Исследование влияния сетчатого фильтра приямка герметических помещений на кавитационный запас насосов систем безопасности энергоблока №2 Армянской атомной электростанции при проектной аварии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный Политехнический Университет Армении

Исследование влияния сетчатого фильтра приямка герметических помещений на кавитационный запас насосов систем безопасности энергоблока №2 Армянской атомной электростанции при проектной аварии

Оганесян Оганес Альбертович

Аспирант кафедры

Аннотация

На примере Армянской АЭС исследовано функционирование систем безопасности в случае проектной аварии с потерей теплоносителя. Определено влияние внедрения сетчатого фильтра приямка герметических помещений на кавитационный запас насосов высокого давления системы аварийного охлаждения активной зоны и спринклерной системы. Выявлено, что непрерывная работа спринклерной системы уменьшает давление в герметических помещениях ниже атмосферного, что вкупе с установкой сетчатого фильтра приводит к снижению кавитационного запаса насосов систем безопасности ниже допустимого значения.

Ключевые слова: кавитационный запас, проектная авария, сетчатый фильтр, система аварийного охлаждения активной зоны, спринклерная система

Введение

Программа повышения безопасности Армянской АЭС предусматривает увеличение максимальной проектной аварии до разрыва трубопровода первого контура диаметром 2х209 мм [1,2]. Для достижения данной цели планируется внедрение мероприятий по модернизации существующих систем безопасности, в том числе системы аварийного охлаждения зоны (САОЗ) и спринклерной системы. После модернизации САОЗ, система сможет обеспечить долгосрочное охлаждение активной зоны в условиях низкого давления в первом контуре. Данный эффект будет достигнут установкой трехходовых клапанов с линиями рециркуляции. Планируемая модернизация спринклерной системы призвана увеличить резервирование и пропускную способность системы добавлением дополнительного насоса и разделением на два независимых канала. Однако для должной работоспособности вышеупомянутых систем прежде всего необходимо произвести рециркуляцию через приямок герметических помещений. Для решения данной задачи был установлен сетчатый фильтр приямка герметических помещений, который должен обеспечить необходимый для рециркуляции расход, даже в условиях засорения мусором.

В данной работе рассмотрены вопросы, связанные с функционированием насосов САОЗ высокого давления (ВД) и спринклерной системы Армянской АЭС при новой проектной аварии с разрывом дыхательного трубопровода компенсатора давления (КД) после внедрения сетчатого фильтра приямка герметических помещений.

1. Методика расчетов

электростанция авария сетчатый фильтр

Для проведения расчетов была разработана расчетная схема герметических помещений ААЭС для кода COCOSYS [3,4]. Помещения были смоделированы при помощи 26 узлов, соединенных между собой 56 атмосферными и дренажными соединениями. Для моделирования облицовки стен были использованы 53 тепловые структуры. Модель отражает состояние герметических помещений 2-го блока ААЭС после планируемых модернизаций, т.е. с улучшенной плотностью, модифицированной системой САОЗ и установленным фильтром приямка (Рис. 1).

Основываясь на консервативном подходе, были выбраны начальные и граничные условия в герметических помещениях ААЭС.

Для расчетов была выбрана авария с двусторонним разрывом дыхательного трубопровода компенсатора давления диаметром 2х209 мм.

Выбросы энергии и массы для данной аварии были рассчитаны при помощи кода RELAP5 MOD3 [5].

Рисунок 1 Схема моделирования гермозоны

Расчетная модель модернизированного приямка. Для корректного моделирования эффектов рециркуляции была внедрена модель модернизированного приямка гермозоны с сетчатым фильтром [6].

Для достижения большой фильтрационной площади были установлены фильтрационные модули с прямоугольным сечением, число и размер которых были определены, основываясь на:

количестве генерируемого мусора;

оценке эффектов потока;

расчетах гидравлического сопротивления фильтра и предварительных гидравлических тестов.

Проект предусматривает 65 м2 фильтрационной поверхности. Фильтрационная поверхность состоит из стальных перфорированных листов толщиной 4 мм с отверстиями диаметром 10 мм. Внешняя поверхность перфорированных листов покрывается сеткой с размером стороны ячейки 0,7 мм.

Приямок и фильтры были смоделированы при помощи двух объемов. Первый объем представляет нефильтруемый объем приямка, второй - объем внутри фильтрующих модулей. Эти два объема разделены сеткой (Рис. 2).

Рисунок 2 Схема моделирования приямка гермозоны

Для моделирования эффекта засорения фильтра была использована специальная модель COCOSYS. Данная модель решает следующее уравнение для расчета гидравлического сопротивления вследствие накопления мусора:

,

(1)где - дополнительные потери давления, Па; - коэффициент потерь; - плотность покрытия мусором, кг/м2; - скорость потока, м/с.

Как следует из уравнения, потери давления вследствие накопления мусора зависят от плотности покрытия мусора и коэффициента потерь. Данный коэффициент определяется экспериментальным путем. Для ААЭС данный коэффициент был определен на экспериментальной установке, эксплуатируемой VUEZ, и согласно полученным результатам для разрыва трубопровода эквивалентным диаметром 200 мм плотность покрытия мусором составляет 2,1 кг/м2, а потери давления - 3,3кПа. Исходя из этого значения, был рассчитан коэффициент потерь для расхода 1550 м3/час (максимальный проектный поток), который равен 4.109.

Интерпретация и анализ результатов расчетов. Во время расчетов были оценены возможности спринклерной системы и взрывных клапанов поддерживать давление в герметических помещениях ниже атмосферного для предотвращения выхода радионуклидов за пределы герметической оболочки. Кроме того, на основе результатов расчета был оценен допустимый кавитационный запас (ДКЗ) насосов спринклерной системы и САОЗ.

Вследствие разрыва и поступления пароводяной смеси в герметические помещения давление начинает повышаться и на 5-й секунде от начала аварии доходит до уставки открытия взрывных клапанов. Однако из-за сопротивления клапанов их полное открытие происходит с задержкой, и давление продолжает повышаться, достигая на 8-й секунде максимального значения - 0,195 МПа. Начиная с этого момента и до 300-й секунды клапаны периодически открываются, и давление в герметических помещениях не превышает значения 0,2 МПа (проектный предел). После 300-й секунды давление в герметических помещениях начинает снижаться по причине работающей спринклерной системы (система активируется на 48-й секунде) и на 940-й секунде от начала аварии достигает атмосферного. Поскольку спринклерная система непрерывно конденсирует пар, давление продолжает снижаться и достигает значения 0,061 МПа на 3260-й секунде. Необходимо отметить, что на ААЭС отсутствует уставка автоматического отключения спринклерной системы, и система продолжает работать, несмотря на сильное разрежение. Начиная с 3260-й секунды давление в герметических помещениях медленно повышается и на 37000-й секунде достигает атмосферного (Рис. 3).

Рисунок 3 Изменение давления в гермозоне во время аварии

В данных расчетах было учтено засорение сетчатого фильтра приямка гермозоны мусором, сгенерированным при разрыве дыхательного трубопровода, на 300-й секунде с начала аварии. Как было указано выше, при засорении фильтра приямка создается дополнительное гидравлическое сопротивление, которое приводит к снижению расхода в приямок и, следовательно, к уменьшению количества поступающей воды в бак аварийного запаса борной кислоты. После засорения фильтра начинается заполнение объема фильтра, и на 2978-й секунде уровень воды в приямке сравнивается с уровнем воды на полу гермозоны. Дальнейший рост уровня воды в герметических помещениях продолжается до 10000-й секунды. К этому времени гидростатическое давление, образующееся за счет уровня воды, компенсирует сопротивление, создаваемое засорением поверхности фильтра, и расход воды в бак аварийного запаса борной кислоты сравнивается с количеством воды, подаваемой на всас насосов САОЗ и спринклерной системы. Начиная с этого момента уровень воды в баке аварийного запаса борной кислоты остается на уровне 3,91 м (Рис. 4).

Рисунок 4 Изменение уровня воды в баке Б-8/2

Для оценки кавитационного запаса (КЗ) насосов САОЗ и спринклерной системы использовалась формула

КЗ=, (2)

где - уровень воды в баке аварийного запаса борной кислоты, м; - высотная отметка всаса насоса, м; - давление в герметических помещениях, Па; - давление насыщения на всасе насоса при заданной температуре,Па; - потери напора на импеллере насоса, Па; - плотность воды, кг/м3; - гравитационная константа, м/с2.

Согласно техническим характеристикам насосов САОЗ ВД и спринклерной системы, необходимый кавитационный запас должен составлять 6 и 8 м соответственно. Как видно из результатов, кавитационный запас насосов САОЗ ВД ниже необходимого значения начиная с 2500-й секунды и до 5000-й секунды аварии включительно (Рис. 5).

Рисунок 5 Значение кавитационного запаса для насосов САОЗ ВД

Для насосов спринклерной системы значение кавитационного запаса ниже допустимого в течение временного отрезка с 1600-й секунды и до 13000-й секунды включительно (Рис. 6).

Рисунок 6 Значение кавитационного запаса для насосов спринклерной системы

Для определения условий, при которых КЗ насосов был на допустимом уровне, были проведены дополнительные расчеты. Для оценок были выбраны консервативные условия в гермозоне. Поскольку в рамках программы комплексной модернизации ААЭС минимально допустимое значение давления в гермозоне было равно 0,085 МПа, то для оценки ДКЗ было выбрано данное значение.

Для насосов САОЗ ВД при максимальной температуре в баке запаса борного раствора Б-8/2 790С и давлении в гермозоне, равном 0,085 МПа, необходимый кавитационный запас будет достигнут при уровне в баке, равном 2,71 м (Таблица 1).

Таблица 1 Кавитационный запас насосов САОЗ ВД

Для насосов спринклерной системы при тех же консервативных условиях необходимый кавитационный запас будет достигнут при уровне в баке, равном 3,98 м (Таблица 2). Отклонение от рассчитанного минимального уровня - 3,91 мсоставляет 1,8%.

Таблица 2 Кавитационный запас насосов спринклерной системы

Выводы

Основываясь на результатах анализов аварии с двусторонним разрывом дыхательного трубопровода КД, можно сделать следующие выводы:

Пиковое давление в гермозоне равно 0,195 МПа, что не превышает максимально допустимого значения 0,2 МПа.

Непрерывная работа спринклерной системы приводит к снижению давления в гермозоне ниже атмосферного давления. В частности, в данных расчетах было достигнуто значение 0,061 МПа, что ниже минимально допустимого предела - 0,085МПа. Следовательно, необходимо внедрение защиты от сильного разрежения.

Расчет кавитационного запаса для насосов САОЗ ВД и спринклерной системы показал, что во время аварии значение кавитационного запаса ниже необходимого кавитационного запаса. Были проведены дополнительные исследования по выявлению минимального давления в гермозоне, при котором кавитационный запас будет выше минимально допустимого значения. Из результатов расчетов следует, что значение кавитационного запаса остается в допустимых пределах, если давление в гермозоне выше 0,085 МПа.

Библиографический список

1. Комплексная программа модернизации Армянской АЭС - NRI Rez, VUJE a.s, Арматом и НТЦ ЯРБ, Ереван, 2012.

2. J. Clifford NS-R-2 Safety of Nuclear Power Plants: Operation. Vienna, 2000.

3. W. Klein-HeЯling, S. Arndt COCOSYS V2.4 User's Manual. Koln, 2013.

4. H. Karwat State-of-the-Art Report on Containment Thermal-hydraulics and Hydrogen Distribution. Paris, 1999.

5. V.H. Ransom, J.A. Trapp RELAP5/MOD3.3 code manual. USA, Rockville, 2010.

6. C. Benedetti Final report of the programme on the safety of WWER and RBMK nuclear power plants. Vienna, 1999.

Размещено на Allbest.ru