- •Глава 10. Атомная энергетическая установка корабля
- •10.1. Особенности динамики ядерного реактора и парогенератора
- •10.2. Особенности динамики турбозубчатого агрегата и
- •10.З. Балансные параметры
- •10.4. Внутренние связи и структурная схема аэу
- •10.5. Динамика аэу при воздействии основных
- •Динамические характеристики аэу
10.З. Балансные параметры
Прежде чем говорить о балансных параметрах, дадим определение главному процессу, происходящему в корабельной АЭУ.
Главным называется процесс преобразования и передачи энергии основного источника (ядерного реактора) к главному потребителю (гребному винту).
Под балансным параметром будем понимать параметр, характеризующий равенство (баланс) материальных, тепловых или информационных потоков. Изменение балансного параметра будет свидетельствовать о переходном процессе в элементе АЭУ или в установке в целом.
Анализ балансных параметров атомной энергетической установки начнем с первого контура, баланс потоков энергии в котором характеризуется равенством
(10.41)
где
–
потоки тепловой или эквивалентной
энергии (
–
реактора,
1 –
первого контура, знак «ноль» соответствует
установившемуся или начальному
режиму);
– коэффициент полезного действия;
– коэффициенты,
учитывающие потери в окружающую среду:
–
реактора,
1
и
2 –
первого и второго контура, ПГ
–
парогенератора, Т
–
турбозубчатого агрегата, Г
–
автономного турбогенератора, т.а. –
группы теплообменных аппаратов, К
–
главного конденсатора, с
–
гребного винта, Э
–
электрогенератора,
3 –
системы забортной воды, т.ап.
–
на потребители теплообменных
аппаратов.
Если по каким-либо причинам равенство (10.41) нарушено, то
(10.42)
где
– тепло, аккумулированное теплоносителем
первого контура.
Определим аккумулированное тепло в первом контуре с помощью следующего выражения:
(10.43)
где
– вес теплоносителя в первом контуре
(величина
постоянная);
– удельная теплоемкость теплоносителя;
–
теплосодержание;
–
температура теплоносителя на выходе
из ядерного реактора.
Подставим
формулу
(10.43)
в
(10.42)
и проинтегрируем полученное выражение,
определив значение постоянной
интегрирования из условия:
при
:
(10.44)
Из формулы (10.44) следует:
Если в контуре подводимый отводимый
потоки энергии равны, то температура
теплоносителя постоянна:
.Если мощность ядерного реактора (имеется в виду тепловая мощность) превышает ту, которая отводится от первого контура , то температура теплоносителя повышается, и тем интенсивнее, чем больше разность между мощностями и меньше вес теплоносителя и его теплоемкостью.
Если отводимая от первого контура мощность превосходит мощность ядерного реактора, то температура теплоносителя понижается со скоростью прямо пропорциональной разности мощностей и обратно пропорциональной весу теплоносителя в контуре и удельной теплоемкости теплоносителя.
Постоянная
температура
свидетельствует
о балансе, её изменение
–
о небалансе, о неустановившемся состоянии
процесса, о необходимости восстановить
баланс. Таким образом, на основании
проделанного анализа, есть все основания
назвать температуру теплоносителя
балансным параметром по первому контуру.
Выражение
(10.44)
получено при условии, что вес теплоносителя
в первом контуре постоянен. При
изменении температуры теплоносителя
меняется его плотность и объем. При этом
заполняются или опустошаются
компенсаторы объема, повышается или
понижается уровень
и давление
теплоносителя. Поэтому уровень и давление
в компенсаторах объема могут быть
названы косвенными балансными параметрами
первого контура по тепловому процессу.
Решая вопрос о том, какой из трех
перечисленных параметров
(
,
,
)
использовать
в качестве регулируемого параметра,
необходимо иметь в виду следующее.
Абсолютные значения давления и уровня,
а также их изменения определяются целым
рядом факторов, а не только балансом
потоков энергии. Некоторые из этих
факторов, которые влияют на уровень и
давление, совершенно не связаны с
обеспечением баланса. Например,
явления аварийной неплотности контура,
компенсаторов объема, ресиверных
баллонов будут вызывать изменение
и
,
ложно свидетельствуя о небалансе энергий
в контуре. Рассмотренный ранее параметр
–
температура теплоносителя
,
не имеет подобной ложной информации.
Сопоставим потоки энергии на входе и выходе второго контура и запишем уравнение неустановившегося состояния контура:
(10.45)
где
–
тепло, аккумулированное средой второго
контура.
Так же, как и в формуле (10.43), аккумулированное тепло определится выражением
(10.46)
где
и
–
вес рабочей среды в контуре и её
теплосодержание.
В
отличие от первого контура, во втором
контуре агрегатное состояние рабочей
среды меняется дважды: в парогенераторе
и главном конденсаторе. При этом вес
рабочей среды контура
меняется от режима к режиму, но зато
постоянен объем, занимаемый рабочей
средой. Обозначим этот объем через
.
В первом приближении можно считать,
что весь объем распределен между частями,
занимаемыми паром
и питательной водой
.
Если при работе АЭУ перераспределения
объемов не происходит, т.е. объемы,
занимаемые паром и водой постоянные,
то выражениям (10.45) и (10.46) удастся придать
вполне конкретный смысл и найти, что
единственным балансным параметром
второго контура является давление пара.
Действительно, в принятых приближениях
тепло, аккумулированное во втором
контуре, равно
(10.47)
где
(10.48)
(10.49)
Учитывая формулы (10.47) – (10.49), запишем уравнение (10.45) в виде
(10.50)
Рассмотрим
произведение удельных весов и
теплосодержаний в правой части уравнения
(10.50).
Заметим, что
и
можно
считать постоянными, т.к. в численном
определении они представляют собой
некоторые осредненные по объему,
занимаемому водой, величины, на которые
в наибольшей степени влияет удельный
вес и теплосодержание питательной воды
и конденсата. Соответствующие параметры
по пару выразим как
т.к.
,
а
Здесь
и
–
соответственно реальная газовая
постоянная, температура пара и давление
пара.
,
где
– теплоемкость пара, а произведение
(10.51)
Подставим
формулу (10.51) в уравнение
(10.50)
и проинтегрируем полученное выражение,
выразив постоянную интегрирования из
условия: при
.
В результате получим
.
(10.52)
Из уравнения (10.52) следует, что балансным параметром по второму контуру действительно является давление пара. Однако этот вывод получен при условии, что границы раздела сред (пар –вода) неизменны при работе контура: именно поэтому объемы, занимаемые паром и водой, постоянны.
Таким
образом, искусственно закрепив две
переменные (границы раздела сред в
парогенераторе и главном конденсаторе),
мы разрешили уравнение (10.52)
относительно третьей переменной.
Переходя от частного к общему случаю,
можно утверждать, что основными
переменными или балансными параметрами
второго контура, кроме давления пара,
являются и координаты границ раздела
сред. Координата границы воды и пара в
главном конденсаторе определяется
уровнем конденсата
.
Уровень конденсата характеризует баланс
пара и воды в конденсаторе. Если
–
весовой расход пара, поступающего в
главный конденсатор, а
– расход конденсата, то
(10.53)
Здесь
и
–
площадь сборника конденсата, удельный
вес и установившийся (при
)
уровень конденсата. Координату границы
раздела сред в парогенераторе
определим по уровню
.
Обозначим расходы насыщенного пара и
питательной воды как
и
,
а начальное значение уровня (при
)
как
,
тогда
(10.54)
где
–
эквивалентное сечение той части
парогенератора, для которой введено
понятие уровня
.
В
прямоточных парогенераторах
–
это высота объединенной
экономайзерно-испарительной зоны
,
а
и
–
эквивалентное сечение этой зоны и
удельный вес среды в ней. Отметим различие
трех названных балансных параметров
по второму контуру. Первый
(
)
является тепловым балансным параметром,
остальные два
(
и
)
получены из уравнений материального
баланса.
Поэтому далее они используются по
разному:
–
в системе автоматического регулирования
тепловыми процессами, а
и
–
в системах регулирования баланса
материальных сред.
Отвод
тепловой энергии второго контура
распределяется следующим образом: к
турбине
–
,
автономному турбогенератору
–
и теплообменным аппаратам
–
.
Эти
отводы
являются потоками энергии на входе в
соответствующие агрегаты. Потоками
энергии на выходе будут мощности,
потребляемые гребным винтом
–
,
электрическими и тепловыми потребителями
–
и
и мощность, уносимая забортной водой
–
.
Мощности
,
и
не относятся к главному процессу. Для
определения балансного параметра
комплекса ГТЗА
– винт
воспользуемся уравнением нестационарного
состояния комплекса
(10.55)
где
и
–
моменты движущий и сопротивления; I
–
момент инерции вращающихся масс;
–
частота вращения гребного винта.
Из уравнения (10.55) непосредственно следует, что балансным параметром комплекса ГТЗА – винт является частота вращения винта
(10.56)
где
–
частота вращения винта при
.
В
результате анализа основных балансных
соотношений по главному процессу
выявлено пять балансных параметров:
и
.
Два из них являются материальными,
поэтому балансных параметров по тепловому
процессу три:
и
.
