смеси вверх, и опускную, в которой вода движется вниз. В подъемной части контура расположен греющий змеевик, в который подается нагретый в активной зоне реактора теплоноситель первого контура. На поверхности змеевика происходит испарение воды, образовавшиеся паровые пузырьки отрываются от поверхности нагрева и барботируют через толщу воды вверх, в паровое пространство ПГ (парогенератор). Не успевшая испариться в подъемной части ПГ вода перетекает через перегородку в опускную часть, где смешивается с подаваемой туда же питательной водой. Образовавшаяся смесь котловой и питательной воды, имеющая большую плотность, чем плотность пароводяной смеси, опускается в нижнюю часть ПГ и поступает в подъемную часть к греющему змеевику. Образовавшийся насыщенный пар скапливается в верхней части корпуса, откуда отбирается на потребители. Для улучшения качества пара в паровом пространстве ПГ могут устанавливаться различного рода сепарационные устройства: дырчатые щиты, жалюзийные сепараторы, циклоны, сепараторы с осевым подводом пароводяной смеси и т.д. Для поддержания требуемого качества котловой воды в ПГ-ЕЦ может быть организовано продувание воды с повышенным содержанием солей. Кратность циркуляции в ПГ-ЕЦ может достигать 40.
ПГ-ЕЦ представлены достаточно большим разнообразием конструкций, различающихся применением одно- или двухкорпусных вариантов ПГ, горизонтальным или вертикальным расположением корпуса и поверхности нагрева и т.д. Вертикальные ПГ-ЕЦ хорошо компонуются с реактором, обеспечивая снижение габаритных показателей ППУ (паропроизводящая установка).
Преимуществами ПГ-ЕЦ перед другими типами парогенераторов (в частности, по сравнению с прямоточными), являются:
- возможность питания водой пониженного качества за счет снижения содержания растворенных солей при организации продувки;
- отсутствие зоны ухудшенного теплообмена из-за низких паросодержаний;
К числу недостатков ПГ-ЕЦ относят следующие:
- определенные трудности, связанные с получением перегретого пара; для получения перегретого пара необходим отдельный пароперегреватель;
- большие массогабаритные показатели, вызванные низкой скоростью циркуляции и малым паросодержанием; рост габаритов вызван также необходимостью размещения парового объема внутри корпуса;
- зависимость колебаний уровня воды, давления и влажности пара при изменении паропроизводительности;
- зависимость параметров пара от качки судна и колебаний уровня воды.
Парогенераторы с многократной принудительной циркуляцией
В парогенераторах с МПЦ (многократная принудительная циркуляция) скорости движения рабочего тела намного выше, чем при использовании ЕЦ. Циркуляция рабочего тела осуществляется за счет работы циркуляционного насоса многократной принудительной циркуляции – НМПЦ. Схема ПГ-МПЦ представлена на рис. 30.б.
Парогенератор состоит из двух секций: испарительной и пароперегревательной, которые могут размещаться в отдельных корпусах или вместе в одном корпусе. В отличие от ПГ-ЕЦ, рабочее тело в ПГ-МПЦ обычно циркулирует внутри труб поверхностей нагрева, а теплоноситель омывает эти трубы снаружи. Теплоноситель из реактора последовательно проходит через перегревательную и испарительную секции, отдавая тепло на перегрев пара, нагревание и испарение воды в секциях ПГ. НМПЦ забирает котловую воду из сепаратора и подает ее в змеевик поверхности нагрева испарительной секции. В испарителе происходит частичное испарение воды, и образовавшаяся пароводяная смесь поступает обратно в сепаратор. В сепараторе происходит отделение пара от воды. Вода скапливается в нижней водяной части сепаратора, где смешивается с поступающей свежей питательной водой, а насыщенный пар отбирается из парового пространства сепаратора и направляется в секцию пароперегревателя. После перегрева пар направляется на потребители. Для стабилизации концентрации солей в котловой воде и повышения ее качества производится постоянное продувание части воды из водяного пространства сепаратора. Таким образом, в парогенераторе осуществляется постоянное принудительное движение воды и пароводяной смеси по контуру циркуляции: сепаратор – НМПЦ – испаритель – сепаратор. Кратность циркуляции в парогенераторах с МПЦ составляет от 1,5 ÷ 2,0 до 12 ÷ 15.
Наиболее уязвимым узлом ПГ-МПЦ является насос НМПЦ, работающий практически на кипящей воде. Для предотвращения возникновения кавитации и срыва работы насоса его необходимо размещать ниже сепаратора и уменьшать гидравлическое сопротивление входного участка.
Парогенераторы с МПЦ обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами парогенераторов:
- возможность питания водой пониженного качества (по сравнению с прямоточными ПГ) по причине организации продувки воды с повышенной концентрацией солей из водяного пространства сепаратора;
- меньшие чем в ПГ-ЕЦ колебания уровня воды в сепараторе при изменении паропроизводительности, что позволяет значительно упростить систему регулирования уровня воды;
- меньшие массогабаритные показатели по сравнению с ПГ-ЕЦ по причине увеличенной скорости циркуляции рабочего тела и соответствующего уменьшения площади поверхности теплообмена;
- возможность использования в установках с высокотемпературным теплоносителем (газовым или жидкими металлами).
К недостаткам ПГ-МПЦ относятся:
- сложность конструктивной схемы и повышенные массогабаритные показатели;
- зависимость давления пара от паропроизводительности ПГ;
- ограниченные возможности по маневрированию, особенно при наборе нагрузки, из-за возможности срыва работы НМПЦ.
Прямоточные парогенераторы
Этот тип парогенераторов нашел широкое применение в судовых ядерных ППУ (паропроизводящая установка). В прямоточных ПГ рабочее тело (питательная вода) под действием напора питательного насоса последовательно, без совершения кругового движения по контуру циркуляции, проходит через экономайзерный, испарительный и пароперегревательный участки поверхности теплообмена, превращаясь в перегретый пар. При этом границы и длины участков не зафиксированы, как например в ПГ-МПЦ, а зависят от нагрузки парогенератора и расхода питательной среды. Схема прямоточного ПГ представлена на рис. 30.в. Как правило, поверхность нагрева прямоточного ПГ представляет собой несколько параллельно включенных змеевиков. Масса рабочего тела, содержащегося в ПГ, относительно невелика, поэтому прямоточные ПГ обладают плохими теплоаккумулирующими свойствами, и для охлаждения теплоносителя требуется постоянная и непрерывная подача питательной воды. Но небольшая масса рабочего тела способствует повышению маневренности парогенератора и всей установки в целом. Еще одной важной особенностью прямоточных ПГ является необходимость питания водой очень высокого качества с низким содержанием растворенных солей. При испарении воды происходит постепенное увеличение концентрации солей на испарительном участке, в результате чего соли начинают отлагаться на стенках труб ПГ в виде накипи в конце испарительного и начале перегревательного участков. При давлениях порядка 10 МПа происходит явление растворимости солей в паре и унос их в паропроводы и в проточные части турбин. Для предотвращения перечисленных явлений в судовых ППУ с прямоточными ПГ неизбежным условием является применение развитых средств предварительной подготовки питательной воды, а также осуществление периодических промывок парогенераторов с целью удаления накипных отложений.
Отсутствие свободного уровня воды в прямоточном ПГ значительно снижает зависимость его работы и параметров вырабатываемого пара от крена, дифферента и качки судна. При этом отсутствует жесткая зависимость между паропроизводительностью и давлением вырабатываемого пара.
Литература
Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]
