Содержание к диссертации
Введение
1. Способы снижения повреждаемости в локальных зонах концентрирования примесей. Обзор предшествующих работ и постановка задачи 13
1.1. Макро- и микрораспределение примесей в ПГ 13
1.2. Удаление примесей с непрерывной и периодической продувкой парогенератора .15
1.3. Повышение эффективности выведения нерастворенных примесей из объема ПГ в процессе планового останова энергоблока 17
1.4. Удаление отложений с помощью химической промывки парогенераторов .20
1.5. Гидродинамическая отмывка «карманов» парогенератора 24
1.6. Методы снижения напряжений в зоне сварного соединения №111 .29
1.7. Выводы и постановка задачи 36
2. Разработка и натурное исследование способа эффективного вывода нерастворенных примесей из объема парогенератора в процессе пуска энергоблока 39
2.1. Спектр крупности частиц шлама 39
2.2. Составление системы балансовых уравнений для определения макрораспределения нерастворенных примесей 48
2.3. Натурное исследование удаления нерастворенных примесей из парогенератора в процессе пуска на Ростовской АЭС 59
Выводы по главе 2 71
3. Математическое моделирование периодической продувки парогенератора. Способы недопущения зашламления «карманов» коллекторов 73
3.1. Краткое описание системы периодической продувки «карманов» коллекторов .73
3.2. Построение твердотельной геометрии 75
3.3. Построение конечно-элементной сетки 80
3.4. Задание граничных условий 83
3.5. Решение и получение результатов 87
3.6. Анализ полученных результатов .101
3.7. Описание способа предотвращения «зашламления» «карманов» и трубопроводов периодической продувки ПГ .103
3.8. Совершенствование технологии химической промывки парогенератора. Модернизация системы сжатого воздуха 106
3.9. Проведение химической промывки после модернизации системы сжатого воздуха 110
Выводы по главе 3 112
4. Натурное исследование на АЭС устройства снижения напряжений в зоне сварного соединения №111 ПГ 114
4.1. Описание конструкции УСНК 123
4.2. Построение расчетной модели УСНК 124
4.3. Натурное исследование УСНК на АЭС 131
4.4. Натурное исследование влияния УСНК на параметры энергоблока АЭС при проведении опытно-промышленной эксплуатации .137
4.5. Результаты дефектоскопии металла зоны сварного соединения №111 РоАЭС и БалАЭС. Рекомендации по дальнейшей эксплуатации УСНК .144
Выводы по главе 4 .149
Заключение. 151
Список литературы
- Удаление примесей с непрерывной и периодической продувкой парогенератора
- Составление системы балансовых уравнений для определения макрораспределения нерастворенных примесей
- Построение твердотельной геометрии
- Натурное исследование УСНК на АЭС
Удаление примесей с непрерывной и периодической продувкой парогенератора
Одной из причин нарушения целостности металла в локальных зонах концентрирования примесей являются продукты коррозии – шлам [32, 79]. Для понимания процессов накоплений шлама в парогенераторе необходимо исследовать распределение растворенных и нерастворенных примесей в ПГ, а также способы их выведения из объема ПГ.
Распределение примесей в парогенерирующем оборудовании определяет такие процессы, как чистота генерируемого пара, скорость нарастания отложений, коррозионные процессы. На настоящий момент примеси, вносимые в объем кипящего рабочего тела, разделяются на четыре класса [4, 54]: 1) примеси хорошо растворимые в воде и нерастворимые в паре (типа Na,Ca,Mg); 2) примеси достаточно хорошо растворимые как в воде, так и в паре (типа Si); 3) примеси, нерастворимые ни в воде, ни в паре – шлам; 4) примеси, хорошо растворимые в паре (паролетучие) (морфолин). В работах [9, 21, 15, 30, 33, 64, 76] описывается распределение растворенных примесей (первого и второго типа). Причем рассматривается и распределение примесей в объеме рабочей среды по длине ПГ (макрораспределение), и локальное изменение концентраций примесей вблизи (на расстоянии порядка 100 мкм) от теплопередающей поверхности (изменение концентрации примесей в кипящем слое жидкости, непосредственно примыкающем к теплопередающей поверхности) (микрораспределение).
Благодаря знаниям о распределении растворенных примесей в объеме ПГ были достигнуты положительные результаты по снижению интегральной загрязненности рабочего тела за счет модернизации схем водопитания и продувки [35, 71]. Модернизация заключалась в изменении схем водопитания, продувки и перераспределения циркуляции в объеме парогенераторов. Главной целью модернизации являлось перемещение максимума солесодержания от коллекторов теплоносителя (от более теплонапряженной зоны) к образованному в холодном торце «солевому отсеку» (к менее теплонапряженной зоне), путем перераспределения питательной воды по длине парогенератора. Из «солевого отсека» организована непрерывная продувка котловой воды с наибольшей концентрацией растворенных примесей [71].
Распределение нерастворенных примесей отличается от распределения растворенных примесей, что необходимо учитывать при изучении процессов накопления шлама в «карманах» и его выводе из объема парогенератора [9, 25]. Данный факт очень важен при совершенствовании регламента ведения непрерывной и периодической продувки, при разработке способов эффективного вывода нерастворенных примесей из ПГ.
Микрораспределение нерастворенных примесей рассматривается в работах [9, 21, 40]. В зависимости от коэффициента диффузии, растворимости в паре и др. при повышении тепловой мощности и работе РУ на номинальном уровне мощности происходит концентрирование примесей до значений, превышающих их содержание в объеме ПГ на несколько порядков (хайдаут). У стенок ТОТ «прячутся» как растворенные, так и нерастворенные примеси (шлам), только механизм прятанья разный. В процессе останова энергоблока наблюдается значительное увеличение концентрации растворенных примесей в воде ПГ, а также оседание шлама, не фиксируемое в процессе эксплуатации, и его скопление в определенном месте за счет пространственной циркуляции.
Одним из способов снижения повреждаемости трубного пучка ПГ и повышения эксплуатационной надежности парогенератора является эффективное удаление нерастворенных примесей из зон локального их концентрирования, а также разработка способов по недопустимости зашламления указанных зон в процессе нормальной эксплуатации и в переходных режимах работы энергоблока на основе исследования макро- и микрораспределения примесей в ПГ.
Удаление примесей с непрерывной и периодической продувкой парогенератора Для удаления растворенных и нерастворенных примесей из парогенератора применяются непрерывная и периодическая продувка [70, 71].
Непрерывная продувка применяется для поддержания на допустимом уровне концентрации растворенных примесей в ПГ (рис. 1.1). Непрерывная продувка организована из «солевого отсека» - зоны с наибольшей концентрацией растворенных примесей.
Необходимость выполнения непрерывной продувки заключается не только в удалении растворенных примесей. Часть нерастворенных примесей ведет себя подобно растворенным и их эффективное удаление с непрерывной продувкой способствует уменьшению образования отложений.
Периодическая продувка, как правило, применяется для удаления нерастворенных отложений шлама с нижней образующей ПГ и «карманов» коллекторов (рис. 1.1). В линиях периодической продувки имеется небольшой постоянный расход для обеспечения прогрева линий во избежание термоциклического нагружения в момент включения продувки.
В схеме имеется шесть линий периодической продувки, две из которых из торцевых участков ПГ и четыре из карманов коллекторов теплоносителя [71]. При этом обеспечивается возможность раздельной продувки из торцевых участков и «карманов» коллекторов.
Включенная периодическая продувка эффективна только короткое время (30мин после открытия) [71]. В течение этого времени идет смыв шлама, вторичных отложений со стенок трубопровода и зоны нижней образующей корпуса ПГ, прилегающей к месту врезки трубопровода в корпус, шлама, осевшего при предыдущей разгрузке энергоблока.
Составление системы балансовых уравнений для определения макрораспределения нерастворенных примесей
Для обеспечения надежной и безопасной эксплуатации парогенераторов АЭС с ВВЭР необходимо своевременно удалять отложения с теплообменной поверхности труб и из объема ПГ. Отложения могут приводить к развитию коррозионного растрескивания теплообменных труб.
Существенный вклад в развитие локальных видов коррозии вносит содержащаяся в отложениях медь. В условиях восстановительного ВХР второго контура медь может существовать как в виде оксидов, так и в металлическом виде. Как правило, медь откладывается в нижних слоях отложений непосредственно на поверхностях теплообменных труб и является одним из факторов, способствующих развитию коррозионных дефектов.
Предельная величина удельной загрязненности для ПГ АЭС нового поколения – не более 100 г/м2. При превышении этого уровня необходимо удаление отложений. Единственным способом удаления отложений продуктов коррозии с теплообменной поверхности ПГ, на настоящий момент является химическая промывка. Такие работы регулярно проводятся на действующих АЭС. Опыт проведения химических промывок парогенераторов АЭС с ВВЭР-1000 описан в [8, 12, 43].
В [2, 3, 62] описана технология химической промывки, проведенная на Ростовской АЭС, предусматривающая удаление накопленных отложений в три этапа с применением следующих растворов: ацетат аммония +нитрит натрия + аммиак для удаления соединений меди и ЭДТК + ацетат аммония+ гидразин на этапе удаления железоокисных отложений. Эффективность рецептуры и безопасность её применения подтверждена многочисленными экспериментальными исследованиями.
Промывочный раствор на каждом этапе подавался через коллектор раздачи химических растворов, расположенный в паровом пространстве ПГ. На этапе удаления меди (первый и третий) температура раствора в ПГ – (40-60)оС, на этапе удаления соединений железа (второй этап) температура раствора в ПГ в пределах (100 – 120)оС обеспечивалась работой ГЦН первого контура. Перемешивание промывочного раствора в ПГ на этапе удаления железа осуществлялось за счет вскипания раствора, на «медном» этапе – путем подачи воздуха через линии продувки и дренажа. Химическая промывка проводилась непосредственно в конце расхолаживания энергоблока перед ППР.
Химическая промывка парогенераторов 1ПГ-1,3 от отложений и шлама со стороны второго контура по указанной технологии была проведена в ППР-2005. Прогнозируемая средняя удельная загрязненность металла теплообменных труб отложениями на момент проведения химической промывки 1ПГ-1,3 составляла 150 г/м2 с содержанием соединений железа – 75% массы., соединений меди – 25%.
Технология химической промывки ПГ предусматривала выполнение трех этапов.
Перевод отложений в растворимую форму осуществляется с помощью моющих растворов на основе водных растворов комплексообразователей (ЭДТК, ацетат аммония), окислительно-восстановительных компонентов (нитрит натрия, гидразин-гидрат), корректировкой рН раствора с использованием аммиака и организации соответствующего температурного режима.
Подача промывочных растворов в парогенераторы осуществлялась по коллектору раздачи химического раствора, установленному в паровом пространстве ПГ.
При проведении 1-го и 3-го этапов химической промывки в качестве окислителя использовался нитрит натрия. Разогрев промывочного раствора в парогенераторах при проведении 2-го этапа химической промывки осуществлялся теплом теплоносителя I-го контура за счет остаточных энерговыделений активной зоны реактора и работы ГЦН.
Для эффективного перемешивания растворов в объеме парогенераторов на 1-ом и 3-ем этапах использовался сжатый воздух, а также периодическое открытие БРУ-А. При проведении 2-го этапа перемешивание осуществлялось за счет кипения раствора, сжатый воздух в парогенераторы не подавался.
Продолжительность химической промывки 1ПГ-1,3 без учета времени на заполнение и дренирование ПГ составила: Предложенный состав промывочного раствора на основе ацетата аммония и нитрита натрия устойчиво связывает в комплексы соединения меди, входящие в состав отложений, что делает возможным максимально эффективно удалять соединения меди во время проведения первого этапа химической промывки (167,9 кг CuO из 1ПГ-1; 177,8 кг CuO из 1ПГ-3).
Всего из 1ПГ-1 и 1ПГ-3 удалено отложений 1611,2 кг (FeO) 363,4 кг (CuO). Отсутствие свободного ЭДТК в конце второго этапа химической промывки свидетельствует о том, что она полностью расходуется на образование комплексов с соединениями железа, что также подтверждает эффективность выбранной рецептуры промывочного раствора.
По результатам внутреннего осмотра парогенераторов 1ПГ-1,3 максимальная удельная загрязненность теплообменных труб на контролируемых участках после химической промывки составила 14,0 г/м2 (1ПГ-1) и 17,9 г/м2 (1ПГ-3), следов осаждения металлической меди не зафиксировано, массовая доля соединений меди в отложениях с теплообменных труб снизилась в среднем с 15% до 0,3% (1ПГ-1) и с 19% до 0,5% (1ПГ-3). Аналогичные работы по химической промывки были выполнены на ПГ-2,4 Ростовской АЭС в процессе ППР-2006.
Построение твердотельной геометрии
Для решения гидродинамической задачи необходимо создание граничных условий (вход, выход и т д.). Необходимо создать плоскости с именами, которым потом будут присвоены определенные свойства.
Создадим «Вход» на одной из труб. Убеждаемся, что работаем с плоскостями. Выбираем нужную плоскость и нажимаем правую кнопку, в меню выбираем Creat Named Slection.
В решаемой задаче расчетной областью является продувочная вода ПГ, свойства жидкости импортируются из базы данных. Важной составляющей успешного решения системы уравнений Навье-Стокса явлется корректное задание граничных условий. В решаемой задаче на стенке (Wall) задается условие равенства нулю всех компонентов вектора скорости.
В местах примыкания трубопроводов периодической продувки к штуцерам коллекторов и к днищу ПГ были поставлены открытые граничные условия Boundary Type – «Opening» с целью расчета направления движения продувочной воды при эксплуатации парогенератора.
На входе в штуцера периодической продувки горячего и холодного коллекторов поставлено избыточное давление 6,27 МПа, температура – 278 0C [22]. Согласно регламенту ведения продувки парогенераторов Балаковской АЭС [58] непрерывная продувка ПГ должна осуществляться из солевого отсека с расходом не менее 7,5 т/ч, нижней образующей корпуса ПГ и из «карманов» коллекторов первого контура с расходом 0,5 до 2 т/ч каждого ПГ.
Периодическая продувка парогенераторов должна осуществляться из нижней образующей корпуса ПГ и «карманов» коллекторов первого контура по линиям продувки ПГ как совместно, так и раздельно. Пропускная способность по линии продувки с нижней образующей корпуса ПГ и «карманов» коллекторов каждого ПГ до расширителей продувки должна быть не менее 20 т/ч.
При подключении периодической продувки одного парогенератора суммарный расход продувки всех парогенераторов должен быть не менее 50 т/ч.
При допустимых значениях показателей качества продувочной воды ПГ из «солевых» отсеков периодическая продувка проводится ежесуточно при состоянии энергоблока «горячее», «работа на минимально контролируемом уровне мощности», «работа на мощности»: по 1 часу на каждый ПГ – продувка только «карманов» коллекторов, по 1 часу на каждый ПГ – продувка «карманов» и нижней образующей ПГ. С учетом вышесказанного граничные условия будем задавать для следующих режимов продувки: 1. Продувка «карманов» коллекторов ПГ. 2. Продувка «карманов» коллекторов и нижней образующей ПГ. 3. Прогрев продувочных линий только «карманов» ПГ. 4. Прогрев продувочных линий «карманов» и нижней образующей ПГ. На выходе из системы трубопроводов периодической продувки ПГ поставлено граничное условие по значение массового расхода среды. При включенной периодической продувке значение расхода – 20 т/ч.
Для варианта при прогреве продувочных линий взято значение расхода – 2 т/ч. С помощью арматуры RY11S15 (рис. 3.1) происходит переключение режимов продувки с только «карманов» на «карманы» и нижнюю образующую парогенератора.
Для создания расчёта необходимо перетянуть вкладку CFX на значок Mesh в рабочем проекте Workbench. По кнопке Setup заходим в CFX.
В дереве модели выбираем вкладку Analysis type, необходимо указать тип расчёта (стационарный или нестационарный). В меню выбираем Steady state, стационарный расчёт.
Нажимаем Apply а затем OK в меню закладки Analysis type. Переходим к настройкам расчётной зоны. Выбираем в дереве модели по Default Domain. Откроется вкладка с настройками. В окне Fluid and Particle Definitions перечислены доступные домены (в нашем случае это вода в трубах). В настройках Fluid убеждаемся, что в пункте Material выбрано Water. Материал «Вода» доступен по умолчанию (для создания своего материала необходимо в дереве модели выбрать правой кнопкой мышки на пункт Materials и выбрать Insert нажать Material и настроить свой материал).
Для задания рабочего давления в разделе Pressure в пункте Reference Pressure вводим величину давления.
Перейдем на вкладку Fluid Models. Здесь необходимо установить рабочую температуру и выбрать модель турбулентности. В разделе Turbulence в строчке Options из выпадающего списка выбираем стандартную модель k-Epsilon. Существует много различных моделей турбулентности, у всех есть как плюсы, так и минусы. Выбираем k-Epsilon, так как она максимально сбалансирована между точностью расчёта и ресурсами ЭВМ.
k-Epsilon – стандартная модель турбулентности, которая включает уравнения переноса для турбулентной кинетической энергии k и скорости ее диссипации epsilon. Данная частная форма k-epsilon модели турбулентности для больших чисел Рейнольдса, используемая в ANSYS CFX, «подходит» для полностью турбулентных, сжимаемых или несжимаемых течений. В ней уравнения движения преобразуются к виду, в котором добавлено влияние флуктуации средней скорости (в виде турбулентной кинетической энергии) или процесса уменьшения этой флуктуации за счет вязкости (диссипации). В данной модели решается два дополнительных уравнения для транспорта кинетической энергии турбулентности и транспорта диссипации турбулентности.
Остальные настройки оставляем по умолчанию. Задаем граничные условия.
В рабочей панели нажимаем кнопку Boundery, в появившемся окне вводим имя. В пункте Boundary Type выберем «Opening», а в пункте Location укажем IN_1. Для плоскости IN_1 присвоены свойства «Opening». Переходим в вкладку Boundary Details. Здесь необходимо задать избыточное давление. Для этого в пункте Relative Pressure установим число равное 6,27 МПа. Остальные настройки оставляем по умолчанию. Аналогично настроим остальные входы. Выход создаётся аналогично входу. В пункте Boundary Type выберем Outlet. Для настройки выходных данных в пункте Options выбираем Mass Flow Rate и устанавливаем необходимое значение согласно режиму продувки. Для настройки решателя выбираем Solver Controls. Все настройки решателя необходимо оставить по умолчанию. Отдельно стоит уделить внимание пункту Residual Terget. Это критерий сходимости. Во время вычисления программа сравнивает полученный результат с предыдущим, когда разница между ними достигнет критерия сходимости, то считается, что решение найдено (рис. 3.10).
Натурное исследование УСНК на АЭС
В соответствии с пояснениями в главе 3 построена твердотельная модель, конечно-элементная сетка, заданы граничные условия по температурам на стенке горячего коллектора, на нижней образующей парогенератора.
На построенной расчетной модели моделировались будущие натурные исследования УСНК на действующих АЭС, задавался различный расход (соответствующий определенной частоте вращения электродвигателя вентилятора) и температура входного в кожух воздуха. Также моделировалось исходное состояние устройства снижения напряжений при отключенных вентиляторов с естественной циркуляцией воздуха по воздуховодам до кожуха.
Увеличение частоты оборотов двигателя, а следовательно и расхода воздуха приводит к снижению температур металла и снижению напряжений в указанной зоне. Из анализа расчетов следует вывод, что наибольшие изменения параметров УСНК происходят на малых частотах. Учитывая этот факт, а также оптимальное снижение температуры снижение температуры металла на (50-120)0C [10], нагрев воздуха в боксе ПГ (рис. 4.11-4.21), экономическую целесообразность главный оптимальный параметр, определяющий работу УСНК, частота регулирования оборотами электродвигателей вентиляторов примем 20 Гц.
. Натурное исследование УСНК на АЭС При непосредственном участии автора были внедрены на Ростовской и Балаковской АЭС новые устройства УСНК, призванные повышать эксплуатационную надежность парогенератора.
После монтажа оборудования УСНК в холодном состоянии энергоблока были проведены работы по натурному подтверждению аэродинамических характеристик системы, заявленных на этапе разработки.
После завершения разогрева реакторной установки энергоблока и стабилизации значений температур УСНК и корпуса ПГ были проведены натурные исследования УСНК с целью определения диапазона частотного регулирования оборотами электродвигателей вентиляторов для снижения температуры металла наружной поверхности зоны сварного соединения №111 в необходимом диапазоне значений (50120)C и проверки расчетных данных, подтверждения выбора оптимальных значений параметров работы УСНК. Контроль изменения указанной температуры производился по показаниям термопреобразователей сопротивления, установленным на металле коллектора.
В процессе работ было зафиксировано нехарактерное снижение показаний ТС, находящихся на металле коллектора (рис. 4.22). Данный факт связан с конструктивной особенностью крепления термопреобразователей к металлу. Термочувствительные ТС, закрепленные на металле коллектора с помощью хомутов и предназначенные для измерения температуры металла, охлаждаются потоками турбулизированного холодного воздуха, за счет чего показания ТС становятся ниже фактической температуры металла
Учитывая вышесказанное, для дальнейших экспериментов разработан дополнительный критерий эффективности работы УСНК по температуре подводящего и отводящего воздуха, а именно поддержанием разницы значений температур между входящим в кожух и выходящим из него потоками воздуха не менее 18 0C.
Результаты натурных исследований УСНК парогенератора №1 энергоблока №1 Ростовской АЭС представлены на рис. 4.23.
В ходе работ на РоАЭС выполнен контроль за изменением температуры воздуха на входе в кожух, температуры воздуха на выходе из кожуха, температур металла наружной поверхности зоны сварного соединения №111, температуры металла нижней части ПГ-1, температуры в помещении центрального зала ГА-701 при работе вентиляторов на разных уровнях мощности или разных частотах: 10, 20, 30, 40, 50 Гц;
Экспериментальные данные по УСНК показали, что температура в помещении центрального зала и боксе ПГ при работе устройства не изменилась. Надо сказать, что влияние УСНК на температуру в боксе парогенератора и центральном зале гермообъема вызывало большое беспокойство на этапе разработки устройства.
Полученные натурные данные по температурам металла коллектора немного отличаются от расчетных. Как говорилось выше, это связано с «занижением» показаний термометров сопротивления, обдуваемых потоком воздуха.
Надо сказать, если абсолютные значения температур несколько отличаются, то изменения распределения температур при увеличении частоты вращения вентилятора, что в расчетной модели, что при натурных исследованиях удовлетворительно совпадают.
Аналогично можно сделать вывод, что учитывая оптимальное снижение температуры снижение температуры металла на (50-120)0C (рис. 4.23), нагрев воздуха в боксе ПГ, экономическую целесообразность главный оптимальный параметр, определяющий работу УСНК, частота регулирования оборотами электродвигателей вентиляторов должна составить 20 Гц.
На данном значении частоты был откорректирован на Ростовской АЭС автоматический режим работы устройства УСНК, предусматривающий автоматическое изменение расхода в зависимости от температуры входного воздуха.
