Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние исследований рабочего процесса в аппаратах с конденсацией пара из парогазовой смеси 14
1.1. Исследования влияния неконденсирующихся газов на теплообмен 14
1.2. Исследования устойчивости процесса в аппаратах с конденсацией пара 48
1.3. Выводы и постановка задачи исследования . 67
Глава II. Экспериментальное исследование влияния неконденсирующихся газов на теплообмен при конденсации 71
2.1. Исследование локальной теплоотдачи при конденса ции пара из парогазовой смеси на наружной поверх ности трубы в кольцевой щели 71
2.1.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов 71
2.1.2. Методика обработки опытных данных 81
2.1.3. Оценка погрешности измерений 84
2.1.4. Определение теплоотдачи при течении воды 88
2.1.5. Теплоотдача при конденсации чистого пара 90
2.1.6. Определение локальных коэффициентов теплоотдачи в зависимости от концентрации неконденсирующихся газов, давления парогазовой смеси, чисел Рейнольдса смеси, плотности теплового потока 98
2.2. Экспериментальное исследование влияния неконденсирующегося газа на теплоотдачу при конденсации водяного пара в межтрубном пространстве вертияального пучка труб 114
2.2.1. Описание экспериментального стенда и методики проведения испытаний 114
2.2.2. Методика обработки результатов испытаний и оценка погрешности эксперимента 123
2.2.3. Результаты экспериментов по определению влия ния неконденсирующихся газов на теплоотдачу в пучке труб 126
2.2.4. Исследование равновесных концентраций некон денсирующихся газов и распределения объемного газосодержания по высоте рабочего участка 137
2.3. Расчет поверхности теплообменных аппаратвв при конденсации пара из парогазовой смеси 144
Глава III. Расчетно-аналитическое исследование устойчивости аппаратов с конденсацией пара 148
3.1. Постановка задачи 148
3.2. Основные уравнения и их решение 149
3.3. Определение области неустойчивости . 163
3.4. Выводы 166
Глава IV. Особенности гидродинамики тракта слива конденса та из сепараторов-пароперегревателей 167
4.1. Данные промышленных испытаний СШ на Нововоронежской и Ленинградской АЭС 157
4.2. Исследование параллельной работы сепараторов-пароперегревателей СПП-500-І на Чернобыльской АЭС .
4.2.1. Задачи испытаний
4.2.2. Описание аппарата СїїП-500-І, схемы экспериментального контроля и методики проведения испытаний
4.2.3. Результаты испытаний
4.3. Выводы и рекомендации .
Глава V. Некоторые особенности рабочега процесса в аппаратах с конденсацией пара из парогазовой смеси 214
5.1. Особенности работы теплопередающей поверхности при конденсации пара из парогазовой смеси 214
5.2. Особенности работы аппаратов с конденсацией парапри их параллельном включении и работе на один конденсатосборник 217
Использование результатов работы и экономический эффект от их внедрения 226
Выводы 227
Литература 230
Приложение 241
- Исследования устойчивости процесса в аппаратах с конденсацией пара
- Экспериментальное исследование влияния неконденсирующегося газа на теплоотдачу при конденсации водяного пара в межтрубном пространстве вертияального пучка труб
- Основные уравнения и их решение
- Исследование параллельной работы сепараторов-пароперегревателей СПП-500-І на Чернобыльской АЭС
Введение к работе
В значительной части теплообменного оборудования АЭС происходят процессы, сопровождающиеся конденсацией сухого насыщенного и влажного пара. В сепараторах-пароперегревателях СШ-500, СШ-500-І, СПП-220, СПП-22Ш, СШЫООО турбин K-500-65/S000, К-220-44/3000, K-500-60/I500 блоков B5MK-I000, ВВЭР-440, ВВЭР-1000 происходит конденсация острого пара и пара из первого отбора турбины /І/. В ряде случаев конденсация происходит в присутствии неконденсирующихся газов (аппараты СШ-500, СШІ-500-І), выделяющихся в процессе радиолиза воды и водяного пара в реакторе. В парогенераторах ЯЭ7 с кипящими реакторами (типа ВК-100, ВК-500) происходит процесс конденсации насыщенного водяного пара с примесью неконденсирующегося газа. В настоящее время проектируются и изготавливаются головные образцы атомных станций теплоснабжения (ACT), в которых также имеет место конденсация парогазовой смеси во встроенных теплообменниках первого контура. Аналогичные процессы происходят в технологических конденсаторах и другом тепло-обменном оборудовании АЭС. В большинстве случаев движущийся пар конденсируется на наружной поверхности продольно обтекаемых труб.
Процессы, происходящие при конденсации пара из парогазовых смесей, отличаются значительной сложностью и до настоящего времени мало изучены в области параметров, характерных для теплообменного оборудования АЭС. Неконденсирующиеся газы, главным образом водород и кислород, являются продуктами радиолиза воды и в корпусных реакторах кипящего типа выделяются в количестве 130 нмл на кг пара (И^) и 30 нмл на кг (0г) . В реакторах канального типа выход радиолитических газов примерно в три раза меньше /2/.
При определенных условиях газы могут образовывать взрывоопасную гремучую смесь и способствовать резкому ухудшению теплоотдачи при их накоплении у поверхности теплообмена, что приводит к значительному увеличению поверхности нагрева и удорожанию аппаратов. Для создания оптимальных конструкций теплообменных аппаратов необходимо располагать данными о зависимостях локальных и средних коэффициентов теплоотдачи от геометрических характеристик, режимных параметров, геплофизических свойств рабочей среды, величины равновесной концентрации неконденсирующихся газов в паре.
Теплообменные аппараты с конденсацией пара обычно включены параллельно по греющей среде и работают на один конденсатосборник. Существует много факторов, способствующих образованию разверок по давлению конденсирующегося пара, что приводит к периодическому подтоплению одной группы аппаратов (модулей, кассет) переохлажденным конденсатом. При этом оборудование испытывает гидроудары, резкие перепады температур, вибрацию, что приводит к выходу аппаратов из строя и останову блока.
Для устранения разверок по давлению греющего пара требуется применение уравнительных линий, продувок, доохладительных отсеков для конденсации сдуваемой парогазовой смеси, что может привести к повышению концентрации неконденсирующегося газа в отдельных зонах поверхности нагрева. Таким образом, изучение ухудшения теплообмена при конденсации парогазовой смеои может ответить на вопрос о допустимости тех или иных мероприятий по устранению неустойчивой работы параллельно соединенных пароконденсирующих аппаратов.
В свою очередь, борьба с неконденсирующимися газами требует применения продувок, что может повлиять на устойчивость расхода конденсата по сливным линиям аппаратов. Анализ рабочего процесса
в теплообменном оборудовании АЭС показывает тесную взаимосвязь между процессом теплообмена при конденсации парогазовой смеси и вопросами т.н. "параллельной работы" пароконденсирующих поверхностей.
Зарубежный и отечественный опыт эксплуатации аппаратов с конденсацией чистого пара и парогазовой смеси свидетельствует о таких явлениях, как образование зон со взрывоопасной концентрацией гремучей смеси, снижении тешіопередающей способности аппаратов в результате загазованности, неустойчивом сливе конденсата, приводящем к периодическому подтоплению поверхности нагрева, и ее термоциклированию, в результате чего снижается надежность и спе-цификационные характеристики теплообменников. Следовательно, для повышения надежности и эффективности теплообменного оборудования АЭС с конденсацией пара необходимы опытные данные как по теплоотдаче при конденсации пара, так и по гидродинамике параллельно включенных пароконденсирующих систем.
В диссертации приведены результаты экспериментальных исследований локальных значений коэффициентов теплоотдачи при конденсации чистого пара и парогазовой смеси давлением Р =(2,СН-8,0) МПа. Теплоотдача исследовалась на специально созданном стенде в диапазоне концентраций неконденсирующегося газа &=( 04-0,14), плотности теплового потока 0, =(35,04-163,0) кВт/м* Показано, что степень ухудшения теплоотдачи при конденсации парогазовой смеси данной концентрации зависит как от плотности теплового потока, так и от абсолютного давления смеси.
Приведены результаты экспериментального исследования рабочего процесса при конденсации чистого пара и парогазовой смеси в вертикальном пучке труб. В качестве инертного газа использованы <_азот и гелий. Получены данные по средней теплоотдаче и распреде-
лению концентраций неконденсирующихся гахов по высоте пучка труб при работе с полной конденсацией пара и со сдувкой. Исследованы режимы с подачей парогазовой смеси снизу пучка труб. Показана возможность пульсаций температур потока смеси при таком подводе.
Проведено аналитическое исследование устойчивости слива конденсата из пароконденсирующих аппаратов на примере работы второй ступени СПП-500-І. В работе исследованы процессы, происходящие при конденсации пара из парогазовой смеси, гидродинамика параллельно включенных пароконденсирующих аппаратов; результаты исследований удовлетворительно согласуются как между собой, так и с данными других исследований, а также с результатами промышленных испытаний сепараторов-пароперегревателей СПП-500-І на Чернобыльской АЭС.
На основании выполненных исследований предложены расчетные зависимости для позонного расчета теплоотдачи при конденсации пара из парогазовой смеси, разработаны и внедрены мероприятия по повышению надежности сепараторов-пароперегревателей турбин насыщенного пара АЭС. Результаты работ внедрены на Подольском машиностроительном заводе им.Орджоникидзе, институте атомной энергии им.Курчатова при разработке модульной конструкции сепараторов-пароперегревателей СПП-500-І, при анализе гидравлических схем параллельного включения сепараторов-пароперегревателей по греющему пару и разработке мероприятий по повышению их надежности, при разработке водно-газового режима атомной станции теплоснабжения АСТ-500.
Данные по теплоотдаче при конденсации пара из парогазовой смеси использованы в РТМ 108.020.107-76 "Тепловой и гидравлический расчет промежуточных сепараторов-пароперегревателей турбин насыщенного пара АЭС".
Автор защищает:
расчетные зависимости по определению локальной теплоотдачи при конденсации пара из парогазовой смеси при позонном расчете вертикального пучка труб;
результаты экспериментальных исследований средней теплоотдачи при конденсации пара из парогазовой смеси в вертикальном пучке труб, распределения газа по высоте пучка, равновесных концентраций в конце поверхности теплообмена при работе с полной конденсацией;
результаты расчетно-аналитических и экспериментальных исследований устойчивости процесса конденсации и слива конденсата в промежуточных сепараторах-пароперегревателях;
способы организации условий, повышающих эффективность теплообмена в оборудовании с конденсацией пара, обеспечивающих устойчивую гидродинамику тракта слива конденсата в параллельно включенных пароконденсирующих аппаратах.
Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте атомного энергетического машиностроения (ВНИИАМ) в отделе & 8.
Все работы по исследованию процесса конденсации пара из парогазовой смеси и исследованию устойчивости процесса конденсации в параллельных каналах СШ выполнялись автором при поддержке и внимании Подольского машиностроительного завода им.Орджоникидзе (ЗиО), научно-производственного объединения Центральный котло-турбинный институт им.Ползунова (НПО ЦКТИ) и института атомной энергии им.Курчатова (ИАЭ). Диссертант приносит искреннюю благодарность Главному конструктору ЗиО по АЭС, к.т.н.Гребенникову В.Н., зам.главного конструктора Артемову Л.Н., зав.конструкторским бюро Баканову А.Ф., зам.зав.бюро Головко Н.С, завлабораторией
|>
к.т.н.Буркову В.К., ведущим инженерам Крейдину Б .Л., Крейдину И.Л., зав.лабораторией НПО ЦКТИ к.т.н.Паскарю Б.Л., старшему научному сотруднику, к.т.н. Иващенко Н.И., к.т.н. Кректунову О.П., младшему научному сотруднику, к.т.н.Фишман Н.М., завлабораторией ИАЭ им.Курчатова к.т.н.Соколову И.Н., старшим научным оотрудникам к.т.н.Дубровину А.В., Ермакову В.А., а также всем сотрудникам ВНИЙАМ, принимавшим участие в настоящей работе.
Исследования устойчивости процесса в аппаратах с конденсацией пара
С проблемой устойчивости параллельно включенных по конденсируемому пару аппаратов в атомной энергетике проектировщики, наладчики, исследователи и эксплуатационники столкнулись сравнительно недавно. Сложность проблемы заключалась в недостаточности знаний о природе этого явления, в отсутствии опыта эксплуатации такого рода оборудования. Промежуточные сепараторы-пароперегреватели турбин и подводящие и отводящие трубопроводы греющего пара и конденсата проектировались без учета взаимного влияния процессов в СПП и в системе их обвязки. Тем не менее, уже на стадии проектирования аппаратов СПП-500, СПП-500-І, СШ-220 ЦКТИ и Подольским машиностроительным заводом им.Орджоникидзе ставилась задача исследования возможной неустойчивой работы аппаратов за счет разверок по давлению греющего пара. Однако отсутствие теоретических и экспериментальных работ, опыта эксплуатации и проектирования этого сложного оборудования не позволило должным образом решить все вопросы параллельной работы СПП.
Вопросы устойчивости параллельных парогенерирующих каналов исследовались достаточно полно. При этом рассматривались различные типы гидродинамической неустойчивости:1. Нестабильность в параллельных каналах. В таких каналах, работающих при постоянном перепаде давления, могут быть колебания расхода периодического характера, либо быстрое необратимое изменение расхода в группе каналов.2. Нестабильность в контуре естественной циркуляции. Наблюдался пульсирующий поток в контуре с естественной циркуляцией, состоящего из обогреваемого канала, тягового участка и холодного опускного участка.3. Нестабильность в кипящих реакторах. В кипящих реакторах различают колебания, вызванные эффектами кинетики реактора и изменениями энергетических уровней /36/.4. Нестабильность в одиночных парогенерирующих каналах и другие типы гидродинамической неустойчивости.
В монографиях /37,38/ подробно рассмотрены вопросы гидродинамической устойчивости кипящих аппаратов с привлечением относительно сложного математического аппарата, базирующегося на концепциях, разработанных для теории автоматического регулирования. При этом кипящие аппараты рассматриваются как некоторые динамические системы, находящиеся под воздействием внешних факторов и определенным образом реагирующие на эти факторы.
Линейную динамическую систему с сосредоточенными параметрами возможно описать линейным однородным дифференциальным уравнением возмущенного движения Л -го порядкаОбщее решение этого уравнения имеет вид:
Здесь Сі - постоянные, получаемые из начальных условий; $1 - корни характеристического полинома.
Частное решение =СіС где &L=c(i+JU)i- в общем случае комплексный корень полинома (1.49) можно представить в виде:При (jJi =0 - имеет апериодическое решение, COL " колебательное. Система будет устойчивой, если все корни характеристического полинома (1.49) будут иметь отрицательную вещественную часть
Система будет неустойчивой, если хотя бы один корень характеристического полинома будет иметь положительную вещественную часть dCt 0.
Если один из OCL =0, то система находится на границе устойчивости /37/.Вопросы гидравлической нестабильности при работе теплообмен-ных аппаратов с конденсацией рассмотрены в ряде работ Л0кшина В.А. Так, в работе /39/ рассмотрены режимы работы пароконденсатного теплообменника с горизонтальным расположением труб при вертикаль-
коллекторах. Исследования подобного теплообменника-калорифера для подогрева воздуха показали, что в отдельных трубах имеет место опрокидывание движения нагревающего потока. Выполненный анализ показал, что суммарное изменение нивелирного напора, динамического напора и потерь на трение в отдельных случаях может привести к тому, что на отрезке ГП Л (см.рис.1.20) давление Рг $ ив соответствующих змеевиках на этом участке может возникнуть застой или опрокидывание потока /39/. Условие отсутствия нарушений устойчивости движения Нг Pi. Посколькуусловие предотвращения застоя и опрокидывания имеет вид:где /-/ - высота коллектора;fa - высота расположения труб со средним расходом; &Р3„ - потеря давления в змеевике со средним расходом среды; йРрк -повышение давления пара в распределяющем коллекторедля змеевика со средним расходом; йрск - потеря давления пара в собирающем коллекторе доуровня расположения змеевика со средним расходом; А Ррк - максимальное изменение давления пара в распределяющем коллекторе; &Рск - максимальная потеря давления в собирающем коллекторе. В работе /39/ делается вывод о том, что при проектировании парокондеясирующегося теплообменника с вертикальными коллекторами для предотвращения застоя и опрокидывания максимальная их высота не должна быть больше, чем рассчитанная по формуле (1.53). а) - низкие я умеренные скорости потока пара;б)- высокие скорости потока пара C J В работе /40/ рассмотрены частные случаи работы пароконденси-рующих аппаратов с прямыми вертикальными теплообменными трубами. Поскольку перепад между камерами устанавливается в соответствии со средней тепловой нагрузкой и общим гидравлическим сопротивлением пучка, он один и тот же для всех труб. Поэтому каждая отдельная труба работает при вынужденном для нее перепаде давлений. Уровень конденсата в нижней камере аппарата специально не поддерживается, однако расход пара по тепловой нагрузке подбирается таким, чтобы в нижнюю камеру поступал конденсат. При этом при низких и умеренных скоростях потока пара гидравлическое сопротивление обычно меньше, чем нивелирный напор и тогда Рг Р, (рис.1.21). При повышенных скоростях потока парауровня в пьезометрической трубке С, если вода в ней находится при температуре насыщения, определяетсякакгде hmax - высота расположения пьезометрического уровня;П - средняя напорная плотность смеси. J см
Высота свободного уровня конденсата в разверенной трубеперепад давления в теплообменнике;Отмечается, что гидравлическая разверка, вызванная тепловой неравномерностью и нетождественностью геометрических размеров, может приводить к появлению свободного уровня и как следствие к переохлаждению конденсата в одних трубах и протоку пара через другие трубы. В работе /40/ рекомендуется проектировать верти
Экспериментальное исследование влияния неконденсирующегося газа на теплоотдачу при конденсации водяного пара в межтрубном пространстве вертияального пучка труб
Схема стенда для исследования тепломассообмена при конденсации парогазовой смеси в вертикальном пучке труб представлена на рис.2.27. Пар ТЭЦ Мосэнерго с начальными параметрами Р =13,8 МПа и температурой І =540С через систему дросселей 2, холодильник впрыскивающего типа 3 поступает в рабочий участок 6, Параметры пара на входе в рабочий участок Р=(1,5-8,5) МПа, температура
В качестве охлаждающей среды используется питательная вода котлпш с параметрами Н =18,0 МПа, =180С. С помощью паровых нагревателей II и холодильника 12 температуру охлаждающей воды возможно изменять в интервале (90т220)С. Схемой стенда предусмотрена также подача парогазовой смеси в нижнюю часть трубного пучка (линия с вентилем 14) (рис.2.27).
В качестве неконденсирующегося газа используется азот (в опытах при Р =8,2 МПа также и гелий), который из баллонов 19 через редуктор 20 подается в линию греющего пара. Отборы проб парогазовой смеси для измерения концентраций неконденсирующегося газа производятся из подводящих линий греющего пара, межтрубного пространства рабочего участка, а также из линий слива конденсата.
Рабочий участок рис.2.28 представляет из себя сосуд под давлением наружным диаметром а а/яО, 196 м, толщиной стенки 4г=0,019 м, длиной =2,9 м, внутри которого расположена поверхность теплообмена, выполненная в виде прямотрубного пучка из 37 труб инар -=0,014 м, длиной =2,07 м, расположенных по равностороннему треугольнику с шагом /S =0,019 м.
По высоте пучка труб через 0,52 м установлено три дистанци-онирующие решетки. Они собраны из пластин толщиной и =0,002 м, высотой Л =0,02 м, которые касаются окружности трубы в 4-х точках в плане. Таким образом, существенной турбулизации и срыва пленки конденсата дистанционирующие решетки не производят. Поверхность теплообмена пучка труб с учетом нижней камеры, выполненной в виде "плавающей головки", составляет //=3,31 м .
По охлаждающей среде пучок труб является двухходовым, вода поступает в 18 периферийных труб сверху вниз (рис.2.28), достигает "плавающей головки" и по 18-ти центральным трубам возвращается на выход из рабочего участка (одна из центральных труб является глухой с отверстиями для прохода трубки пробоотборника, рис. 2.29).
Таким образом, при охлаждении некипящей водой по сечению имеется неравномерность плотности теплового потока, но в среднем по высоте удельный тепловой поток изменяется незначительно. Рабочий участок снабжен (рис.2.28) штуцерами Ау=0,01 м для отбора проб парогазовой смеси из разных по высоте сечений межтрубного пространства. Для отбора проб парогазовой смеси применяется устройство (рис.2.2Щ позволяющее путем перемещения штока отбирать пробы из разных точек по глубине пучка. Пробы парогазовой смеси охлаждаются в охладителе, дросселируются и затем поступают в измерительное устройство (рис.2.30) для определения концентрации газа в смеси.
Работа измерительного устройства видна из рис.2.30; оно отличается от описанного в работе /71/ тем, что давление газа в измерительной бюретке равно атмосферному, а не давлению в месте отбора пробы. Это позволяет оперативно оценивать концентрацию неконденсирующегося газа в нм3/кг непосредственно во время проведения опыта. Этот способ определения концентрации был использован в серии опытов при давлении парогазовой смеси Р =8,2 МПа, и частично при И =1,66 МПа. В последующих опытах при давлении Р =1,66 МПа в пробоотборники были вмонтированы хромель-алюме-левые термопары ХА, изготовленные из термопарного кабеля КТМС наружным диаметром оболочкииНст =1,5.1О"3 м, диаметром электродов Ц =0,2.10-3 м Таким образом имелась возможность измерять температуру парогазовой смеси по глубине пучка. Термопары тщательно тарировались по образцовому манометру при температуре насыщения, для чего в рабочий участок подавался насыщенный пар с незначительным количеством влаги. Поправки, равные разнице между температурой насыщения, определенной по давлению, измеренному манометром, и температурой, измеренной непосредственно термопарой, учитывались при обработке результатов эксперимента.
Конденсат пара из рабочего участка поступает в бак-уровнемер 8 и дальше через холодильник 9 в расходомерные бачки 10. Имеется возможность держать постоянный уровень конденсата в бачке 8, где он контролируется о помощью протарированного комплекта приборов ДСР и ДМ. Возможно также поддерживать уровень в нижней части корпуса рабочего участка, где контроль за уровнем осуществляется через расходомерное стекло 7 (рис.2.27). На стенде была предусмотрена подача парогазовой смеои в нижнюю часть рабочего участка. Таким образом проверялась самая неблагоприятная ситуация с точки зрения удаления неконденсирующихся газов из рабочего участка за счет растворения в конденсате.
В опытах измерялись следующие величины:- расход конденсата пара;- расход охлаждающей воды;- давление пара и парогазовой смеси;- давление охлаждающей воды;- температура пара и парогазовой смеси;- температура конденсата на выходе из рабочего участка;- температура парогазовой смеси в пяти сечениях рабочего участка;- температура охлаждающей воды на входе и выходе из рабочего участка; уровень конденсата в корпусе рабочего участка или в баке-уровнемере ;- концентрация газа на входе, выходе и по высоте рабочего участка.
Опыты по изучению рабочего процесса при конденсации парогазовой смеси проводились в два этапа. На первом этапе исследовалась теплоотдача при конденсации чистого пара давлением Р«2 МПа, и Р =8,2 МПа при удельных тепловых потоках О =(50fI40) кВт/м . Замеры проводились после стабилизации теплового режима при постоянном уровне конденсата. При этом строго контролировался режим работы с полной конденсацией пара в рабочем участке.
После записи (2тЗ) точек на определенном режиме с чистым паром в линию греющего пара подавался неконденсирующийся газ -азот, а в опытах при г =8,23 МПа также и гелий. Стабильность подачи неконденсирующегося газа контролировалась по перепаду на капилляре, через который этот газ подавался, а величина концентрации - путем периодического отбора проб для измерения концентрации в греющем паре.
После подачи неконденсирующегося газа наступило ухудшение теплоотдачи при конденсации, что выражалось в снижении расхода пара в рабочий участок, повышении его давления, снижении температуры парогазовой смеси в конце рабочего участка (сечение 5) (рис.2.28). Стабилизация режима определялась по стабилизации давления парогазовой смеси, температуры в сечении Ш 5 и стабилизации концентрации газа в конденсате греющего пара, а также по стабилизации температуры охлаждающей воды на выходе из модели. После записи параметров стабилизированного режима увеличивалась концентрация неконденсирующегося газа в паре.В работе были также предварительно определены тепловые по
Основные уравнения и их решение
Теплообменные поверхности сепараторов-пароперегревателей обычно расположены вертикально и работают практически с полной конденсацией пара при низкой плотности тепловых потоков (СШ-500-І) Схематично работа такой поверхности показана на рис.3.1 /85/. При построении расчетной схемы исходим из следующих допущений: 1. Температура пароводяной смеси по высоте теплообменника не зависит от гидростатического давления и от динамического давления, связанного с действием сил инерции в столбе смеси. 2. Температура нагреваемой среды и коэффициенты теплоотдачи неизменны по высоте теплообменника. 3. Расход конденсата на выходе из конденсатосборника постоянен. 4. В стационарном состоянии в конденсатосборник из теплообменника, подключенного параллельно рассматриваемому, вносится с паром количество тепла, компенсирующее переохлаждение конденсата. ад-е. 5. Инерцией массы пара во входной линии пренебрегаем. Вариация расхода теплоносителя на входе в теплообменник: Вариация расхода теплоносителя на выходе из теплообменника: Здесь Дг - перепад давления на входной линии теплообменникам &Нш перепад давления с учетом инерционной составляющей на сливной линии теплообменника; &ІХ Бел расход среды на входе и сливе из теплообменника. Здесь J/ - периметр теплообмена; o - средняя высота теплообменной поверхности с пароводяной смесью; to - температура нагреваемой среды; - температура насыщения, соответствующая давлению пароводяной смеси в аппарате; Lr? - энтальпия пара на входе в теплообменник; . - энтальпия воды в выходном сечении, которое принимаете (условно), расположенным ниже среднего уровня конденсата. Для связи энтальпии в плоскости конденсата д ив расчетной плоскости ho определим градиент энтальпии по высоте водяного участка Отбрасывая величины второгопорядка малости, можно записать: Баланс массы в расчетном объеме теплообменника запишется следующим образом: Здесь (д/ - = - - скорость конденсата на участке с однофазным течением. В действительности среднее время выпадения сконденсированной влаги имеет конечную величину. Оно учитывается введением запаздывающего аргумента btK , равного среднему времени выпадения конденсата, в те члены уравнения (S.I7), которые связаны с конденсацией пара в аппарате. Таким образом можно записать: Поскольку вариация расхода на сливе влияет на изменение уровня без запаздывания, во второй член в круглых скобках задержка Д& , равная среднему времени выпадения конденсата, не введена. Для определения массы воды и пара, находящейся в расчетном объеме теплообменника, определим среднее время запаздывания притока сконденсировавшейся влаги к границе пар-вода (уровню конденсата в теплообменнике). Весовой расход воды на расстоянии п. от входа в теплообменник равен: Масса пара в единице объема парового пространства: Здесь X влагосодержание. Поскольку Х г-6 , то с учетом (3.20) скорость переме ho щения пара равна: Примем, что скорость капель воды относительно пара равна WK, тогда скорость падения капель равна: Определим изменение температуры конденсата на участке однофазной среды. Температура конденсата на выходе из теплообменника равна: Здесь htg - время движения конденсата в области однофазного течения в пределах теплообменника; Q - количество тепла, снимаемого с единицы длины теплообменной поверхности; С - теплоемкость конденсата. Варьируя (3.27), получш следующее выражение вариации температуры охлаждаемой среды на выходе из теплообменника: \ Путь,пройденный однофазной средой, вышедшей в момент из теплообменника, равен: Пусть движение среды мало отличается от стационарного. Тогда варьируя (S.29) и сохраняя лишь линейные слагаемые, получим: С учетом сливной линии между теплообменником и конденсатосбор-ником вариацию времени прохождения конденсатом однофазного тракта можно записать как: где д - время прохождения конденсатом участка от теплообменника до конденсатосборника. Смысл формулы (3.32) достаточно ясен. Первым слагаемым учитывается влияние длины участка, а вторым - изменение средней скорости движения за время прохода среды по однофазному участку тракта. С учетом (3.32) вариацию температуры среды на входе в кон-денсатосборник можно записать как: + G t-itu і- [8GJ Jdiy]. h-(3.33) v Определим производную давления по времени в конденсатосборнике. Масса пароводяной смеси в конденсатосборнике: где $cS - сечение конденсатосборника; Цс - высота конденсатосборника; fl - высота конденсатосборника, занятая паром. Продифференцировав (3.S4) по времени, получим: 159 Приравнивая (S.S6) и (3.39) и проведя ряд тождественных преобразований, получим: dfe= 4fe " "g " _. __ -(й-п)й (3-40) Выразим производные по массе и энтальпии конденсатосборяика через вариации расхода и температуры на сливе и через вариацию температуры в конденсатосборнике. С учетом допущения п.З: $= 8а„ (3-41 Подставив (3.41) и (3.42) в (3.40), получим: _ -{Гя-Гі)Єо-Сг(ді,-8іеи)] Поскольку Qtu -мі RO . где J±J: - производная н dp Нн dP от температуры по давлению на линии насыщения, вариацию температуры среды на входе в конденсатосборник можно выразить через вариацию давления в теплообменнике. Поэтому (3.33) запишется как:
Исследование параллельной работы сепараторов-пароперегревателей СПП-500-І на Чернобыльской АЭС
Испытания проводились с целью выполнения следующих задач:- получения эксплуатационных теплогидравлических характеристик аппаратов при агрузках турбины от 200 до 500 МВт;- измерения параметров СШ-500-І при переходе с одной нагрузки турбоагрегата на другую;- проверки устойчивости параллельной работы аппаратов при имеющихся трубопроводах греющего пара;- изучения влияния совместной работы двух турбин на устойчивость слива конденсата;- изучения температурного поля потока нагреваемого пара между первой и второй ступенями перегрева;- выявления аппарата, работающего в худших гидродинамических условиях по греющему пру;- разработки конструктивных и эксплуатационных мероприятий по повышению работоспособности СІШ-500-І.
Сепаратор-пароперегреватель СїїП-500-І (рис.4.1) предназначен для осушки и перегрева пара после ЦВД турбины К-500-65/3000. Аппарат состоит из вертикального корпуса диаметром 4,13 м, содержащего сепаратор и две ступени перегрева. Сепаратор, состоящий из 20 одинаковых сепарационных блоков, расположен в верхней части корпуса. Сепарационные блоки размещены в кольцевом пространстве между корпусом и выходным патрубкомjfly=I,2 м, кроме того там же предусмотрен внутренний кольцевой коллектор и труба диаметром А=0,2 м, предназначенная для отвода отсепарированной влаги. Каждый сепарационный блок имеет три пакета, состоящих из направляющих лопаток и жалюзи.
Пароперегреватели состоят из отдельных жеогкотрубных модулей,—з —4набранных из труб диаметром 14.10 , с толщиной стенки 12.10 м, причем применяются модули двух типов, а именно: модули наружным диаметром корпуса 0,273 м и 0,325 м. Модуль диаметром 0,273 м состоит из 162 труб, модуль диаметром 0,325 м - из 254 труб. Первая степень перегрева СПП-500-І образована 56-ю модулями 0,325 и четырьмя модулями 0,275 м, расположенными в периферийной зоне СПП. Вторая ступень перегрева образована 70-ю модулями диаметром 0,325 м, расположенными в центральной части аппарата.
Модули обеих ступеней установлены на опорной решетке и разделены друг от друга фигурной перегородкой. Влажный пар из ЦВД турбины поступает через входной боковой патрубок iJy=I,2 м во входную кольцевую камеру, из которой раздается по входным клиновым коллекторам сепаратора и затем, пройдя направляющие лопатки, поступает на жалюзи.
В первую ступень перегрева пар поступает осушенным до влаж- ности (0,2fl,0)#, проходит внутри труб модулей первой ступени. В нижней части аппаратов поток нагреваемого пара меняет направление на противоположное и, пройдя по трубам модулей второй ступени перегрева, поступает в центральный выходной патрубок ily=I,2 м, откуда направляется в ДНД турбины.
Греющий пар поступает в межтрубное пространство модулей, для чего он подводится к камерам первой и второй ступени перегрева, расположенным на корпусе аппарата и далее по трубам внутренним диаметром 2.IO м к модулям первой и второй ступени.
Конденоат пара из модулей трубами внутренним диаметром 2.10 м отводится к камерам слива конденсата, расположенным в нижней части корпуса СШ. Далее конденсат по трубопроводам, поступает в конденсатосборники первой и второй ступени соответственно. Сепарат нагреваемого пара турбины отводится в сепаратосборник.
В качестве греющего пара для второй ступени перегрева используется острый пар, отбираемый перед стопорно-регулирующими клапанами турбины, для первой ступени отбирается пар из первого отбора ЩЭД. Концентрация неконденсирующегося газа (Иг, 02) в греющем паре составляет 4.10- весовых.
Ниже в таблице приводятся проектные данные по аппарату при номинальной нагрузке 500 МВт. На рис.4.2 и 4.3 представлены схемы подвода нагреваемого и греющего пара и схема слива конденсата и сепарата.
В соответствии с поставленными задачами была разработана и смонтирована схема экспериментального контроля для четырех аппаратов СПП-500-І турбины ТГ-І, включающая как штатный КИП, так и экспериментальный (замеры температур греющего и нагреваемого пара по всем аппаратам СІШ) (рис.4.4, 4.5).
В опытах измерялись следующие величины: - мощность турбогенератора, МВт;- расход пара перед стопорно-регулирующими клапанами (СРК), кг/с;- температура греющего пара перед СРК, С;
