20

CAPITOLUL 3

CICLURILE TERMICE ALE

INSTALAŢIILOR DE TURBINE CU ABUR Ciclurile termice ale instalaţiilor de turbine cu abur clasice (convenţionale) sau nucleare realizează transformarea energiei primare a combustibililor în lucru mecanic.

3.1. Ciclul termic ale instalaţiilor de turbine cu abur clasice Cea mai simplă instalaţie energetică clasică în care fluidul de lucru este aburul cuprinde(fig. 3.1) GA - generatorul de abur (cazan de abur); T - turbina cu abur; C - condensatorul; PA - pompa de alimentare; G - generatorul electric.

Ciclul Rankine

Ciclul termic teoretic al ITA este ciclul Rankine cu supraîncălzire (Rankine-Hirn), format din două adiabate reversibile (izentrope) şi două izobare. În acest ciclu fluidul de lucru suferă succesiv următoarele transformări: 1 - 2 comprimare izentropică a apei în pompa de alimentare; 2 - 5 transformare izobară a apei în vapori în generatorul d abur, incluzând procesele de încălzire 2 - 3, vaporizare 3 - 4 şi supraîncălzire 4 - 5; 5 - 6 destindere izentropică a vaporilor în turbină; 6 - 1 condensarea vaporilor în condensator.

h

Fig. 3.2. Ciclul termic teoretic al ITA (Rankine) în diagramele T-s şi h-s

Randamentul termic teoretic al ciclului Rankine

( )

25

1265

11

21hh

hhhh

q

ll

q

qct

t−

−−−=

−=−=η

Randamentul ciclului Carnot echivalent este:

ms

mi

cT

T−= 1η

unde: 1q = aria a125ba, căldura introdusă în ciclu prin arderea combustibilului;

Fig. 3.1. Schema termică a instalaţiei

energetice de turbină cu abur.

21

2q = aria a16ba, căldura evacuată din ciclu cu ajutorul apei de răcire;

12 hhlc −= lucrul mecanic consumat pentru comprimarea apei;

65 hhlt −= lucrul mecanic produs prin destinderea vaporilor în turbină;

s

qT

s

qT mims

∆=

∆=

21 , temperaturile termodinamice medii, superioară şi inferioară.

3.2. Metode de creştere a randamentului ciclului Rankine Metodele de creştere a randamentului termic al ciclului au ca efect creşterea temperaturii termodinamice medii superioare (Tms) sau scăderea temperaturii termodinamice medii inferioare (Tmi). Aceste metode pot fi grupate în două mari categorii care privesc: a) Modificarea parametrilor iniţiali şi finali ai aburului: - creşterea parametrilor aburului viu p0 , t0 - scăderea presiunii la evacuare (condensator) pc . b) Creşterea complexităţii ciclului, utilizând: - supraîncălzirea intermediară - preîncălzirea regenerativă - ciclul suprapus - ciclul mixt abur-gaze sau alte cicluri binare. 3.2.1. Influenţa temperaturii iniţiale t0 Creşterea temperaturii iniţiale a aburului are efecte pozitive, ducând la creşterea randamentului termic, a căderii de entalpie şi la reducerea umidităţii finale, (fig.2.3). Valoarea maximă a temperaturii aburului la ieşirea din cazan este limitată din considerente de material: - t0 ≤ 540°C pentru a evita oţelurile feritice înalt aliate; - t0 ≤ 570°C pentru a evita oţelurile austenitice. Acceptând o scădere a temperaturii de circa 5°C în conductele de legătură dintre generatorul de abur şi turbină, la intrarea în turbină aburul va avea temperaturile maxime 535°°°°C

sau 565 0C.

3.2.2. Influenţa presiunii iniţiale p0 Presiunea aburului viu are influenţe contradictorii

- creşterea randamentului termic al ciclului prin creşterea temperaturii termodinamice medii superioare Tms ;

- creşterea pierderilor de presiune în maşinile şi utilajele care compun ciclul. Ca urmare randamentul efectiv absolut al instalaţiei prezintă un maxim, corespunzător unei

presiuni optime. Din considerente economice presiunea optimă are o valoare mai mică decât presiunea optimă din punct de vedere termodinamic. Căderea de entalpie prezintă un maxim la presiuni mai mici decât cele pentru randament maxim. Umiditatea finală creşte continuu la creşterea presiunii iniţiale, influenţând negativ randamentul ultimelor trepte ale turbinei şi amplificând eroziunea paletelor. Pentru a evita fenomenul de eroziune, titlul real minim acceptat al aburului la ieşirea din turbină este xcmin = 0,86. În condiţiile utilizării temperaturilor maxime admise t0 = 535°C sau 565°C, titlul minim se atinge în ciclul real la presiuni cuprinse între (110 ÷ 140) bar. Creşterea peste aceste

22

valori a presiunii, fără a depăşi titlul limită la evacuare (xc), se poate face utilizând supraîncălzirea intermediară a aburului.

3.2.3. Influenţa presiunii finale pc Evacuarea căldurii din ciclul termic se face în condensator. Pentru a obţine randamente termice şi căderi de entalpie ridicate este necesar să coborâm cât mai mult temperatura termodinamică medie inferioară Tmi, egală în acest caz cu temperatura de condensare, apropiind-o de temperatura mediului ambiant. Cum procesul de condensare este un proces izoterm-izobar, presiunea de saturaţie corespunzătoare acestor temperaturi este mai mică decât presiunea atmosferică, pc < patm. Stabilirea presiunii de condensare se face indirect, prin intermediul temperaturii de condensare, fiind parametrii la saturaţie, ( )cc tfp = . Cunoscând

temperatura agentului de răcire la intrare (tri) şi apreciind diferenţele de temperatură ∆t şi δt , temperatura de condensare va fi:

tttt ric δ+∆+= [°C]

În cazul utilizării apei ca agent de răcire, temperatura sa medie anuală depinde de sistemul de răcire şi poziţia geografică: tri = (18 ÷ 21) °C răcire în sistem deschis (râuri); tri = (19 ÷ 21) °C răcire în sistem închis, turnuri cu tiraj forţat; tri = (22 ÷ 24) °C răcire în sistem închis, turnuri cu tiraj natural. Încălzirea apei de răcire se poate aprecia prin diferenţa de temperatură ∆t: ∆t = (8 ÷ 10) °C pentru turbine cu condensaţie ∆t = (12 ÷ 14) °C pentru turbine cu condensaţie şi prize reglabile. δ t = (3 ÷ 5) °C, Scăderea presiunii la condensator este limitată de doi factori:

- temperatura apei sau aerului de răcire, valoare dată de natură (limită naturală) - creşterea umidităţii aburului la evacuarea din turbină (scăderea titlului) – (limită tehnică)

Valorile obişnuite ale presiunii de condensare variază în domeniul pc = (0,035 ÷ 0,08) bar. Conform legii lui Dalton această presiune este suma dintre presiunile parţiale ale vaporilor şi aerului pătruns prin neetanşeităţi. Pentru a menţine depresiunea în condensator aerul care pătrunde prin neetanşeităţi este permanent extras, în mod obişnuit cu ejectoare. Scăderea presiunii de condensare duce la creşterea volumului specific al aburului şi a debitului volumic al acestuia. Ca urmare secţiunile de curgere din partea finală a turbinei sunt cele mai mari, paletele ultimei trepte fiind cele mai lungi. Eforturile mecanice din aceste palete limitează lungimea acestora şi ca urmare, prin limitarea debitului de abur, este limitată puterea turbinei. 3.2.4. Supraîncălzirea intermediară Supraîncălzirea intermediară duce la creşterea randamentului termic al ciclului şi a puterii instalaţiei. În acelaşi timp, la creşterea presiuni aburului viu, creşte umiditatea aburului la ieşirea din turbină, iar pentru a evita acest lucru soluţia este utilizarea supraîncălzirii intermediare. Valoarea ridicată a parametrilor, complexitatea instalaţiei şi costul ridicat al acesteia justifică utilizarea supraîncălzirii intermediare numai la puteri mari, P > 100 MW.

t

tri

tc

tre

δδδδt

∆∆∆∆t

so s Fig. 3.3. Variaţia temperaturii în

condensator.

23

După ce s-a destins în corpul de înaltă presiune al turbinei, aburul este trimis în supraîncălzitorul intermediar al generatorului de abur unde i se ridică temperatura. La presiuni mai mici decât presiunea critică supraîncălzirea intermediară se face într-o singură treaptă, iar la presiuni supracritice în două trepte. Presiunile de supraîncălzire intermediară, stabilite din condiţia de randament termic maxim, sunt: ( ) 03,02,0

1ppsi ÷= pentru prima treaptă;

( )12

3,02,0 sisi pp ÷= pentru a doua treaptă.

Temperatura de supraîncălzire intermediară este egală cu a aburului viu 0ttsi = sau

foarte apropiată ( ) Cttsi °÷±= 30150 . La instalaţiile cu parametri foarte ridicaţi, cu mai multe

trepte de supraîncălzire, temperaturile de supraîncălzire se pot diferenţia, crescând pe măsură ce presiunea scade, spre exemplu 535/550/565°C. Randamentul termic teoretic al ciclului creşte prin adăugarea la ciclul de bază a unei zone cu o temperatură termodinamică medie superioară mai mare ( Tms2

) (fig. 2.7):

Pierderile de presiune în supraîncălzitorul intermediar şi în conductele de legătură sunt ∆pSi ≈ 0,1 pSi, reducând din efectul teoretic al procedeului. Căderea de entalpie teoretică în turbină creşte, ∑= corpuritt HH , depăşind 1400 kJ/kg,

fiind favorabilă puterilor mari (lucrul mecanic net creşte cu circa 15 %).

3.2.5. Preîncălzirea regenerativă a apei de alimentare Preîncălzirea regenerativă a apei de alimentare are ca scop creşterea randamentului termic

al ciclului. Temperatura condensatului ( ) C4030 o÷≈ct , corespunzătoare presiunii de

condensare pc, este ridicată la intrarea în economizorul generatorului de abur la valori de

( ) C275100 o÷≈aat . Practic preîncălzirea se realizează utilizând ca agent cald aburul extras pe

la prizele fixe ale turbinei. Căldura astfel recuperată este mai mare decât lucrul mecanic pierdut prin destinderea incompletă a aburului extras şi randamentul ciclului creşte. Eficienţa maximă a preîncălzirii se obţine în următoarele condiţii: – temperatura apei de alimentare la ieşirea din sistemul de preîncălzire, respectiv la intrarea în cazan, să fie:

( ) ( ) ccsaaa tttn

nt +−

+÷=

185,075,0 [0C]

sau mai simplu taa = (0,65 ÷ 0,75) tso , tso fiind temperatura de saturaţie la presiunea de vaporizare, practic p0;

xct

s

Tms1

T T0=Tsi

5

6

1

2

34

7

8

Tms2p 0 p si

a b c Fig. 3.4. Ciclul termic al instalaţiei cu supraîncălzire intermediară într-o treaptă.

24

– intervalul total de preîncălzire a condensatului (apei de alimentare), caa hhh −=∆ , se va

împărţi în trepte egale de creştere a entalpiei, unei trepte revenindu-i echivalentul a circa 30°C. Variaţii de ± 10 % ale temperaturii apei de alimentare sau intervalelor de preîncălzire nu afectează major randamentul. Acest lucru permite stabilirea valorilor presiunilor prizelor fixe astfel încât să nu afecteze procesul destinderii în turbină.

În figura 3.5. se prezintă schema termică a unei turbine cu abur cu condensaţie şi două prize reglabile, cu puterea P = 12 MW, cu 5 trepte de preîncălzire regenerativă, 3 trepte de joasă presiune (două PJP-uri şi degazorul) şi 2 trepte de înaltă presiune. În figura 3.6. se prezintă schema termică a unei turbine cu abur cu condensaţie cu puterea P = 330 MW, cu o treaptă de supraîncălzire intermediară, 7 trepte de preîncălzire regenerativă, 4 trepte de joasă presiune (trei PJP-uri şi degazorul) şi 3 trepte de înaltă presiune. Pentru ciclul cu preîncălzire regenerativă, expresia randamentului termic teoretic devine:

( )

( )pj

n

j

jc

pj

n

j

jct

t

hhahh

hhahh

−+−

−+−

=

∑

∑

=

′

=

01

0

01

0

η (2.5)

unde: h0 = entalpia aburului viu (la intrarea în turbină); hct = entalpia teoretică a aburului la evacuarea din turbină; hc' = entalpia apei la saturaţie, la presiunea de condensare, pc ; hpj = entalpia aburului extras la priza j;

aj = cota de debit extrasă la priza j, c

jj

m

ma

&

&

= ;

cm& = debitul de abur la condensator; jm& = debitul de abur extras la priza j ;

n = numărul treptelor de preîncălzire.

ejector

Fig. 3.5. Schema termică a ITA cu P = 12 MW,

25

Tabelul 3.1. Clasificarea parametrilor ciclului ITA

supracritici Parametrii coborâţi medii înalţi foarte înalţi normali avansaţi

p0 [MPa] < 3,5 6,5 ÷ 9,0 13 18 ÷ 21 24 ÷ 25 27÷ 35 t0 [°C] 435 485 ÷

535 535 ÷ 565

535 535 ÷ 566 593 ÷ 650

P [MW[ < 12 12 ÷ 50 50 ÷ 100 > 100 500 ÷ 750 700 ÷ 1000

nr. supraîncălzirilor intermediare

- - - 1÷- 2 1 ÷ 2 2

nr. treptelor de preîncălzire

1-3 3 ÷ 5 6 ÷ 8 7 ÷ 8 8 ÷ 9 9 ÷ 10

Tabelul 3.2. Parametrii nominali ai turbinelor cu abur

P

[MW]

n

[rpm]

p0

[bar]

t0

[°]

taa

[°]

tr

[°C]

pc

[bar]

< 4 ≥ 3000 35 435 145 ± 5 15 ÷ 30 0,035 ÷ 0,08

4 ÷ 12 3000 35 435 145 ± 5 15 ÷ 30 0,035 ÷ 0,08

12 3000 90 535 215 ± 5 15 ÷ 30 0,035 ÷ 0,08

50 3000 130 535 230 ± 8 15 ÷ 30 0,035 ÷ 0,08

50 ÷ 300 3000 186 535 248 ± 8 15 ÷ 30 0,035 ÷ 0,08

Fig. 3.6. Schema termică simplificată a instalaţiei de turbină cu abur F1C 330 MW

p0 = 182 bar; t0 = 535°C; pc = 0,035 bar; psi = 36 bar; taa = 232°C, debit de abur & /m t h= 1035 .

26

3.3. ITA cu condensaţie si cu contrapresiune

3.3.1. TA cu condensaţie

Caracteristica definitorie este că presiunea aburului la ieşirea din turbină este mai mică decât presiunea atmosferică. Presiunea la condensator este funcţie de temperatura apei de răcire, uzual

( ) bar07,003,0 ÷=cp .

Caracteristicile turbinelor şi instalaţiilor de turbine cu condensaţie:

- căderi mari de entalpie în turbină, ( ) kJ/kg16001000 ÷≈tH ;

ca urmare număr mare de trepte, iar la puteri mari (peste 50....100 MW) şi parametrii ridicaţi ai aburului viu construcţia turbinei în mai multe corpuri;

- capacitatea de a produce puteri mari şi foarte mari, MW1750max ≤P ;

- funcţionare în regim de bază (la baza curbei de sarcină a sistemului energetic); - circa 1/3 din destindere se desfăşoară în domeniul aburului umed, cu pericol de eroziune şi

cu pierderi de energie mai mari, deci randament mai mic al turbinei; - ultima treaptă are palete lungi şi foarte lungi, iar lungimea lor este limitată de rezistenţa

materialului; ca urmare puterea turbine este limitată de secţiunea de evacuare (prin limitarea debitului de abur care străbate turbina)

- circuit regenerativ dezvoltat; - circuit hidraulic dezvoltat - necesar răcirii condensatorului; - randamentul ITA coborât, datorită cantităţii mari de căldură evacuată la condensator ( 2Q ).

11

21

Q

L

Q

QQ=

−=η

Cu toate că randamentul ITA cu condensaţie este mai mic decât al altor instalaţii, capacitatea lor de a produce cantităţi mari de energie face ca aceste instalaţii să fie larg utilizate, într-o gamă constructivă şi de puteri foarte variate.

3.3.1. TA cu contrapresiune

Caracteristica definitorie este că presiunea aburului la ieşirea din turbină este mai mare decât presiunea atmosferică, uzual ( ) bar302,1 ÷=cp . Turbina produce simultan energie

mecanică şi căldură (prin aburul evacuat), deci lucrează în cogenerare de energie. Presiunea la evacuare depinde de utilizarea aburului evacuat:

- 1,2 bar – pentru termoficare urbană - (3 ÷ 30) bar – pentru utilizări industriale (termoficare industrială)

Caracteristicile turbinelor şi instalaţiilor de turbine cu contrapresiune: - randamentul ITA foarte bun, datorită utilizării căldurii din aburul evacuat (Qt = Q2)

1Q

QL t+=η

- căderi mai mici de entalpie în turbină; ca urmare: - număr mai mic de trepte, - gabarit şi greutate mai mici

- puteri mai mici, - randament mai bun al turbinei, datorită absenţei regiunii de joasă presiune caracterizată

prin pierderi mari; - circuit regenerativ restrâns; - lipsa circuitului hidraulic necesar răcirii condensatorului; Dezavantajul major al ITA cu contrapresiune este dependenţa funcţionării lor de

consumatorul de căldură. În lipsa consumatorului de căldură turbina trebuie oprită. Deasemenea sarcinile termice mici reduc randamentul instalaţiei.

27

3.3.3. TA cu condensaţie şi cu prize reglabile Prizele reglabile permit extragere unui debit variabil de abur din turbină, corespunzător cu cererea consumatorului de căldură, astfel încât presiune la priză să fie constantă. Aburul extras este utilizat pentru:

- încălzirea locuinţelor (termoficare urbană) – presiunea la priză 1,2 bar - procese industriale, ca fluid tehnologic, (termoficare industrială) – presiunea la priză (3 ÷ 30 ) bar

Prezenţa condensatorului permite funcţionarea turbinei cu prizele închise. În acest fel se elimină dezavantajul turbinelor cu contrapresiune, respectiv dependenţa funcţionării de consumatorul de căldură.

Obişnuit sunt 1 sau 2 prize reglabile, rar 3.

Caracteristicile turbinelor şi instalaţiilor de turbine cu condensaţie şi prize reglabile:

- au puteri relativ mici şi medii, P < 150 MW; - pot acoperi o gamă largă de puteri electrice şi termice (sunt flexibile în exploatare); - pot funcţiona independent de consumatorul de căldură; - sunt complicate constructiv, prin prezenţa sistemului de reglare a debitului la prize; - au gabarit, greutate şi costuri specifice (per MW) mai mari; - au randament cu (4-10)% mai mic decât turbinele fără prize reglabile, datorită pierderilor

suplimentare de energie în sistemului de reglare a debitului la prize; - prezintă circuit hidraulic de răcire (la condensator).

3.4. Clasificarea turbinelor cu abur după turaţie

TA cu turaţie constantă Turbinele care antrenează generatoare electrice trebuie să funcţioneze la o anumită turaţie (de sincronism) care să dea frecvenţa curentului electric. De asemenea turaţie trebuie să fie constantă pentru a menţine constantă frecvenţa curentului electric. Turaţiile de sincronism respectă relaţia 60f = pn , unde f = frecvenţa c.el., p = numărul perechilor de poli la generatorul electric, n = turaţia [rot/min]. Pentru sistemele energetice europene, cu frecvenţa c.el. (50 Hz) şi o pereche de poli la GE turaţia normală este 3000 rot/min. (America, Asia, Oceania f= 60 Hz, n = 3600 rot/min). Astfel după turaţie turbine pot fi:

- cu turaţie normală, 3000 rot/min (sau 3600) - cu turaţie coborâtă (dar de sincronism), ex. 1500 rot/min (TA de foarte mare putere) - cu turaţie ridicată, n > 3000 rot/min, dar cu P < 12MW ;i reductor de turaţie între TA şi

GE. Ta cu turaţie variabilă

Turbinele care antrenează alte maşini, precum pompe, compresoare, suflante pot funcţiona cu turaţie variabilă, reglarea sarcinii acestora prin variaţia turaţiei fiind cea mai economică modalitate de reglare.

3.5. Clasificarea turbinelor după numărul de corpuri

La puteri relativ mari, peste (50.... 100) MW, cu parametrii ridicaţi ai aburului viu, datorită numărului mare de trepte şi variaţiei puternice a presiunii şi temperaturii în lungul maşinii (variaţie a solicitărilor mecanice şi termice) construcţia turbinei într-un singur corp nu mai este posibilă. Ca urmare se împarte destinderea aburului în mai multe corpuri (turbine) cuplate între ele, denumite Corp de înaltă presiune (CIP), corp de medie presiune (CMP) şi corp de joasă presiune (CJP). În acest mod se pot utiliza raţional diferite soluţii constructive pentru piesele turbinei, precum şi materialele metalice.

28

3.6. Turbine cu abur pentru CNE

3.6.1. Filiere energetice nucleare

Ciclurile şi schemele termice corespunzătoare pentru CNE depind de tipul reactorului nuclear, respectiv de filiera de obţinere a energiei prin fisiune nucleară:

filiera = combustibil nuclear + moderator + agent de răcire.

Cele mai utilizate filiere de obţinere a energiei electrice în centrale nucleare sunt cele care utilizează ca agent de răcire apa obişnuită (LWR) sau apa grea (HWR), în variantele cu un apă în fierbere (cu un singur circuit - BWR) sau cu apă sub presiune (cu două circuite - PWR, PHWR)

Tabelul 1. Principalele filiere pentru CNE

CNE Semnificaţie Combustibil Agent răcire Moderator BWR Reactor cu apă în fierbere UO2 îmbogăţit apă uşoară apă uşoară

PWR Reactor cu apă sub presiune UO2 îmbogăţit apă uşoară apă uşoară

PHWR Reactor cu apă grea sub presiune UO2 natural apă grea apă grea

GCR Reactor răcit cu gaz U metalic CO2 grafit

AGR Reactor avansat răcit cu gaz UO2 îmbogăţit CO2 grafit

FBR Reactor rapid UO2+PuO2 Na -

HTGR Reactor răcit cu gaz la temp. înalte UO2 He grafit

LWGR Reactor răcit cu apă şi moderator grafit

UO2 apă uşoră grafit

SGHWR Reactor răcit cu apă în fierbere şi moderator apă grea

UO2 apă uşoară apă grea

Tabelul 2. CNE în e xploatare

Tip Reactor Tări importante Nr. GWe Combustibil Răcire Moderator

Pressurised Water Reactor

(PWR) (VVER)

SUA, Franţa, Japonia, Rusia, China

265 251.6 UO2 îmb apă apă

Boiling Water Reactor (BWR) SUA, Japonia, Suedia 94 86.4 UO2 îmb apă apă

Pressurised Heavy Water

Reactor 'CANDU' (PHWR) Canada 44 24.3 UO2 natural apă grea apă grea

Gas-cooled Reactor (AGR &

Magnox) Anglia 18 10.8

natural U (metal), UO2 îmb

CO2 grafit

Light Water Graphite Reactor

(RBMK) Rusia 12 12.3 UO2 îmb apă grafit

Fast Breader Neutron Reactor

(FBR) Japonia, Rusia 2 1.0 PuO2 şi UO2

sodiu lichid

none

Altele Rusia 4 0.05 UO2 îmb apă grafit

TOTAL 439 386.5 GWe = puterea brută, Sursa: Nuclear Engineering International Handbook 2010

29

a. b. c.

Fig. 1. Scheme termice ale CNE a – un circuit; b – două circuite; c – trei circuite

1 – Reactor nuclear; 2 – TA; 3 – GE; 4 – Condensator; 5 – Pompă de alimentare; 6 – Pompă de circulaţie; 7,8 – GA (schimbător de căldură)

a) Scheme cu un singur circuit (fig. 1.a) – Aferentă filierei BWR, HTGR Fluidul de lucru în turbină este agentul de răcire al reactorului. Datorită radioactivităţii sale soluţia necesită măsuri speciale de etanşare şi protecţie. Ca urmare: - etanşările terminale ale turbinei vor fi alimentate cu abur neradioactiv provenit de la un generator special; - degazarea se va face, de regulă, în condensator pentru a limita, prin absenţa degazorului, volumul de fluid radioactiv din circuitul regenerativ. - în circuitul regenerativ condensul secundar se recuperează în cascadă, evitând problemele de etanşare ale pompelor necesare soluţiei cu reintroducerea condensului în circuitul principal. Majoritatea acestor instalaţii utilizează reactoare răcite cu apă uşoară (naturală) care furnizează turbinei abur saturat cu: p0 = 55...70 bar, t0 = sat.

Există şi posibilitatea obţinerii de abur supraîncălzit, îndeosebi la reactoarele moderate cu grafit şi răcite cu apă uşoară, dar dificultăţi tehnice şi raţiuni de siguranţă fac ca aceste scheme să nu fie utilizate. În cazul reactoarelor răcite cu gaze, schema termică cu un singur circuit se justifică numai dacă temperatura gazelor la ieşirea din reactor este ridicată. Ca urmare se utilizează reactoare de tip HTGR, răcite cu heliu, temperatura de ieşire din reactor fiind de circa t0=750...800

0C , cu tendinţe de creştere spre 1000...1200 °C, iar presiunea p0 = 30...60 bar.

b) Scheme cu două circuite (fig. 1.b). Aferentă filierelor PWR şi PHWR Sunt schemele cele mai utilizate, aplicabile oricărui agent de răcire a reactorului, fluidul de lucru în turbină nefiind radioactiv. În majoritatea cazurilor schimbătorul de căldură este un generator de abur. Parametrii aburului la intrarea în turbină sunt p0 = 40...60 bar, t0 = sat, (tab. 3).

c) Scheme cu trei circuite (fig. 1.c). Aferentă filierei FBR Sunt caracteristice reactoarelor cu neutroni rapizi, răciţi cu sodiu. Circuitul primar, cu sodiu radioactiv, este la o presiune medie şi temperaturi de 550...600 °C, circuitul secundar este la o presiune mai mare şi temperaturi cu 20...35 °C mai mici, iar circuitul terţiar, cu abur, are parametrii apropiaţi de ai CTE cu o supraîncălzire intermediară.

Tabelul 3. Parametrii aburului viu pentru diferite filierele ale CNE

Tip CNE Abur-viu

p0 [bar] ; t0[°°°°C] Observaţii

GCR 30...60 ; ∼ 400 neperformant în comparaţie cu ciclul cu abur PWR ; PHWR 40....60 ; sat foarte utilizate BWR ; SGHWR 55....70 ; sat Utilizate

AGR 130...140 ; 535;565 ciclu apropiat de al CTE clasice fără supraîncălzire intermediară

HTGR ; FBR 140...200 ; 535;565 ciclu apropiat de al CTE clasice cu supraîncălzire intermediară

30

3.6.2. Ciclurile termice ale instalaţiilor de turbine nucleare La stabilirea parametrilor ciclului intervin considerente privind caracteristicile fizico-chimice ale reactorului, costul acestuia, combustibilul nuclear etc.

Ciclul termodinamic al CNE este ciclul Rankine. Temperatura iniţială a aburului este în majoritatea cazurilor la reactoarele răcite cu apă temperatura de saturaţie, iar la cele răcite cu gaze este limitată din considerente de material la 535 0C sau 565 0C. Presiunea iniţială a aburului variază în domeniul (4 ÷ 7,5) MPa, iar umiditatea sa iniţială este practic neglijabilă. Presiunea finală la condensator se stabileşte la fel ca la ciclurile clasice. Aburul viu fiind saturat destinderea aburului în turbină porneşte dintr-un punct aflat în imediata vecinătate a curbei de saturaţie şi se desfăşoară în domeniul aburului umed. Ca urmare în corpul de înaltă presiune al turbinei se atinge rapid umiditatea limită, la presiuni relativ ridicate de circa (0,4 ÷ 1,2) MPa. Pentru a putea destinde aburul în continuare, până la presiunea de condensare, sunt necesare măsuri de reducere a umidităţii. În acest scop la evacuarea din CIP se practică separarea mecanică exterioară a apei urmată de supraîncălzirea aburului. În plus metodele de separare mecanică internă, la nivelul treptelor de turbină, permit reduceri substanţiale ale umidităţii. Supraîncălzirea intermediară se poate face în una sau două trepte, în funcţie de creşterea dorită a entalpiei aburului, utilizând ca agent cald abur viu (fig. 2.11.c) sau abur viu şi abur extras pe la o priză fixă din corpul de înaltă presiune (fig. 2.11.d). Temperatura de supraîncălzire este

)4015( 000 ÷−= ttsi [0C].

Faţă de ciclul clasic, supraîncălzirea intermediară în ciclurile turbinelor cu abur umed nu duce la creşterea randamentului termic al ciclului. Acest lucru se explică prin faptul că utilizând ca agent cald aburul viu, temperatura termodinamică medie a zonei ciclului aferentă supraîncălzirii intermediare este mai mică decât a ciclului de bază (fig. 2). Prin deplasarea destinderii în zona aburului supraîncălzit cresc randamentul primelor trepte din CJP şi căderea de entalpie totală, astfel încât randamentul efectiv al turbinei creşte.

Fig. 2. Ciclul teoretic al TA pentru CNE.

Fig. 3. Scheme de separare-supraîncălzire intermediară:

a – separare mecanică exterioară; b – separare mecanică exterioară în două trepte; c – separare mecanică şi supraîncălzire într-o treaptă; d - separare mecanică şi supraîncălzire în două trepte; e – două trepte de

separare mecanică şi o treaptă de supraîncălzire, cu corp intermediar de medie presiune

31

Presiunea optimă de separare–supraîncălzire intermediară este psi = (0,18 ÷ 023) p0. Alegerea presiunii intermediare influenţează distribuţia treptelor între corpuri, gabaritul turbinei şi al separatorului-supraîncălzitor, şi în final costul acestora. 3.6.3. Caracteristicile turbinelor pentru CNE (cu abur umed)

- au puteri mari şi foarte mari; - folosesc abur saturat, deci abur viu cu parametrii mai coborâţi decât turbinele clasice;

Ca urmare - căderile de entalpie în turbină sunt mai mici - numărul de trepte al turbinei este mai mic - pentru a obţine puteri mari sunt necesar debite mari de abur - randamentul termic al ciclului este mai mic

- soluţia constructivă a turbinei este în mai multe corpuri, fiecare corp în dublu flux; - la puteri foarte mari turaţia este scăzută, 1500 rot/min;

Ca urmare gabaritul şi greutatea turbinei cresc; - prezenţa separatorului-supraîncălzitor în schema termică a turbinei, la ieşirea din corpul

de înaltă presiune al turbinei, fiind necesară separarea externă a umidităţii; - supraîncălzirea intermediară se face cu abur viu (nu este retrimis aburul la GA); - funcţionare în regim de bază

3.6.4. CNE Cernavodă Reactorul de la CNE Cernavoda este de tip CANDU 600-PHWR (CANadian Deuterium Uranium 600-Pressurized Heavy Water Reactor), Reactorul CANDU "arde" uraniul natural, utilizând apa grea de puritate nucleara (continut izotopic peste 99,75% D2O) ca moderator si agent de răcire, in doua sisteme independente, separate, in circuit închis. In cele 4 generatoare de abur, caldura din circuitul primar este preluata de apa usoara din circuitul secundar, prin transformarea in abur saturat. Acesta se destinde in turbina formata dintr-un corp de medie presiune si 3 corpuri de joasa presiune, producand energia mecanica necesara actionarii generatorului electric. La iesirea din turbina, prin extragerea caldurii reziduale cu ajutorul apei de racire preluate din Dunare, aburul este condensat. Circuitul este reluat prin repomparea condensului pentru alimentarea generatoarelor de abur. Puterea electrica a reactorului este de 705,6 MW. Sistemul CANDU se caracterizeaza prin performante deosebite in ceea ce priveste asigurarea securitatii nucleare. Astfel, sistemele tehnologice in care are loc reactia de fisiune si generarea produselor radioactive sunt amplasate in interiorul unei constructii etanse din beton precomprimat (anvelopa reactorului). Reactorul CANDU este prevazut cu doua sisteme de securitate independente, capabile sa opreasca reactorul in orice conditii, iar volumul mare de apa rece aflat in vasul "calandria" si in structura ce-l inconjoara contribuie la micsorarea efectelor celor mai severe accidente. Echipamentele montate in centrale indeplinesc conditii de calitate foarte severe. Avarierea unei componente nu pericliteaza functionarea sigura a centralei, deoarece toate componentele de control ale centralei sunt dublate. Aceasta inseamna ca daca o componenta functioneaza defectuos o alta ii va lua locul. Totodata numeroase alte componente sunt triplate. Caracteristici tehnice

• Puterea termica 2180 MW(t) • Puterea electrica bruta 706,5 MW(e) • Consum servicii interne <8% • Numar canale de combustibil 380 • Numar de bucle 2

32

• Numar de generatoare de abur 4 • Presiunea (D2O) in circuitul primar 9,9 Mpa • Temperatura la iesirea din circuitul primar 310 0C • Presiunea aburului saturat (H2O) 4,8 Mpa • Temperatura apei de alimentare 187,20 C

Fig. 4. Reactorul nuclear CANDU

Fig. 5. Centrala nuclearoelectrică

1 Bare de combustibil 8 Maşină de încărcare reactor

2 Calandria (corpul reactorului) 9 Apă grea moderator

3 Bare de reglare 10 Tuburi de combustibil

4 Rezervor apă grea presurizat 11 Abur viu

5 Generator de abur 12 Apă alimentare

6 Pompă apă de alimentare 13 Clădirea reactorului – mediu contaminat

7 Pompă circulaţie apă grea

33

În figura 6 se prezintă schema termică simplificată a turbinei cu abur umed N1C 700 de la CNE Cernavodă, cu reactor de tip PHWR. Turaţia maşinii este de 1500 rot/min. Turbina are un corp de înaltă presiune în dublu flux, cu 10 trepte pe flux, şi trei corpuri de joasă presiune în dublu flux, cu 8 trepte pe flux. La ieşirea din CIP se face separarea mecanică a umidităţii şi supraîncălzirea intermediară a aburului într-o singură treaptă, fiind prevăzute două aparate SSI; agentul cald este aburul viu. Circuitul regenerativ este format din cinci trepte de preîncălzire, patru de joasă presiune (incluzând şi degazorul) şi o treaptă de înaltă presiune.

Fig. 6. Schema termică a CNE Cernavodă 3.7. Producerea combinată de energie şi căldură – cogenerarea

Prin cogenerare ciclurile cu abur asigură producerea simultană de energie mecanică şi de căldură, în Centrale Electro -Termice (CET). Presiunea aburului extras - (0,7 ÷ 2,5) bar pentru termoficarea urbană - (3 ÷ 30) bar pentru necesităţi industriale.

În cazul termoficării consumul de căldură are un caracter sezonier, durata anuală a consumului fiind de (2900 ÷ 3300) h/an, iar în cazul consumului tehnologic şi mixt variază între (5500 ÷ 7700) h/an, aspect care influenţează principiile constructive şi parametrii instalaţiei.

34

Coeficientul de termoficare reprezintă raportul între căldura furnizată de aburul care s-a destins în turbină (qt) şi căldura totală furnizată de CET consumatorului termic (qCET):

CET

t

q

q=α

Acest coeficient determină modul în care se distribuie sarcina termică între turbinele de termoficare şi celelalte instalaţii.

Indicele de termoficare reprezintă raportul între energia electrică produsă (E) şi căldura furnizată de CET prin aburul livrat de turbină (Q):

Q

Ey = [kW/kW]

Creşterea indicelui de termoficare la o sarcină termică dată presupune producerea unei cantităţi mai mari de energie electrică. Acest lucru se poate realiza prin creşterea parametrilor aburului viu şi prin scăderea presiunii aburului extras din turbină.

a. b. c.

Fig. 3.9. Scheme termice de termoficare: a – producere de energie şi căldură (apă caldă) cu TA cu contrapresiune; b – producere de energie şi căldură (abur)

cu TA cu contrapresiune; c - producere de energie şi căldură (apă caldă) cu TA cu condensaţie.