Исследование функционирования систем безопасности при установке сетчатого фильтра приямка гермозоны

Исследование функционирования систем безопасности при установке сетчатого
фильтра приямка гермозоны
А. М. Амирджанян, О. А. Оганесян, Ц. А. Малакян
Центр ядерной и радиационной безопасности, Ереван, Республика Армения
1. Введение
Программа повышения безопасности Армянской АЭС предусматриваетувеличение
максимальной проектной аварии до разрыва трубопровода первого контура диаметром
2х209мм [1]. Для достижения даннойцелипланируется внедрение мероприятий по
модернизации существующих систем безопасности, в том числе системы аварийного
охлаждения активной зоны (САОЗ) и спринклерной системы. После модернизации САОЗ,
система сможет обеспечить долгосрочное охлаждение активной зоны в условиях низкого
давления в первом контуре. Данный эффект будет достигнут установкой трехходовых клапанов
с линиями рециркуляции. Планируемая модернизация спринклерной системы призвана
увеличить резервирование и пропускную способность системы добавлением дополнительного
насоса и разделением на два независимых канала. Однако для обеспечения должной
работоспособности вышеупомянутых систем, прежде всего, необходимо обеспечить
рециркуляцию через приямок гермозоны. Для решения данной задачи был установлен сетчатый
фильтр приямка гермозоны, который должен обеспечить необходимый для рециркуляции
расход, даже в условиях засорения мусором.
В данной работе были рассмотрены вопросы, связанные с функционированием насосов
САОЗ ВД и спринклерной системы Армянской АЭС, при новой проектной аварии с разрывом
дыхательного трубопровода КД после внедрения сетчатого фильтра приямка гермозоны.
2. Методика расчетов
Для проведения расчетов была разработана расчетная схема герметических помещений
ААЭС для кода COCOSYS [2,3]. Помещения гермозоны были смоделированы при помощи 26-х
узлов соединенных между собой 56-ю атмосферными и дренажными соединениями. Для
моделирования облицовки стен помещений были использованы 53 тепловые структуры. Модель
отражает состояние герметических помещений 2-го блока ААЭС после планируемых
модернизаций, т.е. с
улучшенной плотностью, модифицированной системой САОЗ и
установленным фильтром приямка (Рис. 1).
Основываясь на консервативном подходе, были выбраны начальные и граничные условия в
герметических помещениях ААЭС. Начальная температура атмосферы была принята равной
70°С в шахте реактора, и 65°С во всех других герметических помещениях. Начальная
температура в окружающей среде была принята равной 20°С. Степень насыщения во
всех герметических помещениях была принята равной 90%, и 20% в окружающей среде.
Давление было принято равным 100 кПа во всех герметических помещениях и в окружающей
среде.
Атмосфера
состоитиз азота
и
кислорода в
соответствии
с природным
составом (79% и 21%соответственно).
Для расчетов была выбрана авария с двухсторонним разрывом дыхательного
трубопроводакомпенсатора давления диаметром 2х209мм.
Консервативно принято, что работоспособны 4 насоса системы АПН. Также принято, что
работоспособны два насоса спринклерной системы, поскольку после планируемой
модернизации системы при учете единичного отказа будет работоспособен один канал
спринклерной системы.
Выбросы энергии и массы для данной аварии были рассчитаны при помощи кода RELAP5
MOD3 [4].
HS-SP5-S
A502
HS-A502-Wb
HS-A502-Wa
J501
SPRZ5
J209
HS-A502-F
ENVIROMENT
J211
HS-SP4-S
J502
J410
J118
HS-SG25-S
D331
D314
D315
D318
J206
SPRZ1
HS-SP1-Wb
J203
HS-SP1-Wa
SGBOX13
HS-SP1-F
D310
D330 J109
SGBOX11
SGBOX21
D300
RCAVITY
HS-SG11-F
HS-CAV-Wa
J104
SUMP
FILTER
HS-CAV-Wb
D351
Clogging
SUMPVOL
D301
HS-SG21-F
J107
SGBOX12
HS-SG12-W
J101
J106
SGBOX22
D313
HS-SG12-F
D302
J105
SASS1
HS-CAV-Fa
J131
HPIP
D316
HS-SP2-Wb
J112
D321
D320
J110
J101
HS-SG22-F
D350
J130
SPRZ2
D319
J113
D311
HS-SG13-W
D334
HS-SG22-W
HS-VLV-Wb
HS-VLV-Wa
HS-VLV-F
J200
HS-SP3-Wb
J204
D332
HS-SP2-Wa
SGBOX14
SGBOX23
J108
SPRZ3
J207
J100
J201
HS-SP3-Wa
J115
HS-VLV-S
VLV-R
J205
J117
HS-SG14-W
HS-MCP-Fa
HS-MCP-Fb
SGBOX15
HS-SG15-W
MCP
HS-MCP- HS-MCP- HS-MCPWa3
Wa2
Wa1
D333
HS-SG23-W
HS-AWT-F
J480
J208
HS-MCPWc
HS-SG24-W
AWT-R
SGBOX24
J111
HS-AWT-Wb
HS-AWT-Wa
HS-AWT-S
D312
HS-MCP- HS-MCP- HS-MCPWb3
Wb2
Wb1
HS-SG25-W
SASS2
J114
HS-A308-F
HS-SG15-S
HS-MCP-S
SGBOX25
J116
A308
HS-A308-Wb
SPRZ4
HS-A308-S
J210
HS-A308-Wa
ENVIROMENT1
HS-SP4-Wb
D317
VHPI
HS-SP5-Wb
HS-A502-S
D352
CASS2
J202
BAST
PASS
2
VASS2
VASS1
PASS
1
CASS1
Рис. 1Расчетная схема гермозоны Армянской АЭС
3. Расчетная модель модернизированного приямка
Для корректного моделирования эффектов рециркуляции, была внедрена модель
модернизированного приямка бокса ПГ и ГЦН с сетчатым фильтром [5].
Для достижения большой фильтрационной площади были установлены фильтрационные
модули с прямоугольным сечением, число и размер которых были определены основываясь на:
 количествегенерируемого мусора
 оценке эффектов потока
 расчетов
гидравлического
сопротивления
фильтра
и
предварительных
гидравлических тестов.
Проект предусматривает 65м2 фильтрационной поверхности. Фильтрационная поверхность
состоит из стальных перфорированных листов толщиной 4мм с отверстиями диаметром 10мм.
Внешняя поверхность перфорированных листов покрывается сеткой с размером стороны
ячейки0.7мм.
Для корректного моделирования уровня воды на полу в боксе ПГ и ГЦН, зависимость
объем-уровень была рассчитана и внедрена в модель COCOSYS (Рис. 2).
Рис. 2 Соотношение объема и уровня водыв гермозоне
Приямок и фильтры были смоделированы при помощи двух объемов. Первый объем
представляет нефильтруемый объем приямка. Второй объем представляет объем внутри
фильтрующих модулей. Эти два объема разделены сеткой (Рис. 3).
HS-SG22-W
SGBOX22
HS-SG22-F
D350
J130
D351
Clogging
SUMP
FILTER
SUMPVOL
J131
D352
J202
BAST
Рис. 3Нодализация приямка гермозоны
Для моделирования эффекта засорения фильтра была использована специальная модель
COCOSYS. Данная модель решает следующее уравнение для расчета гидравлического
сопротивления вследствие накопления мусора.
где
– дополнительные потери давления,
– коэффициент потерь, – плотность покрытия,
– скорость потока. Как следует из уравнения, потери давления вследствие накопления мусора
зависят от плотности покрытия мусора, и от коэффициента потерь. Данный коэффициент
определяется экспериментальным путем. Для ААЭС данный коэффициент был определен на
экспериментальной установке эксплуатируемой VUEZ и согласно полученным результатам для
разрыва трубопровода эквивалентным диаметром 100мм плотность покрытия мусором
составляет 1.05кг/м2, а потери давления составляют 3.3кПа. Исходя из этого значения,был
рассчитан коэффициент потерь для расхода 1550м3/час (максимальный проектный поток),
который равен 4.109.Также было учтено количество мусора генерируемого при разрыве
дыхательного трубопровода. Согласно исследованию GRS[6] при разрыве 2х209мм плотность
покрытия сетчатого фильтра мусором составляет 2.1кг/м2.
4. Результаты расчетов
Во время расчетов были оценены возможности спринклерной системы и взрывных клапанов
гермозоны поддерживать давление в гермозоне ниже атмосферного, для предотвращения
выхода радионуклидов за пределы герметической оболочки. Кроме того на основе результатов
расчета был оценен допустимый кавитационный запас (ДКЗ) насосов спринклерной системы и
САОЗ.
Вследствие разрыва и поступления пароводяной смеси в герметические помещение,
давление начинает повышаться и на 5-ой секунде от начала аварии доходит до уставки открытия
взрывных клапанов гермозоны. Однако из-за сопротивления клапанов их полное открытие
происходит с задержкой, и давление продолжает повышаться, достигая на 8-ой секунде
максимального значения – 1.95 бар. Начиная с этого момента и до 300-ой секунды клапаны
периодически открываются, и давление в герметических помещениях не превышает значения 2
бар (проектный предел). После 300-ой секунды давление в герметических помещениях начинает
снижаться по причине работающей спринклерной системы (система активируется на 48-ой
секунде). Давление в герметических помещениях продолжает снижаться и на 940-ой секунде от
начала аварии достигает атмосферного. Поскольку спринклерная система непрерывно
конденсирует пар,давление продолжает снижаться и достигает значения 0.61 бар на 3260-ой
секунде.Тут необходимо отметить, что на ААЭС отсутствует уставка автоматического
отключения спринклерной системы и система продолжает работать, несмотря на сильное
разрежение.Начиная с 3260-ой секунды давление в герметических помещениях медленно
повышается, и достигает атмосферного давления на 37000-ой секунде (Рис. 4).
Рис. 4 Давление в гермозоне
В данных расчетах было учтено засорение сетчатого фильтра приямка бокса ПГ и ГЦН
мусором, сгенерированным при разрыве дыхательного трубопровода, на 300-ой секунде с
начала аварии. Как было указано выше, при засорении фильтра приямка создается
дополнительное гидравлическое сопротивление, которое приводит к снижению расхода в
приямок, и, следовательно, к уменьшению количества поступающей воды в бак аварийного
запаса борной кислоты. После засорения фильтра начинается заполнение объема фильтра и на
2978-ой секунде уровень воды в приямке сравнивается с уровнем воды на полу бокса ПГ и ГЦН.
Дальнейший рост уровня воды вбоксе ПГ и ГЦН продолжается до 10000-ой секунды. К этому
времени гидростатическое давление,образующееся за счет уровня воды в боксе ПГ и ГЦН,
компенсирует сопротивление создаваемое засорением поверхности фильтра, и расход воды в
бак аварийного запаса борной кислоты сравнивается с количеством воды подаваемой на всас
насосов АПН и спринклерной системы (Рис. 5).Начиная с этого момента и до конца расчетов,
уровень воды в баке аварийного запаса борной кислоты остается на уровне 3.91м (Рис. 6).
Рис. 5 Уровень воды в приямке
Рис. 6 Уровень воды в баке Б-8/2
Для оценки кавитационного запаса (КЗ) насосов системы АПН и спринклерной системы
использовалась следующая формула
КЗ=
Где
– уровень воды в баке аварийного запаса борной кислоты,
– высотная отметка
всаса насоса,
– давление в герметических помещениях,
– давление насыщения на
всасе насоса при заданной температуре,
– потери напора на импеллере насоса,
–
плотность воды, – гравитационная константа.
Согласно техническим характеристикам насосов САОЗ ВД и спринклерной системы,
необходимый кавитационный запас должен составлять 6м и 8м соответственно. Как видно из
результатов, кавитационный запас насосов САОЗ ВД ниже необходимого значения начиная с
2500-ой секунды и до 5000-ой секунды аварии включительно (Рис. 7).
Рис. 7 Значение кавитационного запаса для насосов САОЗ ВД
Для насосов спринклерной системы значение кавитационного запаса ниже допустимого в
течение временного отрезка с 1600-ой секунды и до 13000-ой секунды включительно (Рис. 8).
Рис. 8 Значение кавитационного запаса для насосов спринклерной системы
Были проведены дополнительные исследования для определения условий при которых КЗ
насосов был на допустимом уровне. Для оценок были выбраны консервативные условия в
гермозоне. Поскольку в рамках программы комплексной модернизации ААЭС минимально
допустимое значение давления в гермозоне было равно 0.85 бар, то для оценки ДКЗ было
выбрано данное значение.
Для насосов САОЗ ВД, при максимальной температуре в баке запаса борного раствора Б-8/2
790С, и давлении в гермозоне равном 0.85 бар, необходимый кавитационный запас будет
достигнут при уровне в баке равном 2.71м.
Уровень
в Б-8/2
2
2.5
2.7
3
3.5
4
5.2
dH
1.600
2.100
2.300
2.600
3.100
3.600
4.800
Patm
8.673
8.673
8.673
8.673
8.673
8.673
8.673
Psat
4.617
4.617
4.617
4.617
4.617
4.617
4.617
Ploss
0.357
0.357
0.357
0.357
0.357
0.357
0.357
КЗ
5.299
5.799
6.000
6.299
6.799
7.299
8.499
Для насосов спринклерной системы, при тех же консервативных условиях, необходимый
кавитационный запас будет достигнут при уровне в баке равном 3.98м. Отклонение от
рассчитанного минимального уровня – 3.91м, составляет 1.8%
Уровень
dH
Pata
Psat
Plos
КЗ
в Б-8/2
2
2.5
3
3.5
3.91
3.98
5.2
7
2.245
2.745
3.245
3.745
4.155
4.225
5.445
7.245
8.673
8.673
8.673
8.673
8.673
8.673
8.673
8.673
4.542
4.542
4.542
4.542
4.542
4.542
4.542
4.542
0.357
0.357
0.357
0.357
0.357
0.357
0.357
0.357
6.019
6.519
7.019
7.519
7.929
8.000
9.219
11.019
5. Заключение
Основываясь на результатах анализов аварии с двухсторонним разрывом дыхательного
трубопровода КД с диаметром 2х209мм, можно сделать следующие заключения
 Пиковое давление в гермозоне равно 1.95 бар, что не превышает максимально
допустимое значение 2 бар
 Непрерывная работа спринклерной системы приводит к снижению давления в
гермозоне ниже атмосферного давления. В частности в данных расчетах было
достигнуто значение 0.61 бар, что ниже, минимально допустимого предела - 0.85 бар.
Следовательно, необходимо внедрение защиты от сильного разрежения.
 Расчет кавитационного запаса для насосов САОЗ ВД и спринклерной системы
показал, что во время аварии значение кавитационного запаса ниже, чем значение
необходимого кавитационного запаса. Были проведены дополнительные
исследования по выявлению минимального давления в гермозоне, при котором
квитанционный запасбудет выше минимально допустимого значения. Из результатов
расчетов следует, что значение кавитационного запасаостается в допустимых
пределах если давлении в гермозоне выше 0.85 бар.
 Результаты анализов показали, что количество воды в баке аварийного запаса борной
кислоты достаточно для обеспечения долгосрочного охлаждения активной зоны
(несмотря на недостаточный кавитационный запас)
Литература
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Comprehensive Modernization Program for Armenian NPP Unit 2 Prepared by
Consortium - NRI Rez, VUJE a.s, Armatom and NRSC Under IAEA Contract No
ARM9022-86943V
Klein-Heßling W., et al. COCOSYS V1.2 User's Manual, Gesellschaftfür Anlagen- und
Reaktorsicherheit (GRS) mbHGRS-P-3/2, July 2000
Improvement of the COCOSYS input deck for ANPP-2 with the configuration after
plant modernization and calculation of a DBA scenario, RT-GRS-01-12–A001, Ts.
Malakyan, H. Hovhannisyan, NRSC, Yerevan, January 2013
Accident analysis of double ended break of pressurizer surge line accident, NRSC, RTIAEA-01/10-D3.5-004_rev05, 2011
Strainer Head Loss Calculation and Conceptual Design Report (CDP), No.2008/156-410
VUEZ, 2010
P. Kelm, S. Arndt, H. Wolff Screening of ANPP sump strainer's documentation with
respect to extended DBA 2F DN200GRS-V-3611I01512 - 4/2012