автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Исследование теплогидравлических процессов в парогенераторе со свинцовым теплоносителем

На правах рукописи УДК 621.039.534.25

СЕМЧЕНКОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПАРОГЕНЕРАТОРЕ СО СВИНЦОВЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ

05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва -2015

005562222

Работа выполнена в Акционерном обществе «Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени H.A. Доллежаля» (АО «НИКИЭТ»).

Научный руководитель: кандидат технических наук,

ведущий научный сотрудник отдела теплофизики АО "НИКИЭТ" Новосельский Олег Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

заместитель директора по научной работе -начальник управления НИР и НИОКР в области теплофизики АО "ЭНИЦ" Мелихов Олег Игорьевич

кандидат технических наук, начальник отдела главного конструктора ИТЦП «Прорыв» Леонов Виктор Николаевич

Ведущая организация: Акционерное общество «Всероссийский научно-

исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций» (АО «ВНИИАЭС»)

Защита состоится « ^^ » 2015 г. в _на заседании

диссертационного совета Д 201.008.01 при АО «НИКИЭТ» по адресу: Москва, ул. М. Красносельская, д. 2/8, корп. 3, ком. 303 (адрес для почтовых отправлений - а/я 788, Москва, 101000).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АО «НИКИЭТ» и на сайте www.nikiet.ru.

Автореферат разослан «_».

2015 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 201.008.01

A.B. Джалавян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Реализация приоритетного проекта атомной отрасли России «Прорыв» предусматривает создание ядерных энерготехнологий нового поколения на базе замкнутого ядерного топливного цикла с реакторами на быстрых нейтронах. Проект осуществляется в рамках федеральной целевой программы «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010—2015 годов и на перспективу до 2020 года». Одной из важнейших задач проекта является создание опытно-демонстрационной реакторной установки (РУ) БРЕСТ-ОД-300, где теплоносителем первого контура служит жидкий свинец.

Производство пара в РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО должно производиться в парогенераторе, обогреваемом свинцовым теплоносителем. Однако на сегодняшний день такие парогенераторы ещё не созданы. Разработка проекта такого парогенератора (ПГ) предполагает глубокое понимание теплогидравлических процессов, характерных для различных режимов работы. В связи с относительно высокой температурой плавления свинца и особенностями конструкции ПГ, работающего в контуре со свинцовым теплоносителем, повышенного внимания требуют процессы в опускных участках парогенерирующих труб, границы устойчивого течения в трубном пучке, переходные и пусковые режимы ПГ. Таким образом, исследования теплогидравлических процессов в ПГ, обогреваемом свинцовым теплоносителем, являются актуальными. Эта работа включает в себя создание, экспериментальное обоснование и применение методики расчёта теплогидравлических процессов в различных режимах работы парогенератора.

Степень разработанности темы исследования

Производство и использование пара в энергетических машинах имеет многолетнюю историю. Поэтому давно разработаны методы расчёта парогенерирующих установок. Однако использование тяжёлых жидкометаллических теплоносителей (ТЖМТ) для обогрева парогенерирующих труб является скорее частным случаем, характерным для

отдельных военных и экспериментальных установок. Имеется ограниченное число экспериментальных исследований по теплогидравлике ТЖМТ, которые не всегда можно применить в силу неопределённости условий протекания различных теплогидравлических и химических процессов в новой конструкции парогенератора. Например, коэффициент теплоотдачи от свинца зависит от концентрации растворённого в теплоносителе кислорода, и для выявления указанной зависимости проводились экспериментальные исследования как в России (НГТУ, ГНЦ РФ - ФЭИ), так и за рубежом, например, James J. Sienicky, Fenglei Niu, Robert Candalino, Ning Li. По результатам исследований, получены различные зависимости коэффициента теплоотдачи от концентрации кислорода, иными словами, возможна неоднозначность в оценке характеристик ПГ.

Таким образом, для обоснования теплогидравлических характеристик вновь создаваемого парогенератора, обогреваемого ТЖМТ, необходимо использовать многовариантные расчёты различных режимов работы оборудования с анализом чувствительности результатов к изменению отдельных параметров. Такую возможность предоставляют теплогидравлические расчётные коды и современная вычислительная техника. Однако подобный подход требует создания специального инструмента исследования - численной модели проектируемого ПГ, а для подтверждения адекватности модели необходимо с помощью экспериментов провести её верификацию. Эта работа для ПГ РУ БРЕСТ проводится впервые, и её результаты отражены в данной диссертации.

Цели и задачи исследования

Целью данной работы является создание экспериментально обоснованной методики теплогидравлического расчёта парогенератора, обогреваемого жидкометаллическим теплоносителем, в конечном счёте, создание верифицированной численной модели ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО, и проведение с помощью неё исследований теплогидравлических процессов в ПГ в стационарных и переходных режимах.

С учётом особенностей конструкции ПГ можно выделить следующие задачи исследования:

- аналитический обзор литературных источников, содержащих сведения по конструкции, опыту эксплуатации и расчёту парогенерирующих установок, расчёту теплоотдачи от жидкометаллических теплоносителей, теплогидравлической устойчивости парогенерирующих установок, теплопередаче через зазор, заполненный лёгкой фазой;

- разработка и экспериментальное обоснование численной модели теплоизолирующего зазора на опускной трубе;

- разработка (с учётом численной модели теплоизолирующего зазора) численной модели ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО на основе теплогидравлического кода;

- верификация численной модели ПГ по имеющимся экспериментальным данным;

- оценка надёжности циркуляции в трубном пучке ПГ, то есть определение границ устойчивого течения, с учетом характера и масштабов колебаний параметров, а также возможности опрокидывания течения;

- демонстрация работоспособности численной модели расчётом частичных и переходных режимов работы ПГ, оценка влияния вариаций интенсивности теплоотдачи от свинца на выходные параметры ПГ.

Научная новизна

- Для теплоизоляции опускного участка парогенератора, обладающей специфическими свойствами, впервые разработана и верифицирована на экспериментальных данных численная модель, позволяющая с хорошей точностью моделировать теплопередачу на опускном участке.

- Впервые разработана и верифицирована на экспериментальных данных численная модель ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО.

- Впервые в результате проведения расчётного анализа теплогидравлической устойчивости ПГ РУ БРЕСТ определена граница устойчивости, определены гидродинамические характеристики парогенерирующих труб при различном дросселировании на входе, определены

теплогидравлические параметры ПГ в различных стационарных режимах работы.

- С помощью экспериментальных данных и численного моделирования по двум кодам показана возможность достижения приемлемой точности расчёта теплогидравлических параметров при использовании в численной модели перегретого пара вместо жидкометаплического теплоносителя, при соответствующей корректировке входных параметров.

- В результате численного моделирования режимов с отсечением водяного тракта с последующим снижением давления в ПГ, в том числе режима экстренного снижения мощности, впервые выявлено влияние алгоритма работы оборудования в этих режимах на параметры теплоносителей первого и второго контура.

- Численное моделирование пускового режима ПГ позволило определить время выхода на стационарный режим работы модуля ПГ, а также динамику изменения теплогидравлических параметров воды, пара и свинца в этом режиме, а также градиенты температуры в стенке корпуса водяной камеры.

- При моделировании течи из разрыва парогенерирующей трубы определены энтальпия и расход истекающей пароводяной смеси, а также масса попавшего в газовое пространство пара при штатном срабатывании защитного оборудования.

Практическая значимость

- Разработанная численная модель ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО позволяет проводить моделирование теплогидравлических процессов в различных режимах работы ПГ.

- В связи с тем, что жидкий свинец не является распространённым теплоносителем, расчётные теплогидравлические коды, имеющие возможность его моделировать, в настоящее время либо находятся на стадии разработки, либо не доступны широкому кругу пользователей. Заменой в численной модели свинцового теплоносителя перегретым паром с соответствующей коррекцией расхода и коэффициентов теплоотдачи удалось решить данную проблему. В

результате, все необходимые расчёты были выполнены с помощью распространенной и многократно верифицированной версии кода 11е1ар5.

- Расчётный анализ теплогидравлической устойчивости позволил выработать рекомендации по сужению области неустойчивой работы ПГ, в частности, определены оптимальные размеры дроссельной трубы и минимально допустимый расход питательной воды.

- Численное моделирование режимов с отсечением водяного тракта с последующим снижением давления в ПГ позволило, в частности, найти оптимальную скорость снижения давления в ПГ, а также алгоритм изменения расхода теплоносителя первого контура, при котором не происходит переохлаждение и затвердевание свинца. Выработаны рекомендации по значению максимального расхода пара через один главный предохранительный клапан (ГПК) и по разделению нескольких ГПК на группы с разными уставками срабатывания.

- Совместно с выводами, сделанными при определении границы устойчивости, расчёт пускового режима способствовал разработке приемлемого алгоритма подъёма мощности реакторной установки и пуска ПГ. Кроме того, детальное моделирование водяной камеры в режиме пуска, позволило определить изменение температуры её стенки и получить исходные данные для прочностного расчёта.

- Данные, полученные при расчёте течи из разрыва парогенерирующей трубы необходимы для проектирования системы локализации течи парогенератора.

Метод исследования представляет собой расчётное моделирование теплогидравлических процессов в парогенераторе, обогреваемом свинцовым теплоносителем. Для моделирования используется разработанная и верифицированная на экспериментальных данных численная модель ПГ на базе теплогидравлического расчётного кода Яе1ар5.

Личный вклад автора

1) Собраны и проанализированы литературные данные по различным аспектам проектирования и теплогидравлических расчётов парогенерирующих установок.

2) Разработана численная модель ПГ, обогреваемого свинцовым теплоносителем. Разработаны подходы к моделированию различных элементов ПГ и процессов, протекающих в нём, при использовании теплогидравлического кода Relap5/mod3.2, с учётом его ограничений. В частности, сюда относятся замена свинца в численной модели перегретым паром с соответствующей коррекцией расхода и коэффициентов теплоотдачи, а также моделирование тепловой изоляции опускного участка ПГ параллельными элементами типа pipe.

3) Автор разработал пакет документов, необходимых для экспериментального исследования теплопередачи через теплоизолирующий зазор опускного участка ПГ — программа и методика, техническое задание на рабочий участок, требования к системе измерения, а также таблицы необходимых экспериментальных режимов стенда, которые были включены в рабочую программу исследований. Автором была разработана численная модель рабочего участка стенда и проведены претестовые и посттестовые расчёты различных режимов работы экспериментального стенда, что позволило выявить характерные особенности теплоизоляции до проведения эксперимента и конкретизировать задачи экспериментального исследования. Проведён анализ экспериментальных данных и результатов численного моделирования, что позволило скорректировать численную модель тепловой изоляции опускного участка ПГ и довести погрешность расчёта до приемлемых значений.

4) Выбраны режимы для экспериментов на стенде СПРУТ (ГНЦ РФ -ФЭИ). Создана численная модель рабочего участка стенда СПРУТ и проведены верификационные расчёты для различных режимов работы стенда.

5) Проведён расчётный анализ работы ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО в стационарных и переходных режимах. Результаты расчёта учитывались при совершенствовании конструкции ПГ и уточнении алгоритмов работы РУ.

Достоверность результатов диссертации обеспечена использованием неоднократно верифицированного теплогидравлического кода 11е1ар5/тос13.2, а также тем, что численная модель исследуемого парогенератора была верифицирована на экспериментальных данных. Результаты экспериментов и верификации приводятся в диссертации.

Апробация работы и публикации

Результаты диссертационной работы были изложены на различных конференциях:

- на научно-технической конференции «Теплофизика-2012» (Обнинск, ФГУП «ГНЦ РФ - ФЭИ», 2012);

- на конференции молодых специалистов «Быстрые реакторы» (Москва, ОАО «НИКИЭТ», 2012);

- на четвёртой конференции «Тяжёлые жидкометаплические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ-2013)» (Обнинск, ФГУП «ГНЦ РФ-ФЭИ», 2013);

- на конференции молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике» (Москва, ОАО «НИКИЭТ», 2013).

Результаты диссертационной работы представлены в 2-х статьях, опубликованных в рецензируемых журналах, входящих в список, рекомендуемый ВАК Минобрнауки России: «Атомная энергия» и «Известия Высших учебных заведений «Ядерная энергетика»; в материалах вышеперечисленных конференций; в 4 статьях, опубликованных в годовых отчетах НИКИЭТ; 12 отчетах о научно-исследовательской работе.

Положения, выносимые на защиту

1) Постановка эксперимента по исследованию свойств теплоизолирующего зазора опускного участка ПГ и анализ результатов экспериментального исследования.

2) Разработанная численная модель парогенератора, обогреваемого свинцовым теплоносителем, и результаты её верификации на экспериментальных данных.

3) Результаты расчётного исследования теплогидравлических процессов, протекающих в парогенераторе, обогреваемом свинцовым теплоносителем.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений, списка литературы из 189 наименований. Диссертация содержит 167 страниц текста, и включает в себя 85 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение диссертации содержит обоснование актуальности темы и цели исследования, там же показана практическая значимость работы, а также приведено описание методов исследования и личного вклада автора.

В первой главе проведён обзор литературных источников, необходимых для понимания протекающих в исследуемом парогенераторе процессов, а также для корректного численного моделирования этих процессов. Анализ имеющихся конструкций парогенераторов и опыта их эксплуатации показал перспективность использования тяжёлых жидкометаллических теплоносителей (ТЖМТ) в реакторных установках нового поколения, что подтверждается результатами исследований в различных странах. Так в России реализуются проекты энергетических установок с использованием в качестве теплоносителя свинца - БРЕСТ-ОД-ЗОО и эвтектики свинец-висмут - СВБР-100; в Швеции учебно-тренировочный свинцово-охлаждаемый реактор ELECTRA; в Китае свинцово-висмутовый модульный реактор для производства водорода и охлаждаемый свинцом реактор CLEAR-I; в Республике Корея модульный реактор малой мощности с естественной циркуляцией свинцово-висмутового теплоносителя; в Японии реактор, охлаждаемый свинцово-висмутовой эвтектикой, CANDEL; в Европе реализуется проект LEADER (Lead-cooled European Advanced DEmonstration Reactor), включающий в себя разработку промышленной установки, охлаждаемой свинцом ELFR и демонстрационной модели ALFRED, кроме того в Европе разрабатываются и другие проекты,

и

такие как MYRRHA/XT-ADS, EFIT, ELSY; в США программа свинцово-охлаждаемых реакторов сфокусирована на проекте SSTAR (Small Secure Transportable Autonomous Reactor).

Расчёт парогенератора, обогреваемого свинцовым теплоносителем, имеет такую же последовательность, как и у парогенераторов с традиционными теплоносителями. Однако присутствует ряд особенностей. К настоящему времени получены обширные сведения по теплоотдаче жидких металлов, как в 50-х - 60-х годах прошлого века, так и в последние годы. Однако результаты расчёта критерия Нуссельта значительно отличаются при использовании различных формул с одинаковыми значениями числа Пекле. Поэтому сделан вывод о том, что при численном моделировании работы парогенератора необходимо предусмотреть возможность изменять зависимости для теплоотдачи свинца, а численная модель должна быть верифицирована на экспериментальных данных.

Анализ исследуемой конструкции парогенератора позволил выявить две важные с точки зрения численного моделирования особенности — это U-образный трубный пучок и теплоизоляция опускного участка в виде зазора, заполненного пароводяной смесью. Гидродинамическая характеристика U-образных трубных пучков располагается во всех четырёх квадрантах поля графика зависимости перепада давления от расхода, так как потери на трение и нивелирный напор имеют разные знаки. В такой гидравлической системе возможны не только пульсации расхода, но также изменение направления течения в отдельных трубах пучка. Теплоизолирующий зазор является аналогом тепловой трубы, в которой происходят процессы испарения воды, перегрев и конденсация пара, кроме того поверхность нагрева пароводяной смеси в зазоре значительно меньше поверхности охлаждения.

На основании проведённого обзора литературных источников были сформулированы задачи экспериментального и численного исследования парогенератора.

Вторая глава посвящена анализу исследований свойств теплоизолирующего зазора на опускном участке и верификации численной модели этого зазора.

Температура подаваемой в парогенератор питательной воды не может быть ниже 340 °С, что позволяет исключить возможность затвердевания свинца. С другой стороны, чтобы обеспечить гидродинамическую устойчивость течения в парогенерирующих трубах, питательная вода должна иметь недогрев до температуры насыщения, чтобы критерий Петрова имел приемлемые значения. При давлении на входе в парогенератор приблизительно 18,6 МПа, температура насыщения составляет -359,7 °С. При нормальных условиях эксплуатации температура наружной поверхности труб должна быть не ниже 400 °С, при этом обеспечивается приемлемый температурный режим свинцового теплоносителя. Подача питательной воды с температурой 340 °С при заданном небольшом расходе свинца через опускной участок без тепловой изоляции приводит к тому, что вода быстро достигает температуры насыщения и закипает, а температура свинца становится равной температуре пароводяной смеси. В результате не соблюдается как условие по нижней границе температуры труб, так и условие поддержания минимально допустимой температуры свинца. Кроме того, кипение воды на опускном участке удлиняет испарительный и пароперегревательный участки, очевидно, это повышает гидравлические потери на этих участках и уменьшает их на экономайзерном, а значит, критерий Петрова может уменьшиться до неприемлемых значений. Иными словами, сужается область гидродинамической устойчивости течения в трубах парогенератора. В связи с этим представляется необходимым установить тепловую изоляцию на опускных трубах. Снизив теплообмен на опускном участке, можно добиться того, что питательная вода на выходе опуска сохранит какой-то недогрев до температуры насыщения, а температура свинца не будет снижена до неприемлемых значений.

Исследование свойств теплоизолирующего зазора проходило на стенде, поперечное сечение рабочего участка которого представлено на рисунке 1 а. В

центральный канал подавалась питательная вода, средний канал моделировал теплоизолирующий зазор, во внешний канал подавался греющий пар. Проводились измерения температуры воды, греющего пара и наружной стенки корпуса, а также расходы и давления воды и пара на входе и выходе рабочего участка. На рисунке 16 показана схема размещения датчиков.

Термопары

Термопара

ТВ2- !В6 (температурный зонд)

РВ1 тв! ,, рт тт

Пая. -I ^ Г" ^ -Ь ? 0~ ^Л"""1

ас га

оН

ТС2

ТС5 ОН

Кб К7

оН гаП

ТС9 Сс ТОО

рвг тв/

Пип бода 1

И/кгрннии парсж»р 06ч- Шичгсвбо коквро/п

Гмнрояура гсашего пара ТП 7

1шп*рат/ра пишажяыюй Му ТВ 7

Т(*п*ро»ура сшнки прп/са тс 10

Рачод Му 6В 1

Расход пара СП 1

Лавлете Му РВ 2

1о»пиа/г пера РП 2

О

РП2 ТП7

X ^ Гревший пар

а б

Рисунок 1 - Поперечное сечение гидравлических трактов рабочего участка (а) и схема размещения датчиков (б)

Вначале испытания проводились с дистанционированием центральной трубы витой проволокой, затем, после доработки конструкции, вариант с дистанционированием четырьмя продольными рёбрами. В экспериментах параметры теплоносителей варьировались в широком диапазоне, что позволило зарегистрировать несколько тысяч состояний стенда. Кроме того, подача греющего пара осуществлялась, как сверху, так и через штуцер термопары ТП5, то есть моделировался полный и частичный обогрев рабочего участка.

Анализ результатов экспериментов показал, что теплоизолирующий зазор на опускной трубе парогенератора является аналогом тепловой трубы, поэтому метод расчёта теплопередачи через такую теплоизоляцию не может основываться на уравнении Фурье с эквивалентной теплопроводностью. Важным свойством пароводяного зазора является слабая зависимость

передаваемой через него теплоты от температуры греющей среды. Это позволяет подавать в опускной и витой участки парогенератора свинец с одинаковой температурой, не опасаясь вскипания воды на опуске.

15

2 & 13

§ I 12

о ^ £■2 11

0 5

Я ю

|| 9 |1 7

1 £ 6

2 ё 5

II 4

¡1 3 а. 3 2

к

§ I 1

Чп о

Рисунок 2 - Диаграмма отклонений расчётного подогрева воды от экспериментального

Экспериментальные данные позволили разработать и настроить численную модель теплоизолирующего зазора. На рисунке 2 показана диаграмма отклонений расчётного подогрева воды от экспериментального. Как видно из рисунка, отклонение расчёта от эксперимента лежит в приемлемом диапазоне: приблизительно 95% точек имеет отклонение ±15 %.

В третьей главе приводится описание численной модели парогенератора, которая включает в себя верифицированную модель теплоизолирующего зазора.

Особенностью численной модели модуля парогенератора является то, что она разработана для кода Ке1ар5/тос13.2, в котором отсутствует возможность задать в качестве теплоносителя жидкий свинец. Это вызвано тем, что доступная для использования новая версия кода Яе1ар5 с поддержкой жидких металлов в качестве теплоносителей имела ограничения по максимальному числу расчётных объёмов, что не позволяло запустить разработанную численную модель. Так как от модели свинцового тракта требуется только соответствие температур и коэффициента теплоотдачи между моделью и

Относительное отклонение расчётного подогрева волы (ТВ7-ТВ1), %

натурой, то в модели свинец заменён на перегретый пар и при этом расходы скорректированы пропорционально отношению теплоёмкости свинца и пара. Давление пара в «свинцовом» контуре было принято равным 2,738 МПа, при этом давлении среднее значение теплоёмкости пара в заданном диапазоне температур равно 2238,7 Дж/(кг-К), а отклонения от среднего значения не превышают ± 0,25%. Так как теплоёмкость свинца равна 147,3 Дж/(кг-К), то для соответствия температуры модельного пара температуре свинца расход пара в расчётной модели должен быть меньше расхода свинца в 2238,7/ 147,3 = 15,2 раза. Для стационарных режимов соответствие объёма контура модели и реального объёма свинцового контура не важно. Для корректного моделирования переходных режимов объём тракта в модели был увеличен на коэффициент определяемый по формуле

Рпар ' С пар

где Ргь ~ плотность свинца при заданной температуре;

Срь - теплоёмкость свинца при заданной температуре; Рпар ~ плотность пара при заданной температуре; спар ~ теплоёмкость пара при заданной температуре.

Так как плотность и теплоёмкость пара изменяются при изменении температуры на достаточно заметную величину, то значение коэффициента принято таким, чтобы в заданном диапазоне температур на опускном участке погрешность соответствия объёмов не превышала ±1,6%, а на подъёмном участке ±8%. Эти отклонения влияют на время разогрева или охлаждения свинца при моделировании переходных процессов. Для всех проводившихся расчётов этой точности достаточно, но при необходимости можно провести более точную настройку численной модели и снизить отклонения.

Коэффициент теплоотдачи от свинца к парогенерирующим трубам задавался с помощью таблицы. Для его определения были использованы следующие формулы.

Для продольного обтекания пучка труб на опускном участке

Nu = 7,55 -х-20- х~12 + 0,041 • х-2 • pe°-S6+°'19*, (2)

где х - относительный шаг треугольной решётки труб, а число Ре определяется по скорости свинца в узком сечении.

Для поперечного обтекания подъёмного витого участка

Nu = Ре°'5 • sin0-4 <р, (3)

где <р - угол между осью труб и направлением потока свинца. Число Ре определяется по скорости свинца в узком сечении.

Задание коэффициента теплоотдачи со стороны свинца в виде таблицы позволяет при необходимости изменить его, например, в случае получения других экспериментальных данных по теплоотдаче жидкого свинца.

В процессе работы на поверхности теплообменных труб появляется оксидная плёнка, ухудшающая теплообмен. Термическое сопротивление этой плёнки рассчитывается по соотношению:

Л = 0,0002-С0,1514 (4)

где R - термическое сопротивление;

С - концентрация кислорода.

В соответствии с этими данными при помощи формулы (5) был скорректирован коэффициент теплоотдачи свинца

1

акор= 7-V (5)

-U*

а

\илрасч

где акор - скорректированный коэффициент теплоотдачи;

арасц— коэффициент теплоотдачи от свинца к стенке трубы,

рассчитанный с использованием числа Нуссельта по формулам (2) и (3).

В четвёртой главе проводится обоснование численной модели парогенератора с использованием экспериментов, проводившихся в ГНЦ РФ -ФЭИ на модели парогенератора (стенд СПРУТ), а также оценка её чувствительности.

На первом этапе экспериментальных исследований моделировались режимы с расходом воды от 80 до 120 % от номинала, как при рабочем давлении парогенератора, так и при сверхкритическом давлении. На втором этапе моделировались частичные режимы работы парогенератора, а на третьем — пусковые режимы.

Численное моделирование экспериментов проводилось с использованием двух версий кода Яе1ар5, а именно: 11е1ар5/тос13.2 и Яе1ар5.30. В коде 11е1ар5/то(13.2 жидкий свинец в численной модели был заменён перегретым паром, при соответствующей корректировке модели. Код Яе1ар5.30 позволяет в качестве теплоносителя использовать эвтектику свинец-висмут. Теплофизические свойства эвтектики и чистого свинца отличаются незначительно, поэтому после уменьшения в расчётной модели теплового диаметра в 1,2 раза, в коде Яе1ар5.30 можно использовать эвтектику свинец-висмут вместо чистого свинца.

Из рисунков 3 и 4 видно, что результаты расчетов по двум кодам практически идентичны друг другу. На графиках представлены измеренные температуры корпуса, которые также незначительно отличаются от расчётной температуры свинца на витом участке. Результаты расчётов сравнивались с экспериментальными данными. Изменение энтальпии воды и мощность со стороны воды и свинца, рассчитанные по двум кодам, отличаются менее чем на 1 % во всех режимах. Расчетные и измеренные температуры свинца витого участков хорошо согласуются практически для всех режимов. Отклонения расчетных значений приращения энтальпии по обоим кодам от эксперимента для большинства режимов не превышает 10 %, выпадают только четыре экспериментальные точки, однако и там погрешность не превышает 25 %.

Полученные в различных экспериментальных исследованиях числа Нуссельта для теплоотдачи от жидкого свинца могут отличаться друг от друга в несколько раз. Чтобы выявить влияние интенсивности теплоотдачи от свинца на основные параметры ПГ, было проведено численное моделирование работы ПГ в номинальном режиме с использованием различных формул для расчёта коэффициента теплоотдачи.

Опускной участок Подъемный участок

Длина парогенерирующей трубы, м

- - температура воды/пара, рассчитанная по коду RELAP5/MOD3.2;

- - температура свинца на витом участке, рассчитанная по коду RELAP5/MOD3.2;

- - температура свинца на опускном участке, рассчитанная по коду RELAP5/MOD3.2;

▲ ▲ ▲ - измеренная температура воды/пара; 9 9 9- измеренная температура свинца навитом участке; ■ ■ ■-измеренная температура свинца на опускном участке; ^ <> о - измеренная температура корпуса;

— — — - температура воды/пара, рассчитанная по коду RJELAP5.3D;

— — — - температура свинца на внтом участке, рассчитанная по коду RELAP5.3D;

— — — - температура свинца на опускном участке, рассчитанная по коду RELAP5.3D

Рисунок 3 - Распределение температур по длине модели, расход воды 80% от номинала

(частичный режим)

В результате, после уменьшения коэффициента теплоотдачи от свинца в 3 раза, изменение мощности парогенератора составило 2,2 %. Таким образом, при существующей конструкции и параметрах ПГ теплоотдача от свинца оказывает несущественное влияние на теплогидравлические параметры парогенератора. Оценка чувствительности численной модели к другим теплогидравлическим параметрам показала, что расчёт осуществляется с погрешностью, не превышающей погрешность измерения на реальной реакторной установке.

_Длина парогенерирующей трубы, м

--- температура воды'пара. рассчитанная по коду RJÎLAP5/MOD3.2;

--- температура свинца навитом участке, рассчитанная по коду RELAP5/MOD3.2;

А ▲ А - измеренная температура водьт'пара;

Ш # измеренная температура свинца навитом участке;

ООО - измеренная температура корпуса;

- - - - температура воды/пара, рассчитанная по коду RELAP5.3D;

— - — - температура свинца на витом участке, рассчитанная по коду RELAP5.3D

Рисунок 4 - Распределение температур по длине модели, расход воды 30% от номинала

(пусковой режим)

В пятой главе приведены основные результаты применения разработанной численной модели парогенератора, а именно, результаты численного моделирования режимов полной и частичной мощности (рисунки 5 и 6), режима экстренного снижения мощности (рисунок 7), в том числе и после возникновения течи из парогенерирующей трубы, режима пуска парогенератора. Кроме того, приведены результаты анализа теплогидравлической устойчивости парогенератора.

Расчёт номинального и частичного режимов показал, что в ПГ можно получить перегретый пар с требуемыми параметрами при работе на мощности от 30% до 100% номинальной. Причём в ПГ имеется запас по площади теплообмена. Также было показано, что внутренняя труба опускного участка справляется с функциями дросселя, а кольцевой зазор с функцией тепловой изоляции.

Использование численной модели ПГ для анализа теплогидравлической устойчивости ПГ не только помогло выявить границу устойчивости, но и позволило получить больше информации о процессах, происходящих в ПГ в неустойчивых режимах работы. В частности, был оценён масштаб автоколебаний, вызываемых наличием парового объёма на входе в испарительный участок.

4000 8000 12000 16000 20000 24000 28000 Расстояние от трубной доски водяной камеры, мм_

ООО - температура воды а пара;

- - температура насыщения;

ООО - температура свпнца на опускном участке;

I'1' - температура свинца на подъёмном участке; X X X - перепад давления вдоль парогенернрующей трубы; - паросодержанне вдоль парогенернрующей трубы

480

о

^ 460

о.

8 440 о.

5 420 н

400

320 1800 1600 !д 1400 2' 1200 ¡1 1000 -I 800 -

3

с 600 -

4)

& 400 -С

200 -0 + о

■А-г*

Рисунок 5 - Теплогидравлические параметры воды, пара и свинца в модуле ПГ в номинальном режиме работы

I" 1—1—I—г-е1—'—I——I—'—I—1—I—'—Г

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 _Расстояние от трубной доски водяной камеры, мм_

ООО - линейная плотность теплового потока на опускной парогенернрующей трубе; ООО - линейная плотность теплового потока на дроссельной трубе;

- объёмное паросодержание внутри теплоизолирующего зазора

Рисунок 6 - Теплогидравлические параметры теплоизолирующего зазора на одной из опускных труб модуля ПГ в номинальном режиме работы

Численное моделирование режима экстренного снижения мощности показало, что возможно затвердевание свинца во время снижения давления в ПГ. Анализ результатов моделирования этого режима позволяет сформулировать требования к режимам работы циркуляционных насосов первого контура во время экстренного снижения мощности, исключающих возможность затвердевания свинца.

Данные, необходимые для проектирования системы локализации течи парогенератора, такие как расход течи в газовое пространство, объём и параметры выброшенного пара можно получить с помощью моделирования процессов при разрыве парогенернрующей трубы.

С помощью численного моделирования режима пуска ПГ определено время заполнения ПГ, что позволяет скорректировать алгоритм работы регулятора расхода питательной воды в режиме пуска. Кроме того, определена

динамика изменения температуры необходима для прочностного расчёта.

корпуса водяной камеры, которая

Время, с

Температура свиниа на выходе опускного участка Температура свннпа на первом участке поворота Температура евнпиа на втором участке поворота Температура евннна на на выходе первых двух участков поворота после смешения

а

_Время, с_

-Температура евннна на выходе подъёмного участка

-Температура свннпа на третьем участке поворота

Температура евнпиа на четвёртом участке поворота

_Температура свинца на на выходе третьего н четвёртого

участков поворота после смешения

б

Рисунок 7 — Температура свинца на выходе парогенератора: а - температура свинца опускного участка: б-температура свинца подъёмного участка

В конечном счёте, было показано, что исследование различных режимов работы ПГ с помощью численной модели на базе теплогидравлического кода Яе1ар5, позволяет сформулировать требования к алгоритмам работы ПГ в различных ситуациях, а также оценивать эффективность тех или иных изменений конструкции ПГ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Собраны и проанализированы литературные данные по различным аспектам проектирования и теплогидравлических расчётов парогенерирующих установок, что позволило выявить особенности в конструкции ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО и сформулировать задачи исследования.

Средствами кода 11е1ар5/тос13.2 впервые разработана численная модель, позволившая провести расчетное моделирование теплоизолирующего зазора на опускном участке ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО. Численная модель верифицирована и настроена с помощью данных, полученных в ходе эксперимента с физической моделью опускной трубы с теплоизолирующим зазором. В ходе верификации создана численная модель рабочего участка стенда, проведены претестовые и посттестовые расчёты различных режимов работы стенда, результаты которых сравнивались с результатами эксперимента. Отклонение расчётного подогрева воды от измеренного лежит в приемлемом диапазоне: приблизительно 95% точек имеет отклонение ±15 %. Подогрев воды на опускном участке парогенератора составляет приблизительно 10°С, а значит, погрешность расчёта не превышает 1,5 °С.

Верифицированная численная модель теплоизолирующего зазора вошла в состав численной модели ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО. Из-за ограничений теплогидравлического кода 11е1ар5/то(13.2 свинцовый теплоноситель в расчётах моделировался перегретым паром с соответствующей коррекцией расхода и коэффициентов теплоотдачи. Правомерность подхода была проверена с помощью экспериментальных данных, полученных на стенде СПРУТ (ГНЦ РФ-ФЭИ), отклонение расчётного приращения энтальпии от экспериментального не превышает 10 %.

С помощью разработанной численной модели ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО впервые проведена оценка надёжности циркуляции и сформулированы рекомендации по совершенствованию конструкции ПГ с целью расширения диапазона расходов питательной воды, при которых возможна устойчивая работа ПГ.

Впервые проведено численное моделирование различных стационарных и переходных режимов работы ПГ: режимы полной и частичной мощности; режим пуска ПГ; режим экстренного снижения мощности; режим со сбросом пара из ПГ через ГПК; режим с разрывом парогенерирующей трубы. Важным результатом моделирования является то, что выявлен характер влияния алгоритма работы оборудования на параметры теплоносителей первого и второго контура, результаты этих анализов позволяют оптимизировать алгоритмы управления оборудованием контура.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Семченков A.A. Расчётный анализ теплогидравлической устойчивости парогенератора РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО / A.A. Семченков, О.Ю. Новосельский, И.Н. Кустова // Сборник докладов конференции молодых специалистов «Быстрые реакторы» - М.: ОАО «НИКИЭТ» - 2012. - С. 93-100.

2. Лемехов Ю.В. Исследование теплоизоляционных свойств «пароводяной щели» на опускном участке парогенератора С-300 РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО. / Ю.В. Лемехов,

A.A. Семченков, О.Ю. Новосельский, А.Г. Хижняк, C.B. Шпанский,

B.П. Шишов // Сборник докладов конференции молодых специалистов «Быстрые реакторы» - М.: ОАО «НИКИЭТ» - 2012. - С. 101-112.

3. Грабежная В.А. Испытания трёхтрубной секции модели парогенератора БРЕСТ. / В. А. Грабежная, А. С. Михеев, Ю. Ю. Штейн, А. А. Семченков // Научно-техническая конференция «Теплофизические экспериментальные и расчётно-теоретические исследования в обоснование характеристик и безопасности ядерных реакторов на быстрых нейтронах (Теплофизика-2012)». Сборник докладов. - Обнинск, ГНЦ РФ ФЭИ. - 24-26 октября 2012.-1 т.-С. 100-109.

4. Семченков A.A. Теплогндравлическая устойчивость парогенератора РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО / A.A. Семченков, О.Ю. Новосельский, И.Н. Кустова, Л.И. Колганова, Ю.В. Чернобровкин // Годовой отчет НИКИЭТ - 2012. Сб. статей / Под ред. Е.О. Адамова. - М.: ОАО «НИКИЭТ», 2012. - С. 124-126.

5. Грабежная В.А. Расчетно-экспериментальное исследование работы модели парогенератора БРЕСТ-ОД-ЗОО. / В.А. Грабежная, A.C. Михеев, Ю.Ю. Штейн, A.A. Семченков // Известия вузов. Ядерная энергетика. -2013.-№ 1.-С. 101-109.

6. Семченков A.A. Построение численной модели парогенератора, обогреваемого ТЖМТ, средствами разных версий кода RELAP5 / A.A. Семченков, О.Ю. Новосельский, И.Н. Кустова // Сборник докладов четвёртой конференции «Тяжёлые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ-2013)» - Обнинск, ФГУП «ГНЦ РФ ФЭИ». -2013.-2т.-С. 569-575.

7. Семченков A.A. Результаты экспериментального исследования и численного моделирования теплопередачи через «пароводяной» зазор опускного участка ПГ РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО / A.A. Семченков, О.Ю. Новосельский // Сборник докладов конференции молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике» - М.: ОАО «НИКИЭТ» - 2013. - С. 299-307.

8. Семченков A.A. Исследование теплоизоляционных свойств «пароводяного зазора» в опускных трубах парогенератора / A.A. Семченков, О.Ю. Новосельский, Ю.В. Лемехов, А.Г. Хижняк, C.B. Шпанский, В.П. Шишов // Атомная энергия. — 2013. — Т. 115. — № 5. - С. 246-250.

9. Семченков A.A. Влияние дросселирования опускного тракта на границу устойчивого течения в парогенераторе РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО / A.A. Семченков, О.Ю. Новосельский, И.Н. Кустова // Годовой отчет НИКИЭТ - 2013. Сб. статей / Под ред. Е.О. Адамова. — М.: ОАО «НИКИЭТ», 2013.-С. 132-134.

10.Лемехов Ю.В Исследование теплоизоляционных свойств «парового зазора» на опускном участке парогенерирующей трубы РУ БРЕСТ / Ю.В. Лемехов, О.Ю. Новосельский, A.A. Семченков, А.Г. Хижняк, В.П. Шишов, C.B. Шпанский // Годовой отчет НИКИЭТ - 2013. Сб. статей / Под ред. Е.О. Адамова. - М.: ОАО «НИКИЭТ», 2013. - С. 133-137. 11 .Семченков A.A. Верификация численной модели парогенераотра РУ БРЕСТ-ОД-ЗОО на базе кода RELAP5 / A.A. Семченков, О.Ю. Новосельский, И.Н. Кустова // Годовой отчет НИКИЭТ - 2014. Сб. статей / Под ред. Е.О. Адамова. - М.: ОАО «НИКИЭТ», 2014. - С. 153-154.

Подписано в печать 01.07.2015 Формат 60х84шб. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии АО «НИКИЭТ»

по решению диссертационного совета Д 201.008.01. Заказ №21

107140, Москва, ул. М. Красносельская, 2/8