Концепция расширенного использования естественной циркуляции теплоносителя первого контура в энергоблоках с ВВЭР-1000(1200) и перспективы её реализации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Концепция расширенного использования естественной циркуляции теплоносителя первого контура в энергоблоках с ВВЭР-1000(1200) и перспективы её реализации

А.Я. Благовещенский, С.М. Бор, М.Н. Конович, В.Н. Митюков Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

В результате творческого сотрудничества “вузовской науки” с ведущими структурами атомной отрасли были выявлены существенные внутренние резервы в энергоблоках с ВВЭР - 1000 (1200) по расширенному использованию естественной циркуляции теплоносителя первого контура (ЕЦТ) как важнейшего фактора повышения их надёжности и безопасности. Показана принципиальная возможность работы реакторной установки (РУ) на 30 % мощности от номинальной при неработающих главных циркуляционных насосах (ГЦН) на ЕЦТ. Такой режим базируется на благоприятных конструктивных решениях РУ, заложенных Главным Конструктором, и увеличении подогрева теплоносителя в реакторе до величины, не превышающей 100 K (точнее 95 K).

1. Общие взаимосвязи параметров и характеристик в режимах ЕЦТ

Допустимая мощность РУ на ЕЦТ (при однофазном состоянии) зависит от сочетания целого ряда факторов, к которым относятся: теплофизические свойства теплоносителя, принятые конструктивные решения (“геометрия”), а также допустимые режимные теплотехнические параметры. Выражение, иллюстрирующее влияние отдельных факторов на величину мощности в режиме ЕЦТ, может быть записано в виде:

(1)

где , , - соответственно средние: удельная массовая теплоёмкость, плотность и коэффициент температурного расширения теплоносителя; - подогрев теплоносителя в активной зоне; - смещение по вертикали середины парогенератора (ПГ), относительно активной зоны (АЗ); - площадь живого сечения активной зоны; - коэффициент гидравлического сопротивления контура, приведённый к средней скорости теплоносителя в активной зоне.

Относительный уровень мощности в режиме ЕЦТ определяется как:

 (2)

где - условное гидравлическое сопротивление контура, включающее поправку на сопротивление неработающих ГЦН. Индекс “0” относится к номинальному режиму.

В РУ с ВВЭР-1000 достигнута с подтверждением опытным путём в натурных условиях величина мощности в режиме ЕЦТ 10 % от номинальной при подогреве теплоносителя в реакторе = 46 K и сохранении номинального давления пара в ПГ, равного 6,4 МПа.

Нашими совместными исследованиями показано, что возможности работы РУ с ВВЭР-1000 на ЕЦТ могут быть существенно расширены [1]. Благоприятным фактором является большая величина = 9 м, неблагоприятным - большая величина коэффициента гидравлического сопротивления остановленного ГЦН, в 1,5 раза превышающего коэффициент гидравлического сопротивления собственно контура.

Как следует из (2) возможность увеличения уровня мощности в режиме ЕЦТ может быть реализована только за счёт увеличения подогрева теплоносителя в реакторе.

2. Обоснование программы регулирования РУ в режиме ЕЦТ

При ограничениях по температуре выхода теплоносителя из реактора - Tгор увеличение подогрева теплоносителя в реакторе может быть достигнуто только снижением температуры на выходе из ПГ (на входе в реактор) - Tхол. Т.е. роль ПГ в решении задачи интенсификации ЕЦТ в I контуре является определяющей. Снижение Tхол обеспечивается переводом ПГ на режим со скользящим давлением пара - , уменьшающимся при увеличении мощности РУ. На базе детального теплогидравлического расчёта РУ на ЕЦТ в широком диапазоне мощностей была сформирована программа регулирования мощности (температурные “усы” по I контуру, увязанные с давлением пара в ПГ), представленная на Рис. 1. Программа рекомендуется к реализации в диапазоне мощностей до 900 МВт (т.е. до 30 % номинальной тепловой мощности реактора).

Рис.1 Программа регулирования установки

Было проведено моделирование теплогидравлических условий в активной зоне в режимах ЕЦТ в начале и конце топливной кампании с использованием разработанной в МИФИ трёхмерной программы NOSTRA.

Анализ результатов моделирования показывает, что теплотехническая надёжность активной зоны ВВЭР-1000 в режиме ЕЦТ на энергетических уровнях мощности определяется следующими обстоятельствами.

Во-первых, при ЕЦТ имеется благоприятный характер распределения расходов теплоносителя по кассетам, который обусловлен определяющей ролью нивелирной составляющей в общем перепаде давлений между входом и выходом ТВС. Это обстоятельство обеспечивает “самопрофилирование” расхода теплоносителя и сведение к минимуму температурной неравномерности на выходе из ТВС.

Во-вторых, высокий подогрев теплоносителя благоприятен с точки зрения увеличения запаса до кризиса теплоотдачи, благодаря вызываемой деформации высотного профиля энерговыделения. Происходит это из-за значительного (примерно на треть) уменьшения плотности теплоносителя от низа до верха активной зоны. В результате высотный профиль энерговыделения имеет резко выраженный максимум в нижней части активной зоны и почти линейный существенный спад к её вершине. Поэтому в верхней части ТВС, в которой критический тепловой поток минимален, тепловой поток с оболочки твэла также мал, что с учётом снижения мощности реактора приводит к величинам запаса до кризиса существенно большим, чем при принудительной циркуляции в работе на номинальной мощности (DNBR = 5 ч 7 против обычного 2). В конце топливной кампании этот эффект имеет более выраженный характер.

Расчётный анализ установившегося режима ЕЦТ на мощности 30 % от номинальной и режима выхода на ЕЦТ от нулевого уровня мощности до мощности 30% подтверждает высокую теплотехническую надежность работы активной зоны ВВЭР-1000 как в начале, так и в конце топливной кампании.

Важным вопросом для реализации рассматриваемого режима является анализ напряжённого состояния корпуса реактора в зоне главных патрубков при высоких подогревах теплоносителя в реакторе. Выполненные расчёты показали, что при , не превышающем 95 K, напряжения не выходят за рамки требований “Норм расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок”.

Расчётный анализ дополнительных термических напряжений в этой зоне, возникающих при изменении мощности, показал, что допустимая скорость изменения мощности в режиме ЕЦТ ограничена величиной 0,06 %/с.

Сравнительный анализ термических расширений узла “ТВС - ВКУ” показал, что отличные от номинального режима температурные условия не приводят к заметному изменению усилия поджатия ТВС к посадочному месту в гнезде шахты реактора.

3. Горизонтальный парогенератор и паротурбинная установка в условиях ЕЦТ

Специфика работы ПГ в режиме ЕЦТ отличается большой гидравлической неравномерностью распределения расхода теплоносителя по горизонтальным рядам трубок. При этом в РУ с ВВЭР-1000 в ПГ наблюдается опрокидывание циркуляции теплоносителя в нижних рядах трубок. Физическая картина появления условий, вызывающих опрокидывание циркуляции, определяется превалирующей ролью нивелирной составляющей давления в вертикальных коллекторах ПГ на фоне пренебрежимо малых гидравлических сопротивлений. Отмеченное обстоятельство при имеющем место распределении гидравлических сопротивлений по контуру циркуляции, когда относительная доля гидравлического сопротивления ПГ в общем сопротивлении I контура составляет менее 10 %, приводит к появлению в нижней части трубного пучка ряда с нулевым перепадом давления между входом и выходом, а ниже его - с отрицательным.

Ранее был получен критерий, определяющий условие, исключающее прекращение и опрокидывание циркуляции в трубках горизонтального ПГ

(3)

здесь - высота трубного пучка ПГ, м;

- доля гидравлического сопротивления трубной части ПГ (характеризуемого с достаточной точностью средней трубкой) в общем сопротивлении контура.

В РУ с ВВЭР-1000 условие (3) не выполняется. Поэтому для получения достоверных результатов, связывающих параметры I и II контура при ЕЦТ в предлагаемом нештатном режиме работы ПГ, была составлена программа его расчёта, учитывающая специфику условий циркуляции и теплопередачи каждого горизонтального ряда. На Рис. 2 показана величина расхода теплоносителя в каждом ряду трубок в зависимости от его номера для мощности РУ 900 МВт.

Рис.2 Зависимость расхода теплоносителя в ряду трубок от номера ряда

Несмотря на то, что отмеченное распределение расхода теплоносителя в ПГ в определённой степени снижает эффективность работы его теплопередающей поверхности, это не препятствует реализации режима работы РУ на ЕЦТ в принятом (из-за других ограничивающих параметров) диапазоне мощностей до 30 % от номинальной. Расчёты показали, что температура теплоносителя I контура на выходе из ПГ, являющаяся результатом смешения теплоносителя из всех рядов трубок, практически отслеживает температуру насыщения пара с незначительным превышением, составляющим не более 2 - 3 ^oC. В частности, при мощности РУ 900 МВт, имеется следующая связь параметров I и II контура:

- температура теплоносителя на выходе из реактора 330 ^oC,

- температура теплоносителя на выходе из ПГ 235 ^oC,

- давление пара и температура насыщения по II контуру соответственно: 2,94 МПа, 232,7 ^oC. Таким образом, отмеченная выше разность температур не превышает 3 ^oC.

Условия работы ПГ по обеспечению требуемой сухости пара улучшаются, так как удельная объёмная нагрузка зеркала испарения уменьшается ~ в 1,5 раза при одновременном снижении плотности пара. Сниженное давление пара в ПГ не противоречит пропускной способности турбины и обеспечивает необходимый запас на работу регулирующего клапана. При этом улучшаются условия по обеспечению минимальной влажности пара на последних ступенях турбины, благодаря смещению процесса расширения пара в турбине на диаграмме i - s вправо.

Из-за опрокидывания циркуляции теплоносителя в нижних рядах трубок ПГ в горячем коллекторе в зоне подмешивания “холодной” воды возникают незначительные дополнительные термические напряжения. При очень малых вертикальных шагах установки трубок (19 мм) можно ожидать появления своеобразной гидродинамической нестабильности циркуляции, проявляющейся в периодическом изменении её направления в отдельных рядах трубок (находящихся в зоне, прилежащей к ряду с “нулевым” расходом) и возникновения переменных напряжений. Выполненная на начальной стадии исследований оценка по эквивалентной амплитуде напряжений и усталостной кривой при крайне консервативном подходе, опирающемся на скачкообразное изменение температуры горячего коллектора в зоне опрокидывания циркуляции, дала допустимое количество циклов нагружений, равное 3000. В действительности, в зоне опрокидывания будут формироваться значительно более мягкие условия нагружения из-за очень малых расходов теплоносителя и плавности их изменения (Рис. 2), исключающих принятый в расчётах температурный скачок. Учёт этого обстоятельства позволил полностью закрыть вопрос о циклической прочности горячего коллектора ПГ в режиме ЕЦТ, так как искажение температурного поля и соответственно напряжённого состояния коллектора по сравнению с “базовой” картиной, определяемой условиями теплоотдачи со стороны I и II контуров, оказалось несущественным (пренебрежимо малым).

Заключение

Результаты исследований были представлены в серии докладов на международных научно-технических конференциях:

· 14-я МНТК Ядерного общества России, г. Удомля, 2003 г.,

· 4-ая МНТК “Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР”, ОКБ ГП, г. Подольск, 2005 г.,

· 5-ая МНТК “Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики”, Концерн “Росэнергоатом”, Москва, 2006 г.,

· 5-ая МНТК “Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР”, ОКБ ГП, г. Подольск, 2007 г.,

· 6-ая МНТК “Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики”, Концерн “Росэнергоатом”, Москва, 2008 г.,

· 6-ая МНТК “Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР”, ОКБ ГП, г. Подольск, 2009 г.,

· 7-ая МНТК “Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики”, “Концерн Росэнергоатом”, Москва, 2010 г.,

· 7-ая МНТК “Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР”, ОКБ ГП, г. Подольск, 2011 г.,

· 8-ая МНТК “Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики”, “Концерн Росэнергоатом”, Москва, 2012 г.

Полученные результаты явились основой для принципиального обоснования концепции расширенного использования естественной циркуляции теплоносителя I контура в энергоблоках с ВВЭР - 1000 (1200) [3]. Актуальность практической реализации предлагаемой концепции в первую очередь связана с запроектным режимом (системная авария при длительном полном обесточивании АЭС) и обусловлена тем, что:

- на АЭС, состоящей из 3 - 6 энергоблоков ВВЭР-1000, в режиме полного обесточивания перевод одного блока в режим работы на ЕЦТ способен обеспечить собственные нужды оставшихся энергоблоков, что исключает в этой ситуации зависимость АЭС от внешнего электроснабжения и существенно повышает мобильность и оперативность вывода энергоблоков АЭС в номинальный режим эксплуатации;

- такой режим применим для энергоснабжения не только площадки АЭС, но и “городов-спутников” в случае системной аварии на ЛЭП (до её устранения);

Параметры работы оборудования, систем РУ и энергоблока, а также алгоритмы функционирования систем в предлагаемом режиме использования ЕЦТ отличаются от проектных, использованных при обосновании безопасности и предусмотренных эксплуатационной документацией. Также для обеспечения выхода энергоблока в указанный режим может потребоваться некоторая модернизация обслуживающих систем, а также необходимая корректировка в существующих блокировках и защитах.

Для выполнения данной работы с порядком выполнения и прохождения научно-технической документации, принятым в атомной отрасли, была подготовлена и направлена заявка в план НИОКР ОАО “Атомэнергопром” на 2009 - 2011 годы с названием “Разработка обосновывающих материалов, необходимых для практического внедрения концепции использования естественной циркуляции теплоносителя первого контура в энергоблоках с ВВЭР-1000 (1200), предусматривающей работу энергоблоков на уровнях мощности до 30 % от номинальной при неработающих главных циркуляционных насосах при запроектных авариях”. Основанием для заявки являлась Федеральная целевая программа “Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007 - 2010 годы и на перспективу до 2015 года”, Постановление Правительства РФ от 6 октября 2006 года № 605. Головной исполнитель - ОАО Санкт-Петербургский научно-исследовательскй и проектно-конструкторский институт “Атомэнергопроект”, однако, эта работа не была включена в план и не получила финансирования.

При рассмотрении “Концепции…” на совещании в ОАО “Концерн Росэнергоатом” 25.02.2010 она была отнесена к категории проектирования новых энергоблоков на базе основного оборудования РУ с ВВЭР-1000 (1200) и ПТУ (Протокол № п-32к/04-06/2010 от 25.02.2010). С учётом этого в сложившейся ситуации продвижение в вопросе практической реализации “Концепции …” могло бы быть достигнуто включением работ в проект АЭС-2010 (ВВЭР-ТОИ), по которому предусмотрено финансирование, но этого не произошло.

В сентябре 2010 г. “Концепция …” была официально поддержана Российским научным центром “Курчатовский Институт” (письмо № 32-17/1213-2367 от 17.09.10), при этом было отмечено, что “… возможность улучшения потребительских характеристик АЭС может быть полезна в рыночной привлекательности проекта”.

Учитывая последствия аварии на АЭС “Фукусима-1”, необходимо использовать возможности естественной циркуляции теплоносителя как дополнительный фактор повышения безопасности АЭС в экстремальных условиях, в том числе при отключённых ГЦН.

По результатам рассмотрения на 7-й МНТК “Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР” в ОКБ “Гидропресс” (17-20 мая 2011) в Итоговом документе, утвержденном Директором Генеральным Конструктором, предлагаемая “Концепция использования ЕЦТ …” представлена в двух категориях:

1. Особенно актуальные направления научных и проектных работ.

2. Работы, которые требуется своевременно в необходимом объёме планировать и выполнять с участием Генерального Проектировщика, Научного Руководства и Главного Конструктора (тем самым признаётся необходимость перевода работ из “вузовской” категории на отраслевую основу).

Наряду с этим, “Концепция …” вызвала живой интерес и поддержку ряда ведущих специалистов-участников 8-й МНТК-2012 “Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики” в ОАО “Концерн Росэнергоатом”.

С учётом приведенных выше рекомендаций в ОАО “Концерн Росэнергоатом” имеется заявка для включения работ в план НИОКР. Таким образом, практическая реализация “Концепции…”, направленной на дальнейшее развитие атомной энергетики на базе использования существующих потенциальных возможностей атомных энергоблоков, обеспечивающей АЭС с ВВЭР-1000 (1200) новое качество - максимальную живучесть при указанной выше запроектной аварии, непосредственно зависит от принятия Руководством атомной отрасли решения о финансировании работ.

циркуляция теплоноситель парогенератор

Список литературы

1. А.Я. Благовещенский, Л.Н. Богачек, М.Н. Конович, Б.Е. Шумский и др. Возможность эксплуатации ВВЭР-1000 на энергетических уровнях мощности в режимах с потерей принудительной циркуляции теплоносителя. Материалы XIV ежегодной конференции Ядерного Общества РФ, Калининская АЭС, г. Удомля, 2003

2. А.Я. Благовещенский Горизонтальный парогенератор в условиях естественной циркуляции теплоносителя первого контура. Доклад на 7 Международном семинаре по горизонтальным парогенераторам, ОКБ “Гидропресс”, г. Подольск, 2006

3. А.Я. Благовещенский, В.И. Аксёнов, Л.Н. Богачек, Н.Н. Давиденко, Ю.Г. Драгунов, М.Ю. Канышев, В.А. Мохов, Б.Е. Шумский и др. Концепция расширенного использования естественной циркуляции теплоносителя первого контура в энергоблоках с ВВЭР-1000(1200) и перспективы её реализации. Доклад на 8-й МНТК “Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики”, “Концерн Росэнергоатом”, Москва, 2012

Размещено на Allbest.ru