1 - Гидропресс

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ВЕРИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ ПОВЕДЕНИЯ
НЕКОНДЕНСИРУЮЩИХСЯ ГАЗОВ РК КОРСАР/ГП
А.Н. Гудошников, Ю.А. Мигров
ФГУП "НИТИ им. А.П. Александрова", г. Сосновый Бор, Ленинградская обл., Россия
В течение 2007-2008 г.г. был продолжен процесс тестирования, верификации и
совершенствования РК КОРСАР/ГП, в том числе, в части обоснования моделей
поведения неконденсирующихся газов в теплоносителе.
Для обоснования корректности моделирования явлений в соответствии с матрицей
верификации по эффектам неконденсирующегося газа, таких как распространение и
накопление газа в элементах первого контура и его влияние на теплообмен в
горизонтальных парогенераторах использовались эксперименты по исследованию
конденсации пара в присутствии азота внутри труб горизонтального парогенератора,
выполненных на интегральном стенде ОКБ «Гидропресс», а также зарубежные
локальные эксперименты по исследованию конденсации парогазовых смесей в
горизонтальной трубе.
Эксперимент по конденсации пара в присутствии азота внутри труб
горизонтального парогенератора на стенде ОКБ «Гидропресс»
Краткое описание экспериментальной установки
Интегральный стенд ОКБ «Гидропресс» [1, 2] состоит из модели реактора (МР),
одной петли и 4-трубной модели парогенератора (МПГ). Взаимное расположение этого
оборудования по высоте воспроизведено по отношению к реакторной установке ВВЭР1000 в масштабе - 1:1. Образование пара в активной зоне имитируется подачей пара в
нижнюю часть МР от постороннего источника.
МР (рис. 1) выполнена из трубы Ø 114×12 мм высотой 9,476 м с шахтой из трубы
Ø 76×4,5 мм высотой 4,825 м.
МПГ (рис. 1) выполнена из 4-х натурных теплообменных труб Ø 16×1,5 мм длиной
10,835 м, расположение которых по высоте воспроизводит высоту трубного пучка
ПГВ-1000, равную 2,1 м. Каждая труба заключена в кожух из трубы Ø 32×3 мм, через
который прокачивается охлаждающая вода с регулируемой температурой за счет
подогрева в теплообменнике. Расход воды поддерживается в пределах 450-650 кг/ч на
одну трубу и контролируется расходомерами. Выступающие наружу необогреваемые
концы труб подключены к коллекторам, изготовленным из трубы Ø 32×3 мм. Наклон
труб в сторону коллекторов принят натурным, т.е. возвышение гибов труб над их
концами составляет примерно 20 мм. Для предотвращения деформации под действием
силы тяжести трубы имеют по 5 точек опоры.
Модель циркуляционной петли выполнена из трубы Ø 32×3 мм с развернутой
длиной 8,99 м. Натурная длина трубопроводов петли не воспроизводится, кроме
гидрозатвора на холодной нитке. Его высота равна 2,430 м.
Соотношение объемов между элементами первого контура на стенде не выдержано
из-за малого масштаба стенда.
На стенде предусмотрена организация течи на холодной или горячей нитке.
Методика проведения эксперимента
В эксперименте [3] исследовалась возможность аварийного расхолаживания
реакторной установки посредством теплоотвода через парогенераторы в определенном
классе аварий с некомпенсируемой малой течью теплоносителя из горячей нитки
первого контура. Конденсация пара внутри труб парогенератора в этом случае
осложняется выделением из воды гидроаккумуляторов высокого давления
растворенного азота. Парогенератор в этом случае может оказаться лимитирующим
звеном в системе пассивного отвода тепла из-за «отравления» трубчатки
неконденсирующимся газом. В условиях течи из горячей нитки создаются предпосылки
для его накопления в трубчатке парогенератора.
Эксперимент проводился в следующей последовательности. Устанавливалась
выбранная температура охлаждающей воды на входе в МПГ. МР и холодная нитка
заполнялись водой до уровня между входным и выходным патрубками. Далее
включалась подача пара, проводилось воздухоудаление путем продувки пара через
воздушники коллекторов МПГ. После этого стенд выходил на стационарный режим с
давлением в первом контуре, соответствующим температуре охлаждающей воды. С
этого момента начиналась подача азота от баллона, которая была приблизительно
постоянной и длилась около 1,5 часов. Давление в первом контуре начинало расти, хотя
конденсация в трубах МПГ продолжалась с прежней интенсивностью.
Рис. 1. Общий вид стенда
Начальные условия (до подачи азота) были следующими:
температура охлаждающей воды перед МПГ – 176 °C;
расход охлаждающей воды по трубам МПГ (считая снизу) – 320, 450, 310, 310 кг/ч;
давление в 1-м контуре – 0,94 МПа;
подача пара – 17,7 кг/ч.
Далее подавлся азот с расходом 370 г/ч, который самопроизвольно снижался к
концу опыта до 100 г/ч как из-за истощения баллона, так и повышения давления в
контуре. Всего было введено 366 г азота. Подача пара и уровень воды в МР
поддерживались постоянными.
Численное моделирование эксперимента
Для верификации версии РК КОРСАР/ГП был выполнен расчетный анализ
эксперимента. В расчетной модели стенда (рис. 2) представлены МР, 4-х трубная МПГ
и петля теплообмена с гидрозатвором на холодной нитке.
4
t20
b
l_
vo
4
s10
hc
4
2 h10
c
1
hc
s2
ch 04
2
17 04
smass_t204
32
17
1
3
t20
ol_
bv
3
s10
hc
3
2 h10
c
1
smass_t203
hc
s20
3
ch
17 203
32
4
14
2
t20
b
l_
vo
2
s10
hc
2
2 h10
c
1
smass_t202
hc
s2
ch 02
17 202
32
11
7
hcs9
1
t20
ol_
12
bv
1
s10
hc
1
2 h10
c
1
smass_t201
hc
s20
1
ch
17 201
32
8
10
ch8
hcs8
11
7
hcs132
1
3
2
6
ch132
1
20
smass_t1
hcs4
ch150
20
hcs3
ch3
ch2
1
1
2
1
49
hcs2 hcs150
smass_t1
48
45
44
ch4
hcs5
30
33
32 31
Рис. 2. Нодализационная схема стенда для кода КОРСАР/ГП
К 17-й ячейке канала ch2, моделирующей кольцевой зазор опускного участка,
подключен выход холодной нитки (ch150, hcs150) петли теплообмена.
Теплопроводящая конструкция hcs2 моделирует корпус МР в районе опускного
участка.
Модель активной зоны описана каналом ch3 и теплопроводящей конструкцией
hcs3, моделирующей шахту МР.
Модель верхней камеры описана каналом ch8 и теплопроводящими конструкциями
hcs8 и hcs9, моделирующими боковую стенку и крышку корпуса МР.
К третьей ячейке ch8 подключен вход горячей нитки (ch132, hcs132) петли
теплообмена.
Модель нижней камеры описана каналом ch4 и теплопроводящими конструкциями
hcs4 и hcs5, моделирующими боковую стенку и днище корпуса МР.
Трубный пучок МПГ представлен четырьмя каналами ch101, ch102, ch103, ch104 и
теплопроводящими конструкциями hcs101, hcs102, hcs103, hcs104, моделирующими
стенки трубок.
МПГ по второму контуру моделируется каналами ch201, ch202, ch203, ch204 и
теплопроводящими конструкциями hcs201, hcs202, hcs203, hcs204 с граничными
условиями на внешней поверхности, соответствующими теплопотерям от стенок.
Подача охлаждающей воды осуществляется с помощью элемента smass_t. Слив
охлаждающей воды производится в соответствующие граничные ячейки bvol_t.
Подача пара и парогазовой смеси смоделирована источником массы smass_t1,
подсоединенным к первой ячейке канала ch3.
Система регулирования уровня в МР смоделирована с помощью управляемого
источника массы smass_t3, подсоединенного ко второй ячейке модели нижней камеры
ch4 (в районе расположения дренажных патрубков стенда).
Моделирование потерь тепла в окружающую среду осуществлялось заданием
соответствующих граничных условий.
Анализ результатов численного моделирования эксперимента
Результаты расчета в сопоставлении с экспериментальными данными [2]
представлены на рис. 3 - 9.
На рис. 3 показан график накопления азота в первом контуре. Так как это
задаваемый параметр, то совпадение с экспериментом должно было быть идеальным,
но для упрощения моделирования подачи азота с помощью элемента smass_t по
экспериментальному графику накопления вычислялась зависимость текущего расхода
от времени и аппроксимировалась полиномом второго порядка. Поэтому в отдельные
моменты имеются отклонения от эксперимента, но итоговое количество совпадает с
экспериментальным. Азот, попадая в парогенератор, начинает накапливаться там и
приводит к уменьшению парциального давления пара. При той же исходной
температуре пар становится перегретым, конденсация на стенках прекращается, что
приводит к ухудшению теплоотдачи и вызывает рост давления (рис. 4). При ухудшении
теплоотдачи стенки вместе с парогазовой смесью начинают остывать, пока не будет
достигнута температура насыщения, соответствующая парциальному давлению пара, и
установится новое равновесие. Чем выше концентрация азота, тем сильнее остывает
стенка. На рис. 6 – 9 показано изменение температур на входе в МПГ (во входном
коллекторе) и на выходе МПГ (в выходном коллекторе). В водяном объеме МР
температура теплоносителя имеет значения, близкие к температуре насыщения
относительно полного давления в контуре (рис. 5).
Поведение накопленного в МПГ газа зависит от того, легче он или тяжелее
водяного пара. В экспериментах [1], которые проводились с гелием, он накапливался в
МПГ, поочередно заполняя и «отравляя» трубы в направлении сверху вниз. Поскольку
легкий газ накапливался преимущественно в верхней части, это состояние было
устойчивым. В случае азота состояние, наоборот неустойчивое. В выходном
коллекторе МПГ плотность смеси больше, чем во входном, и под действием разности
плотностей возникает обратное течение обогащенной азотом смеси через нижние
трубы. В расчете также наблюдается обратное течение парогазовой смеси через нижние
трубы, но движение является неустойчивым и носит колебательный характер. Из-за
недостаточности экспериментальных данных характер движения парогазовой смеси в
опыте 1 неясен. Так как имеются различия по температурам между данными опыта и
расчетными значениями, то требуется дальнейшая верификация РК КОРСАР/ГП по
другим экспериментам.
M, кг
P, МПа
0.4
5
4
0.3
3
КОРСАР
Эксперимент
0.2
КОРСАР
Эксперимент
2
0.1
1
с
0.0
0
1000
2000
3000
4000
5000
с
0
6000
0
Рис. 3. Масса введенного азота
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Рис. 4. Давление в верхней камере
T, oC
T, oC
300
300
КОРСАР
Эксперимент
КОРСАР
Эксперимент
250
250
200
200
с
150
0
1000
2000
3000
4000
5000
с
150
6000
0
Рис. 5. Температура в водяном объеме МР
1000
2000
3000
4000
T, oC
6000
T, oC
250
300
КОРСАР
Эксперимент
КОРСАР
Эксперимент
200
250
150
200
с
100
0
5000
Рис. 6. Температура в верхней части
входного коллектора
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Рис. 7. Температура в верхней части
выходного коллектора
с
150
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Рис. 8. Температура в нижней части
входного коллектора
T, oC
250
КОРСАР
Эксперимент
200
150
с
100
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Рис. 9. Температура в нижней части
выходного коллектора
Эксперименты Wu и Vierow по конденсации пара из парогазовой смеси в
горизонтальной трубе
Для верификации модели теплообмена со стенкой РК КОРСАР/ГП при
пленочной конденсации пара из паровоздушного потока в горизонтальной трубе
использовались экспериментальные данные Wu, Vierow и др. [4, 5].
Краткое описание экспериментальной установки и сценария эксперимента
На рис.10 представлена общая схема экспериментальной установки, состоящая из
парогенератора, трубопроводов воздуха и охлаждающей воды, рабочего участка,
системы сбора конденсата, баков запаса воды и системы измерений. Все нагреваемые
элементы установки были теплоизолированы. Парогенератор представляет собой сосуд
из нержавеющей стали с тремя электронагревателями по 50 кВт и регулятором
мощности. Выходящий пар отделяется от капельной влаги на сепараторе и смешиваясь
с воздухом по трубопроводу из нержавеющей стали диаметром 25.4 мм поступает в
рабочий участок. Для охлаждения рабочего участка используется водопроводная вода.
Конденсат собирается на выходе из рабочего участка в специальный бак с
возможностью визуального контроля уровня. С помощью системы газоотвода перед
входом в рабочий участок давление на входе поддерживается постоянным. Для
контроля температуры используется 109 термопар, измеряются расходы пара, воздуха и
охлаждающей воды. Для измерения давления на входе в рабочий участок используется
датчик с диапазоном 0-500 кПа, также измеряются давление на линии подвода воздуха
и разность давлений на участке конденсации.
На рис.11 и рис. 12 представлены поперечный и продольный разрезы рабочего
участка с расположением точек измерения температуры. Рабочий участок состоит из
трубы (нержавеющая сталь SS304) Ø31.75×2.1 и внешнего охладителя (поликарбонат),
имеющего внутреннюю цилиндрическую полость Ø63.5, через которую прокачивается
вода в противотоке с протекающей по трубе паровоздушной смесью. Длина участка
теплообмена составляет 3.0 м.
Для верификации РК КОРСАР/ГП был выбран экспериментальный режим со
следующими параметрами: расход пара на входе в рабочий участок - 0.0115 кг/с;
массовая доля воздуха на входе в рабочий участок - 5%; давление паровоздушной
смеси на входе в рабочий участок - 200 кПа; расход и температура охлаждающей воды 1.48 кг/с и 45 ºC, соответственно.
Рис. 10. Схема экспериментальной установки
Tco,top(z)
Two,top(z)
Twi,top(z)
уплотнитель
Twi,bot(z)
Two,bop(z)
Tco,bop(z)
Рис. 11. Поперечный разрез рабочего участка
длина участка конденсации (3 м)
вход охл. воды
выход охл. воды
вход паровоздушной смеси
вход охл. воды
выход охл. воды
Рис. 12. Продольный разрез рабочего участка
На рис.13 приведены экспериментальные данные по распределению температуры
вдоль стенки трубы для выбранного режима (точки измерения указаны на
рис. 11, рис. 12), где Tcl - температура смеси по оси трубы, Twi,top - температура
внутренней стенки трубы в верхней части, Twi,bot - температура внутренней стенки
трубы в нижней части, Two,top - температура внешней стенки трубы в верхней части,
Two,bot - температура внешней стенки трубы в нижней части, Tco,top - температура
охлаждающей воды в верхней части, Tco,bot - температура охлаждающей воды в
нижней части.
Рис. 13. Распределение температур вдоль рабочего участка
Численное моделирование эксперимента
Нодализационная схема для расчетов экспериментов Wu и Vierow по коду
КОРСАР/ГП изображена на рис.14.
smass_t2
ch2
bvol_t2
1
bljun1
30 31
hcs1 1
30
2
31
1
ch1
bljun1
bvol_t1
smass_t1
Рис. 14. Нодализационная схема экспериментальной установки
Рабочий участок представлен в нодализационной схеме элементами канал и
теплопроводящая конструкция, разбитыми на 30 одинаковыx расчетных ячеек. Канал
CH1 моделирует двухфазный поток в трубе, а теплопроводящая конструкция HCS1 стенку трубы. Канал CH2 моделирует поток охлаждающей воды в кольцевом канале.
Расходы компонент, температура паровоздушной среды на входе в рабочий участок и
давление теплогидравлической системы задаются посредством источника массы
SMASS_T и граничной ячейки BVOL_T, соответственно. Для возможности
подключения элемента SMASS_T (источник массы) на входе в трубу CH1 и кольцевой
канал CH2 добавлено еще по одной ячейке, чтобы поток, соприкасающийся в первых
ячейках с теплопроводящей конструкцией, был с ненулевой скоростью.
На рис. 16 – 19 представлено сопоставление результатов расчетов с
экспериментальными данными по температурам паровоздушной смеси, температурам
стенки и температурам охлаждающей воды.
В статье [4] были также предприняты попытки протестировать модель конденсации
пара в присутствии неконденсирующегося газа кода RELAP5/MOD3.3, сравнив
результаты расчета и эксперимента. Для этого была создана расчетная модель рабочего
участка, использующая следующую нодализационную схему.
Рис. 15. Нодализационная схема рабочего участка установки
(RELAP5/MOD3.3)
Здесь pipe 100 моделирует двухфазный поток в трубе, а heat structure 200 - стенку
трубы. Annulus 300 моделирует поток охлаждающей воды в кольцевом канале. Расходы
компонент, температура паровоздушной среды на входе в рабочий участок и давление
теплогидравлической системы задаются посредством tmdpjun и tmdpvol,
соответственно. Pipe 100 и anuulus 300 имеют по 30 расчетных ячеек.
На рис. 20 представлено сопоставление результатов расчетов указанного режима по
РК КОРСАР/ГП с представленными в статье [4] экспериментальными данными и
расчетом по коду RELAP5/MOD3.3 по плотности теплового потока на внутренней
стенке трубы.
140
120
120
100
Температура (oC)
Температура (oC)
140
КОРСАР
Экспер. (осевая линия трубы)
80
60
40
100
80
60
40
0
1
2
Расстояние от входа (м)
3
Рис. 16. Температура паровоздушной
смеси
140
1
2
Расстояние от входа (м)
140
Температура (oC)
120
0
3
Рис.17. Температура внутренней стенки
трубы
КОРСАР
Экспер. (нижн. часть трубы)
Экспер. (верх. часть трубы)
100
80
60
40
КОРСАР
Экспер. (нижн. часть трубы)
Экспер. (верх. часть трубы)
120
100
80
60
40
0
1
2
Расстояние от входа (м)
Рис. 18. Температура внешней стенки
трубы
Плотность теплового потока (кВт/м2)
Температура (oC)
КОРСАР
Экспер. (нижн. часть трубы)
Экспер. (верх. часть трубы)
250
3
0
1
2
Расстояние от входа (м)
3
Рис.19. Температура охлаждающей воды
RELAP
КОРСАР
Экспер. (нижн. ч. трубы)
Экспер. (верхн. ч. трубы)
200
150
100
50
0
0
1
2
Расстояние от входа (м)
Рис. 20. Плотность теплового потока на внутренней стенке трубы
3
Из рис.16 - 19 видно хорошее согласование расчетных кривых и экспериментальных
точек. Небольшое завышение температур стенки, полученное в расчете по РК
КОРСАР/ГП можно объяснить невозможностью учета с помощью одномерного
расчетного кода пространственных эффектов стекания пленки в нижнюю часть трубы,
приводящих к разверке температур стенки по периметру трубы. Из
рис. 20 хорошо виден этот недостаток одномерных кодов, какими являются
RELAP5/MOD3.3 и КОРСАР/ГП, одинаково занижающих плотность теплового потока
на внутренней стенке трубы по сравнению с экспериментом.
Выводы
По результатам проведенных верификационных расчетов можно сделать
вывод, что РК КОРСАР/ГП в достаточной мере воспроизводит такие явления, как
распространение неконденсирующегося газа с потоком теплоносителя, его накопление
и влияние на теплообмен в осушенном горизонтальном трубном пучке. Кроме того, при
соблюдении адекватности параметров парогазового потока на входе в горизонтальную
трубу код с достаточной для одномерного кода точностью воспроизводит
распределение измеренных в стационарных условиях температур.
Список литературы
1. Исследование сепарации водорода и поведения гидрозатвора на модели 1-го
контура. Отчет 341-0-037, ОКБ «Гидропресс», 1983.
2. S.A. Logvinov, Yu.K. Sitnik. Influence of non-condensible gases on emergency
process course in primary circuit. International seminar on horizontal steam generator
modelling, v. 1, Lappeenranta, Finland, 1991.
3. Исследование конденсации пара в присутствии азота внутри труб
горизонтального парогенератора. Отчет 407-0-066, ОКБ «Гидропресс», 1995.
4. Wu T., Vierow K. Horizontal in-tube condensation in the presence of a
noncondensable gas //Proc. NURETH-11, Avignon, 2005.
5. Wu T., Tokuma H., Vierow K. Experimental investigation of steam condensation in a
horizontal tube in the presence of noncondensable gas //Proc. ICAPP’04, Pittsburgh,
2004.