Теплогідравлічна нестійкість конденсаторів-барботерів АЕС

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.311.25/529:532.529

Теплогідравлічна нестійкість конденсаторів-барботерів АЕС

Спеціальність 05. 14. 14 теплові і ядерні енергоустановки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Хайєр Бєк Мохаммад

Одеса 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному політехнічному університеті Міністерства освіти України

Захист відбудеться “_28___” _жовтня__ 1999 г. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.04 при Одеському державному політехнічному університеті за адресою: 270044, Одеса, пр. Шевченка, 1, ауд. 22 ТТЛ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державного політехнічного університету за адресою: 270044, Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий "_27_ " вересня__ 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Тодорцев Ю.К.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У теперешній час питання безпеки та підвищення надійності обладнання і систем, важливих для безпеки, є приорітетними у атомній енергетиці.

Одним з видів такого обладнання є конденсатори-барботери складова частина системи компенсації тиску, яка за своїм функціональним призначенням є, як аварійною системою безпеки, так і системою нормальної експлуатації.

Важливим питанням при визначенні надійності роботи конденсаторів-барботерів (КБ) є питання їх теплогiдравлічної нестійкостi. Подача парогазової суміші у водяний басейн КБ, може привести до виникнення різноманітних видів теплогідравлічної нестійкості. Появлення теплогiдравлічної нестiйкостi викликає небажані наслідки для КБ, серед яких можна виділити основні:

порушення умов необхідного скидання парогазової суміші аж до виникнення протитечії;

циклічнi термічні та динамічні навантаження з'єднань трубопровідів, що, в свою чергу, може привести до руйнування конструкцій;

підвищення вібрації трубопровідів обв'язки КБ.

Кожен з цих наслідків може привести до різкого зниження надійності обладнання КБ і виникнення аварійної ситуації. Тому питання, які пов'язані з аналізом теплогiдравлічної стiйкості КБ, є актуальними і складають об'єкт вивчення даної дисертації.

З'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження проводились у відповідності з науковою програмою Міністерства енергетики України “Модернізація енергоблоків АЕС з реактором ВВЕР-1000”.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи удосконалення системи безпеки шляхом підвищення рівня надійності експлуатації КБ, зокрема, визначення умов виникнення у КБ нестiйких процесів різних видів, визначення границь різних режимів барботажу та визначення оптимального режиму, при якому здійснюється найбільш безпечний режим барботажу.

Поставлена мета визначила завдання для досягнення результатів:

1. Виконати розробку методики і програми розрахунку границь аперіодичної і коливальної нестiйкостi конденсаторів-барботерів.

2. Виконати розробку методики і програми в нелiнейному наближенні теплогiдродинамічного розрахунку барботажу у водяному басейні КБ, з урахуванням нестаціонарності міжфазового теплообміну.

3. Здійснити розробку системи замикаючих співвідношень у методиках лiнейного та нелiнейного аналізу.

4. Створити експериментальну установку та провести експериментальні дослідження для уточнення фізики процесу і для верiфикації розрахункових програм.

5. Здійснити розробку узагальненої карти режимних параметрів умов барботажу в КБ.

6. Здійснити розробку обгрунтування та практичних пропозицій до використання КБ як локалiзуючих систем безпеки.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Моделі і методики розрахунку границь аперіодичної і коливальної нестійкостi КБ АЕС у лінійному та нелінійному наближеннях.

2. Кінцеві співвідношення та узагальнені карти режимних параметрів, що відповідають різним видам нестiйкостi КБ.

3. Експериментальні дані про теплогiдродинамічні процеси, які виникають при скиданні пари в моделі КБ.

Практична значимість одержаних результатів міститься у застосуванні результатів розрахунково-експериментальних досліджень для розробки і аналізу звітів по безпеці та обгрунтування технічних рішень, які пов'язані з підвищенням надійності КБ АЕС.

Особистий внесок здобувача. Аналіз проблем, що пов'язані з теплогідравлічною надійністю КБ, моделювання, розрахунки та складення програм розрахунку теплогідравлічної нестійкості КБ у лінійному наближенні виконанні особисто. Моделювання, розрахунки та складення програм розрахунку теплогідравлічнї нестійкості КБ у нелінійному наближенні, експериментальні дослідження, обробка результатів експерименту здійснювались при безпосередній участі автора.

Апробація результатів дисертації та публикації. Результати роботи доповідались на 3-й міжнародній конференції “Молодь ядерної енергетики”, Одеса, 14 18 жовтня 1996 р., основний зміст дисертації викладено у трьох наукових роботах.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку використаної литератури та додатків. Загальний об'єм становить 185 с., в тому числі 42 рисунка, 3 таблиці, 4 додатка. Список використаних джерел становить 51 найменування.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи. Сформульовано мету та завдання, викладені основні теоретичні і експериментальні результати, що мають бути винесені до захисту, зазначена їх наукова новизна та практична значимість.

У першому розділі дисертації наводиться загальний аналіз проблем надійності КБ АЕС, що містить загальні технічні відомості, оглядовий аналіз розрахунково-експериментальних досліджень теплогiдродинаміки КБ, а також сформульовані завдання дослідження. Основний висновок міститься у тому, що питання стiйкостi роботи КБ, як у нормальних, так і в аварійних режимах, вивченні недостатньо. Необхідна розробка більш точних моделей та методик аналізу теплогiдравлічної стійкостi КБ, а також експериментальне дослідження процесу та веріфикація розрахунків.

В другому розділі дисертації розглянуті питання моделювання та розрахунку теплогiдравлічної нестійкостi КБ через:

аналіз гідравлічної характеристики;

аналіз нестійкості у лiнейному наближенні;

аналіз нестійкості у нелiнейному наближенні.

Аналіз гідравлічної характеристики КБ базується на основі рівняння руху рідини у трубі барботера. При цьому аналізується вплив залежності перепаду тиску від витрати парогазової суміші Gп на наявність спадаючої ділянки характеристики. Рівняння руху у данному випадку має вигляд:

(1)

(2)

(3)

(4)

де тиск у гідроємності; атмосферний тиск; , вхідний та вихідний гідравлічний опір; п щільність парогазової суміші; щільність пари; площа прохідного перерізу труби; прихована теплота пароутворення; коефіцієнт тепловіддачі на міжфазній границі; ; , відповідно, температура рідини та зовнішного середовища; ; , відповідно, щільність рідини та пари; газовміст рідини , що оточує трубу барботера.

Тоді, з рівнянь (1) (4):

(5)

Зростання величини Gп приводить до збільшення першого члену у правій частині (5) та до відповідного зростання P. Але зростання GП приводить також до зменьшення третього члену у правій частині (5) і до відповідного зменьшення Р. Якщо вплив третього члену значний, то можливим стає існування спадаючої кривої гідравлічної характеристики. Проведені розрахунки показують, що аперіодична нестійкість у розглянутих умовах може виникати при умові . У випадку бульбашки, що спливають, практично миттєво конденсуються і не здійснюють впливу на зміну щільності біля зовнішньої поверхні труби. При цьому, діапазон витрат, при яких можлива аперіодична нестійкість відповідає умові кг/с.

При линійному розрахунку барботера розглядаєтся питання границь нестійкості барботера відносно малих збурень. Розрахункова схема наведена на рис. 1.

замикаючий нестійкість конденсатор коливальний



Рис. 1 Розрахункова схема барботера В розрахунку прийняті наступні основні припущення:

(6)

Величина збурень будь-якого параметру подлягає умові:

(7)

Течія суміші у трубі ізотермічна і рідина нестисненна.

Умови рівноваги при :

(8)

(9)

де ; ; ; приведенний коэфіцієнт тепловіддачі на внутрішній поверхні труби; питомий міжфазний тепловий потік; площа міжфазної поверхні; висота заглиблення труби.

Умови рівноваги при hп hпог :

(10)

(11)

де Fжп,Vc відповідно, площа і об'єм міжфазної поверхні.

Рівняння балансу можна записати у вигляді:

, (12)

де

Рівняння енергії:

Рівняння суцільності та руху суміші у трубі при умові :

(13)

(14)

Наведемо рівняння у лініаризованному вигляді, шляхом замінення Далі застосуємо до рівнянь (8) (14) перетворення Лапласа при нульових початкових умовах:

отримаємо характеристичне рівняння при у видгляді:

(15)

де

Алгоритм аналізу барботера на стійкість у малому полягає у наступному:

1. Розраховуємо значення параметрів, які входять до правої частини характеристичних рівнянь.

2. Приймаємо і при зміненні у ділянці очікуваних частот будуємо годограф характеристичного рівняння (15) у комплексній площині.

3. Знаходимо рішення характеристичних рівнянь у вигляді: ,

4. Згідно з методом D - розподілення, ділянка, що розташована зліва від ходу годографа, є претендентом на стійкість.

Після лінійного розрахунку визначимо умови виникнення аперіодичної нестійкості КБ відносно малих збурень:

W 103FK , (16)

де W питома витрата пари; п щільність пари; Fк площа прохідного перерізу каналу ; вх вхідний опір.

Із цієї умови випливає, що зростання вхідного опіру у підвідному каналі стабілізує процес (зменшує діапазон вагових витрат, які відповідають ділянці нестійкості), а збільшення площі Fk , навпаки, приводить до дестабілізації процесу.

Далі, у другому розділі, виконано розрахунок КБ у нелінійному наближенні, де враховується нестаціонарний тепломасообмін на міжфазної границі.

Основні припущення:

1. Пара у трубі розглядається як зосереджене середовище.

2. Знехтуємо термодинамічною нерівновагою пари.

3. Знехтуємо стисливістю рідини.

Рівняння збереження маси суміші в ємності:

(17)

де Ve об'єм ємності; см щільність суміші; Gвх, G0 витрата на вході і виході; n - число скидних труб.

Рівняння, яке описує гідродинаміку пари у трубі, при висоті пари у трубі hп < hпог:

(18)

(19)

де Gк = qжпFжп/r ; Gкв = квТDhп/r ; вх = 1/вх; Pe тиск в ємності; Pп тиск пари; Fжп площа міжфазної поверхні.

Рівняння, яке описує гідродинаміку рідини у трубі з урахуванням її нестисливості та одномірності руху:

(20)

(21)

(22)

Аналітичне рішення рівняння у межах припущення про тонкий тепловий приграничний шар отримано В.А. Герлигою і В.І. Скалозубовим:

(23)

Таким чином, рівняння тепломасообміну між парою і рідиною враховує нестаціонарність тиску пари, температури рідини і швидкості руху міжфазної границі.

На основі розрахунків, згідно методик інженерних оцінок теплогідравлічної надійності КБ, розробленних у другому розділі, запропоновано режимну карту теплогідравлічної нестійкості і динамічних процесів (рис. 2), на якій містяться розрахункові границі різних видів нестійкості та режимів барботажу.

Основні позначення, що містяться на рис. 2 надані у вигляді табл.1.

Таблиця 1 Види нестійкості КБ та границі їх параметрів

Позначення	Вид нестійкості і режиму барботажу	Границі параметрів
АПГ	Аперіодична нестійкість при малій газовмістимості	0ТН ТН2
АГ	Аперіодична нестійкість при великій газовмістимості	ТН > ТН2
КМ	Коливальна нестійкість “у малому”	ТН ТН1 (W)П WГР4
КП	Конденсаційні пульсації	(W)П > WГР3 та ділянка, що розташована нижче АВ
Б4	“Чаггінг” с великими пульсаціями тиску	Ділянка, що розташована вище АС
М4	“Чаггінг” с малими пульсаціями тиску	Ділянка, що розташована між DB при (W)П WГР3

Значення граничних параметрів (у загальному випадку) повинні визначатись на основі конкретної конструкції і геометрії барботерів-конденсаторів. На базі проведеного чисельного аналізу та порівняння з експериментальними дослідженнями Aуa I. та Nariai H. були отримані граничні значення наступних величин:

масових швидкостей суміші:

WГР1 = 10 кг/(м2 с);

WГР2 = 15 кг/(м2 с);

WГР3 = 30 кг/(м2 с);

WГР4 = 103FK .

недогрівання:

ТН1 =10К;

ТН2 =20К

У третьому розділі дисертації надані результати експериментальних досліджень процесу вдуття пари у холодну воду. Представлено опис експериментальної установки, методику проведення експерименту, методику обробки та результати експериментальних досліджень, а також верiфикацію результатів розрахункових досліджень, поданих у попередніх розділах.

Експериментальна робота виконувалась на установці, cхема якої представлена на рис.3.

Підготовка пари проводилась в ємності (1) об'ємом 0,12 м3, в якій розташовані датчики контролю і управління, що дозволяють працювати у заданих межах тиску і температури. Термопари типу ТХК (клас точності 0,5), манометр типу ЕДМ з границею вимірювання (0...1) МПа і класом точності 0,5. Два U-подібних трубчатих нагрівача (ТЕН) потужністю (23,15) кВт підключались до мережі через контактор, який управляється сигналами по тиску в ЕДМ.

Пара, яка отримана в ємності (1), подається до експериментальної ділянки (3) по гнучкому шлангу (4), що екранований від втрат тепла за допомогою асбестового шнура. Експериментальна ділянка це відкрита циліндрична ємність з діаметром обечайки 0,3 м і висотою 0,4 м. Вона має боковий відвід діаметром 125 і довжиною 80 мм, який обладнаний оглядовим склом. Дно ємності покрито чорною дрібнопористою гумою з метою запобігання відблиску світла при фотографуванні процесу і для зниження впливу хвиль тиску, що відбиті дном. Крім того, гумова прокладка служить для ущільнення нижнього фланцевого роз'єму експериментальної ділянки.

Вхід пари у холодну воду здійснюється через насадку (рис.3, вид 1-1). Насадка виготовляється з коаксіально зварених труб внутрішнім діаметром 32 і 10 мм, що забезпечує повітряну ізоляцію для запобігання можливості конденсації пари перед соплом. Сопло має різьбовий схід М60,75 для підключення сопел різних розмірів. Вимір витрати пари проводився ваговим спосібом з точністю до 0,001 г/с. Вимір коливань тиску в експериментальній ділянці здійснювався за допомогою індукційного датчика ДД-10, який дозволяє вимірювати коливання тиску з амплітудою до 1,5 МПа і частотою до 1кГц і має клас точності 0,2. Для вимірювання температури холодної води в ємності (рис.3) застосовувався ртутний скляний термометр з границею вимірювання (0 ... 120) 0С і з точністю 0,5 0С. Температура насиченої пари контролювалась за тиском у ємності (1).

Реєстрація швидкоперебіжних процесів проводилась на світлопроменевому осцилографі К121.

Експеримент охоплював наступні режимні параметри: температура холодної води (18...65) 0С; витрата пари (0,07...1,2)103 кг/с; діаметр сопла (2,5...4) мм; надлишковий тиск пари у котлі 0,01 МПа.

Дослідження різноманітних режимів роботи барботажного обладнання, осцилограм, фотографій та безпосереднє спостереження за процесом, дозволило виявити наступні особливості коливального процесу, який має місце при витіканні пари з циліндричного сопла у холодну воду.

Коливальний процес, який супроводжує роботу барботажних обладнань подібного типу, уявляє собою випадковий стаціонарний процес (типова осцилограма коливання тиску на відстані 9 мм від сопла при температурі води 58 0С і питомій витраті пари = 89,6 кг/(м2 с), наведена на рис.4).

У ході експерименту було встановлені наступні фактори впливу на коливальний процес:

Першим фактором, який призвів до появи коливань тиску у процесі витікання пари скрізь сопло, є її конденсація у підвідному паропровіді. При цьому, у паропровіді виникає конденсат, який потік пари жене до вихіду скрізь сопло, де у залежності від режиму течії він періодично перикриває вихідний отвір сопла.

Другим фактором, який впливає на коливальний процес, є зхлопування парової бульбашки, яке відбувається випадково, в залежності від швидкості пари, температури холодної води та її другорядних течій навколо сопла, при цьому частота коливань тиску, яка пов'язана зі зхлопуванням бульбашок, складає діапазон (3...10) Гц. При дослідженнях спостерігалось два види зхлопування: один з відривом бульбашки від сопла зі зхлопуванням її в об'ємі рідини; другий без відрива від сопла, з утворенням комулятивного струму води, яка спрямована назустріч потоку пари і призводить до закидання холодної води глибоко у підвідний паропровід. Такий вид зхлопування бульбашки спостерігався досить рідко: по-перше, вона знаходилася у вузькому діапазоні режимних параметрів (малі питомі витрати пари (5...15) кг/м2 с і температури води < 25C), а по-друге, вона з'являлася один раз на (20...30) зхлопувань, які не супроводжувалися попаданням струму всередину паропровіду (що пов'язано з симетричністю форми бульбашки, що зхлоплюється).

Третім фактором, який впливає на формування коливального процесу, є коливання міжфазної границі пара-вода та її динамічне руйнування струмом пари. Частота випадкових коливань стінки бульбашки склала при цьому 20Гц...10кГц.

При переході через деяку критичну швидкість, у залежності від температури охолоджувальної води, “бульбашковий” режим конденсації переходив в “емульсійний”, при якому міжфазна границя розривалась та утворювала хмаринку дрібних парових бульбашок, які конденсувались у воді.

Обробка результатів ідентифікації режиму течії пари від температури води, показала, що границя режимів практично не залежить від температури і визначається виключно швидкістю витікання пари з сопла. При цьому, у діапазоні досліджуємих параметрів, границя бульбашкового та емульсійного режимів містилась у інтервалі питомої витрати пари (20...30) кг/(м2 с).

Обробка експериментальних даних у відповідності до коливань тиску, які усереднені за щільностю вірогідності та періодом зазначених коливань, показала цікаву особливість зниження амплітуди і періоду коливань на границі вказаних режимів, яка пояснюється відповідністю витрати пари і швидкості конденсації, що призводить до більш-менш постійного розміру бульбашки, з незначними коливаннями тиску у навколишньої воді. Пік коливань тиску згідно з дослідними даними бульбашкового режиму конденсації відмічався при витраті (15...18) кг/(м2 с). При цій витраті спостерігався найбільш неприємний для обладнання режим конденсації бульбашок режим з викиданням холодної води в середину сопла.

Коливання тиску, які спричиняються струмом пари і бульбашками, що конденсуються, в усіх режимах, які спостерігались, загасають практично повністю на відстані приблизно 10 діаметрів сопла і тому не повинні спричиняти будь-якого впливу на міцність стінок баків-барботерів, відстань до яких більше 200 діаметрів сопла, тому і причини втрати їх герметичності слід шукати у іншому.

Порівняння експериментальних та розрахункових даних для різних режимів течії і різноманітних границь режимів барботажу наведено на рис. 2 (де 1 бульбашковий режим конденсації пари; 2 бульбашковий режим із закиданням води у середину сопла, з максимальними коливаннями тиску; 3 бульбашковий режим з малими коливаннями тиску; 4 емульсійний режим барботажу). Розшифровка поданих на графіку скорочень (АГ, БЧ, МЧ та ін.) міститься у таблиці. Порівняння дослідних даних з розрахунком показало, що практично всі досліджені точки містяться у ділянках, які обмежені розрахунковими границями. При цьому спостерігається така особливість: границя між режимами АГ і БЧ , тобто режима бульбашкової конденсації і режима барботажу із закиданням води у середину сопла, зміщується до ділянки більш високих питомих швидкостей, а ширина діапазону питомих швидкостей між 15 і 20 кг/(м2 с) для режиму БЧ відповідає розрахунковій величині, що дорівнює 5кг/(м2 с). Бульбашковий режим з малими коливаннями (швидкість витрати пари наближається до швидкості конденсації пари) практично розмістився на розрахунковій границі режимів БЧ та МЧ. Експериментальна точка при значенні = 30 кг/(м2с) знаходиться практично на границі бульбашкового та емульсійного режимів та відображає перехідний режим до емульсійного (експериментальні точки з більшою питомою витратою ніж 30 кг/(м2 с), що характеризують емульсійний режим, на графіку не показані). Границя ділянки стійкої роботи барботажного сопла, яка представлена точками 3, практично співпадає з границею, яка розраховувалась згідно з розробленими методиками.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено моделі та розрахункові методики аперіодичної і коливальної теплогідравлічної нестійкості у конденсаторах-барботерах, які дозволили отримати кінцеві співвідношення для визначених умов виникнення аперіодичної і коливальної теплогідравлічної нестійкості відносно достатньо малих збурень.

2. Розроблена розрахункова методика нелінійного теплогідродинамічного розрахунку процесів викидання парогазової суміші у басейни барботерів, з урахуванням нестаціонарного міжфазного тепломасообміну.

3. Визначені умови виникнення автоколивальних процесів у конденсаторах-барботерах і розроблена узагальнена карта режимних параметрів, які відповідають різним видам нестійкості конденсаторів-барботерів АЕС.

4. Створена експериментальна установка для аналізу процесів у КБ. Результати експерименту підтвердили результати розрахункового аналізу границь стійкої роботи КБ.

5. При витіканні пари у холодну воду спостерігалися два режима: бульбашковий з періодичним виникненням та зхлопуванням бульбашок та емульсійний з динамічним руйнуванням струмінем пари міжфазної границі та утворенням гомогеного пароводяного струміня в об'ємі холодної води. Границя між режимами визначається питомою витратою пари і міститься в інтервалі значень 25...30 кг/(м2 с).

6. Коливання тиску, які створені струмінем пари з бульбашками, що конденсуються, загасають практично повністю на відстані 10 діаметрів сопла і не є небезпечними для стінок баків-барботерів.

7. Найбільш небезпечним для експлуатації пароскидних приладів є бульбашковий режим, коли виникає кавітаційна ерозія та руйнування сопел внаслідок термічної втоми. Для проектування пароскидних приладів можна рекомендувати питомі витрати пари не менше 40 кг/(м2 с), що забезпечить стійкий емульсійний режим витікання пари.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Королев А.В., Литвин А.Н., Хайер Бек М. Экспериментальное исследование процессов вдува пара в холодную воду. / Сб. Трудов ученых Одесского политехн. ун-та. Одесса, 1997, Вып. № 1. С. 256 259.

2. Хайер Бек М., Скалозубов В.И., Нелинейный теплогидравлический расчет конденсатора-барботера. / Сб. Трудов ученых Одесского политехн. ун-та. Одесса, 1997, Вып. № 1. С. 260 263.

3. Хайер Бек М. Расчет конденсатора-барботера системы СЛА реактора ВВЭР в линейном приближении / Сб. статей “Научные труды молодых ученых ОГПУ” Одесса, 1997. С. 182 187.

4. Хайер Бек М. Анализ теплогидравлической неустойчивости барботеров-конденсаторов АЭС / Сб. докл. III международной конференции “Молодёжь ядерной энергетики”. Одесса, Укр.ЯО, 1996. С. 89 91.

5. Королев А.В., Литвин А.Н., Хайер Бек М. Исследование барботажа пара в системах локализации аварий реакторных установок //Атомная энергия. 1998, Том. 84, Вып. № 3. С.61 66.

Размещено на Allbest.ru

...