Parogenerátor
V jaderné elektrárně s reaktorem VVER je parogenerátor důležitou částí technologie, která fyzicky odděluje média primárního a sekundárního okruhu. Je to horizontální tepelný výměník s velkou teplosměnnou plochou, tvořenou svazky „U“ trubek. Parogenerátor převádí teplo, generované v jaderném reaktoru, do napájecí vody a páry sekundárního okruhu. Teplotní a tlakové poměry jsou v parním generátoru nastaveny tak, že na povrchu trubek dochází k intenzivnímu vývinu páry, dále potřebné k pohonu turbogenerátorů.
Historie parogenerátorů
Parní generátor se ve spojení s jaderným reaktorem začal používat přibližně v polovině minulého století na jaderných ponorkách. Pozdější využití jádra v jaderných elektrárnách převzalo koncepty zařízení z vojenské sféry, které postupně zdokonalovalo.
Vyšší tlaky chladiva si od začátku vyžádaly použití trubkových výměníků. Pro dobrou funkci turbíny i její životnost byla důležitá především suchost generované páry, proto se v počátcích spojovaly parogenerátory s horizontálním separátorem – parním bubnem nad výměníkem. Ponorka ale není stacionární zařízení a její náklon způsoboval kolísání hladiny a špatnou funkci separátoru. I to byl jeden z důvodů, proč se směr vývoje parních generátorů později ubíral k vertikálním typům, méně citlivým ke kolísání hladiny. V civilní energetice znamenalo použití vertikálního typu parogenerátorů zvýšení objemového výkonu a zmenšení potřebného místa pro parogenerátory v ochranné bezpečnostní stavbě, kontejnmentu primárního okruhu reaktoru.
Typy parogenerátorů
Pokud budeme uvažovat o parogenerátorech nejrozšířenějších tlakovodních reaktorů, existují dva hlavní typy: vertikální a horizontální.
Vertikální válcová tlaková nádoba s teplosměnnou plochou tvořenou množstvím obrácených „U“ trubek, kterými pod vysokým tlakem protéká primární horká voda. Trubky jsou na spodní straně upevněny v horizontální trubkovnici, pod kterou se nachází vstupní a výstupní komora primárního média. Dlouhé „U“ trubky jsou po výšce fixovány v pravidelných intervalech pomocí distančních desek. Napájecí voda sekundární strany parogenerátoru je do generátoru přiváděna v horní rozšířené válcové části přes napájecí prstenec, následně sestupuje po obvodu nádoby dolů, otáčí se a v mezitrubním prostoru nad trubkovnicemi se postupně mění v sytou páru. Nad trubkovým svazkem v rozšířené části pára prochází dvojstupňovým separátorem (odstředivým a vlnitým) a opouští parogenerátor v jeho nejvyšším bodu se suchostí větší než 99,5 %.
Vertikální parogenerátory jsou rozšířeny v oblasti západní Evropy, USA, Kanady a Japonska a tvoří základní komponenty jaderných elektráren s reaktory PWR.
Tvoří válcová tlaková nádoba na koncích uzavřená víky eliptického tvaru. Do střední části nádoby jsou umístěny dva svislé kolektory – vstupní a výstupní – napojené na potrubí horké a studené větve primární smyčky. Dolním nátrubkem vstupního kolektoru vstupuje do parogenerátoru voda ohřátá v reaktoru. Stěna kolektoru tvoří uvnitř válcovou trubkovnici, do které jsou zaválcovány a zavařeny konce tenkých teplosměnných horizontálně položených „U“ trubek. Po průchodu horké vody trubkou, které skrz povrch odevzdá část své tepelné energie, se již ochlazená primární voda dostává přes druhý kolektor a jeho nátrubek do studené větve primárního potrubí a putuje přes hlavní cirkulační čerpadlo zpět do reaktoru. Oba kolektory jsou na horní straně uzavřeny rozebíratelnými víky s těsněním. V tělese tlakové nádoby se nad každým kolektorem nachází ještě sekundární víko, umožňující přístup k primárním kolektorům.
Parogenerátor má dva hlavní trubkové svazky, jeden v levé a jeden v pravé části nádoby. Vnitřní prostor teplosměnných trubek a vnitřní prostory obou kolektorů tvoří primární stranu parogenerátoru, vnější povrch trubek a kolektorů a celý vnitřní objem až po stěnu válcové nádoby je součástí sekundární strany parogenerátoru.
Tlaková nádoba a kolektory parogenerátoru VVER 1000
Obrovský plášť nádoby parogenerátoru je vlastně svařenec ze šesti kovových prstenců a dvou eliptických den. Dvojice středových prstenců má tloušťku stěny 145 mm, krajní dvě dvojice prstenců jen 105 mm. Tloušťka eliptických den je 120 mm. Zesílení středového prstence je v dolní části nutné z důvodu pevného uchycení procházejícího primárního kolektoru, a v horní části pro osazení nátrubku sekundárního víka kolektoru (pro přístup k primárnímu víku).
Tlaková nádoba parogenerátoru je kromě vstupů dvou kolektorů ještě opatřena množstvím jiných otvorů a nátrubků. Především je to vstupní nátrubek napájecí vody v horní části středového prstence a deset nátrubků pro odvod generované páry. Dále jsou to servisní průlezy, nátrubky odkalu a odluhu, měření hladiny nebo havarijního doplňování. Celá nádoba je uložena na dvou speciálních válečkových konstrukcích, zabezpečujících dostatečný posuv celého parogenerátoru v důsledku teplotní dilatace primárního cirkulačního potrubí.
Dva konstrukčně identické primární kolektory slouží k rozdělení horké vody do tisíců teplosměnných trubek a jejímu opětovnému sloučení do jednoho potrubí. Dolní válcová část tělesa kolektoru o vnitřním průměru 834 mm je ve spodní části přivařená k primárnímu potrubí a tlakové nádobě, horní část se kuželovitě zužuje a je zakončena plochým primárním víkem. Všechny vnitřní stěny kolektoru, přicházející do styku s primárním chladivem, jsou opatřeny nerezovým návarem. Největší tloušťka stěny kolektoru je v místě zaústění teplosměnných trubek – dosahuje až 171 mm.
Primární víko je ke kolektoru uchyceno pomocí dvaceti svorníků s maticemi. Těsnost tohoto rozebíratelného spoje, oddělujícího primární a sekundární stranu parogenerátoru, je zabezpečena dvojicí niklových koncentrických těsnění, uložených v drážkách v přírubě kolektoru. Těsnost se kontroluje podle změny tlaku v prostoru mezi těsněními.
Svazky teplosměnných trubek
Povrchy „U“ trubek spojujících vstupní a výstupní kolektor představují pracovní teplosměnnou plochu výměníku. Aby byl parogenerátor schopen převádět obrovské výkony (750 MWt u PG VVER 1000), musí být tato plocha dostatečně velká. Pro zmíněný parogenerátor je skutečná teplosměnná plocha přes 6 000 m2 a tvoří ji asi 11 000 trubek. Samotná trubka má průměr 16 mm, je vyrobena z nerezavějící chrom-niklové austenitické oceli a její průměrná délka je 11 metrů. Z uvedeného vyplývá, že v každém ze čtyř parogenerátorů elektrárny s reaktorem VVER 1000 je uloženo ve svazcích přes 120 km trubek.
Ze vstupního (horkého) kolektoru vychází na obě strany, do každé poloviny nádoby parogenerátoru, svazek teplosměnných trubek, který se ještě opticky dělí na vnitřní a vnější díl. Trubky svazku jsou poměrně dlouhé, a proto musí být na několika místech podepřeny pomocí distančních mříží, které zároveň udržují prostorovou geometrii svazku. Distanční mříže jsou na rovných úsecích ukotveny k tlakové nádobě, v ohybech trubek jsou distanční mříže volné. Jednotlivé horizontální roviny trubek jsou vůči sobě posunuty o polovinu rozteče trubek, takže uspořádání trubek ve svazku je střídavé.
Napájecí voda a pára
Napájecí voda je do parogenerátoru přiváděna jediným napájecím potrubím, které se až uvnitř v parním prostoru rozděluje na dvě části (kolektory), směřující nad každý svazek teplosměnných trub. Z kolektorů je voda dále rozváděna tenčími trubkami do prostoru svazků vycházejících z horkého (vstupního) primárního kolektoru, aby se vyrovnalo nerovnoměrné plošné teplotní zatížení parního generátoru.
Voda se v mezitrubním prostoru dohřívá do teploty nasycení a vzniká parovodní směs, vystupující k hladině. Nad hladinou, po prvotní gravitační separaci, stoupá nasycená pára do horní části tlakové nádoby, kde prochází žaluziovými separátory. V nich při optimální rychlosti parovodní směsi dochází k oddělení zbylých malých kapiček vody od páry vlivem setrvačných sil při změně směru proudění páry. Po průchodu separátorem téměř suchá pára (suchost kolem 99,8 %) proudí deseti parními nátrubky do parního kolektoru nad parogenerátorem.
Oprava netěsných trubek
Za provozu jaderného bloku se může stát, že se některá z tisíců teplosměnných trubek poškodí, což se projeví nárůstem aktivity ve vodě sekundárního okruhu. Tuto netěsnost je potřebné při nejbližší odstávce bloku vyřešit. Protože oprava nebo výměna trubky nepřichází v úvahu, celá trubka se pomocí dálkově ovládaného manipulátoru zaslepí a tím se vyřadí z provozu. Při návrhu parogenerátoru se s určitým procentem zaslepených trubek počítá.
Fyzikální principy
Svazky tenkých trubek tvoří v parogenerátoru teplosměnnou plochu, přes kterou se teplo převádí z primární strany na sekundární. Účelem optimalizace geometrických a materiálových charakteristik trubek ve svazcích je snaha o maximalizaci tepelného toku přes stěny trubek, jejich vhodné konstrukční uspořádání napomáhá zvyšovat objemový výkon celého tepelného výměníku.
Přenos tepla z primárního chladiva do napájecí vody sekundárního okruhu je uskutečňován nejdřív konvekcí z proudící kapaliny do povrchu stěny teplosměnné trubky, následně vedením tepla od vnitřní stěny trubky k vnější a nakonec varem kapaliny na vnějším povrchu trubky. Definice a vztahy pro přenos tepla nejdřív určíme pro tepelný výměník s plochou stěnou.
Podle Newtonova ochlazovacího zákona můžeme definovat, jaké množství tepla přestupuje z proudící kapaliny do pevné stěny
Kde:
Q – přenášený tepelný tok [W]
α – součinitel přestupu tepla [W/(m2.K)]
Ts1, Tw1 – teploty povrchu stěny a teplota topné protékající kapaliny [K]
S – plocha pevné stěny [m2]
Q = α . (Tw1 − Ts1) . S
Teplo, které se přenese z kapaliny na povrch stěny, dále prochází touto stěnou. Materiál pevné stěny je charakterizován součinitelem tepelné vodivosti λ [W/(m.K)], udávající množství tepla, které za 1 sekundu projde deskou 1 m tlustou s jednotkovou plochou, pokud je teplotní rozdíl stěn 1 K. V ustáleném stavu je tepelný tok dále přímo úměrný gradientu teploty:
Q = λ . S . (Ts1 − Ts2) / δ
Kde:
δ – tloušťka stěny [m]
Ts1, Ts2 – teploty povrchů vnitřní a vnější stěny [K]
V klasickém tepelném výměníku s rovinnou stěnou, oddělující dvě média bez fázového přechodu, je celkový přenášený tepelný tok stejný ve všech třech vrstvách (konvekce, kondukce, konvekce):
Q = α1 . (Tw1 − Ts1) . S = λ . S . (Ts1 − Ts2) / δ = α2 . (Ts2 − Tw2) . S
Z rovnic vyčleníme teploty:
Tw1 − Ts1 = Q . 1 / (α1 . S)
Ts1 − Ts2 = Q . δ / (λ . S)
Ts2 − Tw2 = Q . 1 / (α2 . S)
Pokud označíme výrazy R1 = 1/(α1 . S), R2 = δ/(λ . S) a R3 = 1/(α2 . S) za tepelné odpory vrstev a rovnice sečteme, můžeme rovnici tepelného toku přepsat v následujícím tvaru:
Q = (Tw1 − Tw2) / (R1 + R2 + R3)
Součet tepelných odporů R1 + R2 + R3 lze ještě zjednodušit do tvaru:
R = R1 + R2 + R3 = 1 / (k . S)
Kde:
k – součinitel prostupu tepla [W / (m2 . K)] = 1 / (1/α1 + δ/λ + 1/α2)
R – suma tepelných odporů všech vrstev [K/W]
Výsledná rovnice pro celkový přenášený tepelný tok:
Q = k . S . (Tw1 − Tw2)
Teplosměnná trubka parogenerátoru ale není deskový výměník. Elementární prvek má tvar trubky s určitou tloušťkou stěny, takže teplosměnná plocha bude jiná na jejím vnitřním průměru (ohřívaném primární vodou) a jiná na vnějším průměru trubky (generace páry). S měnící se plochou se nepřímo úměrně mění i součinitel prostupu tepla k. V praxi se proto často používá celkový součinitel prostupu tepla kF, který je definován jako součin k . S. Vyjádříme-li plochu teplosměnné trubky jako plochu válce (S = 2 . π . r . L), můžeme zapsat výraz pro sumární tepelný odpor ve tvaru:
R = 1 / (k . S) = 1 / (2 . π . r1 . L . α1) + 1 / (2 . π . L . λ) . ln(r2 / r1) + 1 / (2 . π . r2 . L . α2)
Kde:
r1 a r2 – vnitřní a vnější poloměr teplosměnné trubky [m]
L – délka teplosměnné trubky [m]
Z výše uvedeného rozboru je patrné, že tepelný výkon parogenerátoru, charakterizován celkovým přenášeným tepelným tokem, závisí od několika faktorů. Především je to rozdíl teplot primárního a sekundárního média a celková plocha teplosměnných trubek. Výpočtovým násobícím koeficientem je dále součinitel prostupu tepla, charakterizující kvantitativní schopnost teplosměnných ploch převádět teplo. Do výpočtových vztahů součinitele prostupu tepla vcházejí jak materiálové a rozměrové charakteristiky trubek, tak i součinitele přestupu tepla z primární vody k ohřívanému povrchu trubky a z vnějšího povrchu trubky do napájecí vody (včetně fázové přeměny). Tyto součinitele se většinou zjišťují pomocí empirických vztahů z naměřených hodnot.
Na sekundární (vnější) straně trubek dochází k varu vody, přičemž se zintenzivňuje proudění páry a kapaliny v povrchové vrstvě. Výsledkem je mnohem vyšší koeficient přestupu tepla než při proudění primárního chladiva (bez změny skupenství) uvnitř trubek. Taktéž změna měrné entalpie při fázovém přechodu je výrazně větší než při ochlazení vody o pár desítek stupňů. Aby parní generátor pracoval s dobrou účinností, je nutné zvýšit menší koeficient přestupu tepla na vnitřní straně trubek. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je urychlení protékání primárního média – jinými slovy zvýšení jeho průtoku. V praxi platí pro parogenerátory, že hmotnostní průtok primárního média je přibližně 15krát větší než průtok generované páry.