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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиЕМЕЛЬЯНОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫРАВНИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИПОГРУЖЕННОГО ДЫРЧАТОГО ЛИСТА ПЕРЕМЕННОЙПЕРФОРАЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ АЭС С ВВЭРСпециальность 05.14.03 — Ядерные энергетические установки, включаяпроектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатацииДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительд.ф-м.н., профессорМелихов Олег ИгорьевичМосква – 20151СОДЕРЖАНИЕСОДЕРЖАНИЕ ....................................................................................................... 2ОБОЗНАЧЕНИЯ......................................................................................................

5ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 9ГЛАВА 1ОБЗОРПОГРУЖЕННОГОИССЛЕДОВАНИЙДЫРЧАТОГОЛИСТА,ГИДРОДИНАМИКИНАПРАВЛЕННЫХНАДОСТИЖЕНИЕ ВЫРАВНИВАНИЯ ПАРОВОЙ НАГРУЗКИ ........................ 16РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1: ....................................................... 50ГЛАВА 2ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕИССЛЕДОВАНИЕВЫРАВНИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПДЛ НА СТЕНДЕ ПГВ ................. 512.1 Краткое описание экспериментального стенда ПГВ ...................... 512.2 Экспериментальное определение гидравлического сопротивленияПДЛ602.2.1 Описание экспериментальных режимов с равномернойподачей пара и ПДЛ равномерной перфорации ........................................ 602.2.2 Определение гидравлического сопротивления ПДЛ ........... 722.3 Экспериментальное исследование выравнивающей способностиПДЛ872.3.1 Описаниеэкспериментальныхрежимовсразличнойподачей пара на горячую и холодную стороны (отношение расходов«3:1»)872.3.2 Анализ экспериментальных режимов с различной подачейпара на горячую и холодную стороны (отношение расходов «3:1»).......

942.3.3 Описание экспериментальных режимов с подачей пара нагорячую сторону (отношение расходов «2:0») ........................................ 11122.3.4 Анализ экспериментальных режимов с подачей пара нагорячую сторону (отношение расходов «2:0») ........................................

1172.3.5 Анализ полученных результатов по оценке выравнивающейспособности ПДЛ ........................................................................................ 126РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 ...................................................... 129ГЛАВА 3ВАЛИДАЦИЯ РАСЧЕТНОГО КОДА STEG НА ОПЫТНЫХДАННЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ НА СТЕНДЕ ПГВ .............................................. 1313.1 Описание кода STEG ........................................................................

1313.1.1 Математическая модель кода STEG .................................... 1313.2 РезультатывалидациикодаSTEGнаопытныхданных,полученных на стенде ПГВ ................................................................................ 143РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 ...................................................... 145ГЛАВА 4 УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕОПИСАНИЯТЕЧЕНИЯМАТЕМАТИЧЕСКОГОДВУХФАЗНОГОПОТОКАВОБЪЕМЕПАРОГЕНЕРАТОРА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В КОДЕ STEG ..........................

1464.1 Усовершенствование описания межфазного сопротивления ...... 1464.2 УсовершенствованиемоделигидросопротивленияПДЛдвухфазному потоку ........................................................................................... 1524.3 Усовершенствование модели трения двухфазного потока о стенкиканала1534.4 Внедрение уравнения переноса межфазной поверхности ............ 156РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 ......................................................

165ГЛАВА 5ВАЛИДАЦИЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО КОДА STEG.РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫРАВНИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИПДЛ16635.1 Валидация усовершенствованного расчетного кода STEG наопытных данных, полученных на стенде ПГВ................................................. 1665.2 Расчетное исследование выравнивающей способности ПДЛ ...... 178РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 ...................................................... 196ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 197СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: ..........................................

2004ОБОЗНАЧЕНИЯконцентрация площади межфазной поверхностикоэффициент межфазного сопротивлениякоэффициент сопротивления воды о внешнюю поверхностькоэффициент сопротивления пара о внешнюю поверхностькоэффициент сопротивлениядиаметр пузырькадиаметрдиаметр отверстий ПДЛсила межфазного сопротивления со стороны капельсила межфазного сопротивления со стороны жидкой пленкистепень перфорации ПДЛрасход средыускорение свободного паденияуровеньудельная энтальпиявеличина шероховатостикоэффициент выравнивания ПДЛтолщина ПДЛобъемный источник водыобъемный источник парасреднее давление в системекоэффициент миграции легкой фазы в область с повышеннойскоростьючисло Прандтлятепловой поток с внешней поверхности к средетепловой поток с межфазной поверхности к средекоэффициент теплопередачи от внешней поверхности к средеотрывной радиус пузырякоэффициент теплопередачи от межфазной поверхности к средечисло Рейнольдсаплощадь проходного сечения для перетекающего под ПДЛ5двухфазного потокасуммарная площадь отверстий ПДЛплощадь ПДЛтемпература насыщенияскорость потока в направлении xгрупповая скорость всплытия пузырейскорость всплытия одиночного пузыря в неподвижной жидкостискорость движения газовой фазыотносительная скорость между лидирующим пузырем и жидкойфазойскорость дрейфаскорость потока в направлении yчисло Вебераскорость потока в направленииcкорость истечения воды через отверстия ПДЛскорость истечения пузырей пара через отверстия ПДЛскорость пара в отверстиях ПДЛскорость пара на зеркале испаренияприведенная скорость пара в отверстиях ПДЛлокальная приведенная скорость параобъемная долявеличина межфазной массопередачиδвысота паровой подушкивысота действия гидростатического напоракоэффициент гидравлического сопротивления ПДЛ однофазномупотокукоэффициенты гидравлического сопротивления имитаторовпродольных балокскорость диссипации турбулентной энергии в единице массы жидкойфазыотносительная шероховатость поверхностикоэффициент сопротивления трения единицы относительной длиныплотность6паросодержаниепаросодержание в отверстиях ПДЛизменение межфазной поверхности вследствие j-го процессавзаимодействияизменение межфазной поверхности вследствие фазового переходаскорость генерации парового объема в единичном объемепароводяной смесифактор взаимодействия пузырейконстанта эффективности сцепления; коэффициент теплопроводностиотносительное живое сечениепоправка на двухфазностьгидравлическое сопротивление при проходе пара через отверстияПДЛгидравлическое сопротивлениегидравлические потери на имитаторах продольных балокпотери давления на ПДЛ7Список сокращенийАЭСатомная электрическая станцияВВЭРводо-водяной энергетический реакторВТИвсероссийский тепло-технический институтКИПконтрольно-измерительный приборПГпарогенераторПГВпарогенератор вертикальныйПДЛпогруженный дырчатый листППДЛпароприемный дырчатый листСВДСОсосуд высокого давлениясреднеквадратичное отклонениеЦКТИЦентральный котлотурбинный институтЭНИЦЭлектрогорский научно-исследовательский центрSARкоэффициент стохастической аппроксимации8ВВЕДЕНИЕАктуальность работыОдной из актуальных задач российской и мировой атомной энергетикиявляется повышение уровня мощности энергоблоков АЭС с ВВЭР.

Решениеэтой задачи для действующих блоков ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 ведется врамках отраслевой «Программы увеличения выработки электроэнергии надействующих энергоблоках АЭС ОАО «Концерн Энергоатом» на 2007–2015годы». Новые проекты АЭС с ВВЭР с самого начала проектируются наповышенную 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 факторовопределенияприемлемостихарактеристикПГявляетсякачествогенерируемого пара. Ухудшение качества пара, т.е. повышение еговлажности и увеличение количества загрязняющих примесей, приводит кэрозионному износу турбинных лопаток. Качество генерируемого паразависит от нескольких факторов, но в первую очередь от конструктивныхособенностей ПГ и его сепарационных устройств.Актуальность диссертационной работы заключается в расчетноэкспериментальном исследовании закономерностей процессов выравниванияпаровой нагрузки зеркала испарения при использовании погруженногодырчатоголиста(ПДЛ)неравномерной9перфорациииразработкепредложений для его применения в составе ПГ для повышения мощностиновых разрабатываемых парогенераторов и парогенераторов действующихэнергоблоков АЭС с ВВЭР.Цель и задачи диссертации:Цельюдиссертацииявляетсяопределениезакономерностейвыравнивания паровой нагрузки зеркала испарения за счет примененияпогруженного дырчатого листа переменной перфорации для повышениямощности АЭС с ВВЭР.

В соответствии с этой целью, в диссертациирассмотрены следующие задачи:1)Обзор исследований гидродинамики погруженного дырчатоголиста, направленных на достижение выравнивания паровой нагрузки;2)Экспериментальное исследование выравнивающей способностиПДЛ на стенде ПГВ;3)ВалидациярасчетногокодаSTEGнаопытныхданных,полученных на стенде ПГВ;4)Усовершенствованиематематическогоописаниятечениядвухфазного потока в объеме парогенератора, используемого в коде STEG;5)ВалидацияусовершенствованногокодаSTEG.Расчетноеисследование выравнивающей способности ПДЛ.Новизна работы1.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 идля ПДЛ с неравномерной перфорацией.10Усовершенствована математическая модель кода STEG в части3.описания межфазного силового взаимодействия, гидросопротивления ПДЛдвухфазному потоку, трения двухфазного потока о стенки канала и внедреноуравнение межфазной поверхности.Проведена валидация усовершенствованного кода STEG.

С4.помощью этого кода выполнено расчетное исследование выравнивающейспособности ПДЛ.ДостоверностьОпытные данные были получены на экспериментальной установке,построенной с использованием общепризнанных принципов моделирования.Экспериментальныепроверенныхприборов,исследованияметодикбазировалисьисследований,автоматизациинаметрологическивыполненияэкспериментовприменении:аттестованныхиобработкиполученных 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 значимостьПрактическая значимость проведенного исследования состоит в том,чтоэкспериментально-расчетнымпутемизученызакономерностидвухфазной гидродинамики, определяющей эффективность выравниванияпаровой нагрузки зеркала испарения с помощью ПДЛ неравномернойперфорации.

В результате создан усовершенствованный и валидированныйрасчетный код STEG, позволяющий проводить практические расчеты сцельюопределенияоптимальнойконструкцииперфорации.11ПДЛнеравномернойВсе основные этапы исследования выполнялись по договору междуОАО ОКБ «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 вопросыбылиисследованыврамкахпроектаРФФИ№14-08-00388игосударственного задания №13.1544.2014/К Минобрнауки.Соответствие темы диссертации паспорту специальностиПаспорт специальности 05.14.03 содержит формулировки «В рамкахспециальности исследуются закономерности…тепловых и гидравлическихпроцессов…протекающихвобъектахядернойтехники…»,атакже«Исследования имеют целью совершенствование действующих и созданиеновых объектов ядерной техники, их оборудования, компонентов исистем…».