Опыт создания высокоэффективных теплообменных аппаратов для объектов атомной энергетики Рулев, Владимир Михайлович

Введение к работе

Теплообменные аппараты являются одним из основных видов оборудования энергетических установок, в том числе и атомных. От эффективности и надежности теплообменного оборудования в значительной степени зависят характеристики реакторных установок, их надежность и безопасность эксплуатации. В представленной работе обобщены результаты разработки, экспериментальных исследований и эксплуатации трех различных по типу, конструкции и назначению теплообменкых аппаратов для объектов атомной энергетики. Изложены новые концепции и принципы проектирования теплообменного оборудования. Автор в течение более 20 лет занимается разработкой и исследованием высокоэффективных парогенераторов и теплообменных аппаратов.

Актуальность проблемы.

В середине 70-х годов в ОКБМ были начаты теоретические исследования с целью повышения эффективности парогенераторов (ПГ) для судовых реакторных установок. Поставлена задача повышения удельных характеристик парогенераторов не менее, чем в 2 раза. К удельным следует отнести две наиболее важные характеристики: компактность теплообменной поверхности и удельную мощность. Если компактность характеризует плотность упаковки теплообменной поверхности, то удельная мощность является интегральной характеристикой, которая в максимальной степени отражает общую тепловую эффективность теплообменной поверхности. Повысить удельные характеристики парогенераторов и, следовательно, уменьшить массогабаритные характеристики реакторной установки в целом с использованием традиционных змеевиковых конструкций парогенераторов не представлялось возможным в силу того, что они уже достигли своих предельных возможностей;

Вторая проблема относится к парогенераторам, которые принадлежат к числу наиболее уязвимого оборудования АЭС с реакторами типа PWR и их эксплуатационные повреждения вносят существенный вклад в простои энергоблоков;

Еще одна проблема вызвана необходимостью исследований в области компактных пластинчатых теплообменников в связи с разработкой концептуального проекта коммерческой АЭС на базе модульных гелиевых реакторов и газотурбинных установок (проект ГТ-МГР).

Цель работы.

Выполнение теоретических, конструкторских и экспериментальных исследований различных конструкций прямотрубных прямоточных парогенераторов;

Разработка концепции и конструкции вертикального секционного парогенератора (ПГВС) для АЭС с реактором PWR;

Создание конструкции эффективного рекуператора для газотурбинной установки модульного гелиевого реактора (ГТ-МГР).

Научная новизна.

Разработан и осуществлен комплексный подход к исследованиям кассетных ПГ на базе двухтрубного парогекерирующего элемента (ПГЭ), созданы конструкции не имеющих аналогов прямоточных кассетных парогенераторов с высокими удельными характеристиками;

На основе системного анализа теплогидравлических и физико-химических процессов в парогенераторе ПГВС исключены конструктивные факторы известных парогенераторов, снижающие их надежность и главным образом - срок службы. Концепция и конструкция ПГВС получила положительные заключения от РНЦ «Курчатовский институт», ЦНИИ КМ «Прометей», НПО ЦНИИТМАШ, НПО ВНИИАМ, НПО «Энергия», института «Атомэнергопроект», СКВ AM ЗИО;

Разработано оригинальное, не имеющее аналогов, конструктивное решение тешюобменного элемента рекуператора, позволившее обеспечить удержание перепада давления без использования толстостенных силовых элементов или пайки.

Автор защищает:

конструктивные решения двухтрубного ПГЭ, комплексный, системный подход к проведению экспериментальных исследований парогенераторов, результаты испытаний в подтверждение характеристик кассетных парогенераторов;

конструкцию и концепцию нового типа вертикального парогенератора с горизонтальными трубами;

конструкцию нового типа теплообменной поверхности компактного пластинчатого теплообменника.

Практическая ценность.

Комплекс проведенных исследований подтвердил требуемые характеристики унифицированных элементов (кассет) прямоточных парогенераторов. Практическая ценность конструкторских разработок и экспериментальных исследований заключается в том, что их результаты были использованы при проектировании находящихся в эксплуатации парогенераторов судовых реакторных установок, а также используются при разработках различных типов парогенераторов на базе двухтрубных ПГЭ для реакторов блочного и интегрального типов;

Секция №1 НТС Минатома своим решением №С1-491 от 12.03.92 «одобрила выполненные ОКБМ разработки вертикального секционного парогенератора» и «подтвердила необходимость разработки и создания альтернативной конструкции парогенератора для АЭС с ВВЭР-1000, имея ввиду возможность его применения на действующих АЭС и на перспективу»;

Конструкция пластинчатого рекуператора для установки ГТ-МГР одобрена совещанием Рабочей группы участников проекта ГТ-МГР (г.Сан-Диего, США, апрель 1996 года) и рекомендована к скорейшему изготовлению и экспериментальному исследованию натурного теплообменного элемента. Предложенная конструкция пластинчатого теплообменника обладает широкими компоновочными возможностями. Возможно изменение в широких пределах расстояния между участками

зигзагообразно деформированных пластин, сами участки могут быть волнообразными или гладкими, между участками могут быть установлены различного рода иптенсифнкаторы потока (лист 21,рис.7, выносной элемент Б). При невысоком давлении теплообменник в поперечном сечении может иметь форму, указанную на рис.8 (лист 2!). В одном теплообменнике возможно охлаждение (нагрев) сразу нескольких сред, например, четырех (лист 21, рис.9), при этом теплообменник становится многоцелевым. Отсюда проистекает практическая ценность такой теплообменной поверхности, обусловленная возможностью применения ее не только в рекуператоре установки ГТ-МГР, но и в регенераторах газоперекачивающих и газотурбинных установок, водо-водяных, водо-воздушных и других теплообменных аппаратах. Можно говорить о новом типе теплообменного оборудования. Апробация работы.

Кассетные парогенераторы в настоящее время эксплуатируются в составе транспортных водо-водяных реакторных установок. В составе этих ПГ находятся более 212 тысяч парогенерирующих элементов. Общая наработка всех действующих парогенераторов составляет более 500 тысяч часов, случаев отказов нет. Кассетные ПГ используются в проектах современных энергетических реакторов, в том числе интегральных;

Парогенератор ПГВС различных мощностей используется в проектах усовершенствованных реакторных установок, разрабатываемых в ОКБМ, в частности, УВР-1200...1400. Проработана схема и порядок проведения представительных испытаний парогенератора с целью подтверждения теплогидравлических характеристик;

Применительно к ГТ-МГР заводом «Теплообменник» изготовлен первый опытный теплообменный элемент рекуператора, изготавливается штатный тепло-обменный элемент, который будет испытан на стендах ОКБМ. В ОКБМ изготовлен пластинчатый водо-водяной теплообменник для Химического завода в г. Новгороде. Требованием заказчика было обеспечение очистки теплообменной поверхности с двух сторон, а также возможность быстрой замены теплообменной поверхности. Поперечное сечение теплообменника представлено на рис.10 (лист 21). Края зигзагообразной пластины зажаты между половинами корпуса. Между участками пластины установлены волнообразные съемные интенсификаторы. При необходимости очистки или замены теплообменной поверхности корпус теплообменника открывается и геплообмеиная поверхность целиком извлекается из корпуса и далее промывается или заменяется.

Публикации.

Конструкция парогенерирующего элемента защищена патентом РФ [1], основные результаты исследований приведены в [2, 3J и опубликованы. [4],

Конструкция секционного парогенератора защищена авторским свидетельством [5], патентом РФ [б], положительным решением о выдаче патента на изобретение [7] и опубликована [8,9];

Конструкция пластинчатых теплообменников защищена патентами РФ
[10, 11]. Патент [11] является международным: патентовладельцы - ОКБМ, Мина
том, Framatome (France), General Atomics (USA).

Личный вклад автора.

Автор непосредственно участвовал в разработке конструкции унифицированных элементов, исследуемых моделей и экспериментальных установок, в определении идеологии исследований, являлся руководителем, отвечавшим за выполнении, всего комплекса экспериментальных исследований унифицированных элементов прямоточных парогенераторов;

Автор является непосредственным разработчиком концепции и конструкции вертикального парогенератора ПГВС, в течение ряда лет руководит разработкой парогенератора;

Автор является непосредственным разработчиком концепции и конструкции пластинчатого теплообменника.

1.1. Выполнены теоретические, конструкторские и экспериментальные исследования различных конструкций прямотрубных типов парогенераторов. Наибольшая эффективность получена при использовании парогенерирующего элемента (ПГЭ) с двусторонним обогревом или двухтрубного ПГЭ [1]. Компактность тепло-обменной поверхности парогенераторов, скомпонованной из двухтрубных ПГЭ, достигла величины 343 м²/м\ а удельная мощность - 96 МВт/м³ вместо соответственно 170 м²/м³ и 36 МВт/м³ у лучших змеевиковых трубных систем. Схема двухтрубного ПГЭ приведена на рис.1. Конструктивно он выполнен из 2* труб: наружной и внутренней, которая винтообразно деформирована для повышения теплоотдачи и дистанционирования внутри наружной трубы. Греющий теплоноситель движется с внешней стороны наружной трубы и по внутренней трубе, а нагреваемая среда (вода-пар) движется противотоком по серпообразному зазору между наружной и внутренней трубами. На своих концах трубы соединяются с помощью двухканального переходника, который обеспечивает подачу греющего теплоносителя во внутреннюю трубу и нагреваемой среды - в зазор между трубами. Несколько ПГЭ объединены трубными досками в кассеты или модули (рис.2, 3), на базе которых разработаны прямоточные кассетные парогенераторы. Внутри кассеты или модуля ПГЭ расположены по треугольной сетке. В поперечном сечении кассета имеет форму правильного шестиугольника (рис.2) или оперения стрелы (рис.3). В парогенераторе кассеты устанавливаются одна рядом с другой так, что ПГЭ образуют непрерывную гомогенную трубную систему. Модульная конструкция парогенератора имеег принципиальное значение и обеспечивает:

возможность разработки парогенераторов для реакторов блочною или ин
тегрального типов из однотипных кассет (унифицированных элементов);

переходник

_/Наюцкнаа_л_Шба _х^_{остовик}

с ребрами

Внутренняя труба

І'пс.1. Схема 2^хтрубного парогеиерпрующего элемента

Ііарогеїіерирующни /элемент

,' 'Дроссель Трубная/ ,^ч;

Риси. Кассета

""-^Трз'бная >']>мщка,_ "доска

Рис.З. Модуль

Парогенерирз'ющші /' элемент

Дроссель

Трубная/ \Крншка доска "^

представительное подтверждение характеристик парогенератора в целом испытанием отдельных кассет на стендах небольшой мощности;

механизированное и автоматизированное параллельное производство основных составных частей ПГ (ПГЭ и кассет);

возможность отглушения кассет в случае появления межконтурной неплотности в процессе эксплуатации ПГ.

Для подтверждения тепловых, гидравлических и гидродинамических характеристик парогенераторов на базе унифицированных элементов, их надежности, технологичности, эксплуатационных характеристик, стойкости к изменениям во внешних системах и др., наряду с теоретическими исследованиями и конструкторскими разработками выполнен комплекс экспериментальных исследований. В процессе теоретического расчетного анализа рассмотрены нормальные и аварийные режимы эксплуатации, определены все факторы, оказывающие наибольшее повреждающее воздействие на конструкцию унифицированных элементов (кассет), выявлены наиболее нагруженные узлы. Исходя из этого определен и выполнен комплекс экспериментальных исследований, который включает в себя теплотехнические и гидравлические, гидродинамические, механические, испытания на износо-, вибро- и ударостойкость, исследование стабильности гидравлических характеристик дроссельных устройств, исследование работоспособности при аварийном ухудшении качества питательной воды [2, 3]. Для выполнения этого комплекса работ было разработано, изготовлено и испытано более 60 различных моделей и опытных образцов трубных систем ПГ и их отдельных элементов.

1.3. Теплотехнические и гидравлические испытания проведены на моделях, содержащих различное количество натурных ПГЭ (от 1 до 1200 штук). При испытаниях устанавливались заданные значения следующих параметров: температура, расход и давление теплоносителя на входе в модель, температура питательной воды, паропроизводитеяьность и давление перегретого пара. Определялись следующие параметры: температура пара, гидравлическое сопротивление дросселей а также по первому и по второму контурам, температура теплоносителя на выходе из модели. Кроме того, в большинстве случаев определялись локальные параметры как по первому, так и по второму контурам. В частности, температура теплоносителя по сечению кассеты, температура пара на выходе из отдельных ПГЭ. В зависимости от режимов работы и типа реакторной установки модели испытаны в следующих диапазонах режимных параметров:

паропроизводительность - от 10 до 100% от номинальной;

температура теплоносителя первого контура на входе-от 220 до 335С;

давление пара - от 0,8 до 4 МПа;

температура питательной воды-от 50 до 23 5С; -

паропроизводительность одного ПГЭ - от 1,5 до 40 кг/ч.

Критерием оценки результатов является соответствие полученных характеристик требуемым. В результате исследований подтверждены теплотехнические характеристики различных типов кассетных парогенераторов, уточнены методики

выполнения расчетов, определено влияние отклонений режимных параметров от номинальных значений, разработана и подтверждена методика переноса результатов испытаний кассет на натурный парогенератор. Показано, что для подтверждения теплотехнических и гидравлических характеристик кассетного ПГ достаточно проведение испытаний модели парогенератора, содержащей одну или несколько кассет. Подтверждение методики получено по результатам эксплуатации натурных парогенераторов в составе реакторных установок.

1.4. Гидродинамические исследования имели целью определение границ ус
тойчивой работы прямоточных кассетных ПГ в диапазоне эксплуатационных на
грузок. Исследования проводились на теплотехнических и гидродинамических
стендах различной мощности с различным количеством параллельно включенных
ПГЭ, кассет или секций ПГ. Была также проведена серия экспериментов в натур
ных условиях при работе парогенераторов по своему прямому назначению. При
проведении исследований контролировались входные и выходные параметры теп
лоносителей первого и второго контуров, а также амплитуда и частота пульсаций
расхода питательной воды, а также температуры стенок ПГЭ. Гидродинамические
исследования проводились в том же диапазоне режимных параметров, что и тепло
технические испытания (см. п. 1.3). Критериями устойчивой работы прямоточных
ПГ являются: отсутствие апериодической неустойчивости ПГ по второму контуру,
допустимая величина пульсаций расхода среды второго контура в системе парал
лельных каналов, обеспечение стабильности параметров пара на выходе из ПГ и
циклической прочности трубной системы ПГ в течение всего ресурса. В результате
гидродинамических исследований определены:

амплитудно-частотные характеристики пульсаций расхода и температуры питательной воды в системе параллельных ПГЭ;

амплитудно-частотные характеристики пульсаций температуры в стенках ПГЭ;

оптимальная конструкция и величина гидравлического сопротивления дроссельных устройств;

оптимальное соотношение режимных параметров;

критерии комплексной оценки границ гидродинамической устойчивости ПГ.

Результаты гидродинамических испытаний использованы при определении ресурса парогенераторов.

1.5. Термоциклические испытания кассет проведены с целью подтверждения
их ресурса. Испытания проводились на натурных кассетах, изготовленных по
штатной технологии, с учетом фактора иаводораживания материала труб на конец
ресурса, а также с учетом группового засорения дросселей у части парогенерирую-
щих элементов. Следует отметить, что групповое засорение дросселей теоретиче
ски возможно, но практически маловероятно, т.к. на входе в ПГ установлен меха
нический фильтр с ячейкой, в несколько раз меньшей, чем проходное сечение дрос
селя. В предположении группового засорения дросселей многократно возрастают

компенсационные нагрузки на концевые элементы ПГЭ из-за разности температурного состояния засоренных и незасоренных ПГЭ. Методика термоциклическнх испытаний заключалась в многократной подаче питательной воды в осушенную по второму контуру и разогретую до температуры первого контура кассету. Выполнено более 3000 циклов нагружения. После 500-600 циклов контролировались теплотехнические характеристики кассет. Критерием оценки результатов термоциклических испытаний является сохранение теплотехнических и гидравлических характеристик кассет, а также сохранение прочности и герметичности. Кроме того, одна из кассет после всего комплекса испытаний была разрезана для проведения металлографических исследований. Результаты всех видов контрольных испытаний и исследований положительные.

1. Тидроциклические испытания кассет выполнены с целью подтверждения надежности трубной системы парогенератора при периодическом воздействии на нее давления теплоносителя. Гидроциклическим испытаниям подвергались кассеты после термоциклических испытаний. Методика проведения испытаний заключалась в многократном подъеме давления воды от атмосферного до 24,5 МПа. Выполнено 360 циклов нагружения. После проведения испытаний кассеты сохранили прочность и герметичность.

2. Механические испытания имели целью получение предварительных данных о надежности узла соединения ПГЭ с трубной доской. Испытуемые модели имитировали штатный узел соединения. Цикл нагружения состоял в механическом осевом перемещении концов ПГЭ на заданную расчетную величину, которая обусловлена разностью температурных удлинений засоренных и незасоренных ПГЭ и составляла от 0,25 до 0,69 мм. Испытания проводились при температуре 20 и 345С. Выполнено в общей сложности более 11000 циклов нагружения. Результаты контрольных испытаний на прочность, плотность и герметичность, а также металлографических исследований сварных швов, положительные.

3. Испытания на износостойкость ставили целью подтвердить отсутствие износа контактирующих поверхностей ПГЭ. Испытаниям были подвергнуты 8 моделей с различными зазорами между ПГЭ. Методика испытаний заключалась в виброциклировании моделей с частотой 50 Гц и амплитудой ускорения l,5g. Испытания проведены на базе 10 циклов. После испытаний осмотр поверхностей испытуемых ПГЭ показал, что в местах контакта появились светлые участки, однако измерить величину износа вследствие его малости не удалось.

4. Вибрационные испытания проведены для подтверждения вибростойкости ПГ в соответствии с действующими нормами в условиях ходовой и местной вибрации. Две кассеты устанавливались на вибростенд в приспособлении, моделирующем условия крепления кассет в штатном ПГ. Испытания проводились в 2^х взаимоперпендикулярных положениях с амплитудой ускорения 0,5g на различных частотах. Напряженно-Деформированное состояние ПГЭ контролировалось тензо-резисторамн. Критериями оценки результатов испытаний было соответствие виб-

ростойкости кассет действующим нормам и сохранение прочности и герметичности после виброиспытаний. Результаты испытаний положительные.

10. Испытания на ударостойкость выполнялись в соответствии с требованиями норм и заключались в создании импульса ускорения с заданными амплитудой и длительностью. Импульс ускорения для каждой кассеты создавался в двух положениях - вертикальном и горизонтальном. Критерием оценки результатов испытаний являлось сохранение прочности и герметичности, а также отсутствие остаточных деформаций элементов кассет после воздействия ударной нагрузки. Каждая из кассет подвергнута трехкратному воздействию ударной нагрузки. Проверка прочности и герметичности кассет после воздействия ударных нагрузок дала положительные результаты.

11. Исследование стабильности гидравлических характеристик дроссельных устройств проводилось при малых и повышенных скоростях питательной воды. Целью испытаний при малых скоростях было подтверждение отсутствия отложений внутри дросселей. Испытаниям подвергнуты дроссели'в составе двух кассет (модулей), каждая из которых содержала 9 ПГЭ. Методика испытаний заключалась в работе на малой мощности с периодическим отключением, прогревом до температуры теплоносителя первого контура и последующим включением модулей в работу. При испытаниях выполнено более 200 отключений. Контрольный режим на номинальной нагрузке показал, что температура пара за модулями и их гидравлическое сопротивление по второму контуру после испытаний не изменилось. Цель испытаний при повышенных скоростях - подтверждение отсутствия эрозионного износа дроссельных устройств. Дроссели проливались водой с температурой около 80С и расходом, превышающим максимальный проектный расход. Длительность испытаний составила 3000 часов. После испытаний гидравлическая характеристика дросселей не изменилась; металлографические исследования внутренних поверхностей дроссельных устройств также подтвердили отсутствие эрозионных повреждений.

12. Работоспособность кассет при аварийном ухудшении качества питательной воды была исследована на питательной воде с повышенным солесодержа-нием, с механическими примесями и нефтепродуктами. С повышенным солесодер-жанием в питательной воде испытана натурная кассета, состоящая из 84 ПГЭ. Методика испытаний предусматривала работу кассеты в течение 4 часов при подаче в нее питательной воды с общим солесодержанием 110-5-130 мг/л, по составу аналогичном морской воде. Затем кассета выводилась на номинальный режим, и тепло-гидравлические характеристики сравнивались с исходными. В результате исследований установлено, что подбором режимных параметров работы кассеты можно полностью отмыть теплопередающую поверхность кассеты до восстановления ее начальных тепловых и гидравлических характеристик. Определение влияния на тепловые и гидравлические характеристики аварийного попадания в питательную воду механических примесей и нефтепродуктов выполнено на кассете (модуле), содержащей 6 ПГЭ. На входе питательной воды был установлен механический

фильтр с ячейкой 0,3 мм. В качестве загрязняющих веществ использовались продукты коррозии меди и железа, а также нефтепродукты (турбинное, консервацион-ное и др. масла). Методика испытаний предусматривала многократные отключения питательной воды и прогрев кассеты до температуры теплоносителя первого контура, после чего питательная вода вновь подавалась в кассету. Затем выполнялась отмывка кассеты от загрязнений и проводился контрольный режим. Показано, что после отмывки с применением специальных моющих средств теплотехнические и гидравлические характеристики кассеты восстанавливались до исходных.

1.13. Технологическая обработка конструкции кассетных парогенераторов была полностью выполнена в ОКБМ, технологии изготовления наиболее ответственных, определяющих составных частей кассетных ПГ были переданы заводам-изготовителям, на которых освоено серийное производство парогенераторов.

1. Парогенераторы относятся к числу наиболее уязвимого оборудования атомных электростанций с реакторами типа PWR, и их эксплуатационные повреждения вносят существенный вклад в простои энергоблоков. Так, на АЭС США в 1980-=-1984 гг. снижение коэффициента использования мощности, связанное с отказами ПГ, составило около 5,7%. Наибольшее распространение на АЭС с реакторами PWR получили вертикальные парогенераторы насыщенного пара. Парогенераторы этого типа представляют собой вертикальный цилиндрический сосуд, внутри которого размещаются U-образные вертикальные трубы, образующие теплообмен-ную поверхность. В верхней расширенной части корпуса ПГ расположены сепара-ционные устройства, а в нижней - сферическая камера подвода и отвода теплоносителя первого контура. Теплообменные трубы завальцованы и приварены к нижней трубной доске, а по высоте они дистанционируются с помощью горизонтальных решеток. Следует отметить, что исходной предпосылкой для новой разработки иди совершенствования существующих конструкций парогенераторов является необходимость детального анализа конструкций ПГ и учета опыта эксплуатации. В усовершенствованиях нуждаются конструкции всех парогенераторов, так как есть один параметр/который должен быть большим, чем сейчас - срок службы ПГ.

2. Опыт эксплуатации вертикальных парогенераторов показывает, что они не достигают проектных значений срока службы (30+40 лет), а после 12+15 лет эксплуатации заменяются на новые. Вид и местоположение повреждений ПГ свидетельствуют о том, что первопричиной их появления и развития в значительной степени являются конструктивные особенности парогенераторов. Среди этих особенностей прежде всего следует выделить:

1) нижнее горизонтальное расположение трубной доски, что приводит к скоплению на ней шламовых отложений. Система продувки в условиях плотного рас-

положения труб не позволяет полностью удалить шлам с трубной доски, особенно с центральной ее части;

2. наличие недовальцованных щелей со стороны второго контура в местах заделки труб в трубную доску, вызванное практической невозможностью осуществить вальцовку на всю толщину трубной доски. В щелях происходит выпаривание котловой воды, что влечет за собой повышение концентрации коррозионно-активных примесей и развитие щелевой коррозии;

3. горизонтальное расположение дистанционирующих решеток, что. в совокупности с минимальными размерами зазоров в местах крепления труб создает условия для выпаривания котловой воды, накопления агрессивных отложений и развития щелевой коррозии.

Имеют место и другие конструктивные особенности, вызывающие снижение надежности ПГ. Так, при традиционной схеме дистанционирования труб, их тепловое расширение возможно только вдоль оси трубы. Вследствие этого, деформация труб, вызванная разностью температур их восходящих («горячих») и нисходящих («холодных») участков, накапливается однонаправленно в местах их гиба. Это может быть одной из причин повреждений труб, имеющих минимальные радиусы ги-бов и, следовательно, малую самокомпенсирующую способность.

Еще один негативный фактор - общая неравномерность распределения тепловой нагрузки по котловому объему парогенератора, обусловленная тем, что все «горячие» участки труб расположены в одной половине ПГ, а все «холодные» участки - и другой. В результате большая часть пара вырабатывается в «горячей» половине парогенератора, что приводит к несимметричному напряженно-деформированному состоянию конструкции ПГ, усложняет систему сепарации. Для рассматриваемых парогенераторов характерна также температурная разверка теплоносителя на выходе из труб, вызванная разницей в их длинах. Эта разверка в совокупности с неравномерной перфорацией трубной доски, вызванной наличием не-перфорированной стяжки, приводит к дополнительным температурным напряжениям в трубной доске. Из-за наличия по высоте теплообменных труб характерных теплофизических зон (экономайзер, испаритель) в случае возникновения и интенсификации коррозионных процессов в одной из зон одновременно повреждаются все трубы парогенератора. Следует отметить, что присущие известным конструкциям вертикальных парогенераторов с вертикальным расположением труб особенности сказываются не только на надежности собственно ПГ, но и на безопасности АЭС в целом. В частности, при снижении уровня теплоносителя первого контура в трубках прекращается его циркуляция, что приводит к прекращению теплоотвода через парогенератор. Это особенно важно при рассмотрении последствий теплоот-водных аварий, связанных с большими течами из системы первого контура в кон-тайнмент.

В известных парогенераторах корпус рассчитан на давление второго контура, поэтому при больших межконтурных течах происходит срабатывание сбросных устройств из второго контура. Таким образом, корпус парогенератора не является

барьером, локализующим активный теплоноситель в пределах парогенератора в такого рода авариях. Это обстоятельство также снижает безопасность АЭС.

,...2.3, Анализ видов дефектов, проявляющихся при эксплуатации парогенераторов, локализация этих дефектов показывают, что наиболее уязвимым элементом парогенераторов является трубная система, и повреждения возникают именно в трубной системе. По мере появления поврежденные трубы отглушаются, и после исчерпания запасов теплообменной поверхности, когда дальнейшая эксплуатация ПГ становится экономически неоправданной, парогенератор заменяется целиком, хотя большая часть труб и корпусные конструкции не имеют повреждений. Поэтому при разработке новых конструкций парогенераторов с особой тщательностью следует подходить к проектированию трубной системы ПГ. Разумным решением была бы разработка парогенератора, конструкция которого после выработки ресурса позволяет заменить только трубную систему ПГ без замены корпуса.

Как в нашей стране, так и за рубежом ведется поиск, путей повышения эксплуатационной надежности парогенераторов АЭС с PWR. За. рубежом в целях уменьшения негативных последствий указанных выше особенностей парогенераторов ведутся работы по следующим направлениям: применение новых, все более коррозионностойких конструкционных материалов, улучшение водно-химического режима, внедрение ремонтной и диагностической робототехники, проведение химических промывок для удаления отложений и, естественно, совершенствование конструкций ПГ. Однако, предложения по совершенствованию, ПГ не вносят принципиальных изменений в конструкции парогенераторов. Таким образом, негативные последствия конструктивных особенностей не исключаются, а лишь сглаживаются и проявляются в более позднее время. Учитывая, что конструктивные решения узлов парогенератора вносят определяющий вклад в надежность и безопасность.ПГ,.в настоящей работе рассматриваются преимущественно конструктивные аспекты парогенератора.

2.4. Предложенная концепция парогенератора предусматривает сохранение горизонтального расположения труб, характерного для парогенераторов Российских АЭС с реакторами типа ВВЭР.

Работа над новым типом ПГ связана с поручением МАЭ РФ о разработке ОКБМ надежного парогенератора для АЭС с ВВЭР-1000 в связи с имевшими место отказами эксплуатирующихся горизонтальных парогенераторов ПГВ-1000.

Проект вертикального секционного парогенератора разработан на новых конструктивных решениях, которые позволили исключить недостатки существующих парогенераторов.

Исходя из обеспечения максимальной надежности и безопасности парогенератора и АЭС в целом, в основу концепции парогенератора ПГВС положены следующие основные принципы:

1. оптимизация условий работы узлов и элементов ПГ;

2. секционность, которая предусматривает выполнение трубной системы ПГ" из набора одинаковых теплообменных секций;

3. обеспечение равномерной тепловой нагрузки зеркала испарения и котлового объема ПГ;

4. исключение щелевых зазоров со стороны второго контура между трубой и трубной доской (коллектором) в узле заделки труб;

5. вынесение труб из зоны скопления коррозионно-активных примесей (шлама);

6. горизонтальное расположение труб в вертикальном парогенераторе;

7. равномерная перфорация наиболее напряженного элемента ПГ - трубной доски (коллектора);

8. обеспечение возможности замены трубной системы парогенератора без замены корпуса;

9. расчет корпуса ПГ на максимальное давление во втором контуре, которое определяется возможными течами первого контура во второй внутри ПГ, включая разрыв коллектора внутри корпуса ПГ.

Естественно, что предложенная концепция предполагает сохранение всех достигнутых к настоящему времени требований по надежности, безопасности, контролепригодности, технологичности изготовления ПГ, диагностическому контролю в процессе эксплуатации, по обеспечению представительности проведения полномасштабных испытаний парогенератора на стендах.

2.5. На основе предложенной концепции была разработана новая конструкция вертикального парогенератора для АЭС различной мощности. В парогенераторе использована отработанная традиционная схема с кипением воды второго контура в межтрубном пространстве. В качестве примера рассмотрены характеристики и конструкция парогенератора ПГВС-1200 для АЭС электрической мощностью 1200 МВт. Расчетные характеристики парогенератора в номинальном режиме приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Парогенератор представляет из себя вертикальный сосуд с тештообменной поверхностью погружного типа и встроенными в корпус паросепарационными устройствами (рис.4). Греющий теплоноситель первого контура движется внутри труб, рабочая среда второго контура (вода-пар) - в межтрубном пространстве. Парогенератор ПГВС-1200 состоит из корпуса, секционированной трубной системы с коллектором, блока сепараторов, питательного коллектора. Корпус парогенератора имеет в своей средней части фланцевый разъем для обеспечения замены трубной системы с коллектором. Трубная система ПГ состоит из 2475 секций. Каждая секция содержит б теплообменных элементов, выполненных в виде горизонтальной эвольвенты. Исполнение трубной системы парогенератора позволяет провести полномасштабные, всесторонние, представительные испытания парогенератора (теплотехнические, сепарационные, ресурсные и др.) на стендах ОКБМ до запуска его в производство. ОКБМ обладает стендами мощностью до 45 МВт. Конструкция ПГ позволяет обеспечить проведение вихретокового контроля труб в процессе эксплуатации. Соединение труб с коллектором выполнено на сварке, зазоры со стороны второго контура в узле соединения отсутствуют (рис.5). Блок сепараторов представляет из себя одноступенчатую систему сепарации пара на основе осевых центробежных сепараторов глубокой осушки, разработанных и экспериментально обоснованных ЭНИН-ЭНИС. Конструктивные характеристики парогенератора приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2.

Парогенератор работает следующим образом. Теплоноситель первого контура через камеру подвода - отвода поступает из реактора в полость коллектора ПГ и через входные коллекторы секций подается в теплообменные элементы. Пройдя через теплообменные элементы и отдав тепло котловой воде, теплоноситель поступает в выгородки коллектора и затем возвращается в реактор. Питательная вода через патрубок в корпусе ПГ поступает в питательный кольцевой коллектор, откуда по трубам направляется в полость над погружным листом сепараторов. Здесь она смешивается с водой, отсепарированной из пароводяной смеси, и затем подается в

Л-Л Геплообмешшп

Камера подвода п 'отвода теплоносителя

Отбор пара

элемент

Рис. 4 Общий вид парогенератора ПГВС-1200

Коллектор

!/"с7 кции

А-А Теплообмениый элемент

Рис. 5 Расположение теплообменных элементов в секции

зазор между кожухом и корпусом ПГ, по которому опускается вниз. В нижней части корпуса котловая вода разворачивается и направляется в межтрубное пространство теплообменных секций, где, нагреваясь, превращается в пароводяную смесь, которая поднимается вверх и поступает в сепараторы. Отсепарированная вода стекает по погружному листу и смешивается со свежей питательной водой. Образующийся пар поступает в верхнюю паровую полость корпуса и отводится через паровой патрубок.

2.6. Поскольку при проектировании нового парогенератора программной задачей ставилось всемерное повышение его эксплуатационной надежности, представляется целесообразным рассмотреть принятые конструктивные решения во взаимосвязи с эффектами от их реализации. Секционирование теплообменной поверхности и выполнение теплообменных элементов в форме эвольвенты обеспечивает равномерное тепловыделение по котловому объему и равномерную паровую нагрузку зеркала испарения. Применение теплообменных элементов одного типоразмера исключает температурную разверку теплоносителя на выходе из теплообменных. элементов и возникающие вследствие этого температурные напряжения в выходных коллекторах. Общая равномерность и симметричность тепловыделений в парогенераторе обусловливает и равномерность полей напряжений конструкции, физико-химическую равномерность котлового объема, которая предотвращает возможность локального повышения концентрации агрессивных примесей.

Отказ от применения вальцованных соединений в узле соединения труб с трубными досками или коллекторами обеспечил исключение щелевых зазоров не-довальцовки со стороны второго контура, которые вносят наибольший повреждающий вклад в конструкциях существующих парогенераторов из-за многократного упаривания в щелях котловой воды и развития интенсивной щелевой коррозии. Теплообменные элементы соединяются с коллектором парогенератора на сварке.

Нижняя часть корпуса парогенератора (эллиптическое днище) не занята теплообменной поверхностью. Эта полость служит естественным сборником шлама. Таким образом, нижние теплообменные элементы вынесены из зоны скопления коррозионно-актйвного шлама. Такое решение вместе с исключением щелевых зазоров со стороны второго контура создает наиболее оптимальные условия работы теплообменных труб, что позволяет с большей уверенностью применить сталь 08Х18Н10Т, традиционно используемую для труб парогенераторов Российских АЭС с ВВЭР. Горизонтальное расположение труб повышает надежность парогенератора за счет того, что каждая труба находится в своей зоне по высоте парогенератора и, в случае интенсификации коррозионных процессов в этой зоне, повреждаются только трубы внутри зоны. Остальные трубы остаются в работоспособном состоянии.

Выполнение теплообменной поверхности из отдельных секций, размещение этих секций равномерно по высоте и наружному периметру коллектора обеспечило равномерную перфорацию и, следовательно, напряженно-деформированное состояние одного из наиболее напряженных элементов парогенератора - коллектора.

Наличие фланцевого разъема на корпусе парогенератора позволяет заменить трубную систему с коллектором без замены корпуса, а также снять ограничение на грузоподъемности крана, так как при замене нет необходимости демонтировать весь парогенератор.

Расчет корпуса парогенератора на максимально.возможное давление во втором контуре, которое определяется режимами нарушения нормальных условий эксплуатации и аварийными режимами, связанными с большой течью из первого контура во второй, повышает безопасность как парогенератора, так и АЭС в целом за счет локализации активного теплоносителя в пределах парогенератора. ...,,.,

3.1. Необходимость исследований в области компактных пластинчатых теп
лообменников возникла в связи с разработкой концептуального проекта коммерче
ской АЭС на базе модульных гелиевых реакторов и газотурбинных установок
(проект ГТ-МГР). Проекті ГТ-МГР является совместной разработкой фирм России,
США, Франции и Японии. Проект основан на прямом газотурбинном цикле преоб
разования энергии (цикл Брайтона) с высокоэффективной рекуперацией и проме
жуточным охлаждением теплоносителя. Независимые оценки ОКБМ и Дженерал
Атомикс (США) подтверждают высокий уровень эффективности производства
электроэнергии. Высокий КПД (~48%) обеспечивает существенное улучшение эко
номичности ГТ-МГР по сравнению с высокотемпературными гелиевыми реактора
ми (ВТГР) с паровым циклом преобразования энергии (-38%) и ВВЭР (-33%).

Основные проектные характеристики ГТ-МГР, в сравнении с АЭС с паровым циклом, обеспечивают значительное упрощение и сокращение количества необходимого оборудования и систем, в том числе систем безопасности, а также полное исключение из состава станции паротурбинного контура (паропроводов, конденсатора, деаэратора, подогревателей питательной воды, конденсатных и питательных насосов и др.).

2. С целью обеспечения высокого КПД установки ГТ-МГР необходимо создание эффективного рекуператора, который обеспечивает подогрев гелия, идущего в реактор, теплом гелия, выходящего из турбины. Особенностью использования рекуператора в ГТ-МГР является высокий перепад давления (~5 МПа) между потоками нагреваемого и греющего гелия в совокупности с высокими удельными теплогидравлическими характеристиками. В связи с этим возникают проблемы, связанные с удержанием перепада давления в рекуператоре.

3. Известно большое количество конструкций пластинчатых и пластинчато-ребристых теплообменников. Удержание перепада давления в таких теплообменниках осуществляется двумя способами. Первый заключается в использовании толстостенных плоских концевых плит, которые стягиваются анкерными болтами, второй способ предусматривает использование пайки пластин и ребер между собой.

Известные теплообменники очень чувствительны к неравномерности ПОЛЯ температур теплоносителей, которая вызывает напряжения в конструкции. Типичная схема пластинчато-ребристого паяного теплообменника приведена на рис.6. Существенными недостатками пластинчатых теплообменников являются: наличие толстостенных плоских концевых плит или использование пайки, которая вносит большой вклад в стоимость теплообменника (около 30%) и наносит ущерб окружающей среде.

3.4. При разработке рекуператора для ГТ-МГР усилия были направлены на исключение отмеченных выше недостатков с сохранением высоких удельных теп-логидравлических характеристик. Рекуператор на номинальном режиме работы (100% мощности) имеет значения параметров, приведенные в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Конструктивные характеристики рекуператора:

площадь поверхности теплообмена, м² 67068

количество параллельно работающих модулей, шт 20

количество тешюобменных элементов в модуле, шт 207

толщина стенки теплообменной поверхности, мм 0,35

масса одного модуля, кг 17900

3.5. Рекуператор выполнен модульным, т.е. в корпусе системы преобразования энергии ГТ-МГР размещены 20 одинаковых модулей, каждый из которых в свою очередь состоит из 207 одинаковых теплообменных элементов (рис.7). Модульный принцип компоновки теплообменной поверхности обеспечивает возможность отработки конструкции с точки зрения технологичности, проведения представительных всесторонних теплотехнических, ресурсных и др. исследований на отдельных теплообменных элементах.

Пластины Ребро

Пайка

Ребро

Рис.6. Паяный пластинчато-ребристый теплообменник

А-А Б„. ,..

Пластина (-М .. Наружная Гладкий участок

' юлость

Корпус v

Интенсификатор

Рис.7. Теплообменный элемент рекуператора

Корпус

I'nc.S. Теплообменник

Рис.9. Многоцелевой Рис.10. Теплообменаик теплообменник

3.6. В качестве теплопередающей поверхности рекуператора использованы
зипагообразно деформированные пластины (рис.7, сечение А-А). Этих пластин
может быть две, три или другое количество. Зигзаги пластин выполнены так, что по
внешнему контуру образуют окружность. Пластины заключены в цилиндрический
корпус. Края соседних пластин сварены; таким образом образовались две полости;
одна - со стороны внутренней поверхности пластин, другая - между внешней по
верхностью пластин и корпусом. Полость внутри пластин служит для потока гелия
с большим давлением. Таким образом, реализуется принцип автомобильного коле
са: герметичность обеспечивается камерой (пластинами), а прочность - покрышкой
(корпусом). Соседние участки зигзагообразно деформированных пластин выполне
ны чередующимися: один участок гладкий, другой - волнообразный (рис.7, вынос
ной элемент Б). Гладкий и волнообразный участки, опираются друг на друга. Рас
стояние между волнами определяется из расчета на прочность с учетом действую
щего перепада давления между полостями теплообменного элемента.

На входном и выходном участках теплообменного элемента в каналы между участками пластин установлены закладные элементы, которые приварены к пластинам и служат для разделения потоков греющего и нагреваемого гелия. Следует отметить еще одну, присущую данной конструкции особенность. Сварные швы приварки закладных элементов испытывают действие сжимающих нагрузок, что существенно повышает надежность конструкции рекуператора.

Теплообменная поверхность рекуператора отличается высокой компактностью, достигающей величины 1100 м²/м³.

7. Рекуператор работает следующим образом. Гелий из турбины с температурой 507,8С поступает во входные патрубки 20 параллельно подключенных модулей рекуператора. Далее гелий поступает во входные камеры модулей и из них -во внешнюю полость теплообменных элементов, где отдает тепло нагреваемому гелию и с температурой 129,4С выходит из рекуператора. Нагреваемый гелий из компрессора высокого давления с температурой 110,3С поступает во входные патрубки 20 параллельно подключенных модулей рекуператора, далее - во входной коллектор каждого модуля и из него - во внутреннюю полость теплообменных элементов. Пройдя внутреннюю полость и получив тепло от греющего гелия, гелий с температурой 487,9С выходит из рекуператора и поступает в реактор.

8. Исходя из условий работы рекуператора, в качестве конструкционного материала на стадии концептуального проекта принята аустенитная нержавеющая сталь 08Х16Н1ЩЗ, которая обладает жаропрочностью, стойкостью в гелии высокой чистоты при высоких температурах, необходимыми пластическими свойствами, свариваемостью, освоена промышленностью России.

4.1. Разработка двухтрубного парогенерирующего элемента позволила более
чем в 2 раза улучшить удельных характеристики созданных на его базе парогенера
торов и уменьшить массогабаритные характеристики реакторных установок.

Комплекс всесторонних представительных экспериментальных исследований унифицированных элементов (кассет) прямоточных парогенераторов, успешная многолетняя эксплуатация кассетных парогенераторов в составе судовых реакторных установок подтвердили их характеристики, в том числе ресурсные, и позволяют разрабатывать различные типы кассетных парогенераторов для реакторов блочного и интегрального типов.

2. Разработана и обоснована концепция и конструкция нового типа вертикального парогенератора ПГВС с горизонтальными трубами для АЭС с PWR. В конструкции парогенератора исключены факторы, приводящие к повреждениям и преждевременному выходу из строя существующих типов парогенераторов. Использование такого парогенератора повышает надежность и безопасность как парогенератора, так и АЭС в целом за счет локализации теплоносителя первого контура в пределах парогенератора в аварийных режимах, связанных с большими межконтурными течами.

3. Разработан и обоснован новый тип высококомпактного пластинчатого теплообменника, конструкция которого позволяет удерживать высокие перепады давления между полостями теплоносителя без использования толстостенных силовых элементов или пайки. Предложенная конструкция пластинчатой теплообмен-ной поверхности благодаря своей универсальности и многовариантности является новым перспективным направлением в разработке и использовании теплообменных аппаратов.

4. Конструкции двухтрубного парогенерирующего элемента, вертикального парогенератора и пластинчатого теплообменника защищены авторскими свидетельствами или патентами Российской Федерации.

Похожие диссертации на Опыт создания высокоэффективных теплообменных аппаратов для объектов атомной энергетики

Основы теории и создание герметичных машин и аппаратов с магнитными муфтамиКрасильников, Александр Яковлевич

Разработка концепции, обобщение опыта создания и практики управления космическими аппаратами связи нового поколенияСевастьянов Николай Николаевич

Разработка концепции, обобщение опыта создания и практики управления космическими аппаратами связи нового поколения : на примере спутниковой системы связи "Ямал"Севастьянов Николай Николаевич

Технические средства подачи температурно-активированной воды теплоэнергетической установкой для тушения пожаров на объектах энергетикиХрамцов, Сергей Петрович

Разработка, оценка и внедрение средств снижения риска в управлении безопасностью объектов энергетикиАкатьев Владимир Андреевич

Нормирование требований к средствам тушения электрооборудования под напряжением на объектах энергетикиКолбасин, Андрей Александрович

Гидравлическое сопротивление напорных пожарных рукавов и его снижение при введении в поток воды геля полиакриламида при тушении пожаров на объектах энергетикиХоанг Зань Бинь

Технология применения рукавных систем с пропускной способностью более 100 л/с для тушения пожаров на объектах энергетикиОльховский Иван Александрович

Методика определения физико-химических параметров самовозгорания угольной пыли в системах транспортировки топлива на объектах энергетикиТурсенев, Сергей Александрович

Разработка математических моделей и методик стохастического моделирования для вероятностного анализа безопасности и надежности объектов энергетики Волков Андрей Александрович