Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии со стратегией развития атомной энергетики России в первой половине XXI века одной из главных задач является обеспечение высокого уровня безопасности, надежности и эффективности работы АЭС. На решение этой задачи направлены многочисленные расчетные и экспериментальные исследования, проводимые в рамках российских и международных проектов и программ. При этом одной из центральных проблем является повышение эффективности и надежности работы парогенераторов (ПГ), в которых осуществляется производство рабочего пара на АЭС, представляющих собой специальные теплообменные установки. В них тепло, отводимое из активной зоны реактора охлаждающей средой, передается рабочему пару.
В настоящее время в России разрабатывается инновационный водо-водяной реактор нового поколения (проект АЭС-2006). В ходе его разработки необходимо создать конкурентоспособный по экономическим, технологическим и другим показателям энергоблок с повышенной электрической мощностью 1100-1200 МВт. Одним из основных требований к проекту АЭС-2006 является эволюционный характер вносимых усовершенствований. В проекте АЭС-2006, как и в предыдущем проекте ВВЭР-1000, предполагается использование горизонтального парогенератора. Однако данный парогенератор будет отличаться от парогенератора, использовавшего в АЭС предыдущего поколения, конструкцией пучка теплообменных труб и увеличенным диаметром корпуса, что позволит парогенератору работать на повышенной мощности.
Основным методом исследований гидродинамических процессов в парогенераторах до сих пор являлись натурные испытания на действующих блоках. Понятно, что такой метод неприменим для исследований и обоснования работоспособности ПГ современных АЭС, находящихся в стадии проектирования. В этой ситуации особенно актуальным становится применение методов математического моделирования процессов в ПГ. Более того, для повышения конкурентоспособности новых проектов ПГ необходимо обоснование на длительный, вплоть до 50-60 лет, срок коррозионной стойкости теплообменных труб. Задача обеспечения работоспособности трубчатки требует в свою очередь изучения распределения теплогидравлических параметров таких, как: температура, паросодержание и скорость циркуляции в объеме второго контура.
Цель работы состоит в разработке и валидации математической модели пространственного течения двухфазной пароводяной смеси в объеме горизонтального парогенератора.
Основными задачами исследования являются:
обзор основных работ, посвященных проблеме гидродинамических и сепарационных процессов в горизонтальном парогенераторе;
разработка математической модели, описывающей теплогидравлические процессы в горизонтальном парогенераторе;
валидация кода STEG, разработанного на основе математической модели, на результатах экспериментов по теплогидравлике ПГ, выполненных в Университете г.Торонто (Канада), ВТИ , ОКБ «Гидропресс»;
проведение экспериментов на стенде ПГВ (ЭНИЦ), создание соответствующей базы опытных данных и валидация кода STEG на полученных экспериментальных данных.
Научная новизна. В диссертационной работе:
Предложена математическая модель пространственного течения двухфазной пароводяной среды в объеме парогенератора, основанная на применении методов механики многофазных сред. Проведена валидация моделей силового межфазного взаимодействия на экспериментах по восходящему течению двухфазного потока в трубном пучке и определено, что наилучшие результаты дают модели Симовича, Ишии-Зубера и TRAC. Выполнен расчетный анализ экспериментов (стенд ОКБ «Гидропресс») с помощью модифицированного автором кода STEG, моделирующих пространственные теплогидравлические процессы в горизонтальном парогенераторе. Показано, что наилучшие результаты обеспечивает использование работы моделей межфазного трения, предложенных в коде TRAC, и гидравлического сопротивления трубчатки и ПДЛ, разработанные ВТИ. Проведены эксперименты на стенде ПГВ (ЭНИЦ), моделирующем верхнюю часть ПГ, и создана база опытных данных. Модифицированный код STEG адекватно воспроизвел все основные качественные и количественные тенденции, наблюдавшиеся в экспериментах.
Достоверность предложенных в работе модели, численной схемы и разработанного на их основе кода базируется на использовании апробированных определяющих корреляций и подтверждается результатами тестирования и валидации кода, разработанного на основе математической модели.
Практическая ценность проведенного исследования состоит в создании валидированного расчетного кода STEG, предназначенного для моделирования теплогидравлических процессов в горизонтальном парогенераторе. Проведение вариантных расчетов разработанным кодом позволит определить оптимальную конструкцию горизонтального парогенератора повышенной мощности для использования в инновационных проектах АЭС нового поколения.
Созданная база опытных данных, полученных на стенде ПГВ (ЭНИЦ), необходима для валидации как существующих теплогидравлических кодов, так и кодов, которые будут разрабатываться в будущем.
Все основные этапы исследования выполнялись по договору между Проектно-конструкторского филиалом ОАО «Концерн Росэнергоатом» и МЭИ № 2149090 от 01.04.2009, договору между ОАО ОКБ «Гидропресс» и ОАО ЭНИЦ " № 02074-1 от 01.09.2010, а также двум Государственным контрактам с Министерством образования и науки РФ (ГК №П491 от 13.05.2010, ГК №П1091 от 31.05.2010).
Положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель и расчетный код STEG для анализа теплогидравлических процессов в ПГ.
2. Результаты валидации расчетного кода на данных экспериментов воспроизводящих основные теплогидравлические процессы, имеющие место в горизонтальном парогенераторе.
3. База опытных данных по теплогидравлике ПГ, полученная на стенде ПГВ (ЭНИЦ).
Личный вклад автора. Все этапы работы по разработке математической модели, созданию, верификации и валидации кода STEG, а также проведению расчетов и их анализ были выполнены непосредственно автором, либо проходили при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке экспериментов, выборе режимных параметров, проведении экспериментов на стенде ПГВ в ОАО «ЭНИЦ», результаты которых были использованы при валидации математической модели.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8-ом Международном Семинаре по горизонтальным парогенераторам (Россия, г. Подольск, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2010), на ежегодной Международной конференции Annual Meeting on Nuclear Technology (Берлин, Германия, 2011), Национальной конференции "Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС. ИТАЭ-80" (Россия, г. Москва, 2012), 17-ой Международной научно-техническая конференции студентов и аспирантов МЭИ (Россия, г. Москва, 2011), 18-ой Международной научно-техническая конференции студентов и аспирантов МЭИ (Россия, г. Москва, 2012).
Публикации. Основные результаты работы были изложены в статьях, опубликованных в журналах "Вестник МЭИ ", "Science and Technology of Nuclear Installations", и 5 докладах, опубликованных в трудах отечественных и международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 87 наименований. Диссертация содержит 195 страниц текста, в том числе 22 таблиц и 87 рисунков.
