Здания и сооружения тепловой и атомной энергетики. Материалы и конструкции

С.А. Ращепкина, И.А. Магеррамова

ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ 
ТЕПЛОВОЙ И АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ. 
МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ 

Учебное пособие
для студентов специальности 
«Строительство уникальных зданий и сооружений», 
специализация: 
«Строительство сооружений 
тепловой и атомной энергетики»

«Логос»
Ставрополь 
2017

УДК 69 (075.8)
ББК 38.73 я7 
        Р 28

Одобрено
Редакционно-издательским советом
Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»

Рецензенты:
Петров В.В. – доктор технических наук, профессор, академик РААСН, 
заведующий кафедрой, кафедра «Теория сооружений и строительных 
конструкций» Саратовского государственного технического университета 
имени Ю.А.Гагарина 
Свежинцев Ю.В. – заместитель главного инженера по эксплуатации общих 
станционных объектов АО «Концерн Росэнергоатом» 
«Балаковская атомная станция»

Ращепкина Светлана Алексеевна, Магеррамова Инна Александровна 
Здания и сооружения тепловой и атомной энергетики. Материалы и 
конструкции: учебное пособие / С. А. Ращепкина, И. А. Магеррамова. 
Ставрополь: Логос, 2017. - 102 с.

ISBN 978-5-905519-64-2

Изложен краткий обзор по проектированию зданий и сооружений тепловой 
и атомной энергетики. Приведено описание несущих конструкций сооружений, 
рассмотрены вопросы применения эффективных материалов для основных 
элементов зданий.
Учебное 
пособие 
предназначено 
для 
студентов 
специальности 
«Строительство уникальных зданий и сооружений» и ставит своей целью помочь 
студентам расширить приобретенные на лекциях теоретические знания в области 
проектирования зданий и сооружений тепловой и атомной энергетики. Пособие 
может быть использовано студентами и магистрами при выполнении дипломного 
проекта и выпускной квалификационной работы

УДК 69 (075.8)
ББК 38.73 я7 

© Ращепкина С.А.  2017
© Магеррамова И.А. 2017
ISBN 978-5-905519-64-2

Р 28

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 
5
1.Краткий обзор по сооружению зданий тепловой и атомной
энергетики в России
7

1.1.
Тепловые электростанции
7
1.2.
Атомные электростанции
13
1.3. 
Перспективы развития энергетики
20
2.Материалы для конструкций тепловых электростанций
23
2.1.
Общие сведения
23
2.2.
Применение металла
24
2.3. 
Применение бетона и железобетона
27
2.4.
Перспективные строительные конструкции ТЭС
30
2.4.1.
Применение новых металлических конструкций
30
2.4.2.
Применение бетона высоких марок
31
2.4.3.
Полимеры для железобетонных конструкций ТЭС
32
2.4.4.
Применение напрягающего цемента
32
3.Строительные материалы для конструкций атомных
электростанций
34
3.1.
Местные материалы
34
3.1.1.
Виды бетонов для радиационной защиты
34
3.1.2.
Бетонные смеси
35
3.1.3.
Влияние температуры на состав бетона
36
3.2. 
Специальные материалы
38
3.2.1. Железосодержащий бетон
38
3.2.2.
Бетон с добавкой бора
39
3.2.3.
Серпентинитовый бетон
39
3.2.4.
Бетон из отходов промышленности
40
3.3.
Свойства защитных материалов
41
3.3.1.
Требования к защитным материалам
41
3.3.2.
Радиационное воздействие на материалы
42
3.3.3.
Влияние облучения на коррозионную стойкость
43
3.3.4.
Влияние облучения на температуру эксплуатации
44
3.3.5. Влияние облучения на свойства бетонов
45
4.Здания тепловых электростанций
47
4.1.
Структура главного здания
47
4.2.
Общие принципы компоновки здания
48
4.3.
Особенности компоновки главного здания 
50
4.3.1.
Компоновка котельного отделения
50
4.3.2.
Компоновка турбинного отделения
52
4.4.
Компоновка различных видов электростанций
54
4.4.1.
Конденсационные электростанции - КЭС
54

4.4.2.
Теплоэлектроцентрали - ТЭЦ
57

4.4.3. Газотурбинные электростанции - ГТУ
58

4.4.4. Паротурбинные электростанции - ПГУ
59

5.Здания атомных электростанций
62

5.1.
Структура главных зданий
62

5.1.1.
Принципы компоновки главных зданий
62

5.1.2.
Особенности компоновки главных зданий
65

5.1.3.
Компоновка реакторного отделения
66

5.1.4.
Компоновка деаэраторного отделения
70

5.1.5.
Компоновка турбинного отделения
70

5.1.6.
Унифицированный вариант АЭС
71

5.2.
Перспективные атомные электростанции
72

5.2.1.
Атомные электростанции на быстрых нейтронах
72

5.2.2.
Плавучие атомные электростанции
73

5.2.3.
Подземные атомные электростанции
77

Список литературы
79

Приложение 1
81

Приложение 2
92

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем пособии приводится современное состояние и перспективы 

развития тепловой и атомной энергетики, их основные типы, перспективные 
технологии, направленные на повышение эффективности и безопасности 
тепловых и атомных электростанций. В работе изложен краткий обзор по 
проектированию зданий и сооружений тепловой и атомной энергетики, приведено 
описание несущих конструкций сооружений, рассмотрены вопросы применения 
эффективных материалов для основных элементов зданий с учетом агрессивности 
среды и различных нагрузок и воздействий.

В России имеется 485 ТЭС. Их доля в производстве тепла составляет 30%. 

По сравнению с более мелкими системами они имеют меньший удельный вес 
потерь в сетях - меньший, но не маленький. Потери оцениваются порядка 19%.

РАО «ЕЭС России» принадлежат 242 ТЭС, остальные находятся в 

собственности промышленных предприятий, муниципалитетов или коммерческих 
компаний. Условиями эффективной работы тепловых электростанций являются: 
полная загрузка мощностей, близкое расположение потребителей и высокая 
плотность тепловых нагрузок. ТЭЦ проектировались для крупных промышленных 
и плотных бытовых тепловых нагрузок, они производят электроэнергию как 
побочный продукт.

Благодаря работам выдающихся ученых М. и П. Кюри, Э. Резерфорда, 

Ф.Содди, Н. Бора и многих других получили быстрое развитие учение  
о радиоактивности и ядерная физика. В 1954 г. в России была введена первая  
в мире Обнинская атомная электростанция мощностью 5 МВт. Атомная энергетика 
оказала большое влияние на развитие электроэнергетики во второй половине ХХ 
века. Доля электроэнергии в структуре потребления энергии резко увеличилась, 
достигнув к концу ХХ в. 40% в развитых странах, входящих в организацию 
экономического сотрудничества и развития. Производство электроэнергии в мире 
с 1950 по 2000 г. увеличилось в 14 раз и превысило 14 трлн. кВт•ч (при мощности 
электростанций 3,55 млрд. кВт), из которых на ТЭС и ТЭЦ приходилось более 
64%, на АЭС – около 16%.

Длительная безаварийная эксплуатация АЭС в значительной степени 

определяется правильностью выбора конструкционных материалов, а быстрый 
темп роста строительства – подготовленностью промышленности к изготовлению 
сложного, трудоемкого, с большим объемом контроля оборудования. Развитие 
нового направления энергетики, как по выбору материалов, так и по технологии 

изготовления оборудования базировалось в начальный период в основном на 
опыте, приобретенном за длительное время развития обычной теплоэнергетики. 
Действительно, ряд параметров работы узлов АЭС близок или одинаков с 
параметрами обычных котлотурбинных агрегатов.

Вместе с тем имеются и существенные отличия в условиях работы 

материалов в энергетике. Основным условием, определяющим особый подход 
к выбору материалов для первых, является условие обеспечения повышенной 
надежности. Большая часть узлов является труднодоступной или практически 
неремонтопригодной. Последствия разгерметизации систем первого контура 
весьма опасны из-за загрязнения окружающей среды радиоактивными 
продуктами. Условия работы материалов в составе АЭС более сложны. Наиболее 
очевидным является воздействие нейтронного облучения с флюенсом, способным 
существенно изменить свойства материалов.

Многообразие типов тепловых и атомных электростанций, специфичность 

и в большинстве случаев, повышенная сложность условий работы материалов 
по сравнению с энергетическими установками, работающими на органическом 
топливе, требует специальный подход к разработке конструкционных материалов 
для современных объектов энергетики. 

Ведущиеся во многих странах работы по совершенствованию реакторов на 

тепловых и быстрых нейтронах позволяют обеспечить дальнейшее повышение 
их надежности, экономической эффективности и экологической безопасности. 

Учебное 
пособие 
предназначено 
для 
студентов 
специальности 

«Строительство уникальных зданий и сооружений» и ставит своей целью помочь 
студентам расширить приобретенные на лекциях теоретические знания в области 
проектирования зданий и сооружений тепловой и атомной энергетики. Пособие 
может быть использовано студентами и магистрами при выполнении дипломного 
проекта и выпускной квалификационной работы.

1. КРАТКИЙ ОБЗОР ПО СООРУЖЕНИЮ ЗДАНИЙ
ТЕПЛОВОЙ И АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В РОССИИ

Электроэнергетика 
как 
отрасль 
хозяйства 
объединяет 
процессы 

генерирования, передачи, трансформации и потребления электроэнергии [15]. 
Основные особенности электроэнергетики:

- продукция в отличие от продукции остальных отраслей промышленности не 

может накапливаться для последующего использования: производство электроэнергии 
в каждый момент времени должно соответствовать размерам потребления (с учетом 
потерь в сетях). 

- универсальность электрической энергии: она обладает одинаковыми 

свойствами независимо от того, каким образом она была произведена – на 
тепловых, гидравлических, атомных или каких-либо иных электростанциях, и 
может быть использована любым потребителем. 

Передача 
электроэнергии, 
в 
отличие 
от 
других 
энергетических 

ресурсов, осуществляется мгновенно. Размещение генерирующих мощностей 
электроэнергетики зависит от двух основных факторов: ресурсного и 
потребительского. До появления линий электропередачи электроэнергетика 
ориентировалась главным образом на потребителей, используя привозное 
топливо. 

В настоящее время, после постройки сетей высоковольтных линий 

электропередач и создания единой энергетической системы России (ЕЭС) большее 
внимание при размещении электростанций уделяется ресурсному фактору.

1.1.ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ 

В России сильно развита выработка электричества на тепловых 

электрических станциях. Прежде всего, этому способствовал тот факт, что 
наша страна богата такими природными ресурсами как природный газ и уголь. 
Практически в каждом крупном городе у нас построена своя  ТЭЦ. Много по 
стране построено электростанций  типа ГРЭС. 

Основная масса действующих ТЭС в России была построена с 60-х по 80-е 

года прошлого века. Но и сейчас развитие тепловой энергетики в нашей стране 
не стоит на месте. Введены в эксплуатацию такие ТЭС как Няганская ГРЭС, 
Адлерская ТЭС и другие. 

Строится довольно большое количество энергоблоков ПГУ (парогазовая 

установка). ТЭС – это тепловая электростанция. ГРЭС – государственная районная 
электрическая станция. ТЭЦ – теплоэлектроцентраль.

Функция ТЭЦ – снабжать население и предприятия электричеством  

и тепловой энергией (горячее водоснабжение, отопление и пар на производство). 
На них устанавливают теплофикационные турбины – типа Т, противодавленческие 
– типа Р и теплофикационные с промышленным отбором пара – типа ПТ (паровая 
турбина). 

В отопительный сезон ТЭЦ работают по тепловому графику. Прежде 

всего, держат температуру сетевой воды в прямой магистрали в зависимости от 
температуры наружного воздуха и наличия ветра. По электрическому графику они 
могут работать в летнее время, допустим тогда, когда отключены отборы с турбины 
на теплофикацию. По электрической мощности ТЭЦ обычно проигрывают 
ГРЭС. Их обычная электрическая мощность не превышает 500 МВт. Но зато по 
тепловой мощности они впереди. Их обычная тепловая мощность превышает 1000 
ГКалл/час. Строительство ТЭЦ экономически выгодно в городах с населением в 
несколько сот тысяч человек. Топливом служит как уголь, так и газ.

ГРЭС, также как и ТЭЦ – это тепловая электростанция, которая работает 

как по паровому циклу, так и по парогазовому циклу, в зависимости от того, какие 
энергоблоки на станции установлены. На ГРЭС, если она работает по паровому 
циклу устанавливаются, как правило, конденсационные турбины типа К. Например, 
К-200-130 или К-500-240. Топливо на таких электростанциях – это уголь или газ. 
Мазут, в качестве основного топлива, используется редко, из-за его дороговизны. В 
последнее время устанавливают энергоблоки, которые работают по парогазовому 
циклу – энергоблоки ПГУ. Их отличает высокая экономичность и маневренность. 
В составе таких энергоблоков присутствует газовая турбина, которая приводится 
в движение продуктами сгорания, как правило, природного газа. Далее по циклу 
стоит котёл-утилизатор и паровая турбина. 

Рассмотрим десять (табл.1.1) наиболее мощных ГРЭС (2400…5597 МВт). 

На всех этих электростанциях большая часть мощности вырабатывается на 
традиционном паровом цикле с использованием энергоблоков «паровой котел – 
паровая турбина». В качестве основного топлива используется природный газ или 
уголь. На некоторых из них уже начали устанавливать энергоблоки ПГУ. 

Киришская ГРЭС. Электростанция введена в эксплуатацию в 1965 году. 

Она построена в городе Кириши Ленинградской области. Киришская ГРЭС 
производит поставку электроэнергии широкого спектра напряжений от 0,4  
до 330 кВ. Она также осуществляет на оптовый рынок и собственным  
потребителям поставки тепловой энергии (технический пар различных 
параметров и горячая вода), оказывает услуги по поставке обессоленной, 

химически очищенной и технической воды, кислорода.Основное топливо – 
природный газ, резервное – мазут. Установленная электрическая мощность – 
2600 МВт, а тепловая мощность – 1234 Гкал/ч.

Конаковская ГРЭС. Год введения в эксплуатацию – 1965. Она находится 

на берегу Иваньковского водохранилища в городе Конаково Тверской области. 
Является одним из крупнейших производителей электрической энергии  
в центральной России.

Основное топливо – природный газ, резервное – мазут. Конаковская ГРЭС 

входит в список крупнейших тепловых электростанций России. Установленная 
электрическая мощность – 2520 МВт, а тепловая мощность – 120 Гкал/ч.

Костромская ГРЭС. Ввод в эксплуатацию – 1969 год. Костромская ГРЭС – 

одна из крупнейших ТЭС России и Европы, расположенная в Костромской области  
(г. Волгореченск) на правом берегу реки Волга. Эта ГРЭС также известна тем, что на 
ней располагается единственная турбина К-1200-240, мощностью 1200 МВт. Кроме 
того ГРЭС  установлена восемь турбин К-300-240, мощностью 300 МВт каждая. 

Это одна из самых крупных и технически совершенных электростанций 

России, имеющая рекордные показатели по экономии природного топлива среди 
предприятий своего класса. Основное топливо – природный газ, резервное – 
мазут. Установленная электрическая мощность – 3600 МВт.

Ириклинская ГРЭС. Она была введена в эксплуатацию в 1970 году. 

Электростанция расположена в посёлке Энергетик Новоорского района 
Оренбургской области, на берегу Ириклинского водохранилища на реке Урал. 
От ГРЭС отходят высоковольтные линии напряжением 500/220/110 кВ. К ВЛ 500 
кВ подключены подстанции, питающие крупные промышленные предприятия – 
Оренбургский газоперерабатывающий завод, Магнитогорский металлургический 
комбинат. Основным видом топлива является природный газ. Установленная 
электрическая мощность – 2430 МВт.

Рефтинская ГРЭС. Строительство электростанции началось в 1963 году,  

в 1970 состоялся пуск первого энергоблока, а в 1980 – последнего. Она расположена 
в Свердловской области, в 100 км северо-восточнее города Екатеринбурга и в 
18 км от города Асбеста. В 2,5 км от ГРЭС находится посёлок Рефтинский с 
населением около 18 тыс. человек.

Рефтинская ГРЭС является самой крупной в России, которая работает на 

угле. На ГРЭС установлено 10 энергоблоков, работающих на сверхкритических 
параметрах: шесть энергоблоков мощностью 300 МВт и четыре энергоблока 
мощностью 500 МВт.

В качестве охлаждающей воды для конденсаторов используется вода 

с расположенного рядом со станцией пруда-охладителя площадью около  
25 квадратных километров. Уходящие газы с котлов очищаются в электрических 
фильтрах. Зола удаляется со станции на золоотвал площадью 1008 га. 
Установленная электрическая мощность – 3800 МВт, а тепловая мощность –  
350 Гкал/ч.

Сургутская ГРЭС-1. Пуск станции состоялся в феврале 1972 года. 

Сургутская ГРЭС-1 расположена в г. Сургуте Ханты-Мансийского автономного 
округа – Югры. Электростанция является одним из основных источников 
электроэнергии районов Западной Сибири и Урала и теплоснабжения г. Сургута. 
Основными потребителями электроэнергии генерирующих мощностей являются 
нефтегазодобывающие компании, расположенные на территории Тюменской 
области.

Основным и резервным топливом является попутный нефтяной газ  

приобских месторождений. В качестве аварийного топлива предусмотрено 
газотурбинное топливо. Сургутская ГРЭС-1 – четвёртая по установленной 
мощности тепловая электростанция в России. В состав основного оборудования 
станции входят 16 энергоблоков и пускорезервная ТЭЦ, введенные в эксплуатацию 
в 1972-1983 гг.. Сургутская ГРЭС-1 не имеет ограничений по выдаче мощности, 
сетевые ограничения возникают в ремонтных схемах. 

Установленная электрическая мощность – 3268 МВт, а тепловая мощность – 

903 Гкал/ч. Она обеспечивает централизованное электроснабжение на территории 
более 1 млн кв. км. В 2012 году Сургутская ГРЭС-1 отметила новый рекорд по 
выработке: 800 миллиардов киловатт-часов за все предыдущие годы работы. 
Среди российских станций это наибольший показатель. На собственные нужды 
ГРЭС потребляет около 4.6% производимой электроэнергии, а ее удельный расход 
топлива на отпущенную электроэнергию составляет 323.2 грамма на кВт∙ч. В 
2012-ом году коэффициент использования установленной мощности станции 
составил 80.3%.

Рязанская ГРЭС. На Рязанской ГРЭС первый энергоблок был введён  

в эксплуатацию 1973 году. Рязанская ГРЭС находится в г. Новомичуринск 
Рязанской области в 80 км южнее от города Рязань. Всего на самой станции 
установлено шесть энергоблоков: четыре энергоблока с паровыми турбинами 
К-300-240 (первая очередь), два энергоблока с турбинами К-800-240 (вторая 
очередь). 

В 2008 году в состав Рязанской ГРЭС вошла ГРЭС-24, которая в свою очередь 

имеет одну паровую турбину К-310-240-4 и одну газотурбинную установку ГТУ-110.