Зниження тиску в гермооб’ємі АЕС з ВВЕР-1000 струминними розпилювачами-охолоджувачами в умовах течі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Севастопольський національний університет ядерної енергії та промисловості

ЗНИЖЕННЯ ТИСКУ У ГЕРМООБ'ЄМІ АЕС З ВВЕР-1000 СТРУМИННИМИ РОЗПИЛЮВАЧАМИ-ОХОЛОДЖУВАЧАМИ В УМОВАХ ТЕЧІ

05.14.14 - Теплові та ядерні енергоустановки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Герліга Олександр Володимирович

Севастополь - 2008

Анотація

Герліга О.В. Зниження тиску в гермооб'ємі АЕС з ВВЕР-1000 струминними розпилювачами-охолоджувачами в умовах течі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.14 - Теплові і ядерні енергоустановки. Севастопольський національний університет ядерної енергії та промисловості.

Пропонується використання струминних розпилювачів-охолоджувачів (СРО) для зниження тиску в гермооб'ємі (ГО) замість штатних спринклерних розпилювачів у разі малої і середньої течі без прямого зрошування устаткування ГО спринклерним розчином.

Складені математичні моделі динаміки процесів в ГО і струминний розпилювач-охолоджувач за наявності течі і подачі спринклерного розчину в СРО. Рівняння, що описують процеси в ГО складені для всіх можливих станів парогазового середовища. При описі процесів у СРО враховані: ефект приєднаної маси, виникнення туману, як у факелі розпилюваної рідини так і в міжфакельному просторі, описаний процес переходу парогазового середовища в краплинний факел. При розв'язанні системи диференціальних рівнянь, що описують тепломасообмін у СРО та ГО, швидкоплинні процеси в СРО розглядалися, як квазістаціонарні, а в ГО як нестаціонарні. Параметри середовища в ГО є крайовими умовами для системи диференціальних рівнянь, що описують тепломасообмінні процеси в СРО. Для визначення кількості пари, що надійшла до ГО, залежно від еквівалентного діаметра течі були використані дані розрахункового коду MELСOR. Отримана система з 64- х диференціальних рівнянь була запрограмована й вирішувалася методом Рунге- Кутта з автоматичним вибором кроку обчислень.

На основі складених матмоделей розроблений метод розрахункового аналізу динаміки процесів в ГО за наявності течі і подачі спринклерного розчину в СРО, що дозволяє оптимізувати СРО за його режимними і геометричними характеристиками.

Розрахунковим шляхом, за допомогою розроблених програм показано, що пропонована схема зниження тиску в ГО працездатна за температури спринклерного розчину 50 °С для енергоблоків як «малої» серії (теча малих і середніх еквівалентних діаметрів), так і серійних енергоблоків (теча малих еквівалентних діаметрів).

Розроблені функціональні схеми систем безпеки з СРО, які пропонуються для використання в проектах перспективних АЕС, а також для модернізації застосовуваних на діючих АЕС систем безпеки РУ.

Ключові слова: струмині розпилювачі-охолоджувачі (СРО), матмодель, розрахункова модель, аналіз динаміки процесів в ГО, гермооб'єм реакторної установки ВВЕР.

Аннотация

Герлига А.В. Снижение давления в гермообъёме АЭС с ВВЭР-1000 струйными распылителями-охладителями в условиях течи. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.14 - Тепловые и ядерные энергоустановки. Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности.

Предлагается использование струйных распылителей-охладителей (СРО) для снижения давления в гермообъеме (ГО) вместо штатных спринклерных распылителей в случае малых и средних течей без прямого орошения оборудования ГО спринклерным раствором.

Составлены математические модели динамики тепломассообменых процессов в ГО и струйном распылителе-охладителе при наличии течи. Уравнения, описывающие процессы в ГО составлены для всех возможных состояний парогазовой среды. При описании процессов в СРО учтены: эффект присоединенной массы, возникновение тумана как в факеле распыливаемой жидкости, так и в межфакельном пространстве, описан процесс перехода парогазовой среды в капельный факел.

При решении системы дифференциальных уравнений описывающих тепломассообмен в СРО и ГО, быстропротекающие процессы в СРО рассматривались, как квазистационарные, а в ГО как нестационарные. Параметры среды в ГО являются краевыми условиями для системы дифференциальных уравнений описывающих тепломассообменных процессы в СРО. Для определения количества пара, поступившего в ГО, в зависимости от эквивалентного диаметра течи были использованы данные расчетного кода MELСOR. Полученная система из 64-х дифференциальных уравнений была запрограммирована и решалась методом Рунге-Кутта с автоматическим выбором шага вычислений.

На основе составленных матмоделей, разработан метод расчётного анализа динамики процессов в ГО при наличии течи и подачи спринклерного раствора в СРО, позволяющий оптимизировать СРО по его режимным и геометрическим характеристикам.

Для подтверждения корректности нашего метода расчёта с помощью кода MELCOR были определены максимумы давления в ГО для случая Dy = 60 мм и различного числа труб СРО. При этом использовались рассчитанные нами характеристики тепломассообмена в СРО. Полученные результаты близки к расчётам по разработанной математической модели.

Расчетным путем с помощью разработанных программ, показано, что предлагаемая схема снижения давления в ГО работоспособна при температуре спринклерного раствора 50 С для энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000 как «малой» серии (течи малых и средних эквивалентных диаметров), так и серийных энергоблоков (течи малых эквивалентных диаметров).

Расчетные исследования показали, что снижение температуры спринклерного раствора на 10 градусов позволяет увеличить конденсационную способность СРО практически в два раза.

С увеличением длины труб СРО рост их конденсационной способности уменьшается. Рекомендуется выбирать длину труб СРО в пределах 2...5 м.

Разработаны функциональные схемы систем безопасности с СРО, которые предлагаются для использования в проектах перспективных АЭС, а также для модернизации применяемых на действующих АЭС систем безопасности РУ.

Предположено несколько схем использования СРО для снижения давления в ГО при наличии течей:

- трубы СРО располагаются по периметру гермооболочки в верхней её цилиндрической части; выход из сепаратора направлен на внутреннюю поверхность гермооболочки, что будет способствовать конденсации пара, выходящего из пластинчатого сепаратора. Спринклерный раствор с конденсатом из СРО и конденсат от стенки гермооболчки подаются по сливным трубам в приямок;

- в случае обесточивания АЭС подачу охлаждающего раствора на СРО предполагается осуществлять инжектором, в качестве рабочей среды которого используется теплоноситель из первого контура. Расхолаживание ГО обеспечивается замкнутым контуром с испарителем, расположенным в баке - приямке и конденсатором, расположенным за пределом гермооболочки в канале воздушного охлаждения;

- на примере ЮУАЭС предложена схема локализации радиационной аварии на энергоблоке АЭС с РУ ВВЭР-1000 управляемым сбросом среды в ГО соседнего неаварийного энергоблока.

Применение предложенных схем снижения давления и расхолаживания ГО в условиях течи с помощью СРО формирует условия, при которых повышение параметров в ГО не будет достигать верхних проектных пределов, что обеспечит эффективное управление ресурсом системы герметичных ограждений и продления сроков их эксплуатации сверх проектных.

Ключевые слова: струйные распылители-охладители (СРО), матмодель, расчетная модель, анализ динамики процессов в ГО, гермообъем реакторной установки ВВЭР.

гермооб'єм спринклерний охолоджувач

Summary

Gerliga AV. Reduce pressure in watertight compartment of reactor WWER by installation of jet sprayers coolers in case of leak. - Manuscript.

The thesis for degree of candidate of technical sciences on speciality 05.14.14 - The thermal and nuclear power plants. Sevastopol national university of nuclear energy and industry.

The jet sprayers coolers (JSC) can be used to reduce the pressure in the watertight compartment (WC) instead of standard sprinkler system in the case of small and medium-sized leakage without direct irrigation the equipment of WC by sprinklers solution proposed.

Were published the mathematical models of dynamic processes in the WC and JSC in the case of leakage.

The equations describing processes in WC are made for all possible conditions of steam & gas medium. The effects of the attached weight, occurrence of a fog in a spray, and in interspray space were considered at the description of processes in JSG. The process of transition steam & gas medium in a spray space was described. The parameters of medium in WC are boundary conditions for system of the differential equations describing heat-and-mass transfer in JSC.

At the decision of system of the differential equations describing heat-and-mass transfer in JSC and WC, swift-flowing processes in JSC were considered, how quasi-stationary, and in WC as non-stationary. For definition of steam quantity which has came in WC, depending on equivalent diameter of a leak the data of settlement code MELСOR have been used. The received system from 64 differential equations has been programmed and was solved by the Runge-Kutte method with an automatic choice of a step of calculations.

Based on the compiled mathematical models was development a method calculation analysis of the dynamics of processes in the WC in case of leakage to optimize the JSC at his technical date and geometric characteristics

Calculated by using programs developed by us shows that the proposed scheme to reduce pressure in WC functional for small and medium-sized leaks equivalent diameters with temperatures of sprinkler solution 50 centigrade degrees for the power generating units of «small» series (the leak of small and medium equivalent diameters) and for the standard power generating units (the leak of small equivalent diameters).

The functional schemes of safety system with JSC were development. They can be used in the projects of new NPS and for renovation of the existed NPS.

Keywords: jet sprayers coolers, mathematical models, design model, analysis of the dynamics of processes in the WC, watertight compartment of reactor WWER.

гермооб'єм спринклерний охолоджувач

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розглядається метод запобігання підвищенню тиску в гермооб'ємі (ГО) реакторної установки (РУ) АЕС з ВВЕР вище за тиск локалізації гермооболонки в умовах течі теплоносія першого/другого контуру, за якого розхолоджування ГО здійснюється за рахунок спеціальної організації струминно-краплинного охолоджування пароповітряної суміші розчином спринклерної системи без прямого зрошування атмосфери і устаткування ГО від спринклерних пристроїв. Вперше ідея цього технічного рішення була запропонована проф. Суховим А.К.

Пропонований метод спрямований на максимальне обмеження тиску в ГО на можливо низькому рівні без локалізації гермооболонки РУ і без прямого зрошування устаткування ГО від штатних спринклерних пристроїв. Це досягається за рахунок увімкнення і роботи спринклерної системи на струминний розпилювач-охолоджувач (СРО), що являє собою систему рівнобіжних труб, над кожною з яких розташовані струминні форсунки для подачі краплинного факела в труби. Вода до форсунок подається спринклерними насосами. Основне призначення СРО - локальне розхолоджування атмосфери ГО за умов течі теплоносія першого і другого контуру з організованим відведенням конденсату до приямків ГО.

Передбачається, що спринклерний насос вмикатиметься на найперших етапах підвищення тиску в ГО, починаючи з підвищення надмірного тиску в ГО більш ніж 0,01 МПа, при цьому спринклерний розчин повинен поступати тільки на СРО і не поступати на спринклерні пристрої доки тиск в ГО не підніметься більш ніж 0,07 МПа - для блока АЕС з ВВЕР-1000/В-302, 338 («малої» серії) і більш ніж 0,03 МПа - для серійного енергоблока з ВВЕР-1000/В-320.

Для оцінки стану ГО за умов аварії з течею і підтвердження безпеки протікання аварійного процесу з застосуванням пропонованого методу зниження тиску в ГО під час розхолоджування необхідна розробка математичної моделі СРО, яка враховує взаємозв'язок усіх тепломасообмінних процесів при конденсації пари, а також експериментальні і розрахункові результати відомих досліджень струминних теплообмінних пристроїв, наведені в науковій і технічній літературі. На основі цієї математичної моделі слід розробити розрахункову методику і провести необхідні розрахунки.

Зв'язок роботи з науковими програмами.

Робота виконана за пріоритетним науковим напрямом Міністерства освіти і науки України «Енергетика і енергозбереження» згідно планів НДР СевНТУ в межах держбюджетної роботи «Дослідження і розробка методів пасивного теплового захисту гермопроходок захисних оболонок стаціонарних і суднових ядерних енергетичних установок («ГЕРМЕС»), виконуваної на кафедрі ЕМСС СевНТУ з 2006 р., і відповідно до планів ОП «Південно-Українська АЕС» і НАЕК «Енергоатом» щодо підвищення надійності функціонування контаймента з РУ з ВВЕР-1000 (госпдоговірна робота 5892-03/10-НП/НАЕС від 30.06.05 р. між ОП «Південно-Українська АЕС» НАЕК «Енергоатом» і ТОВ «НДІ АЕС», м. Одеса).

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є проведення розрахункового аналізу якості зниження тиску в ГО за допомогою СРО за наявності течі і роботі СРО від спринклерних насосів.

Досягнення поставленої мети визначило необхідність розв'язання наступних задач: аналіз специфіки об'єктів, в яких планується реалізація пропонованого методу; аналіз результатів сучасних досліджень процесів в СРО; розробка математичної моделі протікання теплогідравлічних процесів в ГО за наявності течі і математичної моделі СРО; розрахунковий аналіз процесів в СРО; проведення розрахунків зміни тиску в ГО за наявності течі і роботі СРО; розрахунково визначити розміри течі, за якої за допомогою СРО знижується тиск у ГО до необхідного рівня; розрахунковий аналіз впливу конструктивних параметрів СРО, температури спринклерного розчину і перепаду тиску на форсунках на працездатність СРО; розробка схем використання СРО.

Об'єктом дослідження є процеси тепломасообміну, які відбуваються в ГО й у струминному розпилювачі-охолоджувачі за наявності течі в трубопроводах першого/другого контуру, розташованих у ГО.

Предметом дослідження є метод розрахункового аналізу можливості зниження тиску в ГО за наявності течі.

Метод дослідження. Теоретичні дослідження зі створення методу розрахунку процесів у СРО і в ГО за наявності течі базуються на фундаментальних положеннях термодинаміки, гідромеханіки, теплообміну і на використанні звичайних диференціальних рівнянь.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- теоретично обґрунтований спосіб запобігання підвищенню тиску в гермооб'ємі РУ АЕС з ВВЕР струминним розпилювачем-охолоджувачем вище тиску локалізації гермооболонки за умов течі без прямого зрошення атмосфери й устаткування РУ;

- вперше розроблена математична модель процесів, що протікають у СРО, яка на відміну від існуючих враховує ефекти приєднаної маси, утворення туману і рух пароповітряної суміші як у міжфакельному, так і у факельному просторі СРО;

- вперше розроблена модель динаміки процесів у СРО для умов ГО реакторної установки АЕС з ВВЕР-1000 за наявності течі, особливістю якої є використання рівнянь динаміки розхолоджування ГО як крайових умов для системи звичайних диференціальних рівнянь, що описують квазістаціонарний одномірний процес у СРО;

- отримані залежності конденсаційної здатності СРО від його геометричних характеристик і параметрів потоків парогазової суміші, а також охолодної води, що подається в СРО.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблена математична модель динамічних процесів, що протікають у СРО в умовах течі в ГО дозволяє виконати перший етап впровадження СРО в технологічний процес розхолоджування ГО (провести розрахункове обґрунтування);

- розрахунковим шляхом доведена працездатність цієї схеми зниження тиску в ГО за температури спринклерного розчину 50 єС, за умов течі малих еквівалентних діаметрів для серійних енергоблоків з ВВЕР-1000 і за умов течі малих і середніх еквівалентних діаметрів для енергоблоків з ВВЕР-1000 «малої» серії;

- розрахунковим шляхом показаний вплив зниження температури спринклерного розчину на збільшення конденсаційної здатності СРО;

- розрахунковим шляхом визначено вплив довжини труб СРО на їх конденсаційну здатність;

- розроблені функціональні схеми систем безпеки з СРО, які пропонуються для використання в проектах перспективних АЕС, а також для модернізації застосовуваних на діючих АЕС систем безпеки РУ.

Апробація результатів. Результати досліджень докладалися на: 5-ій Міжнародній науково-практичній конференції з проблем атомної енергетики «Ефективність, безпека, ресурс АЕС» (21-26 вересня 2006 р., м. Севастополь); 2-ій Міжнародній конференції «Ефективність, надійність і безпека енергетичних установок» (4-9 червня 2007 р., м. Севастополь); 6-ій Міжнародній науково-практичної конференції з проблем атомної енергетики (21-26 вересня 2007 р, м. Севастополь); науково-практичній конференції «Безпека, надійність і управління ресурсом енергоблоків АЕС України» (4-7 червня 2007 р., ОНПУ, м. Одеса; наукових семінарах професорсько-викладацького складу кафедри Енергоустановок морських суден та споруд СевНТУ і кафедри АЕС ОНПУ.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 6 друкованих праць, у тому числі 5 статей у виданнях, що відповідають вимогам ВАК України до публікацій результатів дисертаційних робіт в спеціалізованих виданнях, і 1 - тези доповіді на міжнародній науково-технічній конференції. Способи роботи пристроїв, розроблених в процесі виконання дисертаційної роботи, захищені двома патентами України на корисну модель.

Особистий внесок здобувача: Всі основні результати дисертаційного дослідження, які представлені до захисту, одержані дисертантом. В опублікованих статтях, надрукованих в співавторстві, дисертанту належить постановка задачі, побудова математичної моделей і рішення задачі.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми; вказаний зв'язок з науковими програмами и темами НДР; сформульовані мета і задачі дослідження; відзначені наукова новизна і практична значимість отриманих результатів; особистий внесок автора, апробація результатів роботи.

У першому розділі наведені оглядовий аналіз даних наукової літератури і постановка задачі дослідження.

Основною особливістю СРО є його здатність створення напору. Саме це обумовлює можливість їх широкого використання для проведення різноманітних тепломасообмінних процесів. Найбільше поширення одержали рідинно-ежекційні апарати, наприклад, для обробки води повітрям (у процесах декарбонізації, охолодження води), яке ежектується з навколишнього простору і потім викидається з апарата в атмосферу.

Струминні розпилювальні системи використовуються в деаераторах, декарбонізаторах, охолоджувачах випару, охолоджувачах оборотної води, підігрівниках турбоустановок, апаратах для охолодження й очищення димових газів. Наразі накопичений значний обсяг даних з проектування, розрахунків та експлуатації струминних розпилювальних систем.

Під час розгляду опублікованих різними авторами математичних моделей СРО виявлені наступні їх особливості і недоліки: в рівняннях руху крапель і пароповітряного потоку не враховується вплив змінності мас; не описується процес переходу парового середовища в краплинний факел; не сформульована математична модель паро-краплинного потоку, як крайова задача, в якій крайовими умовами виступає математична модель процесу в об'ємі, де встановлений СРО; не розглядається робота СРО у пароповітряному середовищі.

Крім того, відсутні публікації, присвячені математичним моделям роботи СРО в ГО контаймента АЕС.

У другому розділі наводиться математичний опис процесу динаміки в ємності пароповітряної суміші. На початку розглядаються особливості протікання процесу на діаграмі «ентальпія-паровміст» для парогазового середовища в ГО і парогазового факелу в СРО.

Далі складається математична модель для випадку, коли з'явилася теча з трубопроводу в ГО і коли спринклерні форсунки ще не включені, і витрата пари, що виривається з тріщини у трубопроводі, йде на підвищення тиску в ГО, конденсується на поверхні устаткування і будівельних конструкціях.

За відомими залежностями тиску і температури парогазової суміші в ГО від часу можливо розрахувати величину витрати пари, що йде тільки на підвищення тиску. Залежності , можуть бути експериментальними або розрахованими за спеціальним кодом, що враховує усі особливості конденсації пари в ГО без включення спринклерної системи і динаміку ЯЕУ.

Нехай у початковий момент у ГО з об'ємом знаходиться пароповітряна суміш за температури . Парціальний тиск повітря в суміші , а парціальний тиск пари . З аналізу даних, представлених ЮУАЕС виходить, що на початку за t=0 пара в суміші не є насиченою, тобто: .

При цьому, щоб довести пару до стану насичення необхідно або підняти до (, або знизити .

Математичний опис процесу, що відбувається в ємності, проводиться за таких основних допущень: усі процеси термодинамічно рівноважні; процес розглядається в нульмірному наближенні, тобто змінами характеристик пароповітряної суміші в просторі знехтуємо.

Далі записуються рівняння збереження мас і енергії для парогазової суміші, що знаходиться в ГО:

,

де - витрата пари на конденсацію на стінках ГО і поверхні обладнання,- маса повітря в ГО, - маса пари в ГО, - приход насиченої пари в ГО, - енергія, що надійшла в ГО за одиницю часу з парою із течі, - витрата теплоти на конденсацію пари на обладнанні, - енергія пароповітряної суміші в ГО, «вх», «вих» - позначення параметрів, відповідно, на вході і виході СРО.

Після відповідних перетворень рівняння для опису зміни тиску і температури запишуться у вигляді:

(2.1)

де ,

- парціальний тиск пари, - парціальний тиск повітря,

У випадку з відповідних балансових рівнянь, записаних для маси пари і маси туману в ГО виходить:

(2.2)

де

,

густина туману, - витрата туману на вході у СРО, - витрата туману на виході із СРО.

Рівняння (1), (2) описують динаміку процесу в ГО, відповідно, для перегрітої і насиченої пари.

У третьому розділі наведено виведення рівнянь, що описують квазістаціонарний процес у СРО.

Для надійної оцінки зниження тиску в ГО під час його розхолоджування в першу чергу необхідна досить повна математична модель СРО, що враховує відомі експериментальні і розрахункові результати про струминні теплообмінники, викладені в технічній літературі. Розв'язанню цієї задачі присвячений даний розділ.

На рис. 1 наведена схема однотрубного СРО. З форсунок 1 виходить краплинний факел, що затягує пароповітряну суміш у СРО, де пара частково конденсується на краплях, а повітря охолоджується. Далі охолоджене повітря і залишок пари викидаються в ГО через сепаратор 3, а волога далі видаляється трубопроводом 4 до приямку.

За час перебування краплі і парогазової суміші в СРО параметри процесу в ГО практично не змінюються в часі, тому для ГО запишемо нестаціонарні рівняння, а для СРО - рівняння в квазістаціонарному наближенні. У міжфакельний простір СРО з ГО може надходити як парогазова суміш з перегрітою відносно свого парціального тиску парою, так і парогазова суміш з парою на лінії насичення. У другому випадку в парогазовій суміші може міститися туман. Ці два різних стани може мати і парогазова суміш, що рухається у факельному просторі.

Отже в одному перетині СРО (за заданого z) можуть бути такі 4 варіанти можливого стану парогазової суміші:

- у міжфакельному і факельному просторах - парогазова суміш з перегрітою парою;

- у міжфакельному просторі - парогазова суміш з перегрітою парою, у факельномому просторі - парогазова суміш із туманом и парою на лінії насичення;

- у міжфакельному просторі - парогазова суміш з туманом і парою на лінії насичення, у факельному просторі - парогазова суміш з перегрітою парою;

- у міжфакельному і факельному просторах - парогазова суміш з туманом і парою на лінії насичення.

Для усіх зазначених варіантів записуються свої математичні моделі.

Так, квазістаціонарний рух і тепломасообмін у СРО для першого варіанта описуються системою рівнянь, яку у вихідному вигляді можна представити таким чином:

,(3.1)

,(3.2)

,(3.3)

,(3.4)

,(3.5)

,(3.6)

,(3.7)

,(3.8)

,(3.9)

(3.10)

,(3.11)

де (3.1)-(3.5) - рівняння нерозривності, відповідно, потоку пари поза факелами, потоку газу поза факелами, потоку пари у факелах, потоку газу в факелах і краплинного потоку рідини; (3.6) - рівняння балансу маси краплі; (3.7) - рівняння енергії парогазового потоку в факелі; (3.8) - рівняння енергії для потоку крапель; (3.9)-(3.11) - рівняння кількості руху, відповідно, парогазового потоку в області «а» (рис. 1), парогазового потоку в області «б» і краплинного потоку, W - швидкість; с - густина; F - площа; П - периметр; V - об'єм; q_m - масовий потік на межі краплі; q - тепловий потік від парогазового потоку до краплі; ф - дотичне напруження тертя парогазової суміші об стінки СРО; f - сила тертя між краплею і парогазовим потоком; n - кількість крапель в одиниці об'єму паро-краплинного потоку; - площа прохідного перетину факелу за винятком площі перетину краплинного потоку; підстрочні індекси: ПГ - парогаз; П - пара; Г - газ; ПФ - пара у факелі; ПГФ - парогаз у факелі; ГФ - газ у факелі; К - крапля; Ф - факел; Ж - рідина; ПГК - парогазовий потік на поверхні конусу.

Тут і далі через малий кут розпилу приймається, що для кожного перетину СРО,(3.12)

і що перетікання середовища з області «а» в область «б», як підтверджено експериментально іншими авторами, відбувається перпендикулярно до поверхні конуса з кутом при вершині 2.

Усередині факелу внаслідок тепломасообміну знижується температура парогазової суміші, і при досягненні сумішшю температури насичення пари в об'ємі потоку може утворюватися туман. За цих умов процес в СРО (другий варіант) описується рівняннями (3.1), (3.2), (3.4), (3.5), (3.6), (3.8), (3.9), (3.11), (3.12) ) і рівнянням виду:

,(3.13)

,(3.14)

,(3.15)

(3.16)

де - питома витрата пари на утворення туману в факелі.

Для третього випадку течії парогазової суміші процес у СРО описується наступною системою рівнянь:

(3.17)

(3.18)

(3.19)

(3.20)

(3.21)

(3.22)

(3.23)

(3.24)

(3.25)

де - питома витрата пари на утворення туману в одиниці об'єму області «а».

Для четвертого варіанту течії парогазової суміші процес у СРО можна описати системою рівнянь (3.17)-(3.25), яка доповнюється рівнянням

.

При цьому в рівняннях (3.20) і (3.25) вносяться зміни: права частина рівняння (3.20) доповнюється членом «»; а у рівнянні (3.25) питома густина замінюється на .

Для входу парогазової суміші в СРО і на виході через сепаратор запишемо:

,

,

де - тиск парогазової суміші в ГО; - тиск парогазової суміші після входу в СРО; - тиск парогазової суміші перед сепаратором; - коефіцієнт місцевих втрат на вході в СРО; - коефіцієнт гідровтрат у сепараторі; - швидкість парогазової суміші на вході в СРО; - швидкість парогазової суміші в сепараторі; - витрата туману в факелі.

У четвертому розділі викладається методика чисельної реалізації математичної моделі системи ГО+СРО, розраховуються витрати пари з течі різних D_y, наводяться результати чисельного аналізу процесів, що відбуваються в однотрубному СРО, і наводяться результати чисельного аналізу процесів в системі ГО+СРО за наявності течі.

Для оцінки витрат пари, що надходить, за наведеними у другому розділі рівняннями була оброблена інформація, отримана за допомогою коду MELCOR щодо зміни тиску в ГО за різних еквівалентних діаметрів течі.

Для реалізації на ЕОМ математичної моделі розрахунку процесів у трубі СРО були прийняті наступні припущення: радіус водно-краплинного факелу вздовж СРО змінюється лінійно; початкова швидкість пароповітряної суміші усередині факелу прийнята близькою до швидкості краплі; теплофізичні параметри пароповітряної суміші поза факелом і усередині нього в початковому перетині труби СРО прийняті однаковими; нехтується теплообміном парогазової суміші через стінки СРО.

Рух парогазової суміші в трубі СРО відбувається за рахунок передачі кінетичної енергії від крапель до пароповітряної суміші, як наслідок цього відбувається збільшення тиску пароповітряної суміші усередині СРО. Падіння тиску пароповітряної суміші на вході і на виході з труби СРО пов'язане з втратами тиску на вхід і в жалюзійному сепараторі, відповідно. Виходячи з умови рівності початкового тиску і тиску після жалюзійного сепаратора визначається дійсна витрата парогазової суміші на вході в трубу СРО.

Розрахунки показали, що навіть за відсутності туману в ГО (вхід в СРО), всередині факела на початковій ділянці може утворюватися туман і надалі, можливе, його зникнення.

Кількість сконденсованої пари у СРО лінійно залежить від площі вхідного перетину, тобто вибір вхідного перетину впливає тільки на кількість труб СРО. На підставі цього, а також з урахуванням зручності розміщення СРО вздовж стіни ГО і зручності установки в трубу СРО жалюзійного сепаратора, попередньо прийнятий прямокутний перетин труби СРО 2Ч0,75 м з кількістю форсунок - 24 штуки.

Крім вище викладеного, були проведені розрахункові дослідження СРО зі зміною наступних розрахункових величин: параметрів пароповітряної суміші в ГО (Р, Т, ц, с_Т, взяті за даними коду MELCOR): діаметру отвору форсунок D_С; перепаду тиску на форсунках ДР_ф; початкового діаметру крапель у факелі; довжини труби СРО; кута розпилу факелу.

Перераховані вище розрахункові дослідження окремого СРО показали: витрата пари в СРО набагато більше витрати туману за будь-яких режимів; зі зростанням температур і тиску у ГО кількість конденсованої пари зростає; збільшення витрати води у форсунці збільшує конденсацію пари; збільшення довжини труби СРО і кута розпилу факела збільшує конденсацію пари.

Програма розрахунку моделі ГО розроблена з можливістю розрахунку математичної моделі ГО з включенням СРО і без нього. Таким чином, знаючи надходження пари в ГО з місця течі теплоносія, можна простежити зміну тиску, температури та інших характеристик у ГО з часом, а також оцінити вплив роботи СРО на процеси, що протікають у ГО. Відповідно, змінюючи кількість труб СРО можна отримати бажаний результат щодо зміни тиску і температури пароповітряної суміші в ГО.

Були проведені розрахунки моделі ГО без СРО і з включенням у роботу 5, 10 і 15 труб СРО для теч з еквівалентним діаметром 20, 40 і 60 мм.

Зупинимося більш докладно на варіантах розрахунку для течі еквівалентним діаметром 60 мм. Включення в математичну модель ГО математичної моделі СРО відбувається за умови збільшення тиску в ГО на 0,01 МПа (абсолютний тиск дорівнює 0,11 МПа), при цьому вибір кількості труб повинен забезпечити умови зростання тиску в ГО, який не перевищує тиску включення спринклерної системи.

Проведені розрахунки для випадків, коли 5, 10 і 15 труб СРО (по 24 форсунки в кожній) були включені в математичну модель ГО, дали позитивні результати. Абсолютний тиск у ГО в усіх трьох випадках не піднімається вище 0,16 МПа, що задовольняє вимогам, пропонованим до параметрів середовища в ГО реакторів ВВЕР-1000 «малої» серії.

Для підтвердження коректності, запропонованого методу розрахунку, за допомогою коду MELCOR були визначені максимуми тиску в ГО для випадку Dy = 60 мм і різного числа труб СРО. При цьому використовувалися розраховані нами характеристики тепломассообміну в СРО. Одержані результати близькі до розрахунків за розробленою математичною моделю.

З розрахованої залежності кількості енергії, що забирається однією трубою СРО з ГО, як функції від температури середовища ГО, можна сказати, що найбільший вплив на ефективність роботи СРО (кількість сконденсованої пари) чинить різниця температур між парогазовим середовищем ГО й охолодною водою. За зменшення цієї різниці на 10 градусів ефективність СРО практично збільшується в два рази.

Була розглянута динаміка зміни тиску в ГО як функція від температури спринклерного розчину для різних еквівалентних діаметрів течі.

Розрахунки показали, що зі зростанням L інтенсивність відведення теплоти з ГО спочатку різко зростає і при наближенні L до 5 м це зростання сповільнюється. Враховуючи це, а також прагнення не загромаджувати простір ГО, рекомендується вибирати L у межах 2...5 м.

На закінчення наведено результати розрахунків щодо зміни тиску в ГО при малій і середній течі для СРО з трубами L = 2 м і L = 5 м.

З порівняння кривих, що представлені на рисунку, видно, що за L = 5 м максимуми тиску в ГО значно нижче ніж за L = 2 м і СРО справляється зі своїм завданням і при «середній» течі не тільки реакторів «малої» серії, але й практично для серійних реакторів ВВЕР-1000.

Крім того, отримане розрахункове підтвердження незначного впливу на максимальний тиск в ГО зміни кута розпилювання крапель 6...20 градусів і початкових діаметрів крапель розпилу 0,5...0,04 мм.

У п'ятому розділі розглядаються схеми використання СРО, і схеми забезпечення працездатності СРО за повного знеструмлення блока. Запропоновано декілька схем використання СРО для зниження тиску в ГО за наявності течі:

- труби СРО розташовуються по периметру гермооболонки у верхній її циліндровій частині; вихід з сепаратора направлений на внутрішню поверхню гермооболонки, що сприятиме конденсації пари, що виходить з жалюзійного сепаратора. Спринклерний розчин з конденсатом зі СРО і конденсат від стінки гермооболонки подаються зливними трубами до приямку;

- у разі знеструмлення АЕС подачу охолодного розчину на СРО передбачається здійснювати інжектором, як робоче середовище якого використовується теплоносій з першого контуру. Розхолоджування ГО забезпечується замкнутим контуром з випарником, розташованим у баку-приямку і конденсатором, розміщеним за межею гермооболонки в каналі повітряного охолодження;

- на прикладі ЮУАЕС запропонована схема локалізації радіаційної аварії на енергоблоці АЕС з РУ ВВЕР-1000 керованим скиданням середовища в ГО сусіднього неаварійного енергоблока.

Висновки

Проведені в межах дисертаційної роботи дослідження дозволяють зробити наступні висновки.

1. Запропоновано схему запобігання підвищенню тиску в ГО вище тиску локалізації ГО в умовах течі теплоносія першого і другого контуру, за якої розхолоджування ГО здійснюється за рахунок спеціальної організації струминно-краплинного охолодження пароповітряної суміші розчином спринклерної системи без прямого зрошення атмосфери і обладнання ГО від спринклерних пристроїв.

2. Розроблені математичні моделі динаміки процесів у ГО й у струминно-розпилюючому охолоджувачі за наявності течі і подачі спринклерного розчину в СРО.

3. На основі складених математичних моделей розроблений метод розрахункового аналізу динаміки процесів у ГО за наявності течі і подачі спринклерного розчину в СРО, що дозволяє оптимізувати СРО за його режимними і геометричними характеристиками.

4. Розрахунковим шляхом, як за допомогою розроблених програм, так і з залученням результатів розрахунку, отриманих у коді MELСOR, показано, що запропонована схема зниження тиску в ГО працездатна за температури спринклерного розчину 50 С для енергоблоків як «малої» серії (теча малих і середніх еквівалентних діаметрів), так і серійних енергоблоків (течі малих еквівалентних діаметрів).

5. Розрахункові дослідження показали, що зниження температури спринклерного розчину на 10 градусів дозволяє збільшити конденсаційну здатність СРО практично вдвічі.

6. Зі збільшенням довжини труб СРО інтенсивність зростання їх конденсаційної здатності зменшується. Рекомендується вибирати довжину труб СРО в межах 2...5 м.

7. Запропоновані три схеми використання СРО для зниження тиску в ГО за наявності течі:

а) труби СРО розташовуються за периметром гермооболонки у верхній її циліндричній частині; вихід із сепаратора спрямований на внутрішню поверхню гермооболонки, що сприяє конденсації пари, що виходить із сепаратора. Спринклерний розчин з конденсатом зі СРО й конденсат від стінки гермооболонки подаються зливними трубами до приямку;

б) у випадку знеструмлення АЕС подачу охолодного розчину на СРО передбачається здійснювати інжектором, у якості робочого середовища якого використовується теплоносій з першого контуру. Розхолоджування ГО забезпечується замкненим контуром у вигляді кільцевого ДТС з випарником, розташованим у баку-приямку та конденсатором, розташованим за межею гермооболонки в каналі повітряного охолодження;

в) на прикладі ЮУАЕС запропонована схема локалізації радіаційної аварії на енергоблоці АЕС з ВВЕР-1000 керованим скиданням радіоактивного середовища в ГО сусіднього неаварійного енергоблока.

8. Застосування запропонованої схеми зниження тиску й розхолоджування ГО в умовах течі за допомогою СРО формує умови, за яких підвищення параметрів у ГО не буде досягати верхніх проектних меж, що забезпечить ефективне управління ресурсом системи герметичних огороджень і продовження їх термінів експлуатації над проектними.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Балакан Г.Г. Математическое моделирование работы струйного распылителя-охладителя (СРО) / Г.Г. Балакан, А.В. Герлига // Труды ОНПУ: науч. и произв.-практич. сб. - Одесса, 2006. - Вып. 2(26). - С. 71-75.

2. Балакан Г.Г. Расчетный анализ снижения давления в гермообъеме контаймента с помощью струйных распылителей-охладителей при наличии течи / Г.Г. Балакан, А.В. Герлига, В.А. Герлига, А.Ю. Проходцев // Зб. наук. пр. СНУЯЕтаП. - Севастополь, 2006. - Вип. 3(19). - С. 30-37.

3. Герлига А.В. Влияние параметров струйного распылителя-охладителя на снижение давления в гермообъеме в аварийных случаях / А.В. Герлига, И.И. Свириденко, Г.Г. Балакан, А.С. Балашевский // Зб. наук. тр. СНУЯЕтаП. - Севастополь, 2007. - Вип. 4 (24). - С. 43-48.

4. Герлига А.В., Свириденко И.И., Балакан Г.Г. Результаты моделирования системы аварийного снижения давления под гермооболочкой реакторной установки АЭС с ВВЭР-1000 на основе струйного распылителя-охладителя // Вестник СевГТУ. Сер. Механика, энергетика, экология: сб. науч. тр. - Севастополь, 2008. - Вып. 87. - С. 63-69.

5. Герлига А.В. Способ эффективного снижения давления под гермооболоч-кой при аварийной течи теплоносителя // Зб. наук. пр. СНУЯЕтаП. - Севастополь, 2008. - Вип. 1(25). - С. 26-33.

6. Герлига А.В., Свириденко И.И., Балакан Г.Г., Проходцев А.Ю. Приме-нение струйнораспылительных охладителей для снижения давления в гермообъеме в условиях течи теплоносителя // Проблемы промышленной теплотехники: Тезисы V Межд. конф. - Киев, ИТТФ НАНУ, 2007. - С. 313-314.

7. Пат. на корисну модель 29670 Україна, МПК8 G21C15/18. Спосіб пасивного захисту гермооболонки реакторного відділення від перевищення розрахункового тиску / А.В. Герліга, І.І. Свириденко, Г.Г. Балакан, О.Ю. Проходцев; заявник і патентовласник СевНТУ. - № u200709659; заявл. 27.08.07; опубл. 25.01.08, Бюл. № 2.

8. Пат. на корисну модель 32561 Україна, МПК8 G21C15/00. Спосіб конденсації пари в герметичному об'ємі реакторного відділення / А.В. Герліга, І.І. Свириденко, Г.Г. Балакан, О.Ю. Проходцев. - № u200713338; заявл. 30.11.2007; опубл. 26.05.2008, Бюл. № 10.

Размещено на Allbest.ru