Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация регламента продувки в парогенерирующем оборудовании АЭС и ТЭС

В.И. Горбуров

СВ. Иванов

Аннотация

Представлены теоретическое обоснование и результаты экспериментов поведения примесей в объеме кипящей среды оборудования АЭС и ТЭС. Выдвигается гипотеза о распределении шлама: предполагается, что крупнодисперсный шлам скапливается на границе турбулентного ядра и вязкого подслоя, и только малая его часть осаждается на теплопередающей поверхности. Если эта гипотеза верна, то шлам должен прятаться и выбрасываться в основной объем рабочей среды при изменении тепловой нагрузки как и растворимые примеси. Полученные нами экспериментальные данные подтверждают эту гипотезу. Даны рекомендации по оптимизации регламента ведения продувки в период останова блока с целью уменьшения концентрации примесей в объеме парогенерирующего оборудования и уменьшения дозовой нагрузки на персонал во время ремонтных работ.

Список обозначений

АЭС - атомная электростанция; РБМК --реактор большой мощности канальный; СВО - спец.водоочистка; ТЭС - теплоэлектростанция; Aq - изменение тепловой нагрузки (кВт/м 2); д - толщина вязкого пограничного слоя (м); г - удельная теплота парообразования (кДж/кг); R - внутренний радиус трубы (м);

Кр - коэффициент распределения концентрации вещества между паром и водой; продувка примесь оборудование кипящий

акип - коэффициент теплоотдачи при кипении (Вт/м 2К); л - теплопроводность жидкой фазы (Вт/мК); d-- размер частицы шлама [м];

wCJ[ - скорость жидкости на границе вязкого подслоя д [м/с];

х - кинематическая вязкость [м 2/с]; Р(/ - плотность шлама [кг/м 3].

При кипении парообразование идет в слое перегретой жидкости вблизи поверхности теплообмена. На место испарившейся жидкости из ядра потока поступает новая, а вместе с ней и растворенные в ней примеси. Поскольку растворимость большинства веществ в паре меньше, чем в воде, обратный отток примесей с паром не компенсирует их принос с жидкостью, таким образом, между пограничным слоем и основным течением создается разность концентраций, вследствие чего возникает процесс диффузии, направленный в сторону выравнивания концентрации. При стационарных внешних условиях, создается состояние равновесия, при котором конвективный приток примесей компенсируется уносом с паром и диффузией. В результате этих процессов создаются условия для концентрирования примесей в ламинарном вязком подслое. При снижении нагрузки конвективный приток уменьшается и уже не компенсирует отток за счет диффузии, таким образом, происходит выброс (рис. 1, 2).

Для предсказания на практике возможных численных значений величин выброса при разгрузке необходимо определить величину "д", т.е. толщину слоя с высокой концентрацией примесей. Толщину этого слоя д можно оценить из механизма кипения [2]. Теплота от стенки идет на перегрев жидкости над температурой насыщения. Толщина слоя перегретой жидкости совпадает с толщиной вязкого подслоя жидкости, в котором теплота передается за счет теплопроводности. Временем процесса фазового перехода можно пренебречь. Тогда коэффициент теплоотдачи при кипении есть ни что иное, как термическое сопротивление вязкого подслоя д:

Так как акип является функцией давления и удельного теплового потока, то и толщина д тоже определяется этими же параметрами и составляет величину порядка 1-Й 00 мкм.

Особо следует рассмотреть микрораспределения примесей, нерастворимых ни в воде, ни в паре (шлам). Как и при макрораспределении поведение частиц в двухфазном потоке - это задача гидромеханики. В начале 70-х годов исследование распределение паросодержания по сечению обогреваемого канала показало, что концентрация пузырьков пара максимальна на расстоянии, сопоставимом с размером отрывного диаметра. Уже тогда объяснение этого эффекта заключалось в том, что в вязком подслое имеем большой градиент скорости от нуля до, и любая частица в этом слое испытывает выталкивающую силу (сила Магнуса), направленную от парогенерирующей поверхности. На границе вязкого подслоя

Приравнивая силу Магнуса силе сопротивления частицы, получаем скорость вывода частицы из вязкого подслоя:

Уравнение (4) получено в предположении о сферичности частицы, что позволяет использовать для расчета сопротивления выражение Стокса.

Из этого же предположения можно рассчитать и скорости осаждения частицы шлама, приравняв силу сопротивления силе тяжести:

(5)

Если скорость подтока жидкости wr практически одного порядка с wm, то woc на 2-3 порядка меньше этих величин, что весьма важно для дальнейших рассуждений и выводов.

Аналогичная ситуация должна складываться и при взаимодействии частички шлама при ее проникновении в вязкий подслой. По немногочисленным данным характерный размер частичек шлама 5-К 2О мкм, а д = 10-И 00 мкм для d^ = 1СН-7О мм; w0 = 0,6-^2,5 м/с, где d-q,- диаметр трубы, w0- скорость циркуляции. Это соотношение говорит о том, что шлам не может достичь теплопередающей поверхности, и в отличие от растворимых в воде примесей накапливается на границе вязкого подслоя с турбулентным ядром. И тем не менее шлам может достичь поверхности. Для этого есть два механизма. Если размер частицы очень мал (< 1 мкм), то скорость выталкивания за счет силы Магнуса меньше скорости подтока жидкости, и шлам данной крупности ведет себя как растворимая примесь и высаживается на поверхность. Второй причиной может быть насыщение шламом зоны с максимальной концентрацией до тех пор, пока расстояние между частицами не будет сравнима с их размерами. Вращение частичек шлама в одну сторону становится невозможным, и процесс высаживания на поверхность носит лавинообразный характер именно в зоне максимальных тепловых нагрузок. Это явление может приводить к образованию отдулин, свищей или разрыву трубопроводов.

Характерное время изменения концентрации ф равно

Рассчитаем характерное время выброса примесей (принимая величину пограничного слоя д = = 60 мкм, для границы допустимого значения загрязненности поверхности в предположении, что отложения состоят из магнетита) при параметрах работы реактора РБМК (Р = 6,8 МПа) для частиц различного диаметра: d= [0,1; 1; 5; 10; 25; 50] мкм; ф = [0,7; 6.8; 34; 68; 170; 340] мин.

Оценим скорости и время осаждения частиц шлама при различных эквивалентных диаметрах после начала процесса осаждения. Примем для расчета плотность шлама ршл = 5000 кг/м,g = 9,8 м/с - ускорение свободного падения, х = 3,64-10~7 м 2/с -кинематическая вязкость (при давлении С = 1 атм и температуре Ф = 80 °С), с = 972 кг/м 3 - плотность воды, эквивалентные диаметры частиц d = [0,1; 1; 5; 10; 25; 50] мкм.

Скорость осаждения можно рассчитать, приравняв силу сопротивления силе тяжести.

Заключение

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы.

1. Любое изменение параметров, приводящее к выбросу накопленных в пристенной области примесей необходимо совмещать с проведением периодической продувки (или увеличению постоянной). Необходимо обеспечить максимально возможный расход продувки на протяжении процесса выброса примесей (увеличения концентрации и активности примесей в контурной воде), определяемый расчетом или фиксируемый экспериментально. Экспериментальное определение момента выброса примесей может основываться на показаниях приборов контроля (приборы химического и радиохимического контроля, гамма-датчики). Поскольку процесс выброса примесей выражается наблюдаемым увеличением концентрации, которое длится около 5-10 ч, то важным моментом является то, что необходима фиксация показаний приборов контроля в режиме реального времени или с интервалом 10-20 мин в условиях работы станции.

2. В режиме останова необходимо проводить интенсивную продувку даже после останова с учетом времени осаждения частиц шлама.

3. Периодическая продувка призвана выводить нерастворимые примеси. К сожалению, скорость осаждения существенно (на несколько порядков) меньше скорости циркуляции. Поэтому периодическая продувка выводит только тот шлам, который попал в продувочный трубопровод как в тупиковую область. Проводить периодическую продувку с нижних образующих парогенерирующего оборудования нецелесообразно. Там в процессе работы оборудования шлама нет. В номинальном режиме работы парогенерирующего оборудования (без нарушения норм водного режима) периодическую продувку следует осуществлять крайне редко и только из зон возможного скопления шлама. Эффективность периодической продувки возрастает только при совмещении ее по времени с разгрузкой реактора.

Список литературы

1. Качковеки C.E. Процессы выброса и прятания примесей в парогенерирующих устройствах АЭС И ТЭС: дисс. ... канд. техн. наук. М., 2002.

2. Джахан Фарниа Голам Реза. Моделирование пространственного распределения примесей в парогенерирующих каналах оборудования АЭС и ТЭС: дисс... канд. техн. наук. М., 2005.

Размещено на Allbest.ru