Сепарационные устройства ядерных энергетических установок

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

В.Г. Крапивцев

СЕПАРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА
ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК

Рекомендовано методической комиссией
Научно-учебного комплекса «Энергомашиностроение»
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
по курсу «Расчет и проектирование реакторных
установок»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2009

УДК 621.177(075.8)
ББК 31.4
К78

К78

Р е ц е н з е н т ы:
М.С. Беляков, М.Д. Диев

Крапивцев В. Г.
Сепарационные устройства ядерных энергетических установок : 
учеб. пособие по курсу «Расчет и проектирование реакторных 
установок» / В.Г. Крапивцев. – М. : Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2009. – 76 с.

Рассмотрены конструкции сепарационных устройств ядерных
энергетических установок с реакторами различного типа, а также
принципы работы этих устройств для получения необходимого качества 
пара. Изложены основные способы сепарации пара. Приведены
методики расчета сепарации и сепарационных устройств.
Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности
«Ядерные реакторы и энергетические установки».
УДК 621.177(075.8)
ББК 31.4

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009

ВВЕДЕНИЕ

Создание и эксплуатация атомных электростанций (АЭС) в
России и за рубежом имеют полувековой период развития. В настоящее 
время около 16 % мирового производства электроэнергии 
обеспечивается АЭС с реакторами различного типа. Основной
путь получения электроэнергии на АЭС — использование электрических 
генераторов машинного типа с механическим приводом от
турбины, работающей на насыщенном или перегретом паре. Пар
генерируется непосредственно в реакторе или в парогенераторе.
Производство насыщенного пара необходимого качества осуществляется 
многими процессами, реализуемыми на АЭС. Основным 
является процесс сепарации и осушения пара, происходящий
в сепарационных устройствах ядерных энергетических установок
(ЯЭУ). От нормальной работы сепарационного устройства зависит
надежность, безопасность и экономичность АЭС.
Многообразие процессов сепарации и осушения пара, вызванное 
использованием реакторов и реакторных установок различного
типа и назначения, требует от специалистов отрасли знания конструкций 
и принципов проектирования сепарационных устройств,
закономерностей протекающих в них процессов, умения проведе-
ния расчетов и обоснования принятых решений.
Настоящее пособие предназначено в первую очередь для сту-
дентов старших курсов и призвано помочь им в освоении разде-
лов курса «Расчет и проектирование реакторных установок», при
выполнении домашних заданий и курсового проектирования по
данному курсу, а также при дипломном проектировании.

1. ОСНОВЫ СЕПАРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА АЭС

1.1. Принципиальные схемы производства и обеспечения
качества пара

Выбор технологической схемы выработки пара на АЭС зави-
сит от типа реактора, его мощности, требований экономичности и
безопасности при эксплуатации.
В зависимости от типа реактора получение пара осуществляет-
ся двумя принципиально различными способами: непосредственно
в реакторе — кипящие корпусные в отечественной практике (ВК-
50) и канальные ядерные реакторы (РБМК-1000, РБМК-1500, ЭГП)
и в парогенераторах, теплота в которые подается из ядерного реак-
тора греющим теплоносителем — некипящие реакторы (ВВЭР-440,
ВВЭР-1000).
В первом случае используется одноконтурная тепловая схе-
ма АЭС, состоящая из кипящего реактора и оборудования конту-
ра, включая турбогенератор — (рис. 1.1, а). Во втором случае схе-
ма АЭС выполняется двухконтурной (рис. 1.1, б). Первый контур
включает в себя некипящий ядерный реактор и теплотехническое
оборудование, где за счет теплоты теплоносителя первого контура
происходит генерация пара во втором контуре. По второму контуру
парогенератор соединен с турбогенератором. Двухконтурная схема
АЭС приведена на рис. 1.1, б.
Существуют также трехконтурные схемы АЭС, например, с на-
триевым теплоносителем, в которых для исключения возможности
контакта натрия первого контура с водой предусмотрен промежу-
точный контур с некипящим натриевым теплоносителем. Рабочий
пар генерируется на поверхностях теплообмена парогенератора
третьего контура (рис. 1.1, в).

4

Рис. 1.1. Классификация АЭС по числу контуров:
а – одноконтурная; б – двухконтурная; в – трехконтурная; 1 – реактор; 2 – паро-
вая турбина; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатор; 5 – питательный насос; 6 –
циркуляционный насос; 7 – компенсатор объема; 8 – парогенератор; 9 – проме-
жуточный теплообменник

Во всех рассмотренных выше схемах процесс кипения тепло-
носителя происходит в парогенерирующих каналах активной зоны
реактора или на испарительных участках поверхности теплообме-
на парогенератора, откуда среда в виде пароводяной смеси посту-
пает в сепарационные устройства. В сепарационных устройствах
пар и вода разделяются. Пар проходит ступень осушки и направля-
ется на расширение в турбину. В прямоточных парогенераторах с
перегревом пара сепарационные устройства отсутствуют.
Каждая из представленных на рис. 1.1 схем АЭС с водным те-
плоносителем имеет свои преимущества и недостатки, поэтому
развиваются все типы энергоустановок. Наиболее распространены
в мире одноконтурные и двухконтурные АЭС. За рубежом пред-
почтение отдается двухконтурным установками, в России в насто-
ящее время установленная мощность АЭС делится между двух-
контурными и одноконтурными установками примерно поровну.
Стратегия развития АЭС в России на период до 2020 г. строится
на базе корпусных некипящих реакторов типа ВВЭР, т. е. с исполь-
зованием двухконтурных схем.

5

Большинство АЭС с водяным теплоносителем имеют турбины
насыщенного пара. При этом все ступени турбины работают на
влажном паре. Наличие влаги в паре перед проточной частью и
в проточной части турбины приводит к снижению КПД турбины,
увеличению эрозионного износа поверхности сопловых и рабо-
чих лопаток и к возможности выноса радиоактивных веществ из
реактора. Осаждение из пара солей и других примесей на поверх-
ность пароперегревателя и лопатки турбин также приводит к на-
рушению нормальной работы установки. Отложения увеличивают
термическое сопротивление теплообменных поверхностей паропе-
регревателя, количество передаваемой теплоты в нем уменьшается.
Осаждение солей в трубопроводах и других элементах приводит к
повышению гидравлического сопротивления, ускорению коррозии
поверхностей пароперегревателей, паропроводов, проточной части
турбин и конденсаторов.
Для уменьшения влажности пара в проточной части турбины
используются сепарационные устройства, которые могут быть ча-
стью конструкции самой турбины или могут быть установлены в
виде отдельного устройства между цилиндрами высокого и низко-
го давления.
В зависимости от типа ЯЭУ (одно- или двухконтурная) и кон-
струкции реактора (корпусной или канальный, кипящий или не-
кипящий) различны требования, предъявляемые к конструкции и
работе сепарационных устройств. Одно из основных требований —
обеспечение необходимого качества пара.
Качество пара определяется влажностью, содержанием солей
и нерастворимых примесей, наличием летучих (газообразных) ве-
ществ. Получить пар полностью свободный от примесей невоз-
можно. Снижение количества уносимых паром из испарителя ве-
ществ до уровня, при котором обеспечиваются надежная работа
пароперегревателя, а также надежная и экономичная работа турби-
ны, в настоящее время особых трудностей не вызывает. Для этого
на АЭС используются процессы и системы водоподготовки тепло-
носителя и рабочего тела, продувки питательной воды, сепарации
и промывки пара. Однако чем выше требование к чистоте пара,
тем выше капитальные и эксплуатационные затраты на системы
подготовки добавочной воды и очистки пара.

6

Нерастворимые продукты (например, продукты коррозии) мо-
гут попасть в пар только с капельной влагой, и вопрос об их уносе
связан с ограничением общей капельной влаги в паре. Попадание
солей в пар происходит двумя путями: с выносом капельной влагой 
растворимых в ней солей и непосредственным растворением
солей в паре.
Летучие вещества, присутствующие в теплоносителе или рабочем 
теле, практически полностью переходят в пар (за исключением
некоторого количества, участвующего в коррозионных процессах
на поверхностях перегрева). Вместе с паром они проходят проточную 
часть турбины и поступают в конденсатор, из которого в
основном удаляются.
Однако следует иметь в виду, что наличие летучих веществ в
паре должно быть по возможности ограничено, так как они могут
способствовать интенсификации коррозионных процессов в проточной 
части турбины.
Современные АЭС используют, как правило, паротурбинный
цикл с насыщенным или перегретым паром относительно низкого 
давления (не более 7 МПа). При таких параметрах загрязнение
насыщенного пара происходит только за счет уноса паром капель
влаги с растворенными в них солями и нерастворимыми продуктами, 
растворимость солей в паре в этом случае почти нулевая.
Перегретый пар при низких и средних давлениях практически
свободен от примесей воды. Все содержащиеся в воде и пароводяной 
смеси вещества осаждаются на поверхность теплообмена в
зоне завершения кипения (зона додеарирования). Незначительное
количество их, а также продуктов коррозии может быть механически 
унесено с паром лишь при больших скоростях его течения.
При переходе к высоким давлениям питательной воды (свыше 
7 МПа) содержание в паре некоторых веществ (оксидов железа
и кремниевой кислоты) существенно повышается и более заметная 
доля их начинает выноситься с паром с поверхностей нагрева.
Увеличение выноса веществ с паром объясняется тем, что как перегретый, 
так и насыщенный пар при высоких давлениях является
достаточно хорошим растворителем. При этих условиях на поверхностях 
нагрева прямоточных парогенераторов остается только
такое количество той или иной примеси питательной воды, которое
не растворилось в паре. Количественные соотношения, характери-

7

зующие растворимость примесей в паре, определяются его параметрами 
и физико-химическими свойствами веществ. Растворимость
веществ в паре приобретает практическое значение при внедрении
в атомную энергетику пара при высоких и особенно сверхвысоких
давлениях.
Таким образом, одной из основных задач по обеспечению качества 
насыщенного пара при низких и средних давлениях является
ограничение выноса веществ, находящихся в испаряемой воде. В
общем случае солесодержание насыщенного пара

Sп = (y + Kp)Sпр.
(1..1)

Здесь Sп, Sпр — солесодержание в паре и в воде парогенератора соответственно, 
мг/кг; у — влажность пара, доля влаги в паре; Кр —
коэффициент распределения, характеризующий растворимость веществ 
в паре [1]:

Кр = Sп
Sпр
=
ρж
ρп

n
,
(1..2)

где n — показатель степени, зависящий от состава вещества.
При давлении пара 2,5. . . 7,0 МПа, характерном для современных 
ЯЭУ, растворимость солей в паре, как уже отмечалось выше,
настолько незначительна, что ею можно пренебречь. Тогда общее
солесодержание в паре зависит лишь от влажности пара:

Sп = ySпр.
(1..3)

Следовательно, для получения пара высокого качества необходимо 
ограничить вынос капель влаги паром и понизить солесодержание 
примесей в уносимой влаге. Для этого используют две
группы мероприятий: сепарацию пара (осушение пара) и промывку 
пара питательной водой (снижение концентрации примесей). По
условиям надежности проточной части турбины, обеспечения вы-
сокой ее экономичности, предотвращения интенсивной коррозии и
эрозии можно рекомендовать следующие значения влажности пара
без промывки на выходе из сепарационных устройств [2]:
• у ⩽ 0,1 % — для одноконтурных ЯЭУ на насыщенном паре;
• у ⩽ 0,2 . . . 0,25 % — для двухконтурных ЯЭУ на насыщенном
паре.
При наличии промывки пара перед выходом из сепарационного
устройства влажность его может быть увеличена по сравнению с

8

приведенной выше в 3—5 раз. Промывка пара применяется всегда,
когда давление пара выше 7 МПа.
Для перегретого пара заданное качество может быть обеспе-
чено только соответствующей чистотой воды. При низких и сред-
них давлениях перегретый пар практически свободен от нелетучих
примесей, за исключением оксидов железа. Для пара с высокими
давлениями уменьшение растворимости солей в нем достигается
качеством питательной воды. Водоподготовка должна обеспечить
содержание кремниевой кислоты не более 15 мг/кг (в пересчете на
двуокись кремния SiO2) и соединений натрия не более 5 мг/кг (в
пересчете на натрий).

1.2. Процессы обеспечения качества пара на АЭС

Сепарационные устройства и системы — обязательный элемент
любой ЯЭУ с паротурбинным циклом. Они используются само-
стоятельно или в сочетании с испарительными поверхностями, где
происходит генерация пара.
На практике применяется несколько способов сепарации па-
ра [3]:
• гравитационная сепарация, осаждение в свободном паровом
пространстве;
• механическая сепарация пара в горизонтальных и вертикаль-
ных жалюзийных устройствах. Этот способ используется наряду с
осадительной сепарацией в дополнение к ней (доосушители пара)
или самостоятельно;
• центробежная сепарация с применением циклонов, радиаль-
ных и осевых центробежных сепараторов глубокой осушки пара.
Сепарационные устройства размещаются в паровом объеме над
уровнем воды в испарителе.
Если эффективность сепарационных устройств оказывается не-
достаточной, что возможно при высоких давлениях пара, применя-
ют промывку пара питательной водой. Смысл промывки заключа-
ется в снижении концентрации примесей в транспортируемой с
паром влаге. По существу, унос воды парогенератора заменяется
уносом питательной воды, содержащей продувочную воду.
Промывочное устройство располагается в паровом объеме за
первичным сепарационным устройством.

9

2. СЕПАРАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА АЭС

Основным элементом сепарационного устройства является се-
парационный объем, который либо занимает часть объема корпуса
кипящего реактора или парогенератора, либо выделяется в само-
стоятельный элемент — сепарационный барабан, связанный с зоной
испарения подъемными и опускными трубами.
Часть сепарационного барабана занята водой, через которую
барбатирует пар (водяной объем), часть — влажным паром (паровой
объем). Поверхность воды, разделяющую эти две части, принято
называть зеркалом испарения (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема расположения объемов в сепараторах

Выбор сепарационных процессов и устройств в значительной
мере определяется скоростью выхода пара с зеркала испарения
(приведенная скорость пара) W ′′
0 :

W ′′
0 =
D
ρ′′Fз
= Rз
ρ′′ ,
(2..1)

10