Разработка методов идентификации акустических резонансов и снижения уровней вибраций в главном паропроводе аэс с ввэр-
На правах рукописи
Беликов Святослав Олегович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ РЕЗОНАНСОВ И СНИЖЕНИЯ УРОВНЕЙ ВИБРАЦИЙ В ГЛАВНОМ ПАРОПРОВОДЕ АЭС С ВВЭР-1000 Специальность: 05.14.03 – ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена на кафедре атомных электрических станций Национального исследовательского университета «МЭИ»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Проскуряков Константин Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гулина Ольга Михайловна доктор технических наук, профессор Аракелян Эдик Койрунович
Ведущая организация: Филиал ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Ростовская атомная станция» (Ростовская АЭС)
Защита состоится « 13 » июня 2012г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.157.07 при Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул.
Красноказарменная, д.14, аудитория МАЗ «НИУ «МЭИ».
Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим прислать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МЭИ».
Автореферат разослан «_» 2012г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д212.157.07 _ И.П. Ильина кандидат технических наук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Эксплуатационные вибрации паропроводов на АЭС с ВВЭР-1000 типа В-320 наблюдались с самого начала эксплуатации данных блоков. Измерениями было доказано, что источником эксплуатационных вибраций являются пульсации давления в паропроводах, которые имеются в каждом паропроводе.
Пульсирующие силы, вызываемые пульсирующим потоком пара возникают в каждом подводящем паропроводе и в отводах от него к арматуре, поэтому при эксплуатации на каждый из четырех главных паропроводов воздействуют три пульсирующие силы, возникающие в отводах от главных паропроводов к арматуре с частотой 46 Гц и с определенным фазовым сдвигом, в соответствии с удаленностью ответвлений и длин подводящих трубопроводов к арматурам.
Измерениями на АЭС Темелин на паропроводе TX80 было определено, что максимальное давление пульсации находится в середине «ноги», ведущей ко второму ПК ПГ по направлению потока пара. Амплитуда пульсирующего давления с течением времени слабо изменяется, но достигает средней величины 24кПа.
Доминирующей измеренной частотой вибрации является величина Гц. После пуска первого В-320 стала очевидной необходимость реконструкция паропроводов для подавления этих вибраций.
Реконструкции были выполнены на Ростовской АЭС, Балаковской АЭС, Хмельницкой АЭС и АЭС Темелин. Затем была проведена вторая реконструкция паропроводов в помещении А-820, направленная на установку амортизаторов (Балаковская АЭС и АЭС Темелин) или на изменение геометрии подводящих трубопроводов к предохранительным арматурам (Хмельницкая АЭС, Ростовская АЭС и АЭС Темелин).
В дальнейшем, в соответствии с выданными рекомендациями, демпферы с кольцевых отводов к арматурам 4TX80S03 и 4TX80S04 были демонтированы. С целью снижения уровня вибраций 4ТХ80. оставшейся на паропроводе из-за отсутствия статического равновесия, на кольцевом отводе к БРУ-А 4TX80S05 (в направлении к БЗОК) было оставлено демпфирующее устройство (демпфер). Как показал опыт эксплуатации, применение данных устройств, для снижения уровня эксплуатационных вибраций неэффективно.
Все эксплуатационные вибрации больше всего проявляются в ответвлениях к БРУ-А, что подтверждено виброизмерениями на паропроводах TX50 и TX80. В результате большая скорость колебаний приводит к эксплуатационным вибрациям и провоцирует эксплуатационный износ арматуры БРУ-А. Ввиду этого, разработка методов идентификации акустических резонансов и снижения уровней вибраций в главном паропроводе АЭС с ВВЭР-1000 является актуальной задачей.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является Разработка методов идентификации акустических резонансов и снижения уровней вибраций в главном паропроводе АЭС с ВВЭР-1000, не предусмотренных проектной документацией, но влияющих на работоспособность и надежность оборудования системы главных паропроводов и разработка рекомендаций по уменьшению величины СКЗ виброскорости до нормативного уровня.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ теоретических исследований и результатов измерений уровней вибраций на главном паропроводе (ГПП);
разработать акустические модели источников акустических возмущений в системах генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР 1000;
используя результаты анализа разработать методы расчета и провести идентификацию акустических резонансов в системах генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР-1000;
подтвердить экспериментально достоверность предлагаемых методов расчета и идентификации источников акустических возмущений;
на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать рекомендации по предотвращению в системах генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР-1000 роста уровня вибраций превышающих нормативные значения, как при проектировании, так и при эксплуатации.
Достоверность результатов исследования подтверждается:
1. Использованием теоретических основ: расчета колебаний параметров в текучих средах, электроакустических аналогий и газодинамики двухфазных сред для расчета акустических параметров систем генерации и транспортировки пара и условий возникновения в них акустических резонансов.
2. Использование имеющихся экспериментальных данных для построения акустических моделей и расчета их параметров в системах главных паропроводов на АЭС с ВВЭР-1000.
3. Положительными результатами практического использования предлагаемых методов предотвращения акустических резонансов между источниками пульсаций давления и резонансными частотами колебаний текучей среды, заполняющей теплоэнергетическое оборудование.
Научная новизна результатов, полученных в работе состоит в следующем:
разработаны акустические модели источников акустических возмущений в системах генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР 1000;
разработаны методики расчета и идентификации источников акустических возмущений в системах генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР-1000;
разработаны методики расчета резонансной частоты колебаний давления пара, содержащегося в системе, образованной ИПУ, ПК и соединяющим их канале;
разработаны рекомендации по предотвращению в системах генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР-1000 роста уровня вибраций превышающих нормативные значения;
впервые выявлена роль парового объема парогенератора в возникновении эксплуатационных вибраций в системе главных паропроводов с частотой в диапазоне от 35 Гц до 65 Гц;
впервые выявлено влияние размеров парового объема в системе ИПУ – ПК и соединяющем их канале и геометрических размеров «ноги» на возникновение акустических резонансов в системе БРУ-А, ИПУ и ПК.
Личный вклад автора в полученных результатах:
Автор принимал участие в проведении и обработке результатов измерений, проведенных на Балаковской АЭС. Так же автором выполнен сбор результатов измерений вибраций в системах генерации и транспортировки пара на Ростовской АЭС и сделаны дополнения в расчетно-теоретическое и экспериментальное обоснования причин роста уровня вибрации в системе генерации и транспортировки пара на АЭС с ВВЭР-1000.
Все этапы работы по разработке акустических моделей, а так же проведение расчетов акустических параметров были выполнены непосредственно автором, либо проходили при его непосредственном участии.
Практическая ценность Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке методов и алгоритмов прогнозирования возникновения и способов предотвращения на стадии проектирования и эксплуатации акустических резонансов в системах генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР-1000.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
16-я Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2010 г., Москва. МЭИ);
Всероссийская научно-техническая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем». (2010 г., Москва. МЭИ);
1-я Евроазиатская выставка и конференция «Энергетика настоящего и будущего», 16-18 февраля, г. Екатеринбург, 2010.
17-я Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2011 г., Москва) 18-я Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2011 г., Москва) 19-я Международная конференция по Ядерной технике May 16-19, 2011, Чиба, Япония GLOBAL 2011, Макухари, Япония, декабрь 11-16, Ценные замечания и рекомендации на всех этапах выполнения работы были сделаны специалистами отдела технической диагностики атомных станций НОТД Балаковской АЭС Костиным А.В., НОТД Ростовской АЭС Адаменковым А.К., и др.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, из них 2 по списку ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы, изложенных на 111 стр., в том числе 9 табл., 34 рис.
Список используемой литературы содержит _ наименований.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Усовершенствованные методики и алгоритмы расчета акустических параметров систем генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР-1000.
2. Методики расчета и количественные оценки акустических параметров систем генерации пара с учетом влажности и расчетного уровня в парогенераторе.
3. Результаты расчетно-теоретического и экспериментального обоснования причин роста уровня вибрации в системе генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР-1000.
Краткое содержание работы Во введении дано обоснование в актуальности выбранной темы, определены объект, предмет и цели исследования, а также кратко обозначены примененные методы исследования. Изложены основные положения, выносимые на защиту, подчеркнута научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В главе I система ГПП рассматривается как объект, в котором в процессе эксплуатации наблюдается повышенный уровень вибрации оборудования. Следует отметить, что эксплуатационные вибрации паропроводов в помещении А-820 на АЭС ВВЭР-1000 типа В- наблюдались с самого начала эксплуатации блоков данного типа. Проблемы с появляющимися вибрациями паропроводов при длительной эксплуатации побудили некоторые АЭС к реконструкции паропроводов.
Показано, что принятые меры по снижению уровня вибраций к настоящему моменту предпринятые решения по изменению конструкции и введению дополнительных демпфирующих устройств не позволили кардинально решить проблему уменьшения уровни вибрации до нормативного уровня.
В настоящее время повысились требования к достоверности расчетов элементов энергетических установок на прочность, причем расчеты на колебания и прочность при вибрационных нагрузках рассматриваются как неотъемлемая составная часть общего комплекса прочностных расчетов конструкций. Известно, что вибрации трубопроводов часто могут достигать значительных величин и служить причиной разрушения элементов энергетических установок. Распространенным видом отказа в таких установках является разгерметизация проточных трактов теплоносителей из за усталостных разрушений трубопроводов при вибрации.
Поскольку универсальных методов гашения вибрации трубопроводов энергетических установок не разработано, каждый случай появления вибра ции трубопроводов требует всестороннего квалифицированного анализа, без которого мероприятия по устранению вибраций не всегда приводят к ожидаемым результатам.
Исследования показывают, что одним из основных источников вибрации трубопроводов являются пульсирующий поток рабочего тела.
Для уменьшения амплитуды колебаний давления в результате изменения конструкции трубопроводов необходимо знать акустические характеристики всех элементов. Изменением конструкции системы практически не удается существенно снизить амплитуды колебаний давления в сложных разветвленных трубопроводах, где довольно часто создаются условия для резонанса одновременно нескольких собственных гармоник.
Применение демпфирования колебаний давления в отдельных случаях позволяет упростить мероприятия по снижению вибрации трубопроводов.
Особенно эффективна установка гасителей оказывается тогда, когда не обходимо обеспечить рассогласование частот колебаний конструкции с акустическими колебаниями в рабочей среде.
В результате применения демпфирующих устройств на АЭС «Темелин» удалось достичь некоторого снижения уровня эксплуатационных вибраций.
Расчетный анализ соотношения потока в паропроводах в области ответвлений зафиксировал, что на ребрах обтекания каждого ответвления регулярно появляется «отрывной» эффект с частотой 46Гц. Таким образом, в подводящих трубопроводах создаются волны давления, которые распространяются со скоростью звука в паре от одного края предохранительного вентиля к другому (рис. 1). В момент прохождения верхнего T-участка (тройника) импульс способствует повышению давления в участке между верхним и нижнем тройником («переходе»), который потом воздействует на главный паропровод.
Усиление пульсаций давления в подводящем трубопроводе к арматурам («ноге») способствует усилению силы пульсации, которая воздействует на главный паропровод.
Пульсирующие силы возникают в каждом подводящем паропроводе, поэтому при эксплуатации на главный паропровод воздействуют три пульсирующие силы с частотой 46 Гц с определенным фазовым сдвигом в соответствии с удаленностью ответвлений и длин подводящих трубопроводов к арматурам.
Эта описанная гипотеза была подтверждена прямым измерением пульсаций давления в отдельных «ногах» на TX80 АЭС «Темелин» и последующей расчетной симуляцией. Результаты измеренных пульсаций в «ногах» на паропроводе TX80 указаны на рис. 2. Максимальная амплитуда представленная на рисунке 2 относится к месту измерения, обозначенной цифрой – 17, среднее значение амплитуды – 16, минимальное значение – 15.
На основании описанного выше анализа, на Ростовской АЭС появилась необходимость в эффективном устранении акустического усиления возбуждения давления в подводящих трубопроводах, что было возможно выполнить только надлежащим изменением геометрии подводящих трубопроводов. В дальнейшем появилась необходимость в эффективном снижении эксплуатационных вибраций паропроводов TX50 и TX80.
Следует так же отметить, что измерения проведены не во всем диапазоне возможного изменения мощности. Повышенный уровень вибраций, в указанных системах, является существенным недостатком вводимых в эксплуатацию АЭС, в том числе и поставляемых за рубеж.
Делается вывод о том, что для уменьшения уровней вибраций оборудования ГПП необходимо решить следующие задачи:
на основе анализа теоретических исследований и практических данных разработать акустические модели источников акустических возмущений в системах генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР 1000;
используя результаты анализа разработать методы расчета и идентификации источников акустических возмущений в системах генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР-1000;
подтвердить экспериментально достоверность предлагаемых методов расчета и идентификации источников акустических возмущений;
на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать рекомендации по предотвращению в системах генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР-1000 роста уровня вибраций, превышающих нормативные значения, как при проектировании, так и при эксплуатации.
В главе II рассмотрены теоретические основы построения акустических моделей теплоносителя в I контуре АЭС с ВВЭР-1000.
Как и любой другой конструктивный элемент, обладающий массой и упругостью, теплоноситель в контуре имеет собственные частоты, которые могут резонировать с источниками гидродинамических возмущений при совпадении частот или появляться, как менее выраженные линии в спектре, если резонансная (собственная) частота теплоносителя отличается от частот источников гидродинамических возмущений.
Большинство акустических устройств выполнены из труб с различными сочленениями: расширениями, камерами, отводными каналами, диафрагмами и т.д. Общая теория распространения звука в таких устройствах сложна, однако, если неоднородность звукопровода меньше длины волны, то с достаточной для практических расчетов точностью можно рассматривать акустические неоднородности звукопровод как элементы с сосредоточенными параметрами. При этом звукопровод в этом случае можно представить состоящим из отрезков волноводов имеющих участки с сосредоточенными параметрами.
Участки труб, арматура, расширения, сужения и т.д. в такой приближенной теории называются акустическими элементами. Каждому акустическому элементу соответствует электрический аналог в виде элемента электрической схемы.
Приведены эквивалентные схемы основного оборудования I контура в которых акустическая масса и акустическое сопротивление выражены через теплофизические параметры рабочей среды в акустическом элементе и геометрические размеры акустического элемента.
Эти соотношения представлены для однофазного и двухфазного состояния рабочей среды.
Представлены электроакустические эквивалентные схемы замещения гидравлических элементов в реакторных контурах с потоками однофазной и двухфазной среды.
Представлена разработанная двухпетлевая схема первого контура АЭС с ВВЭР.
Приведены разработанные методы расчета частот акустического резонанса в оборудовании первого контура АЭС с ВВЭР-1000 и результаты анализа данных вибродинамического контроля ГЦК реакторной установки В 320 блока №1 Ростовской АЭС.
На примере акустической модели компенсатора давления (КД) разработанного в МЭИ в 1979г., верификация которой была проведена как в России, так и зарубежом, обоснована возможность применения этой акустической модели для исследования акустических параметров ПГ ВВЭР 1000.
На рисунках 2 а) и 2 б) представлены спектры виброперемещений, полученные при обработке сигналов от датчиков виброперемещений, установленных на всасе и на напоре ГЦН. Результаты измерений получены в режиме холодно-горячей обкатки при давлении Р=16 МПа,температуре в горячем коллекторе ПГ равной 281ОС и в холодном коллекторе равной О С.
Из рисунка 2а) видно, что на всасе ГЦН интенсивность вибраций на частоте 16,6 Гц является доминирующей. В спектре виброперемещений, полученных от сигнала датчика расположенного на напоре ГЦН, интенсивность виброперемещений на частоте 16,6 Гц, приблизительно, на порядок меньше (рисунок 2б).
Рассчитанная величина СЧКДТ акустического контура в этом режиме, образованном участками «холодный коллектор ПГ» и «холодная нитка от выхода из холодного коллектора ПГ до ГЦН», равна 8,3 Гц.
а) б) Рисунок 2 – а) СПМ виброперемещений (всас ГЦН);
б) СПМ виброперемещений (напор ГЦН).
Показано, что при квадратичной зависимости перепада давления от скорости теплоносителя имеем:
p(v)=B (v)2, где B – коэффициент пропорциональности.
Если скорость v меняются во времени по гармоническому закону:
v = (v) cos t, где – круговая частота, то справедливо следующее преобразование, p(v)=B (v)2 cos2 t=B/2(v)2+ B/2(v)2 cos2 t (1) Из уравнения (1) следует, что при наличии в рассматриваемом контуре акустических колебаний с частотой f = 8,3 Гц при квадратичной зависимости перепада давления от скорости происходит удвоение частоты, в результате чего в спектре возникают колебания с частотой 16,6 Гц, которая равна оборотной частоте ГЦН. Такое преобразование СЧКДТ приводит к её полному совпадению с оборотной частотой ГЦН и возникновению в гидравлическом контуре образованном холодным коллектором парогенератора и трубопроводом, соединяющим его с ГЦН резонанса частоты акустических колебаний с частотой вынужденных колебаний обусловленных вращением ГЦН. Совпадение частот акустических колебаний с частотой вынужденных колебаний, обусловленных вращением ГЦН, является причиной увеличения интенсивности колебаний давления в рассматриваемом контуре и непосредственно перед ГЦН. При отсутствии подобного резонанса вынужденных колебаний давления с акустическими колебаниями в контурах расположенных на напорной стороне ГЦН интенсивность виброперемещений, вызванных работой насоса, существенно ниже.
В главе III приведено техническое описание и конструкция основного оборудования системы генерации и транспортировки пара.
Описаны средства измерения вибраций главных паропроводов.
Показаны схемы размещения датчиков виброперемещений.
Приведены методы и алгоритмы определения добротности, полосы пропускания, коэффициента затухания и СЧКДРТ в системе генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР-1000. С помощью этих методов для конкретной конфигурации системы генерации и транспортировки пара можно прогнозировать диапазон частот внешних возмущающих воздействий, при попадании в который резонансных частот акустических элементов в них происходит усиление пульсаций давления (и вибраций).
На рисунке приняты обозначения:
Рвх – перепад давления в системе генерации и транспортировки пара;
Wоб – объемный расход пара;
R – акустическое сопротивление в системе генерации и транспортировки пара;
m и C– интегральные акустическая масса и акустическая податливость рабочего тела в системе генерации и транспортировки соответственно.
Под резонансными режимами понимают режимы, когда колебания объемного расхода совпадают по фазе с колебанием пульсации давления теплоносителя рассматриваемого контура. Условием резонанса пульсации давления является равенство нулю реактивной составляющей входного сопротивления рассматриваемого контура (xвх=0, Zвх= Rвх):
Pвх Pвх Wоб R2 x R2 ) (m c.
Известно, что резонанс пульсаций давления, при синусоидальном изменении объемного расхода, возможен при последовательном соединении акустической податливости и акустической массы:
Z вх R j (m ) Z вх Pвх Wоб Z вх c ;
;
R2 )2 R2 x2, Z вх (m 1/ c где x m m.
Добротность Q равна отношению давления на реактивном элементе (Pm и Pc0) к входному давлению (Pвх0) для резонансной частоты (0):
1 m Wоб Pm 0 PС 0 Wоб 0 0 m c m Zc 1 m c Q, 0 Q Pвх 0 Pвх 0 Wоб 0 R Wоб 0 R R mc R R R где Zc=1/с0 – характеристическое сопротивление;
- резонансная mc круговая частота.
Объемный расход и отношение объемного расхода к объемному расходу при резонансе (Wоб/Wоб0) являются функциями круговой частоты (рисунок 4):
Pвх Pвх Wоб Wоб 1 1 1 1 R2 ( m )2 )2 ) R1 (m 1 (m R2 R c c c Wоб 0 Wоб 0 Wоб 1 Z 1 Q2 ( 02 ) C 1 ( ) m m 1 1 c )2 R 1 ( R2 c m c Wоб 1 Wоб 0 ( xвх ) 1 Q2 ( ) R, xвх m c где Под граничными значениями частот полосы пропускания понимают значения частот f1 и f2, для которых Wоб/Wоб0=0,707.
На граничных частотах f1, f2 суммарное реактивное сопротивление контура равно суммарному активному сопротивлению (Rвх= xвх;
=45о):
Wоб 1 Wоб 0 1 ( xвх ) 1 R Связь граничных частот с резонансной частотой и добротностью контура осуществляется следующим образом:
Wоб 1 Wоб 0 1 Q2 ( ) 1, 2 1 Q2 ( ) 0 1, Т.е. добротность потока теплоносителя в акустическом контуре равна:
f Q ( ) ( f2 f1 ) (2) 2 где (2 - 1) и (f2 - f1) – полоса пропускания, [Гц];
0 – круговая резонансная частота, [рад];
f0 – собственная частота колебания давления теплоносителя, [Гц].
Из формулы (2) видно что, чем выше добротность резонансного контура, тем уже полоса пропускания (рисунок 4).
По определению коэффициент затухания равен:
d=1/Q (3) где Q – добротность колебательного контура.
C d R m (4) Закон убывания амплитуды давления упругих волн описывается следующим уравнением [43]:
a P a ( x) x P0 e (5) где – коэффициент поглощения упругих волн, x – расстояние от источника колебания до места измерения.
Коэффициент можно найти из известного соотношения:
Q 2a (6) где а – скорость звука в среде, – круговая частота колебаний.
Проведенный анализ позволяет прогнозировать режим наступления резонансного взаимодействия рабочей среды с источником внешних возмущений и конструкцией. Как правило, возможность возникновения резонансного взаимодействия акустических колебаний с вибрациями конструкции в проектной и эксплуатационной документациях не предусмотрена.
Схема рассматриваемого участка ПГ - турбина. На рисунке представлена упрощенная технологическая схема системы генерации и транспортировки пара. На рисунке 6 представлена акустическая схема рабочего тела в ПГ. ПГ разделен на три участка:
1 – водяной объем;
2 – пароводяной объем;
3 – паровой объем.
Алгоритм расчета акустической массы и акустической податливости в паровом объеме ПГ.
Правомерность применения этого алгоритма для расчета акустических колебаний в системе, состоящей из трех слоев: воды, двухфазной среды и парового объема, доказана на примере компенсатора давления. Акустическая модель компенсатора давления, раз работанная К.Н Проскуряковым в 1979 г. и широко используется в настоящее время. Этим экспериментально подтверждается достоверность предлагаемых ниже методов расчета и идентификации источников акустических возмущений.
Для нахождения резонансной частоты найдем акустическое податливость и акустическую массу рассматриваемого участка:
fi li i li di Ca ma f i fi ;
i ai i i ;
В главе IV представлены результаты измерений. Замеры СКЗ, а так же обработка результатов измерений проводились на Ростовской АЭС и Балаковской АЭС.
Целью проведения анализа результатов измерений в настоящей работе является выявление закономерностей при формировании спектральных характеристик измеряемых сигналов, а также выявление и исследование процессов, не предусмотренных проектной документацией, но влияющих на работоспособность и надежность оборудования системы главных паропроводов.
На рисунке 7 изображены места замеров СКЗ на главном паропроводе системы TX.
Примечание: В данных БАЛ АЭС вместо индекса «Z» указан соответствующий номер паропровода (например: TX 80 соответствует номеру «8»), в данных РСТ АЭС вместо индекса «Z» указан соответствующий номер позиции технологического обозначения оборудования (например: S05-3 соответствует позиции БРУ-А).
В таблице 2 приведены результаты замеров СКЗ виброскоростей.
Таблица 2 Результаты замеров СКЗ виброскоростей (мм/с). РСТ АЭС.
Дата проведения: ПРОТОКОЛ № 81-01/759 от 13.04.2007 г.
13.04.2007г Нагрузка: Nэл=980 MВт Средства измерений: прибор «Топаз» КУ-80 №057, одномерный вибродатчик РА023.
Точка Паропровод ТХ-50 Паропровод ТХ- замера Направление*) Направление*) Z Y X Z Y X S03-1 4,2 3,3 1,8 2,6 3,4 1, S03-2 2,7 7,6 2,6 16,3 2,6 2, S03-3 22,6 10,1 2,0 8,8 2,6 5, S03-4 1,9 2,8 1,1 3,8 1,3 0, S04-1 7,6 2,7 1,8 4,2 1,4 1, S04-2 7,2 8,6 17,4 2, 32,0 24, S04-3 23,0 6,0 3,4 6,7 1, 25, S04-4 11,3 6,0 1,7 7,8 2,4 2, S05-1 14,5 3,4 1,4 2,5 1,8 1, S05-2 2,6 10,1 4,5 1, 27,5 39, S05-3 3,5 11,5 5,0 3, 27,6 36, S05-4 8,0 2,7 2,8 7,7 1,6 0, S05-5 8,2 3,0 2,4 6,3 1,8 0, S05-6 6,8 9,5 5,3 4, 34,5 20, На рисунке 8 а) и 8 б) приведены спектры виброскоростей по парапроводам TX 50 и TX а) б) Основная составляющая в спектре частота f=45,28Гц.
Рис 8 Спектр виброскорости по паропроводу а) TX 50;
б) ТХ Из таблицы 2 видно, что в режиме 100%Nnom в отводящих паропроводах к БРУ-А, в контрольных точка S05-2, S05-3 значение СКЗ превышает контрольное значение СКЗ – 15мм/с. Согласно п. 8. «Методики…» значение СКЗ виброскорости для паропроводов системы 2ТХ80 в контрольной точке S05-4 более 15 мм/с, соответственно необходим расчет циклической прочности.
Результаты измерений на Балаковская АЭС На энергоблоке №4 Балаковской АЭС были выявлены и измерены доминирующие частоты эксплуатационных вибраций на 4ТХ50,70,60,80.
которые составили величины:
для паропроводов системы 4TX50 - 65,5 Гц;
для паропроводов системы 4TX60 - 38,5 Гц;
для паропроводов системы 4TX70 - 39,5Гц;
- 58,0Гц. - для паропроводов системы 4TX80 - 38,5 Гц.
На паропроводах TX50Z01 и TX80Z01 Балаковской АЭС так же как и на паропроводах Ростовской АЭС были зафиксированы повышенные эксплуатационные вибрации (выделенные шрифтом в таблице 3), в которой приведены результаты замеров СКЗ виброскоростей (мм/с).
Таблица 3 Результаты замеров СКЗ виброскоростей (мм/с). БАЛ АЭС.
Паро Точка V скз (мм/с) по осям провод измерения Горизонтальная (X) Осевая (Y) Вертикальная (Z) 801 3,2 3, 802 4,2 4, 803 11,0 (4,9) 3, 804 10,0 (17,0) 8,0 (10,0) 805 8,1 5, TX80 806 6,5 5, 807 7,2 8, 808 8,2 4, 9,0 (19) 809 16,8 (10) 810 9,2 17,1 (12,4) 811 12,0 (3,9) 3, На рисунке 9 приведен спектр виброскорости соответствующий паропроводу TX80, точка 809.
После проведенных замеров для энергоблока №4 Балаковской АЭС было принято решение предусматривающее изменение геометрии кольцевых отводов паропроводов систем 4ТХ50,60,80 и корректировку опорно подвесной системы. В ППР-2010 на паропроводах систем 4ТX50,60,80 были выполнены реконструктивные работы по изменению геометрии кольцевых отводов.
Комплекс виброизмерений, проведенный после ППР- зафиксировал снижение уровней эксплуатационных вибраций паропроводов, однако существенно изменить ситуацию не удалось.
Идентификации акустических резонансов.
Рост вибраций возникает при резонансном взаимодействии источников акустических колебаний с собственными частотами колебаний давления рабочей среды в акустических элементах системы.
При анализе результатов измерений РСТ АЭС, показанных на рисунках 8 а) и 8 б), было сделано предположение, что источниками колебания с частотой 45 Гц – а является не только оборудование, обеспечивающее генерацию пара, но и предохранительная арматура (ИПУ ПГ, БРУ-А).
Правомерность выдвинутой гипотезы подтверждается анализом обобщенной акустической модели, включающей ИПУ и ПК и соединяющий их канал. Акустическая система, заполненная паром выделена черным цветом на рисунке 10. Расчетом показано, что резонансная частота этой акустической системы равна 45 Гц.
Рассчитанная резонансная частота колебаний в акустическом элементе – «нога» (см. рисунок 1) при её длине равной 850 мм равна 90 Гц. Известно, что параметрический механизм усиления пульсаций давления и вибраций в акустическом элементе происходит при воздействии внешнего возмущения, частота которого равна двукратной частоте собственных колебаний рабочей среды в этом акустическом элементе. Таким образом, усиление значений СКЗ с частотой в 45 Гц в системе ИПУ – ПК вызвано параметрическим резонансом внешнего возмущения с частотой Гц с акустическим элементом, представленным на рисунке 10, частота акустических колебаний в котором равна 45 Гц.
Таким образом для предотвращения роста пульсаций давления и обусловленного ими роста уровня вибраций системы ИПУ – ПК, необходимо провести рассогласование частоты возбуждения колебаний с собственной частотой колебаний давления пара в соединительном канале ИПУ – ПК.
Обеспечить такое рассогласование можно путем изменения длины канала ИПУ – ПК и/или длины «ноги».
Как указано выше, в системе генерации и транспортировки пара имеются колебания в диапазоне частот от 35 Гц до 70 Гц.
Было сделано предположение, что такими источниками является паровой объем парогенератора, в котором, в зависимости от влажности пара и расчетного уровня существенно меняется скорость звука.
В ЭНИН, а затем и ЭНИЦ ВНИИАЭС были разработаны и опробованы упрощенные сепарационные схемы. На Балаковской АЭС и Ростовской АЭС в ПГ установлены жалюзийные сепараторы. На рисунке 11 представлены результаты измерений влажности в паровом объеме ПГ, в зависимости от расчетного уровня в ПГ. Как видно из рисунка, распределение влажности пара в паровом объёме носит упорядоченный характер: чем вы ше точка измерения, тем меньше влажность, при этом диапазон массовой влажности варьируется от 0,04% до 80%. На рисунке приведены зависимости скорости звука от степени сухости двухфазной среды. Исходя из рисунка 12, определяем скорость звука, которая так же меняется в широких пределах, зависящих от соотношения Св/Сп (Св – скорость воды, Сп – скорость пара), т.е. от скоростей движения фаз. В паровом объеме ПГ СЧКДРТ варьируется в пределах от 35 Гц до 70 Гц (в зависимости от скорости звука). Расчетом показано, что при t = 2780C;
p = 6,2 МПа;
скорость звука, в зависимости от степени сухости 0.4% до 0.998% может меняться в диапазоне от 300 м/с до 492м/с. При этом, СЧКДРТ в паровом объеме ПГ изменяется в диапазоне от 35 Гц до 70 Гц. На основании этих оценок идентифицирован источник колебаний частот от 38,5 Гц до 65,5 Гц, измеренных на энергоблоке №4 Балаковской АЭС.
Таким образом, можно прогнозировать значительные увеличения уровней вибраций в системе генерации и транспортировки пара при таких расчетных уровнях в ПГ и интегральных значениях влажности в паровом объеме ПГ, при которых СЧКДРТ в паровом объеме ПГ будет 45 Гц.
Использование предложенного метода определения СЧКДРТ в ПГ, позволяет определить характер динамических нагрузок вызываемых пульсациями давления в паропроводах.
Указанные динамические эффекты происходят на стыке проектирования оборудования, разрабатываемого различными организациями, например, парогенераторы проектирует ОАО «ОКБ Гидропресс», а главные паропроводы проектирует ОАО «АЭП». В силу этого выявление причин возникновения акустических резонансов в системе генерации и транспортировки пара и разработка методов их предотвращения не находит отражения в проектно-конструкторской документации этих организаций.
Выводы по диссертационной работе 1. Проведен анализ имеющихся экспериментальных данных для формирования акустических моделей системы генерации и транспортировки пара и выявлены случаи превышения допустимого уровня вибраций.
2. Разработаны акустические модели и алгоритмы расчета акустических параметров необходимые для прогнозирования и идентификации виброакустических резонансов в оборудовании I-го и II-го контуров АЭС с ВВЭР-1000.
3. Выявлены акустические резонансы в контурах теплоносителя и главных паропроводах АЭС с ВВЭР-1000.
4. Разработаны методы и алгоритмы прогнозирования возникновения и способов предотвращения на стадии проектирования и эксплуатации акустических резонансов в I-ом контуре АЭС с ВВЭР-1000.
5. Разработаны методы и алгоритмы прогнозирования возникновения и способов предотвращения на стадии проектирования и эксплуатации акустических резонансов в системе генерации и транспортировки пара АЭС с ВВЭР-1000.
6. Подтверждена теоретически и экспериментально достоверность предлагаемых методов расчета и идентификации источников акустических возмущений.
7. Обоснованы причины роста уровня вибраций в оборудовании I-го и II-го контуров АЭС с ВВЭР-1000, в результате возникновения виброакустических и акустических резонансов, не предусмотренных проектной документацией, но влияющие на работоспособность и надежность оборудования системы главных паропроводов.
8. Разработаны рекомендации для уменьшения уровня вибраций главных паропроводов на стадии проектирования и эксплуатации.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ Публикации в изданиях из списка ВАК 1) Прогнозирование условий возникновения виброакустических резонансов в оборудовании первого контура РУ с ВВЭР-1000/ Проскуряков К.Н., Беликов С.О., Новиков К.С.// Известия высших учебных заведений. Северо Кавказский регион. Технические науки. "Состояние, перспективы строительства и ввода в эксплуатацию энергоблоков Ростовской АЭС. Безопасная эксплуатация энергоблоков АЭС", 2011г, Специальный выпуск, cтр.7- 2) Непроектные нагрузки на конструкции парогенератора ПГВ – 1000.
/Проскуряков К.Н., Беликов С.О., Новиков К.С.// Тяжелое машиностроение, ноябрь 11/2010, стр. 13- Публикации в других изданиях 3) Температура теплоносителя в зазоре между ТВЭЛом и дистанционирующей решеткой реактора ВВЭР-1000. /Проскуряков К.Н., Беликов С.О.// Сб. тезисов докладов, шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». том 3. Москва 2010. Издательский дом МЭИ. стр. 7- 4) Непроектные нагрузки на внутрикорпусные устройства ПГВ- вызванные вращением ГЦН. / Проскуряков К.Н., Беликов С.О., Новиков К.С., Белкин А.В.// Всероссийская научно-техническая конференция «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем». 01-03 июня 2010г. Москва, МЭИ (ТУ).
5) Параметрическое усиление акустических колебаний в активной зоне ВВЭР-1000, сб. материалов. / Проскуряков К.Н., Беликов С.О., Новиков К.С., Попов С.С., Белкин А.В.// Сборник материалов 1-ой Евроазиатской выставки и конференции «Энергетика настоящего и будущего», 16-18 февраля, г.
Екатеринбург, 2010., стр. 47- 6) Проскуряков К.Н., Беликов С.О., Новиков К.С./Перспективы повышения эффективности производства ядерной энергии в передовых легководных реакторах// Труды GLOBAL 2011, Макухари, Япония, декабрь 11-16, 7) Акустические колебания, обусловливающие старение металла ТОТ ПГВ-1000 / Проскуряков К.Н., Беликов С.О.// Сб. тезисов докладов, семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». том 3. Москва 2011.
Издательский дом МЭИ. стр. 7- 8) Непроектные нагрузки на холодный коллектор ПГВ-1000. вызванные вращением ГЦН / Проскуряков К.Н., Беликов С.О.// Сб. тезисов докладов, семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлекторника, электротехника и энергетика». том 3. Москва 2011.
Издательский дом МЭИ. стр. 8- 9) Q- Factor of coolant flow in the primary circuit of NPP with pressurized water reactors/ Belikov S., Proskuryakov K.// Proceedings of ICONE19. 19th International Conference on Nuclear Engineering May 16-19, 2011, Chiba, Japan 10) Способы устранения вибраций главных паропроводов АЭС с ВВЭР 1000 /Проскуряков К.Н., Беликов С.О.// Сб. тезисов докладов, восемнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». том 4. Москва 2012.
Издательский дом МЭИ. стр. 5-