Автореферат (Определение выравнивающей способности погруженного дырчатого листа переменной перфорации для повышения мощности АЭС с ВВЭР)

На правах рукописиЕМЕЛЬЯНОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫРАВНИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИПОГРУЖЕННОГО ДЫРЧАТОГО ЛИСТА ПЕРЕМЕННОЙПЕРФОРАЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ АЭС С ВВЭРСпециальность 05.14.03 – Ядерные энергетические установки,включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатацииАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 201523ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Одной из актуальных задач российской имировой атомной энергетики является повышение уровня мощностиэнергоблоков АЭС с ВВЭР. Решение этой задачи для действующих блоковВВЭР-440 и ВВЭР-1000 ведется в рамках отраслевой «Программы увеличениявыработки электроэнергии на действующих энергоблоках АЭС ОАО «КонцернЭнергоатом» на 2007–2015 годы».

Новые проекты АЭС с ВВЭР с самого началапроектируются на повышенную мощность.Повышение уровня мощности энергоблоков реализуется путем снятияинженерных запасов оборудования с учетом фактических характеристик,полученных в результате его изготовления, и модернизации систем иоборудования.Важнейшим оборудованием энергоблоков АЭС с ВВЭР являютсягоризонтальные парогенераторы (ПГ), предназначенные для отвода тепла оттеплоносителя первого контура и генерации сухого насыщенного пара. Отэффективности ПГ в значительной степени зависят показатели работыэнергоблока, в том числе его мощность.

Одним из основных факторовопределения приемлемости характеристик ПГ является качество генерируемогопара. Ухудшение качества пара, т.е. повышение его влажности и увеличениеколичества загрязняющих примесей, приводит к эрозионному износутурбинных лопаток. Качество генерируемого пара зависит от несколькихфакторов, но в первую очередь от конструктивных особенностей ПГ и егосепарационных устройств.Актуальность диссертационной работы заключается в расчетноэкспериментальном исследовании закономерностей процессов выравниванияпаровой нагрузки зеркала испарения при использовании погруженногодырчатого листа (ПДЛ) неравномерной перфорации и разработке предложенийдля его применения в составе ПГ для повышения мощности новыхразрабатываемыхпарогенераторовипарогенераторовдействующихэнергоблоков АЭС с ВВЭР.Целью работы является определение закономерностей выравниванияпаровой нагрузки зеркала испарения за счет применения погруженногодырчатого листа переменной перфорации для повышения мощности АЭС сВВЭР.

В соответствии с этой целью, в диссертации рассмотрены следующиезадачи:1)Обзор исследований гидродинамики погруженного дырчатоголиста, направленных на достижение выравнивания паровой нагрузки;2)Экспериментальное исследование выравнивающей способностиПДЛ на стенде ПГВ;3)Валидация расчетного кода STEG на опытных данных, полученныхна стенде ПГВ;44)Усовершенствованиематематическогоописаниятечениядвухфазного потока в объеме парогенератора, используемого в коде STEG;5)Валидация усовершенствованного кода STEG. Расчетноеисследование выравнивающей способности ПДЛ.Научная новизна.

В диссертационной работе:1.Впервыевыполненыэкспериментальныеисследованиявыравнивающей способности ПДЛ на стенде ПГВ.2.Проведена валидация расчетного кода STEG на опытных данных,полученных на стенде ПГВ как для ПДЛ с равномерной перфорацией, так и дляПДЛ с неравномерной перфорацией.3.Усовершенствована математическая модель кода STEG в частиописания межфазного силового взаимодействия, гидросопротивления ПДЛдвухфазному потоку, трения двухфазного потока о стенки канала и внедреноуравнение межфазной поверхности.4.Проведена валидация усовершенствованного кода STEG.

Спомощью этого кода выполнено расчетное исследование выравнивающейспособности ПДЛ.Достоверность. Опытные данные были получены на экспериментальнойустановке, построенной с использованием общепризнанных принциповмоделирования.Экспериментальныеисследованиябазировалисьнаприменении:проверенныхметодикисследований,метрологическиаттестованных приборов, автоматизации выполнения экспериментов иобработки полученных результатов, расчетов погрешности измерений, а такжепрограммы качества. Результаты численных исследований основаны наиспользовании общепризнанных методов и подходов механики многофазныхсред.Достоверностьвыполненныхвработеусовершенствованийматематических моделей кода STEG подтверждается результатами ихвалидации на опытных данных.Практическая ценность проведенного исследования состоит в том, чтоэкспериментально-расчетным путем изучены закономерности двухфазнойгидродинамики, определяющей эффективность выравнивания паровой нагрузкизеркала испарения с помощью ПДЛ неравномерной перфорации.

В результатесоздан усовершенствованный и валидированный расчетный код STEG,позволяющий проводить практические расчеты с целью определенияоптимальной конструкции ПДЛ неравномерной перфорации.Все основные этапы исследования выполнялись по договору между ОАООКБ «Гидропресс» и ОАО «ЭНИЦ» № 02074-1 от 01.09.2010 и по двумгосударственным контрактам с Министерством образования и науки РФ (ГК №П491 от 13.05.2010 и ГК № П1091 от 31.05.2011). Отдельные вопросы былиисследованы в рамках проекта РФФИ № 14-08-00388 и государственногозадания №13.1544.2014/К Минобрнауки.Соответствие темы диссертации паспорту специальности.

Паспортспециальности 05.14.03 содержит формулировки «В рамках специальности5исследуютсязакономерности…тепловыхигидравлическихпроцессов…протекающих в объектах ядерной техники…», а также«Исследования имеют целью совершенствование действующих и созданиеновых объектов ядерной техники, их оборудования, компонентов и систем…».Тема диссертации соответствует этой формулировке.Положения, выносимые на защиту:1.Результаты экспериментальных исследований на стенде ПГВ погидравлическим сопротивлениям ПДЛ и выравнивающей способности ПДЛпеременной перфорации;2.Усовершенствованные математические модели кода STEG в частиописания межфазного силового взаимодействия, гидросопротивления ПДЛдвухфазному потоку, трения двухфазного потока о стенки канала, а такжевнедренное в код STEG уравнение переноса межфазной поверхности;3.Результаты валидации усовершенствованного кода STEG наопытных данных экспериментов на стенде ПГВ с ПДЛ равномерной инеравномерной перфорациями;4.Результаты расчетного исследования выравнивающей способностиПДЛ с помощью усовершенствованного и валидированного кода STEG.Личный вклад автора.

Все этапы работы по усовершенствованиюматематических моделей кода STEG в части описания межфазного силовоговзаимодействия, гидросопротивления ПДЛ двухфазному потоку, трениядвухфазного потока о стенки канала, а также внедрения в код STEG уравненияпереноса межфазной поверхности; валидации усовершенствованного кодаSTEG на экспериментальных данных, полученных на стенде ПГВ, а такжепроведению расчетов и анализу их результатов выполнялись непосредственноавтором, либо проходили при его непосредственном участии.Автор участвовал в следующих частях экспериментального исследованияна стенде ПГВ: выбор режимных параметров, участие в качествеэкспериментатора в пусках стенда ПГВ, обработка опытных данных, в томчисле, исследование влияния тепловой обстановки около рабочего участка наэкспериментальные результаты, а также анализ опытных данных.Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывалисьи обсуждались на 18-й Международной научно-технической конференциистудентов и аспирантов МЭИ (Россия, г.Москва, 2012), 19-й Международнойнаучно-технической конференции студентов и аспирантов МЭИ (Россия,г.Москва, 2013), 20-й Международной научно-технической конференциистудентов и аспирантов МЭИ (Россия, г.Москва, 2014), 9-ой международнойконференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР (Россия, г.Подольск,2015), а также на семинарах Отделения теплофизики Электрогорского научноисследовательского центра по безопасности АЭС.6Публикации.

Основные результаты работы были изложены в шестистатьях, опубликованных в журналах из списка ВАК: «Теплоэнергетика»,«Теплофизика высоких температур», «Фундаментальные исследования».Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,пяти глав, заключения, списка литературы из 129 наименований. Диссертациясодержит 215 страниц текста, в том числе 36 таблиц и 68 рисунков.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении показана актуальность проведенных в диссертацииисследований, определены цели и задачи работы и дана общая постановкарешаемых в диссертации задач.В первой главе выполнен обзор исследований двухфазнойгидродинамики, связанной с функционированием погруженного дырчатоголиста в составе парогенератора.

Анализ обзора этих исследований показывает,что применение ПДЛ позволяет существенно снизить остаточнуюнеравномерность паровой нагрузки на зеркале испарения. Одним из способовдальнейшего снижения остаточной неравномерности паровой нагрузки назеркале испарения, необходимого для повышения мощности парогенератора,является применение ПДЛ неравномерной перфорации.

Сделан вывод онеобходимостиэкспериментально-расчетныхисследованийсцельюопределения закономерностей выравнивания паровой нагрузки ПДЛнеравномерной перфорации и их применения для расчетов таких ПДЛ.Во второй главе представлено описание стенда ПГВ (ЭНИЦ), егосистемы измерений, методики определения погрешностей и результатовэкспериментальных исследований гидросопротивления и выравнивающейспособности ПДЛ с равномерной и неравномерной перфорацией.Стенд ПГВ был разработан для исследования процессов гидродинамики исепарации пара в горизонтальном парогенераторе. Экспериментальная модельразмещена вдоль горизонтальной оси сосуда высокого давления (Рис.1). Длинанижней части модели 2370 мм, ширина модели 100 мм.

Вертикальные размерымодели приняты равными натурным.Сепарационная схема модели включает в себя основные элементысепарационной схемы натурного парогенератора: погруженный дырчатый листрасположен в нижней части модели, пароприемный дырчатый щит расположенв верхней части модели. Использовались два варианта ПДЛ с равномернойперфорацией и неравномерной перфорацией. Степень перфорации ПДЛ указанав таблице 1.7Рис. 1 – Модель (поперечная вырезка) парогенератора ПГВ-1000Табл 1. Степень перфорации ПДЛПерфорация ▼ «Горячая» сторона ПДЛ Холодная сторона ПДЛРавномерная5,7 %5,7 %Неравномерная4,3 %8,1 %Один торец («левый») ПДЛ примыкает к корпусу СВД, второй имеетзакраину.

Закраина и корпус модели образуют зазор, ширина которогосоставляет 100 мм, через который осуществляется слив воды с ПДЛ. В этой жезоне стенка корпуса модели не доходит до днища СВД на 3 – 4 мм длясообщения между собой объемов внутри модели и в корпусе СВД.Пароприемный дырчатый щит (ППДЩ) модели перфорированотверстиями  10 мм, его перфорация равномерная, относительное живоесечение 4.5%. Для обеспечения в модели ПГ изменения скорости пара повысоте парового объема такого же, как в натурном ПГ, паровой объем моделиспрофилировансоответственнопрофилюкорпусанатурногоПГ.Конструктивная высота парового объема (расстояние между ПДЛ и ППДЩ) вмодели составляет 1100 мм, что практически соответствует натурной высотепарового объема ПГ, принятой в проекте ПГВ равной 1150 мм.В нижней части модели на расстоянии 200 мм от ПДЛ расположенимитатор трубного пучка, состоящий из трех рядов трубок наружнымдиаметром 16 мм.

Расположение труб в имитаторе пучка коридорное.Вертикальный шаг между трубками – 22 мм, горизонтальный – 24 мм. Нарасстоянии 20 мм от нижнего ряда трубок имитатора теплообменного пучка8расположен прямоугольный коллектор для подачи пара в модель. Паровойколлектор имеет равномерную перфорацию по длине для выхода пара, онразделен с помощью перегородки на «горячую» и «холодную» половины сраздельной подачей греющего пара.В верхней части модели расположен коллектор отвода пара, на боковойстенке коллектора находится патрубок отвода пара.Экспериментальная установка работает следующим образом. Призаданном значении уровня в модели подводимый пар охлаждается в смесителеи с небольшим перегревом подается в парораздающий коллектор,расположенный в нижней части модели.