РАСЧЁТНЫЙ АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ В БАКАХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ БИЛИБИНСКОЙ АЭС

РАСЧЁТНЫЙ АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ
В БАКАХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ БИЛИБИНСКОЙ АЭС
Научный руководитель – В.И. Каширин
В.А. Афанасьев, Д.О. Дрягин
ОАО «Ижорские заводы», Санкт – Петербург
Введение. Билибинская АЭС – единственная в зоне вечной мерзлоты атомная электростанция. Она
состоит из четырех одинаковых энергоблоков с реакторами типа ЭГП-6 и вырабатывает как
электрическую, так и тепловую энергию. Установленная
электрическая
мощность четырёх
энергоблоков составляет 48 МВт с одновременным отпуском тепла 67 Гкал/час. Энергоблоки введены в
эксплуатацию с 1974 по1976 года.
Собственно реактор образует герметичное (с помощью сварки) соединение нижней плиты, кожуха
с компенсатором температурных расширений и верхней плиты. Реакторное пространство заполнено
азотом. Конструкция реактора РУ ЭГП-6 представлена на рисунке 1.
Рис. 1 – Разрез реактора РУ ЭГП-6
1 - верхнее боковое перекрытие; 2 - привод большого вращающегося перекрытия; 3 - центральная рама
с опорами; 4 - центральное вращающееся перекрытие; 5 - стояки; 6 - привод малого вращающегося
перекрытия; 7 - опора катковая; 8 - закладные части; 9 - опорные узлы; 10 - нижняя плита;
11 - графитовая кладка; 12 - канал СУЗ; 13 - ТВС; 14 - ББЗ; 15 - кожух; 16 - компенсатор кожуха;
17 - верхняя плита; 18 - групповые коллекторы с рабочими трубопроводами; 19 - вентили запорные;
20 - нижний слой защитного перекрытия.
Рассматриваемый в рамках доклада бак биологической защиты (позиция 14 на рисунке 1)
представляет собой сварную кольцевую металлоконструкцию, опоясывающую кожух, заполненную
водой, и предназначен для:
 организации боковой биологической защиты реактора;
 выполнения функции несущей опорной конструкции, воспринимающей нагрузку от верхней
плиты реактора;
 предохранения от разогрева бетонных стен шахты реактора.
В последние годы на блоке 1 станции фиксировалось систематическое снижение уровня воды в
ББЗ. Для количественной оценки факторов, влияющих на это снижение, был выполнен расчетный
анализ, основные результаты которого представлены ниже.
Исходные данные. Принципиальная конструкция ББЗ представлена на рисунке 2.
Схема общего вида ББЗ
Схема секции ББЗ и схема расположения ребер на
обечайках (а – внешняя обечайка, б – внутренняя)
Рис. 2 – Конструкция ББЗ
ББЗ выполнен из восьми отдельных транспортабельных секций, сваренных на монтаже. Бак
соединён с нижней плитой реактора системой трубопроводов, предназначенных для заполнения бака
водой, а также для отвода из нижней плиты гремучей смеси – газа, образовавшегося в результате
радиолиза воды. Над зеркалом воды в баке имеется воздушное пространство. Оно обеспечивает сбор и
сдув гремучей смеси, а также образующегося пара. Воздушные пространства всех секций соединены
между собой трубопроводами с двумя отводами. Один из них служит для подачи воздуха, другой – для
постоянного отсоса в вентиляционную систему парогазовой смеси. Для отвода тепла, выделяющегося в
воде бака за счет поглощения излучения реактора, в каждой секции предусмотрены трубы охлаждения,
по которым циркулирует охлаждающая вода.
Динамика изменения уровня воды согласно замерам на станции в периоды между подпитками
ББЗ, а также средние ежесуточные потери воды из ББЗ за указанные периоды приведены в таблице.
Данные по снижению уровня воды в ББЗ блока I БиАЭС
Дата
01.11.2011- 22.01.2012
22.01 - 02.04.2012
02.04 - 28.06.2012
28.06 - 15.09.2012
15.09 - 29.10.2012
29.10 - 09.12.2012
09.12.2012 - 13.02.2013
Уровень воды в ББЗ, м
5,072 → 4,908
5,055 → 4,911
5,033 → 4,905
5,090 → 4,923
5,017 → 4,914
5,011 → 4,920
5,090 → 4,903
Ежесуточные потери
воды, л/сутки
33
34
25
35
39
37
47
В ББЗ поддерживается номинальный уровень 5,0±0,1 м.
Температура воды согласно эксплуатационным данным существенно отличается по секциям ББЗ
от 34 до 68 °С. Гистограмма распределения результатов замеров температуры воды, представленная на
рисунке 3, свидетельствует о её близости к нормальному закону. Статистическая обработка результатов
замеров температуры воды ББЗ с использованием методик, представленных в [1,2,3], позволила
определить её среднее арифметическое значение с учётом погрешности оценки. Полученная величина
составляет 48±3 °С.
Рис. 3 – Гистограмма распределения результатов замеров температуры воды в ББЗ
Параметры воздуха над уровнем воды в ББЗ составляют:
 температура – от 40 до 200 °С;
 влажность – до 90 %.
Методика проведения расчётного анализа. На первоначальном этапе изучались условия работы
ББЗ с учётом его конструктивных особенностей и связей с другими элементами реактора и системами
РУ, определялись факторы, влияющие на динамику уровня воды в ББЗ, и формулировались возможные
причины его снижения.
Далее проводился анализ динамики снижения уровня воды в ББЗ по данным эксплуатации БиАЭС,
рассчитывалась фактическая интенсивность потери воды из бака.
Затем рассчитывалась интенсивность испарения с поверхности воды ББЗ и интенсивность потери
воды за счёт испарения. Превышение величины фактической интенсивности потери воды над
интенсивностью потери воды за счёт испарения является признаком наличия неплотностей в
конструкции ББЗ. В этом случае определяется эквивалентный диаметр отверстия в стенке ББЗ под
уровнем воды.
На следующем этапе проводилась количественная оценка влияния различных факторов на
скорость снижения уровня воды в баке и разрабатывались практические рекомендации по мониторингу
и поддержанию уровня воды в ББЗ.
Блок - схема алгоритма проведения расчётного анализа приведена на рисунке 4.
Рис. 4 – Блок - схема проведения расчётного анализа
Для расчёта интенсивности испарения
немецких инженеров [4]
воды с поверхности ББЗ. использовалcя стандарт
Wиспар = e·Sб·(Ps- Pп) кг/час,
где
e – эмпирический коэффициент (в данном расчётном случае для закрытой водной
поверхности е = 0,5 кг/(м2 · час · бар);
Sб= π  [Rн2 – Rв2] – Sмет – площадь поверхности зеркала испарения, м2;
Rв – внутренний радиус наружной обечайки сектора ББЗ, м;
Rн – наружный радиус внутренней обечайки сектора ББЗ, м;
Sмет – площадь, занимаемая боковыми стенками и вертикальными рёбрами секций ББЗ,
находящихся под уровнем воды, м2;
Ps = f (tвод) – давление насыщенного водяного пара при температуре воды в ББЗ, бар;
Pп = Pн.возд   – парциальное давление водяных паров, при заданных температуре и
влажности воздуха, бар;
φ – влажность воздуха над уровнем воды в ББЗ.
Основные результаты расчётного анализа. Для оценки влияния различных факторов на
интенсивность испарения с поверхности воды в ББЗ проводились вариантные расчёты в следующих
диапазонах параметров:
 по температуре воды от 30 до 90 °С;
 по температуре воздуха над уровнем воды от 20 до 70 °С;
 по влажности воздуха над уровнем воды от 20 до 80 %.
Из результатов расчётного анализа следует, что интенсивность испарения в сильной степени
зависит от температуры воды ББЗ. Наблюдается нелинейный рост интенсивности испарения с
увеличением температуры воды, что отчётливо видно на представленном графике (рисунок 5). Следует
заметить, что согласно технологическому регламенту номинальная температура воды в ББЗ находится в
промежутке 50…60 °С, а в качестве верхнего эксплуатационного предела принято значение 90 °С. При
изменении температуры воды в ББЗ с 50 до 60 °С при прочих равных условиях интенсивность
испарения возрастает с 22 до 40 л/сутки, а при 90 °С интенсивность испарения составляет порядка 130
л/сутки. Таким образом, интенсивность испарения для номинального и допустимого верхнего
эксплуатационных пределов температуры воды отличается в 4-5 раз.
Рис. 5 – Зависимость интенсивности испарения от температуры воды в ББЗ
Влияние температуры воздуха в ББЗ на интенсивность испарения воды противоположно
направленное: с ростом температуры воздуха интенсивность испарения воды падает (рисунок 6).
Рис. 6 – Зависимость интенсивности испарения от температуры воздуха
Влажность воздуха над уровнем воды в ББЗ оказывает отрицательное влияние на интенсивность
испарения воды. С ростом влажности происходит снижение интенсивности испарения воды. Из ниже
представленного графика (рисунок 7) видно, что при температуре воды в ББЗ 50 °С и температуре
воздуха 60 °С интенсивность испарения снижается с 16,66 л/сутки (для φ=20 %) до 1,76 л/сутки (для
φ=60 %).
Рис. 7 – Зависимость интенсивности испарения от влажности воздуха
Выводы. В результате расчётного анализа:
 определено, что ежесуточный расход воды 25-35 л/сутки на подпитку, может быть принят в
качестве нормы, поскольку является следствием естественного испарения с зеркала воды и уноса
системой сдувки гремучей смеси из ББЗ.
 разработана методика и получены расчётные зависимости для мониторинга уровня воды в ББЗ
по результатам фактических замеров его динамики;
 установлено, что наиболее существенным фактором, влияющим на интенсивность испарения и
уноса воды из ББЗ, является температура воды в ББЗ, по мере увеличения которой интенсивность
испарения при прочих равных условиях возрастает;
 внесено предложение о снижении в технологическом регламенте верхнего эксплуатационного
предела температуры воды в ББЗ с 90 до 70 °.
Перечень принятых сокращений
АЭС
ББЗ
БиАЭС
РУ
СУЗ
ТВС
ЭГП
–
–
–
–
–
–
–
атомная электростанция;
бак биологической защиты;
Билибинская атомная электростанция;
реакторная установка;
система управления и защиты;
тепловыделяющая сборка;
энергетический графитовый петлевой.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
ГОСТ Р 8.736 – 2011 « Государственная система обеспечения единства измерений. Измерения
прямые и многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения».
ГОСТ 6651 – 94 «Государственная система обеспечения единства измерений.
Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические
требования и методы испытаний».
В.П. Преображенский «Теплотехнические измерения и приборы», Энергия, 1978 г.
Die Vereinigung der deutschen Ingenieure 2089.
М.П. Вукалович «Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара», издательство
стандартов, Москва 1969 г.