СУДОСТРОЕНИЕ 6'2003
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
30 МВт. АЭУ ледокола-лидера можно представить состоящей из четырех таких эшелонов. При таком подходе для перспективных ледоколов достаточно одной унифицированной реакторной установки и одного унифицированного ГТА.
Однако применение на ледоколе-лидере четырехреакторной АППУ и четырех ГТА может встретить возражения, прежде всего в связи с
трудностями управления и обслуживания. Массогабаритные характеристики для такого ледокола определяющего значения не имеют. Поэтому не исключено, особенно если ледокол-лидер будет построен в количестве двух и более единиц, создание для него реакторной установки тепловой мощностью порядка 300 МВт и ГТА мощностью 60 МВт. Тогда его АЭУ по схеме бу-
дет идентична 60-мегаваттной установке линейного ледокола и будет состоять из двух эшелонов, принципиальная схема каждого из которых совпадает с показанной на рис. 1. Правда, при этом не произойдет межпроектной унификации. Поэтому для принятия окончательного решения требуется проведение технико-экономического анализа на стадии эскизного проекта ледокола.
АККУМУЛЯТОРЫ ТЕПЛА В СОСТАВЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПЕРСПЕКТИВНЫХ АТОМНЫХ ЛЕДОКОЛОВ
Л. И. Щеголев, канд. техн. наук (ФГУП ЦНИИ
им. академика А. Н. Крылова) удк 662.957.8^629.561.5.02-81:621.039]
Прогнозируемое в ближайшие годы увеличение грузоперевозок по трассе Северного морского пути, освоение добычи нефти и газа на шельфе северных морей РФ, а также многолетняя успешная эксплуатация в этих районах отечественных атомных ледоколов (АЛ), сроки службы которых приближаются к предельным, создают предпосылки для проектирования и строительства АЛ новых поколений, а именно: линейных с мощностью на гребных валах не менее 60 МВт (развитие ледоколов типа «Арктика», осадка 11 м); «мелкосидящих» на 36—40 МВт (развитие ледоколов типа «Таймыр», минимальная рабочая осадка 8,5 м).
Одна из особенностей эксплуатации современных АЛ состоит в том, что режим взаимосвязанного управления, когда тепловая мощность реакторов регулируется автоматически в точном соответствии с фактическими потребностями на любой момент времени, пока осуществляется только до уровня 20% от номинальной мощности Ын (стоянка без связи с берегом, ход по чистой воде).
Напротив, в тяжелых условиях арктического плавания при необходимости частых и глубоких маневров про-пульсивной установки у судоводителей возникает обоснованное опытом опасение, что оперативное под-
держание баланса по пару, генерируемому на долевой мощности атомной паропроизводящей установкой (АППУ) и потребляемому паротурбинной установкой (ПТУ), не будет обеспечено. К тому же интенсивные термоциклические нагрузки, лимитирующие ресурс оболочек тепловыделяющих элементов и других напряженных узлов АППУ, как известно, нежелательны. В таких условиях экипаж стремится свести количество циклов изменения мощности (не более 20 000 за весь срок службы активной зоны) к минимуму. Это приводит к большим потерям тепловой
Рис. 1. Основные факторы, влияющие на интенсивность травления свежего пара через дроссельно-увлажнительное устройство в главные конденсаторы ПТУ атомных ледоколов
энергии из-за вынужденного сброса свежего пара помимо главных турбоагрегатов (ГТА) в конденсатор через клапан травления (КТ) и дроссельно-увлажнительное устройство.
Систематизированного анализа и обобщения этих потерь пока не проведено из-за сложностей изучения такого многофакторного процесса (рис. 1) в условиях эксплуатации ледоколов. Например, интенсивность травления, несомненно, зависит от таких разноплановых факторов, как шероховатость наружной обшивки и индивидуальный опыт судоводителя, а однозначной зависимости расхода пара через КТ ОТР) от мощности ГТА принципиально не может быть. Однако с достоверностью, приемлемой при проектировании новых АЛ, можно считать, что с учетом наиболее вероятного для них значения коэффициента использования установленной мощности около 0,5 и при том же, что и у современных АЛ, составе оборудования с травлением будет потеряно не менее 15% (а то и 20%) энергии, высвобождающейся в реакторе (рис. 2). Таким образом, потери опять окажутся весьма значительными. Данные, представленные на рис. 2 и аппроксимированные эмпирическим соотношением ОТР = 3(100- ^Т5, получены в основном для АЛ Арктика» после измерений хода (степени открытия) КТ-1 и КТ-2 при постоянной уставке мощности АЭУ на данном отрезке времени (1 ч). При обработке использовалась расходная характеристика КТ для ГТА-642, определенная по результатам испытаний на Кировском заводе. Зависимость «ход КТ (мм)— расход пара через КТ (т/ч)»
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
СУДОСТРОЕНИЕ 6'2003
С"
,4-8
V 4-6 < >4-2
\ 4-1 < >4-9" ч2 >4"3
о 4-7 4-5< >4
\ Зд
\
N \ >4-4
1
V ~ 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Холостой к. о/
N гтд/%
ход Г™'
Рис. 2. Интенсивность вероятного травления
свежего пара на главные конденсаторы от суммарной мощности двух ГТА для ходовых режимов АЛ типа «Арктика»: 1 — по тепловым балансам АЭУ ледокола (в работе две АППУ и два ГТА, постоянное травление 2х4 т/ч); 2 — по формуле СТр = 3 (100 - С|)ГТГ0,5; 3 — по измерениям на АЛ «Сибирь» (январь 1980 г.); 4 — по измерениям на АЛ «Арктика» (произвольные выборки при постоянной уставке ГЭУ): 4-1 — 25%, 66 ч, дек. 1999 г.; 4-2 — 70%, 19 ч, февр. 1999 г.; 4-3 — 90%, 25 ч, дек. 1998 г.; 4-4 — 90%, 14 ч, дек. 1998 г.; 4-5 — 60%, 13 ч, дек. 1999 г.; 4-6 — 50%, 8 ч, янв. 1999 г.; 4-7 — 25%, 23 ч, февр. 1999 г.; 4-8 — 40%, 7 ч, дек. 1999 г.; 4-9 — 40%, 45 ч, окт. 1999 г.
легко позволяет выявить величину травления в любой момент времени.
По данным Мурманского морского пароходства, реальный КПД цикла на действующих АЛ составляет 10—22%, т. е. при интенсивном травлении снижается в два раза.
Травление свежего пара на главные конденсаторы ледоколов «Таймыр» и «Вайгач» удалось снизить (по сравнению с имевшим место в начале их эксплуатации) при внедрении
дополнительной программы автоматического расчета потребления тепловой энергии. Тогда появилась возможность нормирования расхода ядерного горючего и объективного задокументированного на машинных носителях сопоставления эффективности работы каждой вахты операторов АППУ и судоводителей.
Однако упомянутая программа исходит из реальной в настоящее время трудности быстрого регулирования тепловой мощности и по-прежнему допускает в напряженных режимах (частые реверсы при преодолении торосов) увеличение расхода пара перед маневровым устройством до 40% по сравнению с расчетным значением без травления.
На достраивающемся атомном ледоколе «50 лет Победы» совместное (сбалансированное)управление АППУ и ПТУ также предусмотрено только при стояночном режиме, а обычная скорость изменения мощности, по данным НПО «Аврора», предусмотрена 0,1% Ын за секунду, что превращает АППУ ледокола в маломаневренную (например, на изменение тепловой мощности с 50% до номинальной требуется более 8 мин). Отсюда вынужденная уставка судоводителем мощности с запасом на неожиданные быстрые на-бросы и значительное травление свежего пара.
Таким образом, давно назревший вопрос об организации более рационального процесса энергосбережения на АЛ при характерных для них переменных режимах еще не
Рис. 3. Схема горизонтального ТА конструкции Рутса:
1 — зарядный паропровод; 2 — обратный клапан; 3 — клинкет; 4 — воздушный клапан; 5 — разрядное сопло; 6 — предохранительный клапан; 7 — паровой коллектор; 8 — зарядное сопло; 9 — диффузор; 10 — продувочный клапан; 11 — указатель уровня; 12 — манометр
получил положительного разрешения. Возврат в цикл потерь, связанных с травлением, представляет интерес для проектантов АЭУ ледоколов и ледокольно-транспортных судов будущих поколений.
Анализ известных технических возможностей для многократных последовательных накоплений и возвратов энергии (тепловой, механической, электрической, химической) при наличии массогабаритных и стоимостных ограничений показал, что на ближайшие годы применительно к мощным судовым установкам, использующим обычный цикл «пар— конденсат», целесообразна традиционная схема ПТУ, дополненная одним или несколькими тепловыми аккумуляторами (ТА).
Пароводяной ТА — это освоенный в стационарной энергетике [1, 2] относительно простой по конструкции тепломассообменный аппарат смесительного типа (рис. 3). При его зарядке свежий «избыточный» в данный момент времени пар после дросселирования подводится к соплам, затопленным под слоем воды, и, вовлекая ее в движение, быстро конденсируется. Достигается хорошее перемешивание, а к концу процесса сосуд примерно на 85—90% своего объема оказывается заполненным водой при параметрах насыщения (в данном случае конечное давление до 3 МПа). Теперь накопленная в ТА энергия может быть при необходимости возвращена. Для этого на период разрядки аппарат сообщается с полостью, где давление ниже, чем в нем (последние ступени паровой турбины). Вода в ТА частично вскипает, вторичный насыщенный пар способствует поддержанию работы турбины на определенной мощности в течение, например, нескольких минут. Эта мощность развивается дополнительно к той, которая обеспечивается по обычной схеме свежим паром от АППУ. Последняя при требующемся судоводителю на-бросе мощности также увеличивает подачу пара, но не экстренно, а с обычной разрешенной инструкцией скоростью.
Емкость ТА зависит от его объема и перепада давлений с начала до окончания разрядки (рис. 4), а уменьшающийся расход пара лимитируется прежде всего скоростью движения вторичного пара, приведенной к площади «зеркала» испаре-
в
ТР
СУДОСТРОЕНИЕ 6'2003
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
ния с тем, чтобы не вызвать интенсивного уноса влаги с паром [3]. Другой лимитирующий фактор — изменение расхода во времени, исключающее подпор находящихся выше по потоку ступеней.
Предположим, в ТА реализован перепад с 3,0 до 0,15 МПа, что соответствует выделению примерно 200 кг вторичного пара с 1 м3 исходного водяного объема. Если в машинном отделении перспективного АЛ в дополне
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.