Конденсационный режим работы парогенератора ввэр при аварийных ситуациях
На правах рукописи
Калякин Дмитрий Сергеевич КОНДЕНСАЦИОННЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ПАРОГЕНЕРАТОРА ВВЭР ПРИ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ Специальность 05.14.03 – «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации»
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Обнинск – 2012
Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Физико-энергетическом институте имени А.И. Лейпунского, г. Обнинск, Калужской области.
Научный консультант:
кандидат технических наук, Морозов Андрей Владимирович
Официальные оппоненты:
Ёлкин Илья Владимирович, доктор технических наук, НИЦ «Курчатов ский институт», ведущий научный сотрудник Слободчук Виктор Иванович, кандидат технических наук, доцент, ИАТЭ НИЯУ МИФИ, доцент
Ведущая организация:
ОАО «Всероссийский Научно - исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций»
Защита состоится «15» июня 2012 года, в 10 часов 00 минут на заседании Диссертационного Совета Д 201.003.01 в ГНЦ РФ - ФЭИ по адресу:
249033, г. Обнинск, Калужской обл., пл. Бондаренко, д. 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ-ФЭИ Автореферат разослан «» мая 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Т.Н. Верещагина -2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность поставленных и решаемых в процессе исследования задач следует из необходимости повышения безопасности атомных электростанций с водо-водяным энергетическим реактором (ВВЭР), что достигается широким использованием пассивных систем безопасности. К их числу относятся система гидроёмкостей второй ступени (ГЕ-2) и система пассивного отвода тепла (СПОТ). В случае аварии, связанной с разрывом трубопроводов первого контура и потерей источников электропитания, предусмотрено обеспечение отвода оста точного тепловыделения от активной зоны с помощью этих систем.
Система пассивного отвода тепла переводит парогенераторы в режим кон денсации пара, поступающего из активной зоны, тем самым обеспечивая под питку первого контура. На работу парогенератора в конденсационном режиме отрицательное влияние оказывает присутствие в первом контуре реактора не конденсирующихся газов: азота, растворенного в воде гидроемкостей первой ступени и поступающего в контур при их срабатывании, а также продуктов ра диолиза воды (кислород и водород). Накопление этих газов в трубчатке пароге нератора может привести к ухудшению его конденсационной способности, вплоть до полного прекращения процесса конденсации.
Для обоснования работоспособности парогенератора реактора ВВЭР в конденсационном режиме при низких тепловых потоках с учетом влияния не конденсирующихся газов необходимо проведение экспериментальных исследо ваний. В настоящий момент отсутствуют результаты опытов по моделированию работы ПГ в конденсационном режиме на крупномасштабных стендах. Таким образом, исследование работы парогенератора в данном аварийном режиме яв ляется актуальной задачей.
Целью работы являлось проведение экспериментальных исследований и получение результатов, направленных на обоснование работоспособности парогенератора реактора ВВЭР-1200 (РУ В-392М) в нештатном конденсацион ном режиме.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые на крупномасштабной модели изучены особенности работы па рогенератора реактора ВВЭР в конденсационном режиме;
- в ходе экспериментов, были получены данные для верификации расчет ных теплогидравлических кодов ТЕЧЬ-М и КОРСАР/ГП;
- впервые экспериментально установлено, что совместная работа пассив ных систем безопасности ГЕ-2 и СПОТ позволяет обеспечить работу парогенера тора реактора ВВЭР в режиме конденсации пара при подаче в трубный пучок многокомпонентной парогазовой смеси.
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты проведен ных экспериментов были использованы для верификации расчетных теплогид равлических кодов ТЕЧЬ-М и КОРСАР/ГП, выполненной в ОАО ОКБ «Гидро пресс». После проведения верификации расчетные коды могут использоваться для моделирования процессов тепло - и массообмена при конденсации пара и па рогазовой смеси в трубчатке натурного парогенератора реактора ВВЭР (ПГВ 1000) и обоснования его работоспособности при запроектной аварии с потерей теплоносителя.
Достоверность полученных результатов обеспечивается воспроизводимо стью результатов экспериментов, а также использованием на крупномасштабном стенде ГЕ2М-ПГ современных методик исследований и аттестованных средств измерений.
Автор защищает:
- результаты экспериментального исследования работы модели парогене ратора реактора ВВЭР в нештатном конденсационном режиме на крупномас штабном стенде;
- выявленные характеристики и особенности конденсационного режима работы многорядного горизонтального парогенератора при подаче пара и паро газовой смеси;
- результаты экспериментов, проведенных методом стационарных состоя ний и предназначенных для верификации расчетных кодов.
Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссерта ции, заключается в том, что он, как исполнитель, принимал непосредственное участие в наладке экспериментального стенда ГЕ2М-ПГ, разрабатывал методики исследований, участвовал в проведении экспериментов, а также обрабатывал и анализировал результаты опытов.
Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались соискателем на:
- XII международной научно - инновационной конференции студентов, аспи рантов и молодых специалистов «Полярное сияние», Санкт-Петербург, 2009 г.;
- XI научно - технической конференции молодых специалистов, ОКБ «Гидропресс», Подольск, 2009 г.;
- XI международной конференции «Безопасность АЭС и подготовка кад ров», Обнинск, 2009 г.;
- Х, XI, XII научных школах молодых учёных ИБРАЭ РАН, Москва, 2009, 2010, 2011 гг.;
- Молодёжной научно - технической конференции «Эксперимент-2010», ОАО «ОКБМ Африкантов», Нижний Новгород, 2010 г.;
- Пятой Российской Национальной Конференции по теплообмену, Москва, 2010 г.;
- Международном молодёжном научном форуме «Ядерное будущее», Голицыно, 2011г.
Публикации Всего по теме диссертации было опубликовано 17 работ, включая две ста тьи в журнале, входящем в перечень ВАК.
Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка исполь зованных источников из 42 наименований. Работа представлена на 137 страницах и содержит 86 рисунков и 17 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяют ся цели и основные задачи исследования, показана новизна выполненной работы, ее практическая значимость и личный вклад автора в получении результатов.
В первой главе рассмотрены современные пассивные системы безопасно сти реактора ВВЭР-1200, заложенные в проект «АЭС-2006», и принципы их ра боты. «АЭС-2006» - это типовой проект российской атомной станции нового по коления «3+» с улучшенными технико - экономическими показателями. Главная особенность проекта - использование пассивных систем безопасности в сочета нии с традиционными активными системами.
На рисунке 1 показана схема пассивных систем охлаждения активной зоны (АЗ) реактора ВВЭР-1200. К их числу относятся: система гидроаккумуляторов первой ступени, система пассивного залива активной зоны и система пассивного отвода тепла.
Рисунок 1 – Схема пассивных систем охлаждения реактора ВВЭР- Система гидроаккумуляторов первой ступени (ГЕ-1) обеспечивает подачу водного раствора борной кислоты в реактор для охлаждения активной зоны и ее залива на начальной стадии аварии с потерей теплоносителя.
Система гидроёмкостей второй ступени (ГЕ-2) предназначена для пассивной подачи раствора борной кислоты в активную зону реактора с целью отвода оста точного тепловыделения в условиях полной потери источников электроснабжения переменного тока (включая дизель-генераторы), и течах в первом контуре реак торной установки в течение максимально возможного периода времени.
Система состоит из четырёх групп гидроаккумулирующих ёмкостей (по две ёмкости в каждой группе) с водным раствором борной кислоты, находящих ся при атмосферном давлении. Гидроёмкости размещены на площадке обслужи вания центрального зала (то есть выше уровня реактора), что обеспечивает тре буемый гидростатический напор по отношению к реактору. В верхней части гид роёмкости подключены к «холодным» ниткам главных циркуляционных трубопро водов в зоне их непосредственной близости к коллекторам ПГ. При возникновении аварийной ситуации с потерей теплоносителя первого контура и падении давле ния в главном циркуляционном контуре (ГЦК) до 1,5 МПа после опорожнения парового трубопровода в верхнюю часть гидроёмкостей начинает поступать на сыщенный пар под давлением, соответствующим давлению в реакторной уста новке. По линии слива гидроёмкости второй ступени подключены к трубопрово дам подсоединения к реактору гидроёмкостей первой ступени в неотключаемой от первого контура части.
В системе реализовано четырёхступенчатое профилирование расходной характеристики, которое обеспечивается использованием коллектора, позво ляющего осуществлять пассивное изменение расхода, основанное на идее после довательного прекращения истечения по сливной линии, оказавшейся выше уровня воды в баке.
Дополнительной функцией системы ГЕ-2 является автоматическое пассив ное удаление (отвод) неконденсирующихся газов первого контура из трубчатки парогенератора, что способствует улучшению теплообмена и обеспечивает более длительную работу ПГ в конденсационном режиме.
Основными неконденсирующимися газами в активной зоне являются рас творенный в воде гидроёмкостей первой ступени азот, а также газы радиолити ческого происхождения – кислород и водород.
Совместно с системой ГЕ-2 работает система пассивного отвода тепла (СПОТ). Система состоит из четырёх независимых каналов - по одному на каж дый парогенератор. Каждый канал включает в себя два теплообменника конденсатора, охлаждаемых атмосферным воздухом, трубопроводы пароконден сатного тракта и воздуховоды с затворами и регуляторами.
При авариях с разрывом одной из петель главного циркуляционного тру бопровода система СПОТ обеспечивает перевод горизонтальных парогенерато ров в режим конденсации пара первого контура, поступающего в трубчатку ПГ из реактора. В результате конденсации происходит нагрев воды второго контура до температуры насыщения с образованием пара. За счет естественной циркуля ции в пароконденсатном тракте СПОТ пар поступает в воздушные теплообмен ники, установленные на наружной поверхности защитной оболочки. Пар конден сируется, отдавая тепло окружающему воздуху, а образовавшийся конденсат по ступает обратно в межтрубное пространство ПГ.
Таким образом, теплообменный аппарат, спроектированный для работы при вынужденном движении теплоносителей обоих контуров, переводится в режим работы многорядного горизонтального конденсатора-испарителя при естествен ной циркуляции в обоих контурах и низких значениях температурного напора ме жду ними. Такое изменение режима работы парогенератора существенно изменяет характер протекающих в нем процессов теплообмена, поэтому было необходимо провести исследования, направленные на обоснование работоспособности ПГ в режиме конденсации пара.
Вторая глава содержит обзор и анализ работ проведённых другими исследователями в области изучения конденсации пара в горизонтальных трубах.
Рассмотрены следующие экспериментальные установки:
- экспериментальная установка Японского исследовательского института ДЖАЕРИ (JAERI);
- экспериментальная установка университета Пердью (США);
- исследовательский стенд HORUS (Германия);
- экспериментальная установка Лондонского университета (Англия).
Проведённый анализ показал, что данные, полученные в результате иссле дований, невозможно применить для обоснования работоспособности парогене ратора реактора ВВЭР в конденсационном режиме, так как эксперименты прово дились либо при отводе тепла от второго контура охлаждающей водой при вынуж денном движении теплоносителя, либо в ходе эксперимента не обеспечивалось по стоянство давления греющего пара первого контура, что очень важно при исследо вании процессов естественной циркуляции. Кроме того, эмпирические зависимо сти, полученные в ходе исследований, могут применяться только в ограниченном диапазоне изменения параметров. Таким образом, возникла необходимость про ведения дополнительных экспериментальных исследований.
В третьей главе описывается экспериментальная установка, созданная в ГНЦ РФ - ФЭИ для изучения конденсационного режима работы модели пароге нератора реактора ВВЭР-1200 – стенд ГЕ2М-ПГ.
В состав стенда входят: модель парогенератора реактора ВВЭР, бак аккумулятор пара с системой подачи пара от ТЭЦ ФЭИ, имитатор теплообмен ника СПОТ, охлаждаемый технической водой. На рисунке 2 представлена аксо нометрическая проекция стенда ГЕ2М-ПГ.
Высотные отметки размеще ния оборудования соответствуют проектным. Для уменьшения тепло вых потерь оборудование и трубо проводы были теплоизолированы.
В рамках подготовки к выпол нению экспериментальных исследо ваний на стенде были определены геометрические и гидравлические ха рактеристики контуров стенда. При разработке модели парогенератора для стенда за базовый аппарат был принят существующий парогенератор реактора ВВЭР-1200.
Модель парогенератора стенда представляет собой теплообменный аппарат с двумя вертикальными Рисунок 2 – Аксонометрическая проекция стенда ГЕ2М-ПГ коллекторами диаметром 219 мм («горячим» и «холодным»). Для обеспечения стока конденсата из трубного пуч ка, змеевики выполнены с уклоном от центра в сторону обоих коллекторов с вы сотным перепадом 20 мм. Геометрия теплопередающей трубки теплообменника (длина, наружный диаметр, толщина стенки) соответствует геометрии трубки на турного парогенератора. Расстояние между крайними рядами трубок модели ПГ соответствует высоте трубного пучка парогенератора ПГВ-1000, что обеспечива ет штатный режим конвекции воды в объеме межтрубного пространства. Пло щадь поверхности трубного пучка в 48 раз меньше площади теплообменных тру бок натурного парогенератора.
Для поддержания постоянных режимных параметров при проведении опы тов на стенде предусмотрены вспомогательные системы. К их числу относятся:
- система поддержания давления, позволяющая поддерживать давление среды первого контура стенда с точностью ± 0,008 МПа;
- двухканальная система подачи неконденсирующихся газов, позволяющая подавать в трубчатку ПГ парогазовую смесь с заданной концентрацией НГ;
- система сдувки парогазовой смеси, моделирующая отвод ПГС в объём гидроёмкостей второй ступени;
- система сбора конденсата из «горячего» и «холодного» коллекторов мо дели парогенератора.
Контрольно-измерительные приборы, установленные на стенде, позволяли регистрировать основные параметры установки при проведении экспериментов:
давление и температуру сред первого и второго контуров, расход и температуру технической воды третьего контура, расход пара на входе в модель ПГ.
Началом моделирования аварийного процесса на стенде являлся момент перехода парогенератора в конденсационный режим работы. За окончание моде лирования были приняты две временные границы:
- окончание первых суток аварийного процесса, когда при расходе, приня том для системы ГЕ-2 НВ АЭС-2, завершается слив воды из гидроёмкостей.
- окончание третьих суток аварийного процесса.
В качестве начальных условий были выбраны параметры процесса при раз личных расходах на ступенях системы ГЕ-2. В соответствии с расчетами, давле ние первого контура в течение 24 часов после аварии с разрывом ГЦТ меняется от 0,39 до 0,21 МПа. В связи с техническими возможностями ТЭЦ ФЭИ давление в первом контуре во всех экспериментах поддерживалось постоянным на уровне 0,35-0,37 МПа.
Конденсационная мощность модели ПГ и перепад давления между первым и вторым контурами стенда в экспериментах определялись расходом технической воды через теплообменник-имитатор СПОТ. Все эксперименты были проведены при начальной конденсационной мощности Nкон в диапазоне от 75 до 150 кВт.
Величина оттока ПГС из «холодного» коллектора модели ПГ определялась на основе расходной характеристики системы ГЕ-2 с учётом масштабного фак тора 1:48.
Величина концентраций неконденсирующихся газов в парогазовой смеси, создаваемой на стенде, определялась в соответствии с расчётными данными по генерации водорода, кислорода и азота в реакторе. При расчетё концентраций производилась замена водорода гелием, а кислорода азотом при сохранении мольного отношения газов.
Переносимость результатов экспериментов на реальный парогенератор обуславливается следующими факторами:
- материал изготовления трубчатки модели ПГ, диаметр и длина трубок, а также высота трубного пучка соответствуют характеристикам реального ПГ;
- высотные отметки расположения оборудования соответствуют проектным;
- площадь теплообменной поверхности модели ПГ в 48 раз меньше площа ди натурного ПГВ-1000 (то есть масштабный коэффициент стенда – 1:48), при том, что удельные тепловые потоки соответствуют реальным;
- начальные и граничные условия экспериментов соответствуют условиям протекания запроектной аварии на реальной АЭС.
Методика проведения экспериментов Работы на стенде ГЕ2М-ПГ проводились в период с 2008 по 2011 год. Экс перименты можно разделить на два этапа:
ЭТАП 1 (2008 – 2009 гг.): опыты в режиме конденсации пара, направлен ные на определение конденсационной мощности парогенератора и моделирова ние сдувки парогазовой смеси в объём ГЕ-2.
ЭТАП 2 (2010 – 2011 гг.): эксперименты, проведённые методом стационар ных состояний, направленные на получение данных для верификации расчётных кодов ТЕЧЬ-М и КОРСАР/ГП. Так как граничными условиями, определяющими окончание моделирования на стенде, являлись окончание первых и третьих суток аварийного процесса, в рамках исследований второго этапа было проведено две серии опытов, названные условно «суточные» и «трёхсуточные».
Эксперименты первого этапа В рамках первого этапа исследований были проведены три серии опытов:
- эксперименты на чистом паре (без подачи в контур НГ);
- опыты с отравлением ПГ (в контур подавались неконденсирующиеся газы);
- эксперименты со сдувкой (моделировался отток газов в объём ГЕ-2).
Эксперименты на чистом паре Эксперименты на чистом паре проводились по следующей методике. В на чале эксперимента осуществлялся последовательный прогрев стенда. Опреде ляющим показателем прогрева служило равномерное тепловое поле по всему объёму воды второго контура в модели ПГ и стабильность давлений в 1 и 2 кон турах. Затем с помощью изменения расхода технической воды 3 контура уста навливалось необходимое значение давления во 2 контуре. После установления стационарного режима, в течение не менее 1200 с, производилась запись пара метров с помощью системы сбора и обработки данных.
Эксперименты с подачей неконденсирующихся газов После стабилизации параметров первого и второго контуров на стенд по давалась трёхкомпонентная ПГС, содержащая азот и гелий в заданных концен трациях. Общее время подачи газа составило около 17000 с.
Эксперименты с оттоком парогазовой смеси В ходе экспериментов проводилась сдувка парогазовой смеси с отбора на «холодном» коллекторе модели ПГ, расположенного ниже трубчатки, на высотной отметке + 6255 мм. Регулировка величины сдувки осуществлялась с помощью двух последовательных игольчатых микровентилей, установленных перед входом паро газовой смеси в конденсатор. Импульсные линии и линии пробоотбора были теп лоизолированы и обогревались с помощью охранных нагревателей, чтобы исклю чить конденсацию пара до его подачи на регулирующую арматуру.
Эксперименты второго этапа Эксперименты второго этапа были выполнены методом стационарных со стояний. В соответствии с разработанной программой выполнения эксперимен тов, целью опытов являлось определение конденсационной мощности модели ПГ при неизменных (стационарных) значениях следующих величин:
- давление пара первого контура стенда;
- давление пара второго контура стенда;
- величина оттока газов из «холодного» коллектора модели ПГ;
- концентрация газов в парогазовой смеси, поступающей в модель ПГ.
Конденсационная мощность модели ПГ и перепад давления между первым и вторым контурами стенда в экспериментах определялись расходом технической воды через теплообменник-имитатор СПОТ. Все эксперименты были проведены на одном уровне начальной конденсационной мощности Nкон = 145 - 150 кВт.
Величина концентраций неконденсирующихся газов в парогазовой смеси, создаваемой на стенде, определялась в соответствии с расчётной генерацией водо рода и азота в реакторе для суточного и трёхсуточного аварийных процессов.
Эксперименты на стенде проводились по следующей методике. Пар с за данным давлением при соответствующей температуре насыщения поступал в бак Б3, прогревая его. После прогрева бака и имеющейся в нем воды до температуры насыщения, открытием соответствующей арматуры осуществлялась подача пара в трубный пучок парогенератора.
После нагрева воды в модели ПГ до температуры 100 С начинался про цесс кипения. Образующийся пар поступал в трубопроводы второго контура.
Охлаждаясь на холодных стенках труб имитатора СПОТ, пар конденсировался, а образующийся конденсат возвращался в модель ПГ. Прогрев стенда происходил до установления во втором контуре стационарных параметров среды.
Одновременно с этим устанавливался необходимый для создания заданной конденсационной мощности расход воды по 3-му контуру, что обуславливало уве личение конденсации пара 2-го контура. Это приводило к снижению давления (и температуры) второго контура. После выхода на заданные параметры, производи лась выдержка стенда в стационарном состоянии (стационарный режим № 1).
После этого устанавливался расход сдувки пара из «холодного» коллектора модели ПГ в соответствии с величиной, определённой для данного опыта. После достижения стационарного состояния и установления необходимого расхода па ра, отводимого из «холодного» коллектора ПГ, компьютерная система сбора данных переводилась в режим записи. Через время не менее 1000 с начиналась подача неконденсирующихся газов в трубчатку модели ПГ.
Попадание газов в трубчатку приводило к ухудшению теплообмена и сни жению конденсационной мощности, что, в свою очередь, приводило к снижению давления пара во втором контуре и росту перепада давления (и температуры) между 1-м и 2-м контурами стенда. Таким образом, стенд переходил в стадию переходного процесса № 1.
Для снижения перепада температуры между контурами производилось из менение давления второго контура. Регулировка давления производилась путём изменения расхода воды в третьем контуре. Во время данных технологических операций производился непрерывный контроль над величиной перепада давле ния между средами 1-го и 2-го контуров (dT1). Также велось наблюдение за тем пературой на выходе из теплообменника СПОТ, с целью недопущения её пре вышения значения 90 C и сохранения однофазного состава среды 3-го контура, так как начало кипения могло привести к неправильному определению мощно сти, отводимой технической водой и большой погрешности при определении те плового баланса.
После достижения величиной dT1 значения близкого к первоначальному, технологические операции с арматурой прекращались, и стенд выдерживался при установившихся параметрах определённое время, после которого переходил в состояние стационарного режима № 2.
После выдержки стенда в стационарном режиме начинался переходной про цесс № 2, целью которого было добиться первоначальной конденсационной мощ ности модели парогенератора (или величины расхода пара на входе в модель ПГ).
Для этого путём увеличения расхода технической воды через теплообменник СПОТ происходило снижение давления 2-го контура, т. е. рост перепада давления (и температуры) между контурами, до величины, которая обеспечивает получение исходной конденсационной мощности.
После достижения необходимой величины расхода пара Q, по процедуре описанной выше производился контроль над перепадом dT1 и величиной тепло вого баланса. Стенд переходил в состояние стационарного режима № 3.
После достижения стендом этого состояния и необходимой выдержки экс перимент прекращался. Таким образом, согласно методике, были получены три стационарных режима.
В четвертой главе приведены основные результаты исследований, прове дённых на стенде ГЕ2М-ПГ.
Перед выполнением опытов было проведено измерение тепловых потерь стенда. Согласно полученным данным, их величина составила 5,7 кВт (~ 3 %).
Эксперименты первого этапа Опыты на чистом паре были проведены при давлении 0,35 - 0,37 МПа в диапазоне мощностей от 75 до 150 кВт.
Средняя конденсационная мощность парогенератора определялась по ве личине расхода пара, поступающего на вход в модель ПГ, при условии его пол ной конденсации в трубчатке и отсутствии выхода через гидрозатвор 1-го конту ра. На основании обработки результатов экспериментов была получена зависи мость конденсационной мощности модели ПГ от температуры 2-го контура стен да, приведённая на рисунке 3.
На рисунке 4 показано изменение давления 1-го и 2-го контуров стенда в эксперименте № 145/1, проведенном при минимальной конденсационной мощ ности модели парогенератора Nкон = 75 кВт.
Таким образом, результаты экспериментов без подачи в контур неконден сирующихся газов позволили определить зависимость конденсационной мощно сти модели ПГ от температуры второго контура стенда при поддержании посто янных параметров теплоносителя первого контура.
Для исследования влияния накопления неконденсирующихся газов в труб чатке парогенератора на его работу в конденсационном режиме на стенде прово дились опыты с подачей в первый контур азота и гелия. Целью проведения экс периментов было получить зависимость, описывающую снижение конденсаци онной мощности модели ПГ по мере его отравления, при фиксированных значе ниях давления первого контура и расхода охлаждающей воды на имитаторе теп лообменника СПОТ.
Эксперименты проводились при давлении первого контура Р1 = 0,37 МПа и начальной конденсационной мощности ПГ - 77 кВт. Согласно методике, после стабилизации параметров первого и второго контуров на стенд подавалась трёх компонентная парогазовая смесь, содержащая азот и гелий в заданных концен трациях. Общее время подачи газа составляло около 17000 с. Результаты, полу ченные в эксперименте, приведены на рисунках 5 и 6.
На рисунке 5 видно значительное снижение конденсационной мощности модели парогенератора. В ходе опыта она уменьшилась с 77 до 20 кВт, т.е. почти в четыре раза. Такое снижение мощности было вызвано накоплением НГ в трубном пучке. Концентрация газов в ПГС в трубчатке модели ПГ по мере их подачи в контур возрастала, а объёмная доля пара уменьшалась, что, приводило к ухудше нию условий конденсации.
Рисунок 3 – Зависимость Nкон модели Рисунок 4 – Изменение давления в 1 и ПГ от температуры 2 контура стенда контурах в эксперименте на чистом паре Рисунок 5 – Эксперимент 135: Рисунок 6 – Эксперимент 135:
конденсационная мощность модели ПГ изменение давления на входе в модель ПГ в эксперименте с подачей газов в эксперименте с подачей газов На рисунке 6 показано изменение давления на входе в модель ПГ. Как вид но из графика, в ходе опыта с помощью системы поддержания давления обеспе чивалась достаточно хорошая стабильность параметров среды в первом контуре.
Амплитуда колебания давления за время всего эксперимента не превышала ±0,002 МПа.
Таким образом, в результате эксперимента было достигнуто отравление парогенератора и показано значительное негативное влияние накопления некон денсирующихся газов в трубчатке модели парогенератора на его работу в режи ме конденсации пара.
В экспериментах с оттоком ПГС концентрации неконденсирующихся газов на входе в модель ПГ задавались, исходя из расчетных данных по газогенерации в первом контуре НВ АЭС-2 в случае запроектной аварии. В качестве интервала времени для расчета концентраций газов была выбрана длительность работы пер вой ступени системы ГЕ-2, когда, в соответствии с расчетами, газогенерация в активной зоне максимальна.
Эксперименты с оттоком ПГС были проведены при следующих начальных условиях: давление среды первого контура Р1 = 0,37 МПа;
конденсационная мощность модели ПГ Nкон = 77 кВт;
концентрация азота СN2 = 2,1 г на килограмм пара;
концентрация гелия CHe = 0,04 г на килограмм пара. Отток ПГС осуществ лялся с нижней точки «холодного» коллектора модели ПГ. Его величина в экспе рименте составила 0,217 л/с, что соответствует оттоку ПГС в объём ёмкостей сис темы ГЕ-2.
После стабилизации расхода сдувки в первый контур начинали подаваться НГ. Длительность подачи газов на стенд в 1,5 раза превысила длительность пер вой ступени расходной характеристики системы ГЕ-2 и составила около 6000 с.
На рисунке 7 показано изменение величины конденсационной мощности в эксперименте. На рисунке 8 приведен график изменения давления в первом и втором контурах стенда в ходе эксперимента.
Из графиков видно, что давление 1-го контура регулируется с помощью сис темы поддержания давления и остаётся стабильным в течение всего опыта. Давле ние 2-го контура при этом снижается с 0,346 до 0,320 МПа. При этом после начала подачи газов конденсационная мощность падает до уровня 55 кВт, но затем плав но возрастает и стабилизируется на отметке 67 кВт, что на 13 % ниже первона чальной величины, но, тем не менее, позволяет говорить о работоспособности мо дели ПГ в таком режиме. Такое изменение параметров говорит о том, что в ходе Рисунок 7 – Эксперимент 137: Рисунок 8 – Эксперимент 137:
конденсационная мощность модели ПГ изменение давления в эксперименте в эксперименте с подачей газов с подачей газов и сдувкой парогазовой и сдувкой парогазовой смеси смеси;
1 – в 1 контуре, 2 – во 2 контуре эксперимента имело место ухудшение теплоотдачи в трубчатке ПГ, но наличие оттока парогазовой смеси позволило поддержать конденсационную мощность модели ПГ на необходимом уровне.
Необходимо отметить, что поддержанию конденсационной мощности модели ПГ также способствовало наличие в системе обратных связей. Неконденсирующиеся газы в трубчатке модели парогенератора ухудшали условия конденсации, что приво дило к снижению Nкон ПГ. При этом из-за уменьшения парообразования в модели ПГ давление 2 контура снижалось, а перепад давления между средами 1 и 2 контуров (а, соответственно, и температуры) увеличивался, что, в свою очередь, приводило к уве личению расхода пара на вход в модель ПГ, что позволяло поддерживать конденса ционную мощность.
Таким образом, в ходе опытов, проведённых на крупномасштабном стенде ГЕ2М-ПГ, было получено экспериментальное подтверждение того, что пароге нераторы в условиях запроектной аварии с потерей теплоносителя первого кон тура имеют конденсационную мощность, достаточную для поддержания эффек тивного теплоотвода от реактора.
Эксперименты второго этапа Целью экспериментов, проводимых в рамках второго этапа, было получение данных для верификации расчётных кодов ТЕЧЬ-М и Корсар/ГП, использующих ся для моделирования процессов в активной зоне и в защитной оболочке РУ.
Исследования были выполнены на основании расчётных данных для ава рийных процессов длительностью 24 и 72 часа, поэтому проводимые на стенде эксперименты условно были названы «суточными» и «трёхсуточными». При этом реальная продолжительность опытов определялась временем выхода стенда на стационарный режим.
Основным отличием «трёхсуточных» экспериментов от «суточных» были уменьшенные величины расходов оттока ПГС из «холодного» коллектора моде ли парогенератора, что вызвано необходимостью продлить расходную характе ристику системы ГЕ-2 путём снижения расхода охлаждающей воды.
Согласно методике, в каждом опыте необходимо было получить три ста ционарных режима. Для этого, перед проведением экспериментов был проведен анализ полученных ранее результатов, и на основании этого были сформулиро ваны критерии стационарности:
- конденсационная мощность модели ПГ постоянна;
- давление в первом и втором контурах постоянно (колебания не превы шают ± 0,002 МПа);
- градиент изменения перепада температуры dT1 не превышает 0,009 С/мин;
- тепловой баланс стенда соблюдается с точностью 5 %;
- временной интервал, в течение которого соблюдаются все вышеперечис ленные условия, должен составлять не менее 800 секунд. При этом время пере ходного процесса при выходе на стационарный режим должно составлять не ме нее 5000 секунд.
В таблице 1 приводятся основные параметры выполненных опытов. Здесь Nкон - конденсационная мощность модели ПГ, N3 - мощность отводимая тепло обменником имитатором СПОТ, dT1 - перепад температуры между 1 и 2 конту рами стенда, dP6 - перепад давления между 1 и 2 контурами стенда.
Так как методика исследований во всех экспериментах была одинакова, в ра боте будут приведены результаты только одного из экспериментов – эксперимент № 201. Опыт проводился при величине расхода оттока ПГС – 0,208 л/с, что соот ветствует первой ступени расходной характеристики ГЕ-2.
Результаты эксперимента № 201 представлены на рисунках 9 – 14. На ри сунках 9 и 10 показаны обобщенные графики хода всего эксперимента. Цифрами 1, 3 и 5 обозначены, соответственно, стационарные режимы № 1, 2 и 3.
На рисунке 11 приведены графики изменения перепада температуры меж ду средами 1 и 2 контуров стенда в стационарных режимах № 1 и № 2.
Как видно из графиков, в ходе эксперимента на стационарном режиме № был получен необходимый перепад температуры между средами 1 и 2 контуров.
Таблица Основные параметры проведённых опытов Опыт Стацио- Отток CN2, CHe, Nкон, N 3, dT1, dP6, нарный ПГС из г/кг г/кг кВт кВт С кПа режим № ПГ, л/с «Суточные» опыты 1 - - 149,5 145,2 2,97 30, 201 0, 2 26 22 2,88 30, 0,463 0, 3 150 147 5,63 54, 1 - - 149,4 144,4 2,96 29, 196 0, 2 31 26,6 2,87 29, 0,073 0, 3 151,1 148 4,83 45, 1 - - 148,3 143,7 2,9 29, 197 0, 2 32 27,6 2,78 28, 0,056 0, 3 151,7 148,9 4,79 46, 1 - - 147,9 144,4 3,08 30, 202 0, 2 29 25,9 2,95 30, 0,045 0, 3 146 144,9 4,91 46, «Трёхсуточные» опыты 1 - - 147,5 144 3,06 30, 203 0, 2 32 28,6 2,93 29, 0,047 0, 3 147,3 143,6 4,72 46, 1 - - 145,9 144,1 2,81 30, 198 0, 2 44,4 41,1 2,98 33, 0,012 0, 3 146,8 145,2 4,46 45, Рисунок 9 – Эксперимент 201: Рисунок 10 – Эксперимент 201:
конденсационная мощность ПГ перепад температуры между средами 1 и 2 контуров стенда Рисунок 11 – Эксперимент 201:
перепад температуры между средами 1 и 2 контуров стенда а) стационарный режим № 1;
б) стационарный режим № Рисунок 12 – Эксперимент 201:
изменение конденсационной мощности модели ПГ а) стационарный режим № 1;
б) стационарный режим № На третьем стационарном режиме необходимо было получить значение кон денсационной мощности модели ПГ такое же, как и на первом. На рисунке видно, что в ходе эксперимента удалось достичь нужного результата.
Таким образом, в эксперименте, согласно программе-методике, было полу чено три стационарных режима.
В пятой главе рассказывается о результатах верификации расчётных ко дов ТЕЧЬ-М и КОРСАР/ГП на основании данных, полученных в ходе опытов.
Программа ТЕЧЬ-М расчётного комплекса ТРАП-КС используется при обосновании безопасности АЭС с реакторами типа ВВЭР. Она применяется для анализа изменения параметров теплоносителя в первом контуре и температурно го режима в активной зоне в авариях, вызванных нарушением герметичности первого контура, включая режимы с разрывом главного циркуляционного трубо провода по полному сечению.
Расчётный код КОРСАР/ГП предназначен для численного моделирования динамики реакторных установок с ВВЭР в режимах нормальной эксплуатации, в режимах с нарушениями в работе оборудования первого и второго контуров, в проектных и запроектных авариях, а также для моделирования теплогидравличе ских экспериментальных установок и стендов с водяным теплоносителем.
Верификация кодов проводилась по данным, как первого, так и второго этапов исследований. На рисунке 13 показано сравнение экспериментальных данных с расчётными по эксперименту № 135 первого этапа.
На рисунке 14 показано сравнение экспериментальных данных с расчёт ными по эксперименту № 201 второго этапа.
Рисунок 13 – Конденсационная мощность модели парогенератора в эксперименте №135:
а) расчет по коду ТЕЧЬ-М;
б) расчет по коду КОРСАР/ГП;
1 – эксперимент, 2 – расчет Рисунок 14 – Конденсационная мощность модели ПГ в эксперименте № 201:
а) расчет по коду ТЕЧЬ-М;
б) -расчет по коду КОРСАР/ГП;
1 – эксперимент, 2 – расчет Из графиков видно удовлетворительное совпадение результатов расчётов по кодам ТЕЧЬ - М и КОРСАР/ГП с экспериментальными данными.
По результатам верификации и пост-тест расчётов можно сделать вывод о достоверном предсказании расчётными кодами работы модели парогенератора ВВЭР в конденсационном режиме.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ На крупномасштабном стенде ГЕ2М-ПГ, созданном в ГНЦ РФ-ФЭИ, в пе риод с 2008 по 2011 гг. проведены эксперименты, целью которых было получение характеристик конденсационного режима работы модели парогенератора реактора ВВЭР-1200.
В рамках исследований первого этапа проводились эксперименты для получения зависимости конденсационной мощности ПГ от температуры второго контура. Также были проведены эксперименты с подачей в первый контур не конденсирующихся газов, и опыты для обоснования достаточности расхода про ектной сдувки.
Кроме того, были выявлены основные особенности и характеристики рабо ты модели ПГ в режиме конденсации пара. К их числу относятся:
- наличие процессов естественной циркуляции обоих контурах;
- низкие перепады температур между средами первого и второго контуров;
- низкие значения удельного теплового потока ( 1200 Вт/м2);
- наличие неконденсирующихся газов в трубчатке парогенератора.
Исследования второго этапа проводились методом стационарных состоя ний и были выполнены на основании расчётных данных для аварийных процес сов длительностью 24 и 72 часа. Целью этих опытов было получение данных для верификации расчетных кодов ТЕЧЬ-М и КОРСАР/ГП для обоснования возмож ности их использования для моделирования процессов в парогенераторе при низких тепловых потоках.
Таким образом, результаты проведённой работы заключаются в следующем:
1. Была разработана методика двухэтапных исследований работы модели парогенератора реактора ВВЭР в конденсационном режиме на крупномасштаб ном стенде.
2. Эксперименты на чистом паре показали, что 90 % конденсата, обра зующегося в трубчатке модели парогенератора, стекает в «холодный» коллектор, то есть, применительно к реальной АЭС, в активную зону реактора, обеспечивая её дополнительное охлаждение.
3. Эксперименты с наличием неконденсирующихся газов в паре первого контура позволили определить характеристики процессов отравления парогене ратора и установить, что наличие НГ в его трубчатке приводит к значительному ухудшению условий конденсации, а, следовательно, и к снижению его конденса ционной мощности.
4. Опыты с оттоком газов показали, что отвод парогазовой смеси с расхо дом, соответствующим расходной характеристики системы ГЕ-2, позволяет со хранить необходимую конденсационную мощность ПГ, достаточную для под держания эффективного теплоотвода от реакторной установки.
5. Эксперименты, проведенные методом стационарных состояний, позво лили получить характеристики ПГ, работающего в конденсационном режиме в условиях суточного и трёхсуточного аварийных процессов.
6. Результаты экспериментов, как первого, так и второго этапов, были ис пользованы для верификации расчётных кодов ТЕЧЬ-М и КОРСАР/ГП. После проведения верификации расчётные коды могут использоваться для моделиро вания процессов тепло- и массообмена при конденсации пара и парогазовой сме си в трубчатке парогенератора реактора ВВЭР и обоснования его работоспособ ности при запроектной аварии.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Морозов А.В., Калякин Д.С. Методика проведения экспериментов на круп номасштабном стенде по исследованию работы парогенератора реактора ВВЭР в конденсационном режиме / Сборник тезисов докладов XII Между народной научно-инновационной конференции студентов, аспирантов и мо лодых специалистов «Полярное сияние – 2009», СПб, 2009 г. – С. 55.
2. Морозов А.В., Калякин Д.С. Техническое оснащение и основные системы крупномасштабного стенда ГЕ2М-ПГ для обоснования пассивных систем безопасности / Труды XII научно-технической конференции молодых спе циалистов ОКБ «Гидропресс», Подольск, 2009 г. – С. 42 - 53.
3. Морозов А.В., Калякин Д.С. Проведение экспериментов по исследованию влияния неконденсирующихся газов на работу парогенератора реактора ВВЭР в конденсационном режиме / Сборник трудов X научной школы мо лодых учёных ИБРАЭ РАН, Москва, 2009 г. – С. 134 - 139.
4. Морозов А.В., Ремизов О.В., Калякин Д.С., Цыганок А.А. Эксперименталь ное исследование конденсационной мощности парогенератора ВВЭР в при сутствии неконденсирующихся газов на крупномасштабном стенде / Труды XI международной конференции «Безопасность АЭС и подготовка кадров 2009», Обнинск, 29 сентября – 2 октября, 2009 г.
5. Морозов А.В., Ремизов О.В., Калякин Д.С., Цыганок А.А. Эксперименталь ное измерение тепловой мощности модели парогенератора реактора ВВЭР в конденсационном режиме в случае запроектной аварии // Известия ВУЗов.
Ядерная энергетика. 2009 г. № 4. с. 124 - 131.
6. Морозов А.В., Ремизов О.В., Калякин Д.С., Сошкина А.С. Эксперименталь ные и расчётно - теоретические исследования процессов неразвитого кипе ния на многорядных горизонтальных трубных пучках в условиях естествен ной циркуляции / Сборник статей «Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук». Выпуск 15, Калуга: Изд-во АНО «Калужский научный центр», 2010 г. – С. 245 - 249.
7. Морозов А.В., Калякин Д.С. Влияние работы пассивных систем безопасно сти на конденсационную мощность парогенератора реактора ВВЭР / Сбор ник трудов XI научной школы молодых учёных ИБРАЭ РАН. – Москва, 2010 г. – С. 80 - 83.
8. Морозов А.В., Ремизов О.В., Калякин Д.С., Цыганок А.А. Эксперименты по исследованию работы модели парогенератора ВВЭР в конденсационном ре жиме в присутствии неконденсирующихся газов // Сборник трудов Моло дежной научно - технической конференции «Эксперимент-2010», Нижний Новгород, 2010 г., с. 134 - 139.
9. Морозов А.В., Ремизов О.В., Калякин Д.С. и др. Расчётно-экспериментальное исследование влияния неконденсирующихся газов на работу модели пароге нератора реактора ВВЭР в конденсационном режиме / Тезисы докладов 7-й Международной научно-технической конференции «Безопасность, экономика и эффективность атомной энергетики». – Москва, 2010 г. – С. 352 - 353.
10. Морозов А.В., Ремизов О.В., Калякин Д.С., Цыганок А.А. Эксперименталь ное исследование конденсационной мощности модели парогенератора НВ АЭС-2 при запроектной аварии / Труды международного конгресса по дос тижениям в области АЭС (ICAPP ’10). – Сан-Диего, США, 13 - 17 июня, 2010 г. – Статья 10101.
11. Морозов А.В., Ремизов О.В., Калякин Д.С., Цыганок А.А. Теплопередача ме жду конденсирующимся паром и кипящей водой в многорядном горизон тальном трубном пучке / Сборник трудов Пятой российской национальной конференции по теплообмену. – Москва, МЭИ, 2010 г. – Том 5. – С. 60 - 63.
12. Морозов А.В., Ремизов О.В., Калякин Д.С., Цыганок А.А. Исследование ра боты парогенератора ВВЭР в конденсационном режиме с влиянием некон денсирующихся газов при суточном аварийном процессе / Труды 8-й Между народной конференции по теплогидравлике, эксплуатации и безопасности ядерных реакторов (NUTHOS-8). – Шанхай, Китай, 10 - 14 октября 2010 г.
13. Морозов А.В., Ремизов О.В., Калякин Д.С., Цыганок А.А. Исследование влияния неконденсирующихся газов на работу парогенератора ВВЭР в кон денсационном режиме на крупномасштабном стенде / Труды 17-й ядерной конференции тихоокеанского бассейна. – Канкун, Мексика, 24 - 30 октября 2010 г.
14. Морозов А.В., Ремизов О.В., Калякин Д.С., Цыганок А.А., Зайцев А.А., Лукьянов А.А., Попова Т.В., Супотницкая О.В., Расчётно-эксперименталь ное исследование влияния неконденсирующихся газов на работу модели па рогенератора ВВЭР в конденсационном режиме при запроектной аварии // Известия ВУЗов. Ядерная энергетика. 2010 г. № 4. – С. 172 - 182.
15. Морозов А.В., Калякин Д.С. Результаты экспериментов по исследованию влияния неконденсирующихся газов на конденсационную мощность пароге нератора реактора ВВЭР // Сборник трудов Международного молодежного научного форума «Ядерное будущее», Голицыно, Московская обл., 2011 г.
16. Морозов А.В., Ремизов О.В., Калякин Д.С., Цыганок А.А. Влияние некон денсирующихся газов на работу парогенератора ВВЭР в конденсационном режиме на крупномасштабном стенде // Научно-технический сборник «Ито ги научно-технической деятельности института ядерных реакторов и тепло физики за 2010 год». – Обнинск, ГНЦ РФ-ФЭИ, 2011 г. – С. 168-180.
17. Морозов А.В., Калякин Д.С. Исследование конденсационного режима рабо ты модели парогенератора ВВЭР при низких концентрациях неконденси рующихся газов в парогазовой смеси // Сборник трудов XII научной школы молодых учёных ИБРАЭ РАН. – Москва, 2011. – С. 85 - 88.
Подписано к печати 25.04.2012. Формат 6084 1/16. Усл. п. л. 0,8.. Уч.-изд. л. 1,08.
Тираж 50 экз. Заказ № 191.
Отпечатано в ОНТИ методом прямого репродуцирования с оригинала автора.
249033, Обнинск Калужской обл., пл. Бондаренко, 1.
ГНЦ РФ – Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского.