автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Гидродинамическая неустойчивость секционного парогенератора с натриевым обогревом

Основные обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Теплогидравлическая неустойчивость течения теплоносителя.

1.1. Основные виды теплогидравлической неустойчивости.

1.2. Гидродинамическая неустойчивость.

1.2.1. Характерные признаки гидродинамической неустойчивости.

1.2.2. Физический механизм гидродинамической неустойчивости.

1.3. Методы определения границы области неустойчивости.

1.3.1. Область малых выходных паросодержаний.

1.3.2. Область значений выходной относительной энтальпии потока больших

1.3.3. Расчетные и экспериментальные исследования устойчивости прямоточных натриевых парогенераторов.

1.4. Влияние режимных и конструктивных параметров на устойчивость парогенерирующего канала.

Глава 2. Описание конструкции ПГ.

2.1. Конструкция модулей ПГ.

2.1.1. Модули испарителя.

2.1.2. Модули пароперегревателя.

2.1.3. Модули промпароперегревателя.

2.1.4. Буферная емкость.

2.1.5. Растопочное оборудование.

2.2. Схема включения и система контроля.

2.2.1. Технологическая схема ПГ.

2.2.2. Система контроля технологических параметров.

2.3. Эксплуатационные пределы и условия.

2.4. Общая характеристика эксплуатации энергоблока с реактором БНв течение 1980-1999 гг.

2.5. Пусковой режим парогенератора.

Глава 3. Гидродинамическая неустойчивость потока в испарителях в переходных режимах.

3.1. Основные характерные признаки неустойчивости.

3.2. Анализ условий возникновения гидродинамической неустойчивости в испарителях в пусковых режимах.

3.3. Сравнение расчетных и опытных данных по устойчивости испарителей в области выходных относительных энтальпий больших

Глава 4. Исследование влияния длительности эксплуатации на устойчивость испарителей.

4.1. Методика проведения экспериментов по определению границы области неустойчивости.

4.2. Методика расчета границы области неустойчивости с учетом состояния теплообменной поверхности.

Глава 5. Карты устойчивости испарителей в пусковом режиме.

5.1. Анализ устойчивости испарителей с наработкой 105 тыс. часов.

5.2. Рекомендации по повышению устойчивости испарителей в пусковом режиме.

5.3. Оценка максимального ресурса испарителей по условию обеспечения 75 их устойчивой работы.

Выводы.

Безопасность энергетических установок с ядерными реакторами во многом определяет надежная работа системы отвода тепла, одним из основных элементов которой является парогенератор. Надежная и безопасная работа парогенератора в значительной мере зависит от температурных и гидродинамических режимов, их соответствия проектным условиям.

В парогенераторах при определенном сочетании режимных параметров (мощность, давление, температура, расход питательной воды) могут иметь место самоподдерживающиеся колебания расхода рабочего тела, так называемая гидродинамическая (или колебательная) неустойчивость. Следствием возникновения периодических колебаний расхода является неправильное распределение потока между отдельными модулями парогенератора, теплообменными трубами или внутри труб, ухудшение тепловых характеристик, наличие циклических термических напряжений в месте кризиса теплообмена, в верхней трубной доске и в зоне выходного патрубка [1,2].

Термические колебания, обусловленные колебаниями точки кризиса теплообмена, могут приводить к отслаиванию окисного слоя от поверхности трубы, что способствует коррозии. Длительное воздействие указанных негативных факторов, в конечном итоге, может вызвать разрушение теплообменных трубок или трубных досок, вследствие усталостного разрушения металла [3].

На энергоблоке с быстрым натриевым реактором БН-600 для организации отвода тепла от реактора и производства пара используются прямоточные секционные парогенераторы с натриевым обогревом, типа ПГН-200М. В процессе эксплуатации этих парогенераторов в их испарительных модулях неоднократно имела место гидродинамическая неустойчивость [4н-8]. Неустойчивость проявлялась в виде самогенерируемых низкочастотных колебаний расхода питательной воды, которые возникали в переходных режимах при работе испарителей с выходной относительной энтальпией потока превышающей 1.

Опасность таких неустойчивых гидродинамических режимов заключается еще и в том, что существует вероятность перехода гидродинамической неустойчивости в испарителях в общеконтурную. Это приведет к колебаниям выходной температуры греющего теплоносителя и передаче температурных возмущений в реактор.

Оказалось, что наиболее склонны к попаданию в область неустойчивости испарители с большой длительностью эксплуатации (суммарной наработкой), т.е. в процессе эксплуатации испарителей происходит увеличение области гидродинамической неустойчивости [7, 8].

Известно, что переходные режимы являются наиболее важными режимами, определяющими расчетный ресурс парогенераторов [9]. Поэтому при рассмотрении вопроса о ресурсе испарителей необходимо изучение проблемы обеспечения их устойчивой работы во всем диапазоне изменения мощности на протяжении всего срока эксплуатации.

Исходные данные, полученные при эксплуатации натурного объекта - парогенератора энергоблока БН-600, - указывали на наличие возмущающих причин, устранение или учет которых позволяет организовать надежную эксплуатацию парогенератора и предотвратить ситуации с повреждением теплообменных трубок, приводящие к течи воды в натрий с соответствующими аварийными последствиями.

Перечисленные негативные факторы, которые вызывает гидродинамическая неустойчивость, определяют актуальность выбранной темы.

Главной целью работы является установление критериев и количественных параметров для определения границ гидродинамической неустойчивости в области значений выходной относительной энтальпии потока превышающих 1. Разработка и внедрение рекомендаций по предотвращению неустойчивости в испарительных модулях секционных парогенераторов на действующем промышленном энергоблоке. В соответствии с этим были поставлены следующие задачи исследований:

1) постановка и проведение экспериментов по определению условий возникновения гидродинамической неустойчивости в испарительных модулях с различной продолжительностью эксплуатации;

2) анализ влияния режимных параметров и длительности эксплуатации испарителей на границу области гидродинамической неустойчивости;

3) создание расчетной методики для определения границ области гидродинамической неустойчивости в прямоточных парогенераторах с учетом состояния теплооб-менной поверхности;

4) расчетный анализ устойчивости испарительных модулей парогенератора ПГН-200М в переходных режимах, построение карт устойчивости (двухмерное представление областей устойчивой и неустойчивой работы) и разработка рекомендаций по предотвращению режимов с неустойчивостью потока;

5) оценка ресурса испарителей с точки зрения обеспечения их устойчивой работы на протяжении всего срока эксплуатации.

Для условий прямоточного парогенератора впервые получен новый экспериментальный материал по гидродинамической неустойчивости потока в широком диапазоне продолжительности эксплуатации (107 тыс. ч). Обнаружен эффект влияния длительности эксплуатации на устойчивость испарителей вследствие накопления значительных отложений на теплообменной поверхности, со стороны пароводяного потока. Впервые получены количественные результаты, позволяющие учесть влияние отложений на возникновение гидродинамической неустойчивости в парогенерирующих каналах.

Разработана методика прогнозирования гидродинамической неустойчивости с учетом изменения состояния теплообменной поверхности в процессе эксплуатации, характеризуемого величиной относительной эквивалентной шероховатости. Получена зависимость изменения относительной шероховатости теплообменных труб испарителей от времени эксплуатации.

По результатам проведенных исследований построены карты устойчивости испарительных модулей, сформулированы рекомендации по предотвращению гидродинамической неустойчивости в испарителях в пусковом режиме. Изменен график пуска энергоблока БН-600, что позволило устранить гидродинамическую неустойчивость в испарителях и тем самым повысить их надежность и долговечность.

Рекомендации, изложенные в диссертации, могут быть использованы для оптимизации переходных и номинальных режимов парогенераторов энергоблока БН-800 и других секционных прямоточных парогенераторов, а также при оценке возможности продления ресурса испарительных модулей парогенераторов.

Результаты работы внедрены на Белоярской АЭС непосредственно в произволственные инструкции по эксплуатации энергоблока и парогенераторов.

Диссертационная работа состоит из пяти глав и выводов. В первой главе содержится обзор литературных источников, посвященных проблеме устойчивости течения потока теплоносителя в различных теплообменных аппаратах. Рассмотрены, имеющиеся на данный момент, экспериментальные и расчетно-теоретические исследования явления неустойчивости, методы расчета границ области неустойчивости и ее предотвращения. Приведена классификация гидродинамической неустойчивости, ее основные черты, тепловые и гидродинамические условия возникновения.

Во второй главе приводится краткое описание объекта исследования - испарительного модуля парогенератора ПГН-200М, его основные технические характеристики, некоторые статистические данные о работе парогенератора за период эксплуатации с 1980 по 1999 гг. Рассмотрены основные технологические операции и изменение параметров испарителей в режиме пуска энергоблока, характеризующегося наибольшей неустойчивостью.

В третьей главе представлены результаты анализа всех переходных режимов энергоблока (пуска, останова и подключения выводимой в ремонт теплоотводящей петли), имевших место в 1994-И998 гг. Приведены основные характеристики гидродинамической неустойчивости потока в испарителях, появлявшейся в этих режимах, при значениях относительной энтальпии на выходе больших 1. Выполнена обработка опытных данных по границе гидродинамической неустойчивости для испарителей, проработавших 95-^107 тыс. ч, и сделано сравнение этих данных с результатами расчета границы области неустойчивости по методике [42, 43].

В четвертой главе дано описание экспериментов по определению границы области гидродинамической неустойчивости в испарителях с различной продолжительностью эксплуатации, проведенных на мощности энергоблока 60% номинальной. Изложена методика прогнозирования области неустойчивости в прямоточных парогенераторах с учетом состояния теплообменной поверхности. Приведена оценка изменения состояния теплообменной поверхности испарителей в процессе эксплуатации.

В пятой главе выполнен анализ устойчивости испарителей и построены карты устойчивости. Даны рекомендации по повышению устойчивости испарителей в пуско

11 вом режиме. Выполнена оценка максимального ресурса испарителей по условию обеспечения их устойчивой работы.

Автор выражает глубокую признательность канд. техн. наук H.H. Ошканову и канд. техн. наук доценту А.И. Карпенко за ряд ценных замечаний, учтенных при окончательном редактировании работы.

8). Выводы и рекомендации работы внедрены на Белоярской АЭС непосредственно в производственные инструкции по эксплуатации энергоблока и парогенераторов, что позволило устранить гидродинамическую неустойчивость в испарительных модулях и повысить, в значительной степени, надежность и безопасность эксплуатации, как парогенераторов, так и энергоблока в целом.

1. Важинк Р., Эффердинг Л. Исследование гидродинамической устойчивости и тепловых характеристик 1-МВт модели прямоточного парогенератора, обогреваемого жидким натрием // Энергетические машины и установки. 1974. №3. С. 31-44.

2. Воробьев В.А., Лощинин В.М., Ремизов О.В. Нестационарные поля температуры па-рогенерирующей трубы при колебаниях расхода // Опыт разработки и эксплуатации парогенераторов быстрых реакторов: Сборник докладов. Димитровград: НИИАР, 1982. С. 405-418.

3. Огорев Л.Е., Лихошерст А.И., Иванов А.И., Титов В.Ф. Методы определения напряжений и долговечности парогенерирующих труб // Опыт разработки и эксплуатации парогенераторов быстрых реакторов: Сборник докладов. Димитровград: НИИАР, 1982. С. 395-404.

4. Шейнкман А.Г., Белътюков А.И., Говоров П.П. Гидродинамическая неустойчивость пароводяного потока в прямоточных парогенераторах "натрий-вода" // Безопасность эксплуатации Белоярской АЭС: Сб. науч. трудов. Екатеринбург: УрО РАН, 1994. С. 93-99.

5. Шейнкман А.Г., Белътюков А.И., Говоров П.П. Межмодульная неустойчивость пароводяного потока в испарителях парогенератора ПГН-200М. // Ядерная энергетика в третьем тысячелетии. Обнинск: ИАТЭ, 1996. С. 64.

6. Шейнкман А.Г., Белътюков А.И., Говоров 77.П. Колебательная неустойчивость пароводяного потока в прямоточном парогенераторе "натрий-вода" // Теплофизика ядерных энергетических установок: Межвузовский сборник. Екатеринбург: УГТУ,1997. С. 133-139.

7. Шейнкман А.Г., Белътюков А.И., Говоров П.П. Гидродинамическая неустойчивость в испарителях парогенератора БН-600 // Теплофизика высоких температур.1998. Т. 36. №3. С. 496-502.

8. Серов Е.П., Корольков Б.П. Динамика процессов в тепло- и массообменных аппара-тах.М.: Энергия, 1967.

9. Морозов И.И., Герлига В.А. Устойчивость кипящих аппаратов. М.: Атомиздат, 1969.

10. Воробьев В.А., Прохоров Ю.Л. Гидравлическая неустойчивость двухфазных потоков // Обзорная информация. ОБ-118. Обнинск: ФЭИ, 1981.

11. Нигматулин И.И, Нигматулин Б.И. Ядерные энергетические установки. М.: Энерго-атомиздат, 1986.

12. Хабенский В.Б., Герлига В.А. Нестабильность потока теплоносителя в элементах энергооборудования. Санкт-Петербург: Наука, 1994.1 б.Митенков Ф.М., Моторов Б.И. Механизмы неустойчивых процессов в тепловой и ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1981.

13. Теплопередача в двухфазном потоке / Под редакцией Баттерворга Д. и Хьюита Г. М.: Энергия, 1980.

14. Делайе Дж., Гио М., Ритмюллер М. Теплообмен и гидродинамика двухфазных потоков в атомной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1984.

15. Fukuda К., Kobori Т. Classification of Two-phase flow Instability by density wave oscillation Model. J. Nucl. Sci. Tech, 1979, 16(2).

16. Бэйлей H. Введение в проблему гидродинамической неустойчивости. // Теплопередача в двухфазном потоке. М.: Энергия, 1980. С. 211-232.

17. Смолин В.И., Поляков В.К., Есинов В.И. и др. Изучение режимов пуска Белоярской атомной электростанции им. Курчатова на стенде // Атомная энергия. 1965. Т. 19. Вып. 3.

18. Прошу тин ский А. П., Лобачев А.Г. Исследование параметров автоколебаний расхода теплоносителя в испарительном канале кипящего реактора // Теплоэнергетика. 1973. №3.

19. Kakas S., Veziroglu J.N., Ergur H.S., Vcar J. The effect of inlet subcooling on sustained and transient boiling flow instabilities in a singl channel up flow system. 6-th Int. Heat Trans. Conf. FB-16.

20. Роу, Ядигароглу Г. Исследование переноса тепла в пульсирующем турбулентном потоке недогретой жидкости // Теплопередача. Серия С. 1976. №4.

21. Слеттерн Дж. Теория переноса импульса, энергии и массы в сплошных средах. М.: Энергия, 1978.

22. Серов Е.П., Корольков Б.П. Динамика парогенераторов. М.: Энергия, 1972.

23. Лелеев Н.С. Неустановившееся движение теплоносителя в обогреваемых трубах мощных парогенераторов. М.: Энергия, 1978.

24. Митенков Ф.М., Моторов Б.И. Нестационарные режимы судовых ядерных паро-производящих установок. Л.: Судостроение, 1970.

25. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М.: Мир, 1972.

26. Справочник по теплообменникам. Т. 1. Пер. с англ., под ред. Б.С. Петухова, В.И. Шикова. М.: Энергоатомиздат, 1987.

27. Гидравлический расчет котельных агрегатов. Нормативный метод // Под редакцией Локшина В.А., Петерсона Д.Ф., Шварца А.Л. М.: Энергия, 1978.

28. Ярким А.И., Куликов Б.И., Швидченко Г.И. Границы областей неустойчивости и период пульсаций в системе параллельных парогенерирующих каналов // Атомная энергия. 1986. Т. 60. Вып. 1. С. 19-23.

29. РТМ 1604.003-86. Методики расчета гидродинамических и тепловых характеристик элементов ядерных энергетических установок. Обнинск: ФЭИ, 1986.

30. Юмал X. Колебания типа волн плотности в трубе противоточного одноходового парогенератора, обогреваемого жидким натрием // Теплопередача. 1981. Т. 103. №3. С. 97-105.

31. Каретников Г.В., Губанов В.М., Соколов А.С и др. Отработка пусковых режимов прямоточного натриевого парогенератора на модели // Опыт разработки и эксплуатации парогенераторов быстрых реакторов: Сборник докладов. Димитровград: НИИАР, 1982. С. 494-505.

32. Александров В.В. Теплогидравлическая неустойчивость парогенераторов АЭС, обогреваемых жидким натрием, и методы ее предотвращения // Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Москва, 1987.

33. Цыканов В.А., Лукасевич Б.И., Кириллов П.Л. и др. Исследование модели парогенератора для БН-600 на установке БОР-бО// Атомная энергия. 1981. Т.51. Вып. 4. С. 219.

34. Шейнкман А.Г. Теплогидравлические процессы при эксплуатации энергоблока с быстрым натриевым реактором // Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. Обнинск: ФЭИ, 1992.

35. Шейнкман А.Г. Особенности теплогидравлики реактора, парогенераторов и натриевых контуров энергоблока БН-600. Екатеринбург: УрО РАН, 1994.

36. Методика расчета тепловой мощности аппарата ОК-505 и расчет погрешности ее определения. Горький: ОКБМ, 1979. Инв. №21-109-7904М.

37. Методика расчета тепловой мощности реактора БН-600 блока №3 Белоярской АЭС. Заречный: БАЭС, 1998. Инв. №38-4/20-319.

38. Общие положения обеспечения безопасности атомных станций (ОПБ-88). ПН АЭ Г-1-011-89 / Госатомэнергонадзор СССР. М.: Энергоатомиздат, 1990.

39. Технологический регламент эксплуатации энергоблока №3 Белоярской АЭС. Заречный: БАЭС, 1997. Инв. №02-41-133.

40. Ошканов H.H., Шейнкман А.Г., Говоров П.П. Энергоблок с быстрым натриевым реактором БН-600: анализ надежности за период эксплуатации 1980-1990 гг. Препринт (сер. Ядерная энергетика). Екатеринбург: УрО РАН, 1992.

41. Ошканов H.H., Шейнкман А.Г., Говоров П.П. Анализ эксплуатационной надежности энергоблока с реактором БН-600 за период эксплуатации 1980-1993 гг. // Атомная энергия. 1994. Т. 76. Вып.З.

42. Ошканов H.H., Шейнкман А.Г., Говоров П.П. Статистический анализ надежности эксплуатации энергоблока с реактором БН-600 за период 1980-1993 гг. // Безопасность эксплуатации Белоярской АЭС: Сб. науч. трудов. Екатеринбург: УрО РАН, 1994. С. 61-70.

43. Инструкция по эксплуатации парогенератора ПГН-200М. Заречный: БАЭС, 1997. Инв. №02-41а-112.

44. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975.98