Анализ эффективности модернизаций САОЗ и БРУ-А для управления авариями с течами реакторного контура

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное предприятие Национальная атомная энергогенерирующая

Анализ эффективности модернизаций САОЗ и БРУ-А для управления авариями с течами реакторного контура

Д.В. Билей, Шавлаков А.В.,

А.А. Ключников^*), В.И.Скалозубов^*)

компания “Энергоатом” г. Киев, Украина

^*) Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины,

г. Киев, Украина

По результатам анализа безопасности действующих энергоблоков АЭС Украины с ВВЭР 1000 была определена необходимость повышения надежности и эффективности управления запроектными авариями с течами 1-го контура и межконтурными течами. Одним из путей решения этих вопросов рассматривались:

1) установка дополнительных регуляторов на байпасе напорной магистрали активной части САОЗ;

2) модернизация БРУ-А для непроектных условий истечения водяной/пароводяной среды.

Технические обоснования целесообразности и эффективности таких модернизаций основаны на расчетно-экспериментальных методах:

– анализа условий теплогидравлической неустойчивости и автоколебательных режимов регулирования в системе “реактор - регулятор - напорная магистраль САОЗ”;

– анализа относительных гидродинамических нагрузок на рабочий орган клапана при закрытии БРУ-А в непроектных и проектных режимах.

В результате проведенных анализов установлено:

Анализ теплогидравлической устойчивости работы предполагаемых регуляторов САОЗ ВД основан на общепринятых классических положениях теории неустойчивости (например, [1]): в потоке жидкости напорной линии САОЗ (принципиальная гидравлическая схема представлена на рис. 1) постоянно существуют возмущения теплогидравлических параметров (давления Р, расхода G, температуры Т и др.), имеющие случайный (флуктуационный) характер (турбулентные пульсации, работа насоса и т.п.). Обычно такие возмущения значительно меньше непосредственных значений теплогидравлических параметров y:

авария магистраль регулятор байпас

y << y. (1)

При определенных состояниях системы и условий распространения такие возмущения могут привести к “скачкообразному” изменению параметров потока (апериодическая теплогидравлическая неустойчивость) или колебаниям параметров с амплитудой, сопоставимой с их невозмущенными значениями (колебательная неустойчивость).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Принципиальная гидравлическая схема напорной магистрали САОЗ

Условие (1) позволяет обоснованно линеаризировать математические модели, т.е. описывать теплогидравлические процессы линейными дифференциальными уравнениями законов сохранения. Линейные дифференциальные уравнения имеют решения в виде

y , (2)

где t - время; a_i - корни характеристических уравнений.

Таким образом, знак корней характеристического уравнения определяет теплогидравлическую устойчивость потока: если хотя бы один корень характеристического уравнения положителен, то система неустойчива, а работа регулятора - неэффективна и ненадежна.

При вполне обоснованных допущениях несжимаемости жидкости, а также пренебрежении тепловыми и гидравлическими потерями по длине напорной магистрали САОЗ определение границ (условий) возникновения теплогидравлической неустойчивости сводится к анализу уравнения движения потока в виде

, (3)

где Р_н(G) - приведенная напорная характеристика насоса; - плотность жидкости; _см, F - “смоченный” периметр и площадь проходного сечения потока соответственно; _р - локальный коэффициент гидравлического сопротивления регулятора, зависящий от его конструкции и положения рабочего органа.

Уравнение (3) при возмущениях давления Р и температуры потока Т, по значениям которых осуществляется регулирование при линеаризации, имеет вид

, (4)

. (5)

Условия устойчивости:

а_Р, а_Т > 0, (6)

где корни характеристических уравнений:

при регулировании по отклонениям давления

, (7)

при регулировании по отклонениям температуры

. (8)

Теплогидродинамическая модель реактора рассматривается как сосредоточенная система (см. рис. 1) с равномерными по объему теплоносителя удельной энтальпией i_T и давлением Р (без учета естественной циркуляции) при отключенных на момент аварии с течью теплоносителя (1-го контура/межконтурной) ГЦН, а также с учетом возможной работоспособности в процессе развития аварии других (кроме активной части САОЗ) СБ и теплообмена со стороны контура. При таких допущениях уравнения сохранения для объема теплоносителя V_T в реакторе имеют вид

, (9)

, (10)

где _Т - плотность теплоносителя; G_СБk, i_СБk - расход и удельная энтальпия от k-го канала СБ (кроме рассматриваемой системы САОЗ) соответственно; G_Течь - расход в течь; G, i - расход и удельная энтальпия от напорной магистрали САОЗ с регулятором; Q_2-1(t) - приведенные тепловые потоки между 1-м и 2-м контурами.

Отсюда дополнительное условие устойчивости эффективной и надежной работы регулятора:

а_1Р + а_3Р + а_5Р < а_2Р + а_4Р. (11)

а_1Р = > 0,

а_2Р = < 0,

а_3Р = > 0,

а_4Р = < 0,

а_5Р = > 0.

Полученные условия теплогидравлической устойчивости определяют необходимость настройки регуляторов не только по отклонениям давления (температуры), но также по следующим основным параметрам:

а) скорость изменения давления и температуры теплоносителя;

б) напорные (гидравлические) характеристики насосов СБ;

в) текущее значение расхода теплоносителя в течь;

г) конфигурации и теплотехнические характеристики систем, обеспечивающих охлаждение теплоносителя в реакторе.

В случае возникновения теплогидравлической неустойчивости установка регуляторов не только неэффективна, но и опасна, так как временные градиенты температуры охлаждения при колебательной неустойчивости превышают 1000 С/ч, что является недопустимым условием возникновения “термошока” на корпус и ВКУ реактора.

В соответствии с имеющимися теоретическим и экспериментальным опытом изучения различных видов теплогидродинамической неустойчивости условия в системе БРУ-А определяют возможность возникновения межканальной колебательной и/или апериодической неустойчивости адиабатно возникающего потока (МТН), при которой автоколебания расходов в параллельных паропроводах находятся в противофазе, что и определяет возможность возникновения нестационарных гидроударов на рабочие органы клапанов БРУ-А.

Для квалификации БРУ-А консервативно принимается, что при возникновении МТН нестационарные гидроудары нарушают работоспособность рабочих органов клапанов, не квалифицированных для условий двухфазных потоков.

Консервативный метод оценки условий возникновения МТН в системе БРУ-А основан на общеизвестном методе оценки границ области теплогидродинамической неустойчивости двухфазных потоков в “малом приближении”, который получил широкое экспериментальное подтверждение и практическое применение для различных видов теплогидродинамической неустойчивости.

Суть метода заключается в следующем.

1. Математическая модель двухфазного потока в виде нестационарных уравнений теплогидродинамики и соответствующих граничных условий потока линеаризуется и трансформируется интегральным преобразованием Лапласа по параметру s = j, характеризующему частоту возмущений (j² = -1).

В результате определяется характеристическое уравнение F_y системы, знаки корней а_к которого определяют устойчивость процесса. Если хотя бы один а_к > 0, то система неустойчива.

2. Для анализа знаков корней характеристического уравнения используется классический метод D-разбиения, основанный на анализе поведения годографа характеристического уравнения в комплексной плоскости Re(F_y) - Im(F_y) в области ожидаемых частот возмущений.

3. Границы области теплогидродинамической неустойчивости определяются варьированием режимных параметров двухфазного потока. В данном случае варьировались значения стационарного расхода двухфазного потока в диапазоне от 10 до 100 % от максимальной пропускной способности БРУ-А.

Критерием расчетно-экспериментальной квалификации БРУ-А 1115, 960 при нестационарных двухфазных гидроударах является отсутствие возникновения межканальной теплогидродинамической неустойчивости.

Другие основные допущения и положения при оценке критерия квалификации БРУ-А при нестационарных двухфазных гидроударах заключаются в следующем.

1. Система параллельных идентичных паропроводов к клапану БРУ-А полагается акустически изолированной, так как объемы паропроводов значительно меньше объема ПГ и паропроводов транспортной магистрали.

2. Область ожидаемых частот возмущений определяется временем прохождения потока в паропроводах

При анализе неустойчивости в трубопроводной системе БРУ-А клапан и участок на входе в параллельные паропроводы рассматриваются как сосредоточенные элементы гидравлического сопротивления с коэффициентами местного сопротивления _ВЫХ и _ВХ соответственно, которые определяются конструкционно-техническими характеристиками.

В качестве математической модели двухфазного потока трубопроводной системы БРУ-А применяется неравновесная модель, которая входит в состав теплогидравлического кода RELAP5/M3.2, верифицированного и валидированного для условий оборудования и трубопроводов ВВЭР.

В результате проведенного расчетного обоснования и применения экспериментальных критериев теплогидродинамической неустойчивости установлено следующее.

1. Критерий квалификации БРУ-А по отсутствию нестационарных гидроударов выполняется при расходах двухфазной среды более 30 % максимальной пропускной способности.

2. Расходы двухфазного потока менее 30 % максимальной пропускной способности (область межканальной неустойчивости БРУ-А) являются нехарактерными для аварий, в которых срабатывание БРУ-А может происходить в режимах двухфазного истечения через клапаны.

3. Для расширения области максимальной теплогидродинамической устойчивости системы БРУ-А необходимо увеличить гидравлические сопротивления на входе в параллельные паропроводы _ВХ. Этот результат имеет достаточное экспериментальное подтверждение для рассматриваемых условий квалификации.

Список литературы

1. В.И. Скалозубов, А.А. Ключников, В.Н. Ващенко, С.С. Яровой “Анализ причин и последствий аварии на АЭС Fukushima как фактор предотвращения тяжелых аварий в корпусных реакторах // Монография - Чернобыль: Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, 2012. - 280 с.

Размещено на Allbest.ru