PROCEDIMIENTO PARA MEJORAR EL RENDIMIENTO DEL CICLO TÉRMICO EN LAS CENTRALES NUCLEARES.

Procedimiento para mejorar el rendimiento del ciclo térmico en las centrales nucleares.

Procedimiento para incrementar la eficiencia de la generación eléctrica en centrales nucleares de agua a presión, que comprende etapas de sobrecalentamiento de vapor principal y recalentamiento del vapor recalentado mediante un circuito auxiliar, donde las corrientes para el sobrecalentamiento y el recalentamiento funcionan en paralelo.

Procedimiento para mejorar el rendimiento del ciclo térmico en las centrales nucleares.

Campo de la invención La presente invención se refiere a un procedimiento de aplicación en la industria energética, y más concretamente en las centrales nucleares destinadas a la generación de electricidad en las que el fluido del circuito primario de refrigeración del reactor es agua (o agua pesada) . Dicho procedimiento encuentra aplicación en aquellas centrales nucleares cuyo circuito primario trabaja con agua a temperatura elevada y presurizada (PWR por sus siglas en inglés) y en las centrales de agua en ebullición (BWR) .

Antecedentes de la invención En la actualidad, en la mayor parte de las centrales nucleares cuyos reactores son refrigerados por agua, la totalidad de la energía térmica generada por el reactor se emplea para generar vapor saturado, ya sea en los generadores de vapor o en los propios reactores, dependiendo del tipo de reactor.

Se genera vapor saturado o ligeramente húmedo de presión relativamente alta (generalmente entre 55 y 78 bar) , denominado vapor principal o vapor vivo para ser expandido en una turbina de vapor, que habitualmente es una turbina de condensación con recalentamiento y varios cuerpos. El vapor es expandido dentro de la turbina cediendo parte de su energía térmica, produciendo energía mecánica que, a su vez, es transformada en energía eléctrica mediante un generador acoplado al eje de la turbina. En la figura 1 puede apreciarse un ciclo de estas características. El proceso de expansión se divide en dos fases. En la primera fase, el vapor es expandido en el cuerpo de alta presión de la turbina (HP) , de la que sale con un contenido de humedad del orden o superior al 10%. Para eliminar la mayor parte de la humedad es práctica usual el paso por un separador de humedad (MS) . Tras el separador de humedad, se recalienta para conseguir una temperatura superior a la de saturación (entre 50 y 80ºC por encima) antes de expandirlo, en una segunda fase, en el cuerpo de media o baja presión (LP) .

En la mayoría de las centrales actuales, el recalentamiento entre las dos fases de la expansión se hace en dos etapas. En la primera etapa, el primer recalentador (RH1) , que está situado aguas abajo de la salida de la turbina de alta presión y del separador de humedad, es un intercambiador vapor-vapor alimentado por una extracción de la turbina de alta presión. En la segunda etapa, en un segundo recalentador (RH2) también del tipo vapor-vapor, se vuelve a recalentar el vapor que sale del primer recalentador con una moderada fracción de vapor vivo. El separador de humedad, el primer recalentador y el segundo recalentador, están integrados en un solo equipo compuesto por una carcasa exterior, dentro de la cual están contenidos el separador de humedad y los haces tubulares de los recalentadores por los que circulan el vapor vivo y el vapor de la extracción de turbina. El vapor procedente de la primera expansión de la turbina circula por el interior de la carcasa y por el exterior de los haces tubulares de los recalentadores. El vapor a la salida del recalentamiento se denomina vapor recalentado o simplemente recalentado.

El objetivo del recalentamiento en estas centrales es obtener un menor contenido de humedad en las últimas etapas de la expansión de la turbina de baja presión, proporcionando una mayor protección frente a la formación de gotas de gran velocidad que dañarían los álabes de a la turbina, disminuyendo así su disponibilidad. Además, se consigue un pequeño aumento en la eficiencia del ciclo térmico.

Una vez expandido, el vapor se condensa en un condensador refrigerado por un fluido relativamente frío, ya sea agua de mar, agua de un río o agua procedente las torres de refrigeración, dependiendo de las características y ubicación de la central.

El vapor condensado (o simplemente el condensado como se le conoce habitualmente) se bombea hasta el desgasificador en la mayoría de las centrales, previo paso por precalentadores de condensado (tres o cuatro, dependiendo de la central) , que son intercambiadores carcasa-tubos conectados en cascada y alimentados por diferentes extracciones de la turbina de vapor, que elevan la temperatura del condensado. El desgasificador, donde se eliminan los gases no condensables disueltos en el condensado, también está alimentado por una extracción de la turbina de vapor. Desde el desgasificador se bombea el agua de alimentación de nuevo hasta el reactor o el generador de vapor, dependiendo del tipo de central, mediante las bombas de agua de alimentación, previo paso por los precalentadores de agua de alimentación (dos o tres, dependiendo de la central) , que también son intercambiadores carcasa-tubos, conectados en cascada y alimentados por extracciones de la turbina de vapor.

El objetivo de los precalentadores, tanto los de alimentación como los de condensado, es producir un ciclo más regenerativo, y por lo tanto, más eficiente.

Una de las principales características de la mayoría de las centrales nucleares cuyos reactores son refrigerados por agua es que, debido a las limitaciones inherentes al diseño de los reactores, el vapor vivo se encuentra a presiones limitadas y a la correspondiente temperatura de saturación. Por ejemplo, en los reactores de agua ligera a presión, son habituales valores de presión y temperatura entre 55 y 78 bares y entre 270 y 293ºC respectivamente. Por lo tanto, el rendimiento del ciclo térmico de estas centrales nucleares es menor que el de una central moderna de combustible fósil (diferencia de más de 10 puntos porcentuales) .

En consecuencia, las centrales nucleares requieren turbinas de vapor húmedo ya que, al no disponer de vapor sobrecalentado en la entrada del cuerpo de alta y proporcionar un bajo recalentamiento en los de baja presión, operan con vapor que alcanza un mayor contenido de humedad. Las gotas de agua contenidas en el vapor provocan una caída en el rendimiento de la turbina de vapor al chocar contra los álabes, además de erosión en esos álabes, y vibraciones y tensiones elevadas en las últimas etapas de expansión. Por otro lado, al ser menor el rendimiento del ciclo térmico, para generar elevadas potencias eléctricas en la central, estas turbinas operan con mayores caudales másicos de vapor que las turbinas de un ciclo con alto sobrecalentamiento y recalentamiento (el vapor posee menos energía térmica por unidad de masa) . A mayor caudal de vapor, mayor es la longitud necesaria de los álabes de la última etapa de expansión para que no se incrementen las pérdidas en la descarga por la velocidad del vapor. Esto resulta en altos valores de tensiones mecánicas en los álabes, debido al mayor momento de inercia. Para evitarlo, las turbinas de vapor poseen habitualmente dos o tres cuerpos de baja presión (donde los caudales volumétricos son mayores, y por tanto la longitud de los álabes) de turbina de doble flujo simétrico conectados en tándem. Normalmente, se recurre a extraer agua además de vapor en las últimas etapas de expansión (y en ocasiones también en los cuerpos de alta y media presión) , mediante separadores de humedad internos, que se usan para alimentar los precalentadores de condensado que trabajan a menor temperatura. Todos estos problemas se presentan a pesar de que, para reducir los efectos de la velocidad de las gotas de agua, es práctica habitual disminuir la velocidad de rotación de la turbina a 1800 o 1500 rpm, dependiendo de la frecuencia de la red a la que va acoplada la central.

En algunas centrales nucleares con reactores de agua a presión, con objeto de disminuir el tamaño de los generadores de vapor (uno de los equipos más costosos y voluminosos de estas instalaciones) , se opta por disminuir la presión de generación de vapor aumentando la diferencia entre la temperatura del agua que sale del reactor y la del vapor que sale del generador de vapor, reduciendo así su coste pero sacrificando el rendimiento del ciclo térmico.

En definitiva, el análisis del estado de la técnica de las centrales nucleares cuyos reactores son refrigerados por agua muestra que serían deseables ciclos térmicos más eficientes, con objeto de aumentar la eficiencia de la central y disminuir el contenido de humedad del vapor expandido, para aumentar así la vida y la disponibilidad de las turbinas de vapor y simplificar su diseño.

Con este fin, se han desarrollado procedimientos en los que se ha tratado de mejorar el rendimiento del ciclo térmico sobrecalentando o recalentando el vapor mediante diferentes métodos. Así, por ejemplo, en la patente GB 1.029.151 se desarrolla un método para centrales del tipo PWR de sobrecalentamiento del vapor principal y eventual recalentamiento del vapor recalentado, mediante...

1. Procedimiento para incrementar la eficiencia de la generación eléctrica en centrales nucleares de agua a presión, que comprende las siguientes etapas:

a. el vapor saturado o ligeramente húmedo procedente del generador de vapor (SG) se sobrecalienta antes de su entrada en una turbina de vapor (ST) con varios cuerpos;

b. el vapor recalentado con vapor de una extracción de la turbina de alta presión (HP) , se vuelve a recalentar utilizando vapor vivo del reactor;

c. el vapor recalentado en la etapa anterior se recalienta nuevamente, intercambiando calor con 10 un fluido térmico a mayor temperatura;

d. el vapor recalentado de la etapa c se expande en el cuerpo de baja de la turbina de vapor (LP) ;

e. el vapor expandido de la etapa d se condensa y el agua condensada se recircula a los generadores de vapor, previo calentamiento con vapor de agua procedente de extracciones de la turbina

caracterizado porque el sobrecalentamiento en a y el recalentamiento en c se realizan mediante un circuito auxiliar de fluido térmico, con las corrientes para el sobrecalentamiento y el recalentamiento funcionando en paralelo 2. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque en las etapas a y c el intercambio con el

fluido térmico se realiza mediante agua presurizada y a mayor temperatura, donde el agua proviene de un 20 segundo circuito auxiliar que deriva parte del agua del reactor a un intercambiador.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque la fuente o fuentes de energía utilizadas para el sobrecalentamiento y el recalentamiento de las etapas a y c es/son externas a la central.

4. Procedimiento según cualquiera de la reivindicación 3, donde la fuente o fuentes de energía es/son una fuente renovable.