Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Развитие конструкции ПГ АЭС с ВВЭР и проблемы их эксплуатации 16
1.1 РазвишеконструкищгоризоніальньїхПГ. 16
1.2 Конструкция вертикальных ПГ с естественной ігиркуляцией 35
13 Сравнение горизонтальных ПГ с вергикалъньгми 40
1.4 Проблемы эксплуатации ПГ АЭС с ВВЭР и пути их решения 47
1.4.1 Нормирование качества воды второго контура 47
1.4.2 Влияние различных факторов на повреждения труб 58
1.4.3 Исследование закономерностей распределения дефектов труб по объему ПГ 72
Глава 2. Условия теплопередачи и температурные поля 78
2.1 Осс6енностатеішопередачивгоризонтальньк 78
2.1.1 Распределение тепловых потоков и режимы теплоотдачи 78
2.1.2 Определение проектных параметров 80
2.1.3 Определение коэффициента теплопередачи 86
2.1.5 Запас поверхности теплообмена 97
2.1.6 Влияние уровня 99
2.2 Распределение температур 102
2.2.1 Температуры на выходе из теплообменных труб 102
2.2.2 Температуры на наружной стенке теплообменных труб и условия теплоотдачи 105
2.2.3 Исследования условий перемешивания в зоне раздачи питательной воды 106
2.2.4 Изменение температур в водяном объеме в динамических режимах 113
Глава 3. Распределение паросодержаний и скоростей среды в водяном объеме ПГ 117
3.1 Опьпные данные о паросодержаниях 117
3.1.1 Методика измерений 117
3.1.2 Измерения паросодержаний в ПГВ-440 120
3.1.3 Измерения паросодержаний в ПГВ-1000 123
3.2 Определение среднего паросодержания и запаса воды в ПГ . 131
3.2.1 Роль запаса воды и способы его определения 131
3.2.2 Измерения запаса воды в ПГВ-440 133
3.2.3 Оценка запаса воды в ПГВ-1000 и показания уровнемеров 138
33 Огіьптіе данные о скоростях циркуляции 142
3.3.1 Методика измерений 142
3.3.2.Скорости циркуляции в ПГВ-440 144
3.4 Схема массообмена и определение кратности циркуляции 151
3.4.1 Определение кратности циркуляции в горизонтальном ПГ 151
3.4.2 Кратность циркуляции в ПГВ-440 154
3.4.3 Общая схема массообмена в ПГВ-1000 155
3.4.4 Расход циркулирующей воды и кратность циркуляции в ПГВ-1000 159
3.4.5 Влияние паросодержания в межтрубном коридоре ПГВ-1000 на кратность циркуляции 164
3.4.6 О проблемах гидродинамики и массообмена в ПГ 170
Глава 4. Поведение примесей в объеме второго контура 173
4.1 Баланс примесей в ПГ и их удаление с продувкой 173
4.1.1 Уравнение баланса примесей 173
4.1.2 Удаление примесей с непрерывной и периодической продувкой 175
4.1.3 Внешняя организация продувочных линий и регламент продувки 178
42 Исследования распределения примесей в водяном объеме 181
4.2.1 Первоначальное распределение примесей в ПГВ-1000 181
4.2.2 Влияние реконструкции раздачи питательной воды и продувки на распределение примесей в ПГ 184
Глава 5 Математическое моделирование процессов в ПГ 196
5.1 Роль модели ПГ в расчетном обосновании РУ и методы моделирования 196
52 Тегаопідравлический расчет ПГ в стационарном режиме 200
53 Моделирование естественной циркуляции 208
5.4 Моделирование массообмена и распределения растворенньк нелетучих примесей 221
5.5 Разработка расчетного кода STEG для моделіфования циркуляции ЮІШЇГЮМ контуре ПГ 229
5.5.1 Описание методики расчета и математической модели 229
5.5.2 Законы межфазного взаимодействия 235
5.5.4 Законы взаимодействия двухфазной среды с трубчаткой 238
5.5.4 Исследование гидродинамических параметров второго контура 240
Заключение 250
Практическая значимость 250
Апробация работы 251
Публикации 251
Выводы 251
Список литературы 254
Приложение
- Конструкция вертикальных ПГ с естественной ігиркуляцией
- Распределение температур
- Определение среднего паросодержания и запаса воды в ПГ
- Тегаопідравлический расчет ПГ в стационарном режиме
Введение к работе
Актуальность проблемы.
АЭС, оснащенные РУ с водой под давлением, являются наиболее распространенными, как в России, так и в мире. Важнейшими компонентами этих энергоблоков являются парогенераторы (ПГ). Стоимость комплекта ПГ типа НТВ-1000 составляет более 30 млн. долларов. От надежности ПГ в значительной степени зависят экономические показатели работы энергоблока. Стоимость простоя.энергоблока в случае отказа ПГ составляет более 300 тыс. долларов в сутки.
По состоянию на 2002 г. на АЭС с ВВЭР, построенных по российским проектам, эксплуатируются 168 ПГ типа ПГВ-440 и 88 ПГ типа 111 В-1000. ПГ горизонтального типа используются на всех двухконтурных АЭС России, Украины, Армении, а также в Болгарии, Чехии, Словакии, Венгрии, Финляндии. Программой развития атомной энергетики на период до 2010 г. предусмотрен ввод в эксплуатацию в России 8 новых энергоблоков с ВВЭР-1000. Решается задача реновации и продления ресурса действующих блоков АЭС с ВВЭР. Ведется сооружение 5 энергоблоков за рубежом в Иране, Индии и Китае. Проектируются перспективные АЭС с ВВЭР-640, ВВЭР-392 и ВВЭР-1500.
На ряде энергоблоков с ВВЭР-1000 имелись проблемы с ПГ, которые приводили к необходимости их замены до истечения проектного ресурса. Вместе с тем, обосновано продление ресурса ПГ, эксплуатирующихся на первых серийных энергоблоках с ВВЭР-440.
Из вышеизложенного вытекают большие научно-технические задачи, стоящие перед разработчиками парогенераторов. Разработка и обоснование более надежных и экономичных конструкций парогенераторов является одной из наиболее актуальных проблем при проектировании новых и модернизации действующих энергоблоков.
Целью работы является разработка и научное обоснование новых конструкций парогенераторов с улучшенными техническими характеристиками и повышенной надежностью, на основе комплекса исследований тепло- и массообмена и теплохимических процессов, а также разработка методик математического моделирования тепло- и массообмена в них и расчетных кодов. Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем:
Экспериментально изучены процессы теплообмена и температурные поля в объеме второго контура ПГ. Установлены основные закономерности, описывающие процесс теплообмена. Впервые экспериментально изучен процесс перемешивания питательной воды и выявлено явление «захолаживания» в определенных режимах. Предложены и обоснованы новые технические решения по конструкции узла раздачи питательной воды и ПГ в целом.
Исследованы гидродинамические процессы в ПГ АЭС с ВВЭР. Впервые получены и обобщены обширные данные по паросодержаниям и скоростям в водяном объеме второго контура. По результатам исследований сформулированы основные закономерности массообмена и построена общая картина циркуляции, что позволило научно обосновать и реализовать новые технические решения по управлению процессами массообмена.
Впервые поставлены проблемы экспериментальных и теоретических исследований по распределению примесей в воде парогенератора. С учетом полученных закономерностей массообмена сформулированы основные принципы применения в ПГ схемы ступенчатого испарения и решена задача оптимизации распределения примесей.
Исследованы основные факторы, влияющие на условия работы трубного пучка, и сформулированы требования к повышению его эксплуатационной надежности. Предложена и теоретически обоснована новая оптимизированная компоновка трубного пучка.
На базе выявленных закономерностей тепло- и массообмена созданы методики расчета тепло- и массообмена и распределения примесей в объеме парогенератора, которые реализованы в комплексе расчетных кодов.
11 Использование этих кодов позволило теоретически обосновать предложенные технические решения.
В итоге, на основе проведенных исследований впервые предложена единая (комплексная) концепция тепло- и массобменных и тепло-химических процессов в парогенераторах АЭС с ВВЭР, что позволило предложить и реализовать конструктивные меры, существенно повысившие надежность и эффективность парогенераторов. Новизна технических решений подтверждена шестью патентами.
Экспериментальные работы проводились в основном в натурных условиях, что позволило исключить влияние масштабного фактора на результаты исследований. Разработанные методики и расчетные коды верифицированы либо находятся в стадии верификации. Результаты работы апробированы путем широкомасштабного внедрения на действующих энергоблоках АЭС с ВВЭР и подтверждены опытом эксплуатации.
На защиту выносятся следующие положения и результаты: результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований распределения параметров (температуры, скорости движения, концентрации примесей) в ПГ АЭС с ВВЭР; комплекс методик и расчетных кодов для моделирования процессов тепло- и массобмена; развитие и реализация принципа ступенчатого испарения в ПГ АЭС с ВВЭР за счет распределения питательной воды и отбора продувки; научно-техническое обоснование устройства раздачи питательной воды для интенсификации циркуляции; научно-техническое обоснование конструкции трубных пучков с оптимизированной компоновкой.
В первой главе дан анализ проблем эксплуатации и развития конструкции ПГ АЭС с ВВЭР.
Проанализированы главные проблемы, встретившиеся в процессе эксплуатации ПГ и методы их решения. Изменения конструкции показаны в связи с накоплением результатов исследований. Рассмотрено влияние процессов гидродинамики и массообмена на повреждения элементов ПГ. Проведено сравнение конструкции горизонтальных ПГ АЭС с ВВЭР с вертикальными ПГ, применяемыми на АЭС с PWR. Выделены преимущества и недостатки различных конструктивных решений. В результате проведенного анализа показано, что решение проблем эксплуатации находится в рамках конструктивной концепции горизонтального ПГ.
Рассмотрены механизмы коррозионной деградации теплообменных труб ПГ и изучены закономерности распределения дефектов. Показано, что в настоящий момент основной проблемой совершенствования эксплуатации и увеличения срока службы ПГ является повышение надежности трубчатки, которое, в первую очередь, должно достигаться за счет совершенствования конструкции конденсатно-питательного тракта, направленного на снижение поступления в ПГ коррозионно-активных примесей. Вместе с тем, по результатам проделанного анализа намечены пути исследований и совершенствования конструкции ПГ.
К основным мероприятиям по совершенствованию конструкции ПГ в части гидродинамики относятся: оптимизация распределения примесей в ПГ и удаления их с продувкой; интенсификация циркуляции пароводяной смеси в трубном пучке за счет оптимизации компоновки теплообменных труб; улучшение условий для опускного движения в межтрубных каналах.
Во второй главе проанализированы результаты экспериментальных исследований условий теплоотдачи и температурных полей в ПГ.
Изучено влияние основных проектных параметров (расхода теплоносителя, разности температур на выходе из теплообменных труб, длины труб) на теплоотдачу в ПГ и рассмотрены пути оптимизации использования теплообменной поверхности. Исследованы распределение тепловых потоков и режимы теплоотдачи.
Проведен анализ и обобщены экспериментальные данные по коэффициенту теплопередачи. Исследовано влияние на теплопередачу различных факторов и даны рекомендации по методикам расчета.
Приведены результаты натурных экспериментов по исследованию распределения температур теплоносителя первого контура на выходе из теплообменных труб и выявлены закономерности изменения температур.
Исследованы условия перемешивания в зонах раздачи питательной воды.
Проведенные исследования позволили изучить условия теплоотдачи в различных эксплуатационных режимах, выделить режимы, важные для обоснования прочности элементов ПГ, и предложить обоснованные технические решения по конструкции узла раздачи питательной воды и ПГ целом.
Третья глава посвящена натурным исследованиям паросодержаний в водяном объеме второго контура ПГ с использованием различных методов, а также полей скоростей пароводяной смеси.
Проанализированы и обобщены данные о паросодержаниях в межтрубных коридорах, над трубным пучком, а также над ПДЛ. Исследовано влияние эксплуатационных параметров (уровня воды и мощности) на закономерности изменения паросодержаний в различных точках. Впервые составлена обобщенная картина распределения паросодержаний в объеме НТВ-1000, что позволило сделать выводы о характере процессов, определяющих гидродинамику водяного объема.
Исследованы методы определения среднеинтегрального паросодержания, необходимые для верификации расчетных кодов. Обобщены расчетные и экспериментальные данные о паросодержаниях в трубном пучке и межтрубных каналах в ПГВ-1000 и получен диапазон значений запаса воды в ПГ и среднего паросодержания.
Впервые поставлена и решена задача прямого определения запаса воды в ПГ при работе на мощности, путем взвешивания натурного ПГ в процессе эксплуатации.
Проведены исследования процессов массообмена и циркуляции воды в натурных ПГ.
Исследованы: скорости и расходы среды на "горячей" и "холодной" сторонах ПГ в зонах с различными тепловыми и паровыми нагрузками, местная и общая циркуляция; изменения и колебания расхода среды по высоте межтрубных коридоров, что дает возможность определить в реальных условиях особенности омывания свободнопогруженных пучков; кратность циркуляции через ПДЛ и характер циркуляции воды через трубный пучок при наличии ПДЛ.
Выявлены принципиальные различия в характере циркуляции в ПГВ-440 и ПГВ-1000.
Даны численные оценки расходов пароводяной смеси через трубный пучок и ПДЛ. Количественный анализ процессов циркуляции позволил установить величины кратностей циркуляции в различных зонах ПГ и построить общую схему массообмена в ПГВ-1000.
В результате проведенных исследований обоснованы и реализованы в действующих ПГ конструктивные меры по интенсификации циркуляции в ПГВ-1000. На базе выводов, сделанных в главе 2 и данной главе, предложено и обосновано техническое решение с подачей части питательной в межтрубные коридоры. При этом впервые проведено измерение кратности циркуляции солевым методом, непосредственно в трубном пучке.
Вместе с решением упомянутых вопросов, в данной главе сформулирован ряд проблем дальнейших исследований и совершенствования конструкции ПГ, направленных на повышение надежности работы пучка теплообменных труб. Установлено, что трубный пучок ПГВ-1000 фактически близок к пределу по удельной нагрузке. Несмотря на то, что имеющаяся кратность циркуляции приемлема для обеспечения надежной работы, намечены пути оптимизации условий циркуляции. Рассмотрена роль компоновки труб в пучке и расположения трубных пакетов, то есть ширины опускных каналов. На основе сделанных выводов проведена оптимизация компоновки пучка при помощи расчетно-теоретического анализа, описанная в главе 5 данной работы.
В четвертой главе исследовано поведение примесей в объеме второго контура.
На основе уравнения баланса примесей исследованы методы организации продувки, позволяющие повысить эффективность удаления примесей. Рассмотрены функции непрерывной и периодической продувки и на основе проведенных исследований и опыта эксплуатации предложены схемные решения по организации продувочных линий. Сформулированы общие требования к организации продувки и намечены пути ее совершенствования.
Впервые проведены полномасштабные исследования распределения примесей в водяном объема парогенератора. В результате измерений была получена картина распределения примесей в водяном объеме и сформулированы закономерности ее формирования.
На основе схемы массообмена, разработанной в главе 3, предложена единая математическая модель массообмена и распределения примесей. С помощью этой модели удалось выработать принципы управления процессом распределения примесей, путем воздействия на схему массообмена на основе использования технологии ступенчатого испарения. Были предложены и затем подтверждены на практике конструктивные меры по увеличению эффективности продувки и оптимизации конструкции ПГ, как для эксплуатирующихся, так и для вновь проектируемых блоков.
В пятой главе разработаны методики и расчетные коды для моделирования процессов в ПГ.
Проведен анализ уровня развития моделирования ПГ с использованием различных расчетных кодов. Отмечены преимущества и недостатки применения тех или иных методов моделирования в зависимости от типа решаемых задач.
16 Показана необходимость разработки специальных расчетных кодов для моделирования горизонтальных ПГ. При этом необходимы как коды для решения частных задач, так и коды, позволяющие моделировать трехмерную гидродинамику второго контура.
Разработан комплекс расчетных кодов по расчету распределения в ПГ гидродинамических и теплохимических параметров, позволивший обосновать предложенные технические решения.
Благодарности. Автор благодарен Ю.В. Козлову, А.В. Некрасову, А.Г. Агееву, Ю.В. Харитонову, Ю.С. Сорокину, О.И. Мелихову и В.И. Мелихову за большой вклад в проведение исследований, проделанных в данной работе. Экспериментальные данные были получены большим коллективом сотрудников различных организаций. Значительный вклад в эти исследования также принадлежит В.Ф. Титову, Г.А. Таранкову, Б.И. Лукасевичу, С.А. Логвинову, А.И. Дмитриеву, Ю.К. Ситнику, В.Ф. Илюшину, A.M. Смирнову, Н.Ф. Коротаеву, Н.А. Качалину, В.И. Гришакову, Ю.В. Козлову, А.В. Некрасову, А.Г. Агееву, Б.М. Королькову, Е.П. Свистунову и многим другим специалистам, участвовавшим в подготовке и проведении испытаний ПГ. Автор выражает им признательность за то, что благодаря их труду стало возможным решение большой проблемы экспериментального изучения ПГ в натурных условиях.
Конструкция вертикальных ПГ с естественной ігиркуляцией
В подавляющем большинстве АЭС с водой под давлением, построенных в мире, применены ПГ вертикального типа. Создание и развитие конструкции горизонтальных ПГ происходило в то время, когда в западной энергетике уже был принят однозначный курс на вертикальный ПГ. Чтобы были понятны приводимые в дальнейшем ссылки и сравнения, связанные с вертикальным ПГ, целесообразно рассмотреть его конструкцию.
На рис. 1.8 показана типичная конструкция вертикального ПГ с естественной циркуляцией фирмы Westinghouse.
Модели разработки других фирм, эксплуатирующиеся в настоящий момент, кроме прямоточных, базировались на тех же принципиальных технических решениях. Парогенератор имеет вертикальный корпус. В нижней его части расположен трубный пучок в виде вертикальных U-образных труб, заделанных в горизонтальную трубную доску. Дистанционирование труб на прямом участке осуществляется при помощи перфорированных плит, через которые пропущены теплообменные трубы. Для циркуляции теплоносителя в плитах имеются отверстия. В районе гибов дистанционирование труб осуществляется при помощи специальных антивибрационных стержней.
В верхней расширенной части корпуса расположены сепарационные устройства, состоящие из двух ступеней сепарации. Первая ступень -циклонные сепараторы, вторая - осушители инерционного типа.
Контур циркуляции в ПГ организован при помощи обечайки, охватывающей трубный пучок по всей высоте, так, что циклоны первой ступени сепарации включены в циркуляционный контур. Питательная вода раздается в зависимости от применения схемы с экономайзером или без него. В первом случае вода поступает в нижнюю часть пучка через специальные распределительные устройства. Во втором случае (как на рис. 1.8) вода поступает в верхнюю часть опускного канала через кольцевой раздающий коллектор, причем большая часть подается на горячую половину трубчатки.
Трубчатка подавляющего большинства вертикальных ПГ изготавливается из хромоникелевых сплавов типа Инконель 600 и 690, а также Инколлой 800, содержащих примерно 75, 60 и 32% никеля, соответственно. С конца 70-х гт сплав Инконель 600 стал подвергаться термической обработке. В новых ПГ (в том числе и заменивших старые) трубы изготовляются из термически обработанного сплава 690. В качестве материала труб сохраняется также Инколлой 800, который проявил достаточно высокую коррозионную стойкость.
Дистанционирующие элементы пучка теплообменных труб претерпели значительную эволюцию. Если в первых моделях применялись пластины из углеродистой стали с просверленными для прохода теплообменных труб отверстиями, то впоследствии применялись элементы дистанционирования из коррозионно-стойких сталей. Отверстия для труб выполнялись по различной технологии таким образом, чтобы обеспечить минимальный контакт трубы с решеткой в месте дистанционирования и наилучшие условия для омывания данной зоны, например, в виде «четырехлистника» и др. Более интенсивное омывание обеспечивает также конструкция элементов дистанционирования в виде перекрещивающихся пластин.
В конструкцию ПГ вносились также изменения, направленные на улучшение омывания пучка в месте заделки в трубную доску путем установки специальных перегородок, направляющих поток циркуляции.
Имеется также конструкция вертикальных прямоточных ПГ, вырабатывающих сабоперегретый пар. Данная схема к настоящему моменту дальнейшего развития не получила.
Как следует из /30, 31, 32/, почти с начала эксплуатации на вертикальных ПГ в значительном масштабе проявились различные виды коррозионных повреждений теплообменных труб: растрескивание со стороны первого и второго контура, "дентинг"-коррозия и другие виды коррозии. Особенную актуальность проблема приобрела к концу 70-х годов. Из сообщений /33, 34/ можно заключить, что на 20 из 146 реакторных установок, оборудованных вертикальными ПГ по состоянию на 1984 г. наблюдалась недопустимо высокая повреждаемость труб ПГ (более 1% в год), что приводит к выходу ПГ из строя до истечения срока службы и требует его замены. Кроме того, еще на 60 установках повреждаемость труб ПГ составила более 0,1% в год. В течение 1982-1984 гг. неготовность АЭС США, вызванная коррозией труб ПГ, составила более 20%. Затраты, вызванные повреждениями ПГ, только за 1980-1984 гг. составили 1,8 млрд. долларов. Отметим, что подавляющее число дефектов приходится на трубы, изготовленные из сплава Инконель 600, термообработанного при низкой температуре. Это не означает, что новые трубы не будут подвержены деградации, но коррозионная стойкость труб из термически обработанных сплавов 600 и 690 в настоящее время значительно выше, чем для сплава 600, отожженного в печи. /35/. Для решения проблем деградации труб был организован международный консорциум владельцев ПГ, разработавший и предложивший меры по исправлению ситуации. Предпринятые меры заключались в изменении конструкции ПГ для новых энергоблоков, замене материалов и изменениях требований к водно-химическому режиму /36/.
Несмотря на принятые меры по изменению и ужесточению водного режима, ситуация с работоспособностью трубчатки первых поколений вертикальных ПГ существенно не изменилась. Авторы /37/ отмечают, что предпринятые конструктивные меры и в новых проектах ПГ не могут предотвратить деградацию труб, если не будет исключено присутствие в ПГ существенного количества шлама. Таким образом, выявился недостаток, органически присущий этому типу ПГ - зона возможного отложения плохо удаляемого шлама в местах заделок труб в трубные доски. Так, например, от 30 до 63% всех дефектов труб вертикальных ПГ в 1983-1984 г. г. было вызвано
Распределение температур
Находясь на границе сред с различной температурой, ПГ подвергается воздействию как постоянных, так и переменных температурных напряжений. Для оценки циклической прочности элементов ПГ необходимо иметь данные о температурных полях и их поведении во времени. Такие измерения проводились на различных энергоблоках и в различных режимах работы ПГ при помощи малоинерционных микротермопар, установленных как в водяном объеме ПГ, так и непосредственно на поверхности металла.
С точки зрения возможных термоциклических нагружений представляют интерес температурные условия работы выходного коллектора теплоносителя. Одним из источников термопульсаций может служить возможная неравномерность теплоотдачи в водяном объеме из-за различных условий охлаждения труб. Кроме этого, существует разверка температур на выходе из теплообменных труб, объективно обусловленная гидравлической разверкой, как по ширине, так и по высоте пучка теплообменных труб.
Детальные исследования температур теплоносителя первого контура на входе и выходе из теплообменных труб, внутренней поверхности металла коллекторов и воды второго контура проводилось как в статических, так и в некоторых динамических режимах. Измерения производились малоинерционными микротермопарами, установленными на внутренней поверхности коллекторов теплоносителя и на входе и выходе из труб. Схема расположения термопар в коллекторе показана на рис. 2.6.
В результате измерений выявлено, что при разогреве теплоноситель первого контура и внутренняя поверхность коллекторов прогревались равномерно. В течение всего времени подъема и снижения мощности РУ температуры теплоносителя и внутренней поверхности в «горячем» коллекторе во всех точках были одинаковы.
На внутренней поверхности «холодного» коллектора в районе образующей, обращенной к середине ПГ (куда подходят короткие трубы пучка) температура выше, чем у образующей, обращенной к корпусу ПГ (длинные трубы пучка). Разность температур составляет порядка 1С на мощности 5% и достигает 7С при номинальной мощности, что примерно согласуется с расчетной величиной. Пульсаций температур теплоносителя не зафиксировано. Во всех исследованных режимах разность температур воды первого контура на выходе из соседних труб, измеренная на выходе из змеевиков одного типоразмера, расположенных в противоположных торцах ПГ, не превышала погрешности измерений (±3 С). Таким образом, испытания показали отсутствие температурных возмущений, действующих на коллектор со стороны теплоносителя первого контура.
Незначительные температурные эффекты на выходе из теплообменных труб обнаруживаются лишь при одновременном и существенном снижении уровня и тепловой нагрузки в некоторых жестких динамических режимах. С точки зрения теплоотдачи представляет интерес рассмотрение режима с отключением ТПН, когда уровень в ПГ резко уменьшается. На рис. 2.7 показано изменение параметров и температур на выходе из теплообменных труб в режиме отключения ТПН на мощности 98% от номинальной.
В этом режиме происходит резкое снижение уровня в ПГ. В первый момент температура теплоносителя на выходе из труб возрастает, что связано с повышением давления во втором контуре и, соответственно, температуры насыщения. Однако температура на выходе из шестого сверху ряда труб повышается несколько больше других, что свидетельствует об ухудшении условий теплоотдачи в верхней части пучка. Показания других термопар, установленных на выходе из труб, находятся в заштрихованной зоне графика. Признаки ухудшения теплоотдачи наблюдаются при уровне на 800 мм ниже номинала.
Ухудшение теплоотдачи было зафиксировано также в режиме с потерей уровня в ПГ по причине отказа регулятора водопитания на Калининской АЭС. Расчет параметров для этого режима приведен в /94/. В этом режиме температура на выходе ПГ начала повышаться, когда массовый уровень упал до отметки около 1400 мм. ГЦН к этому моменту был отключен.
Для верхних рядов труб теоретически возможны термопульсации (повышение температуры) из-за ухудшения теплоотдачи, обусловленные высоким паросодержанием и пониженным уровнем воды. Распределение температур как пароводяной среды, так и непосредственно элементов ПГ исследовалось в натурных условиях.
Измерения проводились при помощи микротермопар, либо зачеканенных в стенки теплообменных труб, либо припаянных к стенке верхних рядов пучка теплообменных труб. Температурный режим верхнего и третьего сверху рядов пучка теплообменных труб наблюдался в течение примерно 2,5 лет с момента пуска блока /95/. В зонах, где отсутствовала подача питательной воды, температура стенки теплообменных труб была достаточно стабильна и превышала температуру насыщения на 2-15С. Отметим, что действительную
Определение среднего паросодержания и запаса воды в ПГ
Сравнение расчетных и экспериментальных данных о паросодержаниях в водяном объеме ПГ является одним из важных элементов верификации (экспериментальной проверки) расчетных кодов. При решении этой задачи приходится преодолевать несоответствие между реальной 3-х мерной картиной гидродинамики ПГ и ее представлением в расчетной модели кода. Использование упрощенных расчетных моделей для описания гидродинамических процессов в ПГ может быть оправданно только в случае их верификации, по крайней мере, по величине паросодержания (запаса воды).
К сожалению, уровень развития расчетных моделей, достигнутый к настоящему времени, не позволяет проводить количественное сравнение в силу сложного характера распределения полей паросодержаний. Между тем, среднеинтегральная величина паросодержания определяет действительный уровень в ПГ, работу системы поддержания уровня в ПГ и коэффициент теплопередачи в ПГ при упусках уровня. Имеющиеся экспериментальные данные о паросодержаниях имеют локальный характер. Паросодержания в различных точках отличаются количественно и имеют разнообразный профиль изменения по высоте. Их профиль в межтрубных коридорах определяется совокупностью явлений выхода пара из пучка в коридоры и захвата пара межтрубным потоком воды. Оба этих явления в достаточной мере не изучены, что не позволяет предложить надежные корреляции для расчета профиля паросодержания. В трубном пучке паросодержание зависит от кратности циркуляции, зависящей, в свою очередь, от гидравлического сопротивления пучка, и должно рассчитываться с учетом двухфазности потока, так как корреляции для однофазного потока занижают значения гидравлического сопротивления. Имеющиеся корреляции для паросодержания и гидравлического сопротивления в шахматных пучках /104,105/ дают отличающиеся результаты и, как следует из /106/, нуждаются в уточнении. При моделировании ПГ при помощи универсальных расчетных кодов, с разбиением на элементы, также требуется применение правильных корреляций, так как эти коды были разработаны преимущественно применительно к вертикальным пучкам труб, как например,/107/.
Кроме того, следует отметить, что кратность циркуляции определяется в значительной степени величиной движущего напора, зависящей опять же от паросодержания в межтрубных коридорах. Таким образом, проблема решения задачи расчета профилей паросодержания в различных сечениях ПГ встречает объективные трудности.
Отметим, что помимо интегрирования паросодержаний существуют и другие методы расчета запаса воды. Одним из методов определения запаса воды может быть расчет на основе анализа поведения уровня в ПГ в режиме со сбросом нагрузки в ПГ. При этом за относительно короткий отрезок времени ПГ переходит из состояния генерации пара в режим с близким к нулю паросодержанием, когда массу воды легко определить по показания уровнемера. Зная разность между расходами воды и пара за время протекания режима, можно найти массу воды при работе на мощности. Трудность состоит в том, что в настоящее время серийные блоки не оснащены расходомерами на паропроводах, а имеющиеся на ряде блоков расходомерные шайбы не обеспечивают требуемой точности измерений, особенно для малых расходов пара.
Попытка анализа упомянутым методом была предпринята, например, в /108/. Проблемой данного подхода является необходимость точного учета количества воды, поступившей в ПГ, и пара, произведенного за время протекания режима. Кроме того, необходима высокая точность измерения уровня в ПГ. Существующие средства измерения не позволяют провести такие измерения с достаточной надежностью, в первую очередь, из-за погрешности расходомеров пара, которые корректно работают только при расходах, близких к номинальным, что и отмечалось автором упомянутых оценок.
Из вышесказанного понятно, почему имеющиеся оценки массы воды в ПГ при работе на мощности значительно расходятся друг с другом. Отметим, что в некоторых случаях это связано не только с трудностями определения паросодержания, но и с неточностью в расчете геометрии.
Радикальным решением вопроса о запасе воды могли бы стать испытания с прямым измерением массы ПГ, путем тензометрирования опор ПГ. Такие работы были проведены на ПГВ-440 1 блока РАЭС, где проводилась тензометрия подвесок ПГ /109/. На ПГВ-1000 это осложняется тем, что вместо подвесок имеются опоры, напряжения в которых малы и распределены неравномерно. Вопрос с проведением таких испытаний в настоящее время остается открытым.
Система для измерений массы воды в ПГ была смонтирована на ПГ 5, 6 1 блока Ровенской АЭС. Парогенератор ПГВ-440 смонтирован на четырех подвесках, в которых возникают напряжения от массы ПГ и находящейся в нем воды. Напряжения от массы воды в ПГ крайне малы (в среднем 0,28 МПа на 1 т массы) и не могут быть надежно измерены существующими тензометрическими датчиками, что требует применения специальных датчиков повышенной чувствительности.
При измерении массы воды в ПГ тензометрическим методом существует проблема пересчета величины напряжений в подвесках в массу воды. Проблема осложняется тем, что ПГ вместе с подвесками и трубопроводами представляет собой статически неопределимую систему, в которой масса воды связана с напряжениями в опорах неоднозначно, т.к. часть нагрузки принимают на себя трубопроводы, которые к тому же создают дополнительные усилия и крутящие моменты в процессе разогрева. Другой проблемой является определение влияния на напряжения в подвесках массы воды первого контура отдельно от второго контура, поскольку для достижения высокой точности измерений требуется учесть влияние изменения плотности воды первого контура в «горячей» петле в процессе выхода на мощность.
Для преодоления указанных проблем была проведена тарировка измерительной системы вначале при заполнении ПГ по первому контуру, а затем при заполнении по второму контуру. При заполнении по первому контуру проводилась опрессовка давлением 1 МПа для определения количества воздуха, оставшегося в контуре. В процессе заполнения ПГ по второму контуру уровень измерялся непосредственно линейкой внутри ПГ, т. к. существующие уровнемеры не обеспечивают требуемой точности измерения в «холодном» состоянии.
Зависимость объема воды в ПГВ-440 от уровня, полученная геометрическим расчетом по данным чертежей, показана на рис. 3.11.
При измерениях выяснилось, что массовая нагрузка распределяется по подвескам неравномерно, но в процессе заполнения существенного перераспределения нагрузки не происходит. Подвески имеют большую длину по сравнению с сечением и с температурным перемещением ПГ, что позволяет пренебречь изгибными напряжениями от температурного удлинения трубопроводов.
Тегаопідравлический расчет ПГ в стационарном режиме
Сложность теплогидравлических процессов в ПГ АЭС с ВВЭР, включая наличие разверки тепловой нагрузки по различным теплообменным трубам и по их длине, определяет проблемы учета этих особенностей при проведении теплогидравлического расчета ПГ. Изменение тепловой нагрузки по длине труб обусловлено падением местного температурного напора при охлаждении теплоносителя в трубах. Разверка нагрузки между теплообменными трубами вызвана разницей расходов теплоносителя (и, как следствие, коэффициентов теплоотдачи) из-за различной длины и места расположения труб. Учет указанных факторов при проектировании ПГ или при коррекции параметров паропроизводящей части АЭС позволяет проводить уточненный расчет поверхности теплообмена, необходимой для достижения проектного теплосъема. Отметим, что вклад разверки расходов по теплообменным трубкам в изменение коэффициента теплопередачи не превышает нескольких процентов, что дает возможность в некоторых случаях производить упрощенный тепловой расчет ПГ без учета этих факторов - по средней длине трубки.
Низкие величины температурных напоров, которые принимаются для ПГ АЭС с ВВЭР, обуславливают значительную зависимость расчетной поверхности теплообмена от уровня температур теплоносителя первого контура, что вызывает необходимость тщательного учета допуска температур теплоносителя и, как следствие, допусков расхода теплоносителя первого контура, а также давления второго контура. Указанное обстоятельство влияет также на подход к вопросу выбора запаса поверхности теплообмена при проектировании.
В процессе проектировании ПГ необходимы данные о паропроизводительности по участкам пучка тешюобменных труб. Эти данные используются затем в качестве исходных данных для других расчетов, например, расчетов сепарации, ВХР или температурных полей.
Автором разработана математическая модель и универсальная программа теплогидравлического расчета ПГ АЭС с ВВЭР ПГВ-2.1, предназначенная для расчета в стационарных режимах. Она позволяет рассчитывать процесс теплоотдачи, как при кипении в объеме ПГ, так и при наличии экономайзера, включенного параллельно испарителю по ходу движения теплоносителя. Модель учитывает также гидравлическую разверку за счет различной длины теплообменных труб и, так называемого, коллекторного эффекта.
Входными параметрами являются:- геометрические характеристики теплообменных труб и коллекторов;- теплопроводность материала теплообменных труб:- расход и температура теплоносителя первого контура на входе;- расход питательной воды и давление второго контура.
Входными параметрами могут также быть тепловая мощность и объемный расход первичного теплоносителя на выходе, в этом случае программа определяет температуру на входе и массовый расход теплоносителя первого контура.
В результате расчета определяются:- паропроизводительности и температуры стенок труб по участкам пучка теплообменных труб;- расходы через теплообменные трубки;- гидравлическое сопротивление пучка теплообменных труб иколлекторов;- суммарная паропроизводительность по группам типоразмеров и ПГ вцелом, с учетом конденсации пара питательной водой.Расчетная схема ПГ показана на рис. 5.1.
Теплообменные трубки разбиваются на участки по длине для каждого типоразмера, трубный пучок - на слои по высоте. Часть слоев может быть назначена под экономайзер, остальные под испаритель. В экономайзере принято продольное омывание теплообменных труб теплоносителем второго контура. Течение теплоносителя в экономайзере может приниматься прямоточным, противоточным и смешанным. Экономайзерный участок занимает нижние ряды пучка теплообменных труб. В межтрубное пространство экономайзерного участка в произвольной точке по длине труб подается питательная вода.При этом может быть реализован противоток, прямоток или смешанное обтекание в зависимости от точки подачи питательной воды: на выходе, входе или в точке на определенной длине пучка, соответственно. Двигаясь в межтрубном пространстве пучка теплообменных труб параллельно с первичным теплоносителем (продольное обтекание), вода нагревается до температуры насыщения и поступает в испарительный участок, в котором свободно циркулирует пароводяная смесь. Образовавшийся при кипении пар
