Компенсатор давления ВВЭР: паровая подушка, нагреватели, впрыск
Вода первого контура ВВЭР нагрета до 290–320 °C и не кипит только потому, что её держат под давлением около 16 МПа. Это давление создаёт и поддерживает компенсатор давления — высокий сосуд, в котором над водой стоит паровая подушка. Ниже — как он устроен, чем поднимают и снижают давление, куда сбрасывают лишний пар и что важно при изготовлении такого сосуда.
Содержание
- 15,7 МПаноминальное давление первого контура ВВЭР-1000 — его держит компенсатор
- ≈ 346 °Cкипит вода в компенсаторе при этом давлении
- 79 м³объём компенсатора давления ВВЭР-1000
- 152 ммтолщина стенки сосуда высотой около 14 м и диаметром 3,3 м
Зачем первому контуру компенсатор
Первый контур ВВЭР — замкнутое кольцо, заполненное водой под давлением около 16 МПа; у ВВЭР-1000 номинальное давление — 15,7 МПа. При таком давлении вода закипает лишь примерно при 346 °C, а из реактора выходит нагретой примерно до 320 °C, и запас в пару десятков градусов не даёт ей вскипеть в активной зоне. Как устроены контуры станции, рассказано в статье «Как работает атомная электростанция».
Держать такое давление непросто: вода почти несжимаема, а её объём заметно зависит от температуры. При разогреве от холодного состояния до рабочего вода первого контура расширяется примерно на 40 %. Да и в работе её температура всё время понемногу меняется — вместе с мощностью реактора, при пусках, остановах и переходных режимах.
Если бы контур был целиком заполнен водой, каждый градус нагрева поднимал бы в нём давление на величину порядка 1 МПа, а охлаждение так же быстро роняло бы его — вплоть до вскипания воды в самых горячих местах. Контуру нужна пружина, которая примет лишний объём и вернёт его обратно. Такой пружиной служит пар: в отличие от воды он легко сжимается.
Почему первому контуру нужна паровая подушка
- ≈ 40 %расширяется вода при разогреве контура до рабочей температуры
- порядка 1 МПарост давления на градус нагрева в контуре, целиком заполненном водой
Поэтому к контуру присоединяют компенсатор давления (КД) — сосуд, в нижней части которого вода, а в верхней — паровая подушка. Вода и пар в нём находятся при температуре насыщения, и давление в сосуде однозначно связано с температурой воды: при 15,7 МПа это около 346 °C. Отсюда главный принцип: чтобы управлять давлением всего первого контура, достаточно управлять температурой воды в компенсаторе.
Компенсатор создаёт давление при пуске, поддерживает его в заданных пределах в работе и при остановах и ограничивает его колебания в переходных и аварийных режимах. Вместе с барботёром, арматурой и соединительными трубопроводами он образует систему компенсации давления.
Как устроен компенсатор
Компенсатор давления — вертикальный цилиндрический сосуд с выпуклыми днищами. Он стоит в гермооболочке рядом с другим оборудованием первого контура и опирается нижним днищем на цилиндрическую опору, закреплённую на фундаменте. По сейсмостойкости его относят к первой категории: сосуд должен сохранить работоспособность при максимальном расчётном землетрясении.
Размеры у него внушительные. Компенсатор давления для пятого блока индийской АЭС «Куданкулам» с реактором ВВЭР-1000 — сосуд высотой около 14 м и диаметром 3,3 м со стенкой толщиной 152 мм. Его объём — 79 м³, масса — 187,5 т. В работе сосуд примерно на две трети заполнен водой, остальное занимает пар.
В корпусе много патрубков и штуцеров, и у каждого своя задача:
- Дыхательный патрубок. Расположен в нижнем днище. От него дыхательный, или соединительный, трубопровод идёт к горячей нитке одной из петель, и по нему вода перетекает из контура в компенсатор и обратно.
- Патрубки нагревателей. Стоят в нижней части корпуса; в них установлены блоки электронагревателей, которые греют воду до кипения.
- Патрубок впрыска. Находится в верхнем днище. Линия впрыска подводит воду из холодной нитки, а внутри сосуда заканчивается разбрызгивающим устройством, которое распыляет воду в паровом пространстве.
- Патрубки сброса. Тоже наверху, на паровом пространстве: от них пар идёт к импульсно-предохранительным устройствам и дальше в барботёр.
- Штуцеры приборов и сдувки. К ним подключены импульсные линии датчиков давления и уровня и трубопровод, по которому из паровой подушки отводят накопившиеся газы.
Нагреватели здесь — трубчатые электронагреватели, ТЭН: проволочная спираль внутри металлической трубки-оболочки, а зазор между ними заполнен спрессованным порошком оксида магния, который изолирует спираль и хорошо проводит тепло. ТЭН собраны в блоки, а блоки — в группы, которые включают и отключают по отдельности.
Компенсатор давления в разрезе (схема). Внизу сосуда — вода первого контура, вверху — пар. Чтобы поднять давление, включают электронагреватели: вода закипает, пара становится больше. Чтобы снизить — впрыскивают более холодную воду из холодной нитки, и часть пара конденсируется. Дыхательный трубопровод соединяет компенсатор с горячей ниткой петли. Если давление всё же превысит допустимое, откроются предохранительные клапаны и сбросят пар в барботёр — там он конденсируется под слоем воды.
Как поднимают и снижают давление
Давление в компенсаторе — это давление насыщенного пара над кипящей водой. Чтобы его поднять, включают нагреватели: вода сильнее кипит, пара становится больше, и давление растёт вместе с температурой. Чтобы снизить, открывают впрыск: через разбрызгивающее устройство в паровое пространство подают воду из холодной нитки. Эта вода нагрета примерно до 290 °C, на полсотни с лишним градусов холоднее пара, поэтому часть пара конденсируется на каплях, и давление падает.
Воду на впрыск гонит главный циркуляционный насос: линию впрыска берут с его напора, где давление выше, чем в горячей нитке, к которой присоединён компенсатор. Стоит открыть клапан — и вода пойдёт сама. Когда главные насосы остановлены, воду на впрыск могут подать подпиточные насосы.
В установившемся режиме работают одна-две группы нагревателей небольшой мощности: они лишь возмещают тепло, которое сосуд теряет через стенки. Регулятор давления меняет мощность нагревателей через регулировочный автотрансформатор и включает дополнительные группы, когда давление заметно падает. Если же давление растёт, он открывает клапан впрыска.
Паровая подушка помогает и сама. Когда теплоноситель нагревается и расширяется, вода по дыхательному трубопроводу входит в компенсатор, уровень поднимается и сжимает пар — часть его конденсируется, и рост давления замедляется. Когда теплоноситель остывает, вода уходит из сосуда, давление падает, и насыщенная вода в компенсаторе тут же частично вскипает, добавляя пара. Регулятору остаётся довести давление до нормы.
Как компенсатор отвечает на колебания давления
| Давление падает | Давление растёт |
|---|---|
| теплоноситель остывает, вода уходит из компенсатора | теплоноситель расширяется, вода входит в компенсатор |
| насыщенная вода частично вскипает | пар сжимается, часть его конденсируется |
| регулятор усиливает нагрев и включает группы нагревателей | регулятор открывает впрыск из холодной нитки |
| пара больше — давление растёт | пар конденсируется на каплях — давление падает |
У впрыска есть своя тонкость. Пока клапан закрыт, часть линии впрыска прогревается паром из подушки, и при полном открытии клапана холодная вода даёт металлу трубы и патрубка тепловой удар. Чтобы смягчить его, через линию постоянно пропускают небольшой расход воды, но полностью тепловых напряжений это не снимает, и узел впрыска рассчитывают на циклическую прочность.
Уровень, ИПУ и барботёр
Второй параметр, за которым следят в компенсаторе, — уровень воды. Его измеряют уровнемерами, подключёнными к сосуду импульсными линиями, и держат в заданных пределах с помощью системы подпитки и продувки первого контура: подпиточные насосы добавляют воду в контур, продувка отводит лишнюю.
Слишком низкий уровень опасен для нагревателей: оказавшись в паре, они перегреются и выйдут из строя, поэтому при снижении уровня их отключают. Слишком высокий опасен для регулирования: если вода заполнит сосуд целиком, паровой подушки не останется, и давление станет откликаться на малейшее изменение температуры, как в контуре без компенсатора.
Если давление растёт так быстро, что впрыск не справляется, срабатывают импульсно-предохранительные устройства (ИПУ), подключённые к паровому пространству компенсатора. Каждое из них — главный предохранительный клапан большого сечения, которым управляет небольшой импульсный клапан; подробнее — в статье «Трубопроводная арматура для АЭС». ИПУ компенсатора защищают от превышения давления весь первый контур, включая корпус реактора.
Сброшенный пар радиоактивен, и в помещение его не выпускают, а ведут в барботёр — бак, частично заполненный водой. Пар выходит под уровень воды и конденсируется в ней, а уровень и температуру воды в баке автоматически держат в заданных пределах. Неконденсирующиеся газы собираются в верхней части бака, их разбавляют азотом и отводят в систему газоочистки. Сам барботёр от чрезмерного давления защищают разрывные мембраны.
В барботёр уходит и сдувка из компенсатора. В теплоносителе растворены газы, в том числе водород; они скапливаются в верхней части паровой подушки, ухудшают её упругие свойства и создают риск скопления водорода. Поэтому парогазовую смесь из верхней части сосуда постоянно понемногу отводят — в установившемся режиме около 250 кг/ч.
Материалы и изготовление
Корпус компенсатора — часть границы первого контура. Его делают из низколегированной теплоустойчивой стали, а изнутри покрывают антикоррозионной наплавкой из аустенитной нержавеющей стали. Основной металл держит давление, наплавка защищает его от воды с борной кислотой.
Цилиндрическую часть сваривают из кованых обечаек — бесшовных колец, днища получают штамповкой. Заготовки крупные: обечайку со стенкой толщиной около 150 мм куют из слитка массой в десятки тонн, прошивают и раскатывают в кольцо; как это делают, рассказано в статье «Как делают поковки». Каждую поковку проверяют ультразвуком, а свойства металла — на пробах, отрезанных от припуска.
Обечайки и днища соединяют кольцевыми швами, к корпусу приваривают патрубки и штуцеры, изнутри наплавляют антикоррозионный слой. Перлитную сталь сваривают с подогревом, а после сварки сосуд проходит отпуск в печи, который снимает остаточные напряжения. Самая насыщенная часть — нижняя: там рядом с дыхательным патрубком тесно стоят патрубки нагревателей, и каждый узел нужно сварить, проконтролировать и обработать.
Готовый сосуд испытывают давлением. Компенсатор для «Куданкулама» прошёл испытания на плотность при высокой температуре и давлении 24,7 МПа — в полтора с лишним раза выше рабочего.
Контроль и эксплуатация
Металл и швы проверяют неразрушающими методами на всех этапах: поковки — ультразвуком, сварные швы — ультразвуком и радиографией, наплавку — капиллярным контролем и ультразвуком на сплошность и сцепление с основным металлом. Результаты вместе с сертификатами на металл и записями о сварке и термообработке входят в паспорт сосуда.
В эксплуатации компенсатор нагружают не столько давлением, сколько перепадами температуры. Вода в нём — около 346 °C, в горячей нитке — около 320 °C, а впрыск подаёт воду с температурой около 290 °C. Через дыхательный трубопровод и линию впрыска идут потоки разной температуры, и металл патрубков и швов испытывает циклические тепловые напряжения.
Вода разной температуры у патрубков компенсатора
- ≈ 290 °Cвпрыск из холодной нитки
- ≈ 320 °Cгорячая нитка
- ≈ 346 °Cвода в компенсаторе
Вода впрыска на полсотни с лишним градусов холоднее пара в компенсаторе.
Коварна и температурная стратификация: при малом расходе горячая вода из компенсатора течёт по горизонтальным участкам дыхательного трубопровода поверх более холодной воды из контура, и верх трубы оказывается горячее низа. Такие нагрузки учитывают в расчёте на усталость, а места, где они сосредоточены, проверяют при эксплуатационном контроле.
Во время планово-предупредительного ремонта швы и патрубки контролируют ультразвуком, внутреннюю поверхность осматривают через люк, проверяют сопротивление изоляции нагревателей и при необходимости меняют отказавшие блоки. Сам сосуд рассчитан на весь срок службы энергоблока, а у блоков с ВВЭР-1200 он составляет 60 лет.
Что важно изготовителю деталей
Сам компенсатор делает завод тяжёлого машиностроения, но многие детали для него и для системы компенсации давления приходят от других предприятий: поковки, патрубки, детали опоры и разбрызгивающего устройства, блоки нагревателей, крепёж, арматура, трубопроводы. Требования к ним задают класс безопасности, чертёж, технические условия и план качества.
| Узел | Что делает | Что важно при изготовлении |
|---|---|---|
| Обечайки и днища | Держат давление первого контура | Поковки и штамповки без недопустимых несплошностей, ультразвуковой контроль, пробы металла, наплавка заданной толщины |
| Патрубки и штуцеры | Соединяют сосуд с трубопроводами и приборами | Размеры и разделка кромок под приварку по чертежу, контроль сварных швов, чистота каналов |
| Блоки нагревателей | Греют воду до кипения | Герметичность, сопротивление изоляции, точная посадка в патрубок |
| Разбрызгивающее устройство | Распыляет воду впрыска в паровом пространстве | Коррозионно-стойкая сталь, чистота проточной части, надёжное крепление — деталь работает при тепловых ударах |
| Опора | Держит сосуд на фундаменте, в том числе при землетрясении | Геометрия опорных поверхностей, качество сварки, документы на металл |
Главное требование ко всему, что окажется внутри сосуда, — чистота: стружка, окалина или абразив, оставленные в патрубке или в разбрызгивающем устройстве, уйдут в первый контур. Второе — прослеживаемость: по клейму на детали находят плавку, сертификат на металл, протоколы контроля и испытаний.
Типичные ошибки — наплавка, сточенная при обработке тоньше допустимого, разделка кромок не по чертежу, зона патрубка, не проконтролированная после сварки, и детали без полного комплекта документов. Для сосуда, который десятилетиями держит давление первого контура, каждая такая мелочь означает исправление, повторный контроль и задержку монтажа.
Термины
- Компенсатор давленияСосуд с водой и паровой подушкой, который создаёт и поддерживает давление в первом контуре и ограничивает его колебания.
- Паровая подушкаПар в верхней части компенсатора; сжимаясь и расширяясь, он принимает изменения объёма теплоносителя.
- Температура насыщенияТемпература, при которой вода кипит при данном давлении; при 15,7 МПа — около 346 °C.
- Дыхательный трубопроводТрубопровод, соединяющий компенсатор давления с горячей ниткой петли; вода течёт по нему в обе стороны.
- ВпрыскПодача более холодной воды из холодной нитки в паровое пространство компенсатора, чтобы конденсировать пар и снизить давление.
- ТЭНТрубчатый электронагреватель: проволочная спираль в металлической оболочке, изолированная спрессованным порошком.
- БарботёрБак с водой, в котором конденсируется пар, сброшенный предохранительными устройствами компенсатора.
- СдувкаПостоянный отвод парогазовой смеси из верхней части компенсатора, чтобы в паровой подушке не копились газы.
Частые вопросы
Зачем нужен компенсатор давления на АЭС с ВВЭР?
Он создаёт и поддерживает в первом контуре давление около 16 МПа, при котором вода не кипит, и сглаживает скачки давления, когда теплоноситель нагревается и расширяется или остывает и сжимается. Для этого в его верхней части держат паровую подушку, которая легко сжимается.
Как компенсатор давления поднимает и снижает давление?
Поднимает электронагревателями: вода в нём сильнее кипит, и пара становится больше. Снижает впрыском более холодной воды из холодной нитки в паровое пространство: часть пара конденсируется на каплях.
Что такое барботёр?
Бак, частично заполненный водой, куда сбрасывают пар из импульсно-предохранительных устройств компенсатора и газы из его паровой подушки. Пар конденсируется под уровнем воды, а газы разбавляют азотом и отводят в систему газоочистки.
Какого размера компенсатор давления ВВЭР-1000?
Например, компенсатор для пятого блока АЭС «Куданкулам» — сосуд высотой около 14 м и диаметром 3,3 м со стенкой толщиной 152 мм. Его объём — 79 м³, масса — 187,5 т.
Почему важен уровень воды в компенсаторе давления?
При слишком низком уровне нагреватели окажутся в паре и перегреются, поэтому их отключают. При слишком высоком исчезает паровая подушка, и давление перестаёт сглаживаться.
