исследование влияния неконденсирующихся газов на

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕКОНДЕНСИРУЮЩИХСЯ ГАЗОВ НА
КОНДЕНСАЦИОННУЮ МОЩНОСТЬ ПАРОГЕНЕРАТОРА НВ АЭС-2 ПРИ
РАБОТЕ ПАССИВНЫХ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ И ТЕЧАХ ИЗ ПЕРВОГО
КОНТУРА
С.Г. Калякин, О.В. Ремизов, А.В. Морозов
ГНЦ РФ-ФЭИ, Обнинск, Россия
И.И. Копытов, В.М. Беркович
ОАО “Атомэнергопроект”, Москва, Россия
Аннотация
Проектное обоснование эффективности теплоотвода от активной зоны реактора
Нововоронежской АЭС-2 (АЭС-2006) при аварийных течах из первого контура и
работе только пассивных систем безопасности ГЕ-1, ГЕ-2 и СПОТ проводилось на
основе расчетного моделирования взаимосвязанных процессов в реакторной установке
и защитной оболочке. Расчетное моделирование проводилось с учетом отрицательного
влияния неконденсирующихся газов на конденсационную мощность парогенераторов.
Основными источниками газов в первом контуре является азот, поступающий в
контур при срабатывании гидроаккумуляторов первой ступени (ГЕ-1), и продукты
терморадиолиза.
Особенностью работы пассивных систем безопасности Нововоронежской АЭС-2
является то, что из холодных коллекторов парогенераторов в течение времени
опорожнения системы гидроемкостей второй ступени (ГЕ-2) происходит
самопроизвольный отток парогазовой смеси в объем баков ГЕ-2. Отток смеси при
работе системы ГЕ-2 по объёму равен расходу воды из емкостей. Расчеты по
различным интегральным теплогидравлическим кодам показали достаточность такого
объёмного оттока смеси из ПГ в систему ГЕ-2 для исключения отравления трубчатки
парогенератора газами и поддержания необходимой конденсационной мощности.
Для подтверждения результатов расчетных исследований проводились
эксперименты на стенде ГЕ2М-ПГ, сооруженном в ФЭИ. В состав стенда входит
модель парогенератора реактора ВВЭР в масштабе 1:46. Пар к стенду подается от ТЭЦ
ФЭИ. Газ в пар, поступающий в ПГ, подмешивается из баллонов. Используются азот и
гелий, замещающий при экспериментах водород.
В докладе приведены результаты экспериментальных исследований по
определению конденсационной мощности ПГ при поступлении в трубный пучок смеси
пара с неконденсирующимися газами, как при моделировании оттока в ГЕ-2, так и без
оттока неконденсируемой парогазовой смеси из холодного коллектора ПГ. В
результате
исследований,
проведенных
на
стенде
ГЕ2М-ПГ,
получено
экспериментальное подтверждение того, что парогенераторы при аварийной течи
имеют конденсационную мощность достаточную для поддержания эффективного
теплоотвода СПОТ от РУ.
Введение
В Российской Федерации организациями Госкорпорации “Росатом” разработан
проект атомной электростанции с водо-водяным реактором – “АЭС-2006”. “АЭС-2006”
это типовой проект российской атомной станции нового поколения «3+»
с улучшенными технико-экономическими показателями. Целью создания данного
проекта является достижение современных показателей безопасности и надежности
при оптимизированных капитальных вложениях на сооружение станции. Проект
разрабатывается на базе электростанций с водо-водяными энергетическими реакторами
(ВВЭР), доказавшими свою надежность в течение тысячи реакторо-лет безаварийной
работы. Предполагается использование реактора ВВЭР с электрической мощностью
не менее 1150 МВт (и возможностью форсирования до 1200 МВт).
С точки зрения безопасности проект предполагает выполнение требований
российской научно-технической документации, а также максимальный учет
рекомендаций
МАГАТЭ.
Главная
особенность
проекта —
использование
дополнительных пассивных систем безопасности в сочетании с активными
традиционными системами. “АЭС-2006” это эволюционный проект, который
базируется на технических решениях проекта “АЭС-92”. Проект “АЭС–92” получил
официальный сертификат на соответствие требованиям европейских эксплуатирующих
организаций (EUR) к АЭС с легководными реакторами нового поколения.
Площадкой для сооружения головных блоков в серии “АЭС-2006” является вторая
очередь Нововоронежской АЭС (Рисунок 1). В 2007 году ОАО «Атомэнергопроект»
приступил к сооружению первого энергоблока Нововоронежской АЭС-2 (НВ АЭС-2) в
рамках федеральной целевой программы «Развитие атомного энергопромышленного
комплекса на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года». Ввод в промышленную
эксплуатацию энергоблока №1 НВ АЭС-2 запланирован на 2012 год, энергоблока №2 –
на 2013 год.
Рис. 1. Энергоблоки второй очереди Нововоронежской АЭС (НВ АЭС-2)
В проекте “АЭС-2006” с реактором ВВЭР-1200 (реакторная установка В-392М)
предусмотрено использование пассивных систем безопасности. К их числу относятся
система гидроёмкостей второй ступени (система ГЕ-2) и система пассивного отвода
тепла (СПОТ). В случаи аварии, связанной с разрывом трубопроводов первого контура
и потерей источников электропитания, предусмотрено обеспечение отвода остаточных
тепловыделений от активной зоны с помощью этих систем.
Система СПОТ должна обеспечивать перевод парогенераторов в режим
конденсации пара, поступающего из активной зоны, тем самым обеспечивая подпитку
первого контура. На работоспособность системы может оказать влияние генерация
неконденсирующихся газов в первом контуре. Основными источниками газов являются
азот, растворённый в воде гидроаккумуляторов, а также процессы радиолиза воды.
Образовавшиеся газы могут заблокировать трубчатку парогенераторов, приведя к
ухудшению в них теплообмена.
Предусмотренные в проекте схемные решения позволяют обеспечивать отвод
неконденсирующихся газов в составе парогазовой смеси, поступающей из холодных
коллекторов ПГ в объём гидроемкостей второй ступени. Необходимо было выяснить
достаточность этого отвода газов для обеспечения проектной работы парогенераторов в
режиме конденсации пара. Для решения этой задачи на крупномасштабном стенде
ГЕ2М-ПГ была проведена серия экспериментальных исследований.
1 Крупномасштабный теплогидравлический стенд ГЕ2М-ПГ
Стенд ГЕ2М-ПГ является крупномасштабной экспериментальной установкой,
предназначенной для исследования работоспособности пассивных систем
безопасности, входящих в проект реактора ВВЭР нового поколения. В состав стенда
входят, модель парогенератора реактора ВВЭР, бак-аккумулятор пара с системой
подачи пара от ТЭЦ, имитатор теплообменника СПОТ, охлаждаемый технической
водой. Основное оборудование стенда связано между собой трубопроводами и
оснащено запорно-отсечной арматурой. Высотные отметки размещения оборудования
соответствуют проектным. Для уменьшения тепловых потерь оборудование и
технологические линии теплоизолированы. На рисунке 2 показано размещение
основного оборудования стенда ГЕ2М-ПГ. Основные параметры стенда приведены в
таблице.
Рис. 2. Размещение основного оборудования на стенде ГЕ2М-ПГ.
1 – модель парогенератора, 2 – имитатор теплообменника СПОТ, 3 – бак–
аккумулятор
Таблица
Основные параметры стенда ГЕ2М-ПГ
Наименование
Значение
Рабочая среда
вода, пар (парогазовая смесь)
Максимальное давление, МПа
1,6
0
Максимальная температура, С
200
Основное оборудование стенда
Модель парогенератора
Масштаб
1:46
Максимальная мощность, МВт
1,0
Количество труб (рядов)
248 (62)
Диаметр труб, мм
16х1,5
Длина труб, м
10,19
Вертикальный шаг труб, мм
36,5
Материал трубного пучка
нержавеющая сталь Х18Н10Т
Имитатор теплообменника СПОТ
Максимальная мощность, кВт
800
Охлаждающая среда
техническая вода
Бак-аккумулятор
Объем, м3
16
1.1 Вспомогательные системы стенда
На рисунке 3 приведена принципиальная технологическая схема стенда ГЕ2М-ПГ с
обозначением вспомогательных систем, обеспечивающих проведение опытов. В их
состав входят: система поддержания давления, двухканальная система подачи
неконденсирующихся газов, система сдувки парогазовой смеси и система сбора
конденсата из горячего и холодного коллекторов модели парогенератора.
Dу10
БЛ5...8
Dу10
БЛ1...4
Б3
V=16м
3
Тех. вода из
СПОТ
Рис. 3. Принципиальная технологическая схема стенда ГЕ2М-ПГ.
1 - система поддержания давления стенда, 2 - система подачи неконденсирующихся
газов, 3 - система сдувки парогазовой смеси, 4 - система сбора конденсата
Система поддержания давления стенда ГЕ2М-ПГ (позиция 1 на рисунке 3)
предназначена для обеспечения постоянства теплофизических параметров при
проведении экспериментов. Основным элементом данной системы является
конденсатор-теплообменник, оснащенный запорной и регулирующей арматурой. В
ходе проведения экспериментов проводилась регулировка расхода пара из бака Б3 в
конденсатор теплообменник с помощью вентиля В75. Пар конденсировался в
теплообменнике-конденсаторе, охлаждаемом с помощью технической воды через
арматуру В76, В77 и направлялся в дренаж. Изменение расхода пара давало
возможность как уменьшать, так и увеличивать величину давления на стенде.
Регулировка вентиля В75 проводилась по команде оператора стенда на основании
информации, получаемой от датчика давления пара на входе в модель ПГ.
Использование данной системы позволяло поддерживать в ходе опытов давление с
точностью ±0,008 МПа.
Для изучения влияния неконденсирующихся газов на конденсационную мощность
модели ПГ на стенде ГЕ2М-ПГ реализована система подачи газа в первый контур
стенда (позиция 2 на рисунке 3). Система состояла из двух каналов, позволявших
вводить в контур два газа: азот и гелий, как отдельно, так и в составе смеси. В состав
каждого канала системы входят четыре стандартных газовых баллона объёмом около
40 л. каждый, один из них – баллон с газом высокого давления, подсоединен к
остальным через редуктор. В ходе эксперимента происходит подача
неконденсирующихся газов в первый контур стенда из трёх баллонов, в которых
поддерживается давление приблизительно на 0,3 МПа выше давления пара на стенде.
По мере подачи газов происходит падение давления в баллонах, после снижения его
величины на 0,08 МПа от начального уровня происходит подкачка из баллона высокого
давления через редуктор.
Регулировка расходов неконденсирующихся газов производилась с помощью
игольчатых микровентилей В63 и В78, установленных на импульсной линии. Кроме
того линии подачи газов оснащены запорной арматурой, воздушниками и приборами,
измеряющими давление – манометры и датчики Метран-100-ДИ.
Предусмотрен следующий алгоритм работы системы ввода газов. Подача пара на
стенд ГЕ2М-ПГ осуществляется через открытые вентиля В26, В38, далее в тройнике
происходит разделение потока пара на две ветки: на модель ПГ – через открытый
вентиль В43 и на бак Б3 – через открытый вентиль В40. При этом вентиль В25 закрыт.
Ввод газа осуществляется после вентиля В38 по двум независимым веткам – азотной и
гелиевой. Подача осуществляется с расходом, обеспечивающим необходимую
концентрацию газов в образующейся парогазовой смеси. В тройнике после вентиля В38
осуществляется разделение потока парогазовой смеси на две ветки: на модель ПГ –
через открытый вентиль В43 и на бак Б3 – через открытый вентиль В40. При этом
вентиль В25 закрыт. По мере “отравления” ПГ расход на него через вентиль В43
снижается, при этом начинает нарастать давление в системе. Открытием вентиля В75,
входящим в состав системы регулировки давления, расход пара направляется из бака
Б3 в конденсатор, тем самым увеличивая расход через вентиль В40 в бак Б3 и
поддерживая постоянным уровень давления на стенде.
Преимущество данного варианта создания парогазовой смеси в отсутствии
необходимости регулировки расходов неконденсирующихся газов для поддержания
постоянного состава парогазовой смеси, так как расход пара, в который вводятся газы
постоянен и перераспределяется в зависимости от конденсационной мощности ПГ.
Величина расхода пара измеряется непосредственно перед экспериментом с помощью
вихревого расходомера, установленного на входе в здание перед вентилем В26.
Равномерность подачи газов обеспечивается способом ввода через
перфорированные патрубки, установленные внутри паровой трубы, а также
незначительным объёмом неконденсирующихся газов по сравнению с объёмом пара.
Система позволяла поддерживать постоянство концентрации парогазовой смеси на
входе в модель ПГ.
На стенде ГЕ2М-ПГ также предусмотрена система отвода парогазовой смеси из
холодного коллектора ПГ, предназначенная для иследования влияния расхода сдувки
на конденсационную мощность парогенератора (позиция 3 на рисунке 3). В состав
системы входят линия отбора парогазовой смеси, конденсатор, охлаждаемый
технической водой, блок разделения конденсата, направляемого в мерный бак, и
неконденсирующегося газа, а также запорная арматура. Регулировка величины сдувки
осуществлялась с помощью двух последовательных игольчатых микровентилей В72 и
В73, установленных на импульсной линии перед входом парогазовой смеси в
конденсатор проб. Импульсные линии и линии пробоотбора были теплоизолированы и
обогревались с помощью охранных нагревателей, чтобы исключить конденсацию пара
до подачи на регулирующую арматуру. В ходе экспериментов проводилась сдувка
парогазовой смеси с отбора холодного коллектора модели ПГ, расположенного ниже
трубчатки, на высотной отметке +6255 мм.
Основной
целью
проведения
экспериментов
на
крупномасштабном
теплогидравлическом стенде ГЕ2М-ПГ являлось определение конденсационной
мощности модели ПГ. Данная величина определялась во время опытов как по
показаниям вихревого расходомера пара Метран-332 на входе в парогенератор, так и
прямыми измерениями количества образующегося в трубчатке ПГ конденсата, с
помощью входящей в состав стенда системы сбора конденсата (позиция 4 на рисунке
3). В состав системы входит мерный бак объемом 8,2 л, оборудованный уровнемером
на базе прибора Метран-100-ДД, вентиля В65 и В80, позволяющие осуществлять сбор
образующегося конденсата с горячего и холодного коллектора соответственно, а также
дренажный вентиль В81. Мерный бак и подводящие линии были теплоизолированы для
исключения появления “паразитного” объёма конденсата, снижающего точность
измерений. В ходе экспериментов после достижения стационарного состояния
проводилось измерение объема образующегося конденсата, путём наполнения мерного
бака с регистрацией уровня и последующего дренажа через вентиль В81.
1.2 Контрольно-измерительная система стенда
Контрольно-измерительные приборы, установленные на стенде, позволяют как при
подготовке к экспериментам, так и при проведении опытов регистрировать основные
теплофизические параметры установки. Схема размещения датчиков и приборов КИП
на стенде ГЕ2М-ПГ представлена на рисунке 4.
Во время экспериментов проводилось измерение следующих основных параметров
установки:
- давление среды первого контура в баке Б3 и в месте установки расходомера
пара;
- давление среды второго контура на выходе из модели ПГ и на входе в имитатор
СПОТ;
- температуру среды первого контура в районе установки расходомера пара;
- температуру среды второго контура на выходе из модели ПГ, на входе/выходе
имитатора теплообменника СПОТ, входе в ПГ;
- температуру технической воды третьего контура на входе/выходе из трубчатки
имитатора теплообменника СПОТ;
- расходы среды первого контура (пар) на входе в модель ПГ, третьего контура
(вода) на входе в имитатор СПОТ;
- уровень воды в баке Б3, в модели ПГ, в гидрозатворе первого контура, а также в
опускном участке трубопровода второго контура;
P4
T9
T15
G3
СПОТ
T13
T10
P8
P3
ПГ
Dу10
T8
T16-T101
P7
Dу10
P4
P2
G5
T11
G T P
P1
P3
P5
P1
T2
T3
Б3
T4
T5
Рис. 4. Схема размещения датчиков и приборов КИП на стенде ГЕ2М-ПГ
- давления в линиях подачи азота и гелия, входящих в систему подачи
неконденсирующихся газов;
- уровень жидкости в мерном баке, предназначенном для измерения объема
образовавшегося конденсата;
- относительную величину расхода неконденсирующихся газов при сдувке из
холодного коллектора ПГ.
Кроме того, модель ПГ оснащена более чем 100 термопарами, позволяющими
контролировать параметры сред первого и второго контуров стенда, как в трубчатке,
так и в межтрубном пространстве парогенератора [1].
Регистрация давления по контуру стенда выполнялась с помощью
пьезорезисторных датчиков избыточного давления Метран-100-ДИ. Измерение уровней
на стенде производилось гидростатическим методом с помощью датчиков разности
давлений Метран-100-ДД. Для измерения температуры применялись кабельные
термопары диаметром 1,0 мм. Расход технической воды через имитатор СПОТ
контролировался с помощью измерения перепада давления на расходомерной шайбе
прибором Метран-100-ДД. Частота опроса измерительных каналов системы сбора
составляла 1 Гц.
Измерение расхода пара на входе в модель ПГ осуществлялось с помощью
вихревого счетчика пара Метран-332 с частотой 0,125 Гц.
Приведённая погрешность каналов измерения температуры состоит из
погрешности модулей усиления (0,8%) и погрешности тарировочной характеристики
термопар (0,1%) и составляет 0,81%. Приведённая погрешность каналов измерения
давления и уровня состоит из погрешностей усилителей токового сигнала - (0,1%),
датчиков “Метран-100” – (0,25%) и составляет 0,3%. Погрешность измерения расхода
пара в первом контуре определяется погрешностью вихревого счетчика пара “Метран332” и составляет 1,5%.
2 Методика проведения экспериментов, граничные и начальные условия
Граничные и начальные условия экспериментов на крупномасштабном стенде
задавались на основе результатов расчетного моделирования процессов в реакторной
установке. Анализ запроектной аварии с разрывом “горячей” ветки главного
циркуляционного трубопровода (ГЦТ) был выполнен по программе ТЕЧЬ-М-97 [2].
Исходя из результатов расчетов (рисунок 5) давление в экспериментах по
исследованию влияния неконденсирующихся газов на работу модели ПГ в
конденсационном режиме поддерживалось в диапазоне 0,36-0,38 МПа.
Рис. 5. Изменение давления на выходе из активной зоны реактора НВ АЭС-2
в случае запроектной аварии с разрывом “горячей” ветки ГЦТ
Мощность теплообменников системы пассивного отвода, определяющих
конденсационную мощность парогенератора, зависит от давления в парогенераторе и
температуры окружающего воздуха. Для проекта НВ АЭС-2, исходя из среднегодовых
значений температур, был выбран диапазон температуры от -37 до +38 0С. Исходя из
консервативного подхода, для моделирования на стенде был выбран режим с
минимальным количеством образующегося в ПГ конденсата, т.е. наиболее
неблагоприятный с точки зрения охлаждения АЗ. На рисунке 6 показана зависимость
мощности СПОТ НВ АЭС-2 от давления в парогенераторе при максимальной
температуре атмосферного воздуха +38 0С. Данная характеристика была получена
экспериментально на полномасштабной модели СПОТ в ОКБ “Гидропресс”.
Учитывая масштаб модели ПГ стенда ГЕ2М-ПГ – 1:46 и то, что на стенде
моделируется только один из четырёх каналов системы СПОТ, итоговая величина
конденсационной мощности модели ПГ в экспериментах с подачей газов на стенде
составила 77 кВт.
В экспериментах без неконденсирующихся газов величина конденсационной
мощности выбиралась исходя из характеристики теплообменника СПОТ при заданном
давлении с учетом масштабного коэффициента стенда при условии изменения
температуры атмосферного воздуха от +38 до -37 0С. Таким образом, диапазон
изменения мощности в экспериментах составил 75-170 кВт.
Рис. 6. Зависимость мощности СПОТ НВ АЭС-2 от давления в парогенераторе при
температуре атмосферного воздуха +38 0С
Концентрация неконденсирующегося газа на входе в модель ПГ определялась
исходя из расчетных данных по газогенерации в первом контуре НВ АЭС-2 в случае
запроектной аварии. В качестве интервала времени для расчета концентраций газов
была выбрана длительность работы расходной ступени дополнительной системы
пассивного залива активной зоны (система ГЕ-2). Это было обусловлено тем, что
расход воды из гидроёмкостей определяет расход замещающего её пара из холодного
коллектора парогенератора, а, следовательно, и расход сдувки парогазовой смеси из
трубчатки ПГ.
Для моделирования на стенде был выбран интервал работы первой ступени
системы ГЕ-2, когда, в соответствии с расчетами, газогенерация в активной зоне
максимальна. Основными источниками неконденсирующихся газов являются азот из
гидроаккумуляторов и продукты терморадиолиза воды. Вместо водорода в
экспериментах на стенде использовался гелий, подававшийся с той же мольной
концентрацией, что и водород. Таким образом, в ходе эксперимента на вход модели ПГ
подавалась парогазовая смесь с концентрациями азота СN2=2,095 г N2/кг пара и гелия
CHe=0,047 г He/кг пара.
Тепловые потери стенда зависели от рабочего давления и складывались из потерь с
поверхности корпуса модели ПГ и потерь по длине трубопроводов. Оцененная
величина тепловых потерь составила 18 кВт.
Программа экспериментов на стенде ГЕ2М-ПГ состояла из трёх этапов:
- эксперименты по исследованию конденсации пара в трубчатке ПГ в отсутствии
неконденсирующегося газа;
- опыты по изучению конденсации пара в модели ПГ с подачей смеси
неконденсирующихся газов;
- эксперименты по изучению процессов конденсации пара в модели ПГ в
присутствии неконденсирующегося газа с оттоком парогазовой смеси.
Задачей экспериментов с чистым паром являлось определение конденсационной
мощности модели ПГ стенда ГЕ2М-ПГ при отсутствии неконденсирующихся газов.
Целью опытов являлось определение зависимости конденсационной мощности модели
парогенератора от величины давления (температуры) во втором контуре. Изменяемыми
параметрами являлись расход охлаждающей воды на имитаторе теплообменника СПОТ
и величина давления в первом контуре стенда.
Целью второго этапа экспериментов - с парогазовой смесью без сдувки газов,
являлась оценка влияния неконденсирующихся газов в паре на конденсационную
мощность модели ПГ. Целью экспериментов было получение зависимости,
описывающей снижение конденсационной мощности ПГ по мере его отравления, при
фиксированных значениях давления первого контура и расхода охлаждающей воды на
имитаторе теплообменника СПОТ.
Задачей заключительного этапа экспериментов являлась оценка влияния оттока
неконденсирующихся газов из первого контура стенда на конденсационную мощность
модели ПГ.
Эксперименты на крупномасштабном стенде ГЕ2М-ПГ выполнялись по следующей
методике. В начале эксперимента проводился последовательный прогрев паром бака Б3,
модели ПГ, теплообменника имитатора СПОТ, а также трубопроводов, образующих
первый и второй контуры стенда. Прогрев стенда происходил до установления в
контурах стенда стационарных параметров среды: давление Р1  Р2 = Рпар, температура
t = ts. Определяющим показателем прогрева стенда служило равномерное тепловое поле
по высоте объёма котловой воды ПГ и стабильность давлений в 1 и 2 контурах стенда.
Одновременно, с целью недопущения наличия в контурах паровоздушной смеси,
открытием соответствующих продувочных вентилей, обеспечивалась сдувка воздуха из
трубопроводов и основного оборудования стенда.
Затем с помощью арматуры на контуре технической воды устанавливались
необходимые значения конденсационной мощности ПГ и давления среды в 1 и 2
контурах стенда. После перехода стенда на новый стационарный режим производилась
запись параметров с помощью системы сбора.
Далее в соответствии со сценарием эксперимента на вход модели ПГ начиналась
подача неконденсирующегося газа с заданной концентрацией, а также, в экспериментах
с оттоком парогазовой смеси, начиналась сдувка парогазовой смеси из трубчатки ПГ.
Расход сдувки парогазовой смеси - 0,217 л/с, соответствовал проектной сдувке ПГС в
объем баков системы ГЕ-2 на первой ступени расходной характеристики, с учетом
масштаба стенда.
3 Результаты экспериментальных исследований
3.1 Эксперименты без неконденсирующегося газа
Эксперименты в отсутствии неконденсирующегося газа были проведены при
давлении 0,36 МПа в диапазоне мощностей 75-170 кВт. На основании обработки
результатов экспериментов была получена зависимость конденсационной мощности
модели ПГ от температуры второго контура стенда, приведённая на рисунке 7. Средняя
конденсационная мощность парогенератора определялась по величине поступающего
на вход в модель ПГ расхода пара, при условии его полной конденсации в трубчатке и
отсутствия выхода через гидрозатвор первого контура. Высота жидкости в
гидрозатворе определялась по показаниям уровнемера.
На рисунке 8 показаны изменения избыточного давления первого и второго
контуров стенда в эксперименте, проведенном при минимальной конденсационной
мощности модели парогенератора Nкон = 76 кВт.
Рис. 7. Зависимость конденсационной мощности модели ПГ
от температуры второго контура стенда. P1=0,357-0,361 МПа
Рис. 8. Изменение избыточного давления на стенде ГЕ2М-ПГ в эксперименте.
Nкон=76 кВт. 1 – давление в первом контуре, 2 – давление во втором контуре
Так как основной измеряемой величиной в экспериментах являлся расход пара на
входе в модель ПГ, то его измерение в опытах, как уже было сказано выше,
проводилось двумя способами – с помощью вихревого расходомера и измерением
объёмов конденсата, образующегося в трубчатке парогенератора. На рисунке 9
показано сравнение результатов этих измерений.
Рис. 9. Массовый расход конденсата в экспериментах без газов.
P1=0,357-0,361 МПа, Nкон=76-167 кВт
Как видно из рисунка 9, наблюдается достаточно хорошее совпадение результатов
измерений. Максимальная разность между ними составила 6 %.
Таким образом, в ходе экспериментов без неконденсирующегося газа были
получены базовые значения конденсационной мощности модели парогенератора,
которые использовались в дальнейшем в экспериментах с подачей смеси
неконденсирующихся газов.
3.2 Эксперименты с подачей смеси неконденсирующихся газов
Эксперимент по исследованию влияния неконденсирующихся газов на работу
парогенератора в конденсационном режиме проводился при давлении первого контура
Р1=0,371 МПа и начальной конденсационной мощности ПГ Nкон=76 кВт. После
стабилизации параметров первого и второго контуров на стенд подавалась
трёхкомпонентная парогазовая смесь, содержащая азот и гелий в заданных
концентрациях. Общее время подачи газа составило около 17000 с.
На рисунке 10 показано изменение конденсационной мощности модели ПГ в
эксперименте с подачей газов. Из рисунка видно значительное снижение
конденсационной мощности ПГ в ходе опыта - с 76 до 20 кВт, т.е. почти в 4 раза. Такое
уменьшение мощности было вызвано накоплением неконденсирующихся газов в
трубном пучке и соответственным уменьшением площади работающей теплообменной
поверхности.
На рисунке 11 показано изменение избыточного давления на входе в модель ПГ в
эксперименте. Как видно из рисунка, в ходе опыта с помощью системы поддержания
давления стенда ГЕ2М-ПГобеспечивалась достаточно хорошая стабильность
параметров среды в первом контуре. Амплитуда колебания давления за время всего
эксперимента не превышала ±0,002 МПа.
Таким образом, в результате эксперимента было достигнуто отравление
парогенератора и показано негативное влияние неконденсирующихся газов на работу
парогенератора в конденсационном режиме.
Рис. 10. Конденсационная мощность модели ПГ в эксперименте с подачей газов
Рис. 11. Изменение избыточного давления на входе в модель ПГ
в эксперименте с подачей газов
3.3 Эксперименты с оттоком парогазовой смеси
Эксперименты с оттоком парогазовой смеси были проведены при следующих
начальных условиях - давление Р1=0,379 МПа, конденсационная мощность ПГ Nкон=76
кВт. Сдувка парогазовой смеси осуществлялась с нижней точки холодного коллектора
модели парогенератора. Величина расхода сдувки выставлялась перед подачей на стенд
неконденсирующихся газов, её величина в эксперименте составила 0,217 л/с, что
соответствует оттоку ПГС в объём ёмкостей системы ГЕ-2 на первой ступени расходной
характеристики.
После стабилизации расхода сдувки на стенд начинали подаваться
неконденсирующиеся газы с таким расходом, чтобы массовая концентрация в смеси
поддерживалась на следующем уровне: СN2=2,095 г N2/кг пара, CHe=0,047 г He/кг пара.
Длительность подачи газов на стенд в 1,5 раза превысила длительность первой ступени
расходной характеристики системы ГЕ-2 и составила около 6000 с.
На рисунке 12 показано изменение величины конденсационной мощности в
эксперименте с оттоком парогазовой смеси из холодного коллектора модели ПГ. Из
рисунка видно, что после начала подачи газов конденсационная мощность падает до
уровня 55 кВт, а затем плавно возрастает и стабилизируется на отметке 67 кВт, что на
12% ниже первоначальной величины, но, тем не менее, позволяет говорить о
работоспособности ПГ в таком режиме.
На рисунке 13 показано изменение избыточных давлений в 1 и 2 контурах стенда в
ходе эксперимента. Из рисунка видно, что давление первого контура регулируется с
помощью системы поддержания давления и остаётся стабильным в течении всего
опыта. Давление второго контура при этом снижается с 0,346 до 0,32 МПа. Такое
изменение основных регистрируемых параметров стенда говорит о том, что в ходе
эксперимента имело место ухудшение теплоотдачи в трубчатке ПГ, на наличие оттока
парогазовой смеси позволило поддержать конденсационную мощность парогенератора
на необходимом уровне.
Таким образом, в ходе опытов, проведённых на крупномасштабном стенде ГЕ2МПГ, получено экспериментальное подтверждение того, что парогенераторы НВ АЭС-2 в
условиях запроектной аварии имеют конденсационную мощность, достаточную для
поддержания эффективного теплоотвода СПОТ от реакторной установки.
Рис. 12. Конденсационная мощность ПГ в эксперименте с подачей газа и оттоком
парогазовой смеси
Рис. 13. Изменение избыточного давления на стенде ГЕ2М-ПГ в эксперименте
с подачей газа и оттоком парогазовой смеси.
1 – давление в первом контуре, 2 – давление во втором контуре
Заключение
Проведенные на крупномасштабном теплогидравлическом стенде ГЕ2М-ПГ
эксперименты подтвердили работоспособность модели ПГ реактора ВВЭР НВ АЭС-2 в
конденсационном режиме.
Опыты без неконденсирующихся газов были выполнены при давлении в первом
контуре 0,36 МПа, соответствующем давлению в реакторной установке в случае
разрыва трубопровода ГЦК. В результате получена зависимость конденсационной
мощности ПГ от температуры во втором контуре.
Эксперименты с наличием неконденсирующегося газа в паре первого контура
позволили определить характеристики процессов отравления парогенератора и
установить, что наличие неконденсирующихся газов приводит к значительному
снижению конденсационной мощности ПГ. Это может привести к ухудшению условий
теплоотвода от АЗ.
Опыты с оттоком газов показали, что отвод парогазовой смеси с расходом,
соответствующим расходу первой ступени системы ГЕ-2, позволяет сохранить
необходимую конденсационную мощность ПГ, достаточную для поддержания
эффективного теплоотвода от реакторной установки.
Список литературы
1. Калякин С.Г., Ремизов О.В., Таранов Г.С. и др. Исследование работы
парогенератора реактора ВВЭР в конденсационном режиме на крупномасштабном
стенде // Сборник трудов 16ой международной конференции по ядерной технике
ICONE 16 - Орландо, Флорида, США, 2008. – ICONE16 – 48842
2. Особенности проекта АЭС нового поколения с реактором ВВЭР-1000 повышенной
безопасности / В.М. Беркович, И.И. Копытов, Г.С. Таранов и др. // Теплоэнергетика.
2005. №1. С. 9–15.