Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ

"Киевский политехнический институт"

Коврижкиным ЮРИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

УДК 621.039.534

термоакустической неустойчивость ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

В АКТИВНОЙ ЗОНЕ Водоводяные

энергетическими реакторами

Специально 05.14.14 Тепловые и ядерные энергоустановки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Одесса-2001

Актуальность темы исследования.

Работа выполнена на кафедре атомных электрических станций Одесского государственного политехнического университета Министерства освигы и науки Украины.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Скалозубовым ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

профессор кафедры атомных электростанций

Одесского государственного политехнического университета

Офщйни оппоненты: доктор технических наук, профессор

ШРАЙБЕР АЛЕКСАНДР Авраамович

ведущий научный сотрудник Института

общей энергетики НАН Украины

кандидат технических наук, доцент

ШАРАЕВСКИЙ ИГОРЬ Георгиевич

доцент кафедры атомных электростанций и инженерной

теплофизики Национального технического университета

Украины "Киевский политехнический институт"

Ведущая организация: Научный центр "Институг ядерных исследований»

НАН Украины,. Киев.

Защита состоится "25" июня 2001 в 15 часов на

заседании ученого совета Д26.002.09 Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт" по адресу: 03056, Киев, проспект Победы, 37, корпус 5, аудитория 307.

3 дисертащиею можно ознакомиться в библиотеке Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт" по адресу: 03056, Киев, проспект Победы, 37.

Автореферат разослан "24" мая 2001

Ученый секретарь

Спещализованои ученого совета В.И.Коньшин

Общая хаТеристик работы

Актуальность проблемы. Главное направление развития атомной энергетики на современном этапе заключается в повышении безопасности и надежности ядерных энергетических установок. Для Украины такая тенденция наиболее актуальна, так как значительная часть энергоблоков в ближайшее время выработают назначенный ресурс. Поэтому проблемами обоснования возможности продления и управление ресурсом эксплуатации действующих энергоблоков или строительства новых реакторных установок повышенной надежности уже в это время активно занимаются отечественные и зарубежные специалисты.

Основные принципы, методы и способы реализации безопасности атомных электростанций, а также оценки вероятности возникновения тяжелых аварий и риска эксплуатации ядерных энергоустановок обосновываются в проектных и нормативных документах. В частности, в "Техническом обосновании безопасности", который разрабатывается на проектной стадии для каждого типа реакторов, проанализированы основные вопросы надежной эксплуатации систем оборудования ядерных энергетических установок, важных для безопасности.

Однако современный научно-техническое развитие раскрыл ряд проблем в области повышения надежности ядерных энергетических установок, которые, в частности, не рассматривались ранее в атомной энергетике. Одной из таких проблем, которые ранее не анализировались в "Техническом обосновании безопасности", является термоакустической неустойчивость активной зоны ядерных энергетических установок. Основные причины такой ситуации заключаются в следующем:

- в проектах реакторных установок отсутствуют соответствующие системы диагностики, позволяющие контролировать условия возникновения высокочастотных пульсаций давления теплоносителя;

- исторически исследования термоакустической неустойчивости возникли по проблемам ракетной техники.

термоакустической неустойчивость представляет собой процесс возникновения в канале с обогревом при определенных теплогидравлических параметрах (давление, температура на входе, тепловая нагрузка и расходы) самопидтримуючихся колебаний давления высокой частоты и амплитуды. В активной зоне ядерных энергетических учрежденияхк с водо-водяным энергетическим реактором движение теплоносителя осуществляется при значительных тепловых нагрузках и недогрева. Поэтому в активной зоне реактора при определенных условиях также могут возникнуть термоакустической колебания теплоносителя. Возникновение термоакустических колебаний может иметь нежелательные последствия: под действием циклических динамических нагрузок высокой частоты может происходить деформация и даже нарушение герметичности оболочек тепловыделяющих элементов. Указанные эффекты существенно влияют на надежность ядерных энергетических установок и на безопасность атомных электростанций в целом. Появление недопустимых розгерметизаций оболочек тепловыделяющих элементов не только влияет на безопасность эксплуатации, но приводит также к значительным материальным затратам, связанных с заменой кассет. По предварительным оценкам затраты на замену поврежденных кассет составляют около 400000 ... 1000000 USD / (блокрик). Анализ известных данных эксплуатации водо-водяных энергетических реакторов о повреждении оболочек тепловыделяющих элементов показывает, что в большинстве случаев коренные причины указанных нарушений не обнаружены или имеют весьма спорный характер. Поэтому определение возможных причин возникновения повреждения оболочек тепловыделяющих элементов, а также разработка адекватных мер по их устранению является актуальной задачей. Одной из возможных причин появления повреждения оболочек тепловыделяющих элементов возможно появление термоакустической неустойчивости теплоносителя в активной зоне.

Приведенные выше положения и определяют актуальность диссертации, которая состоит в необходимости анализа надежности эксплуатации реактора относительно условий возникновения термоакустической неустойчивости теплоносителя в активной зоне в рабочих и переходных режимах.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Работа выполнялась в соответствии с выполнением условий Общих положений обеспечения безопасности атомных станций, утвержденных Указом Президента Украины №605 от 03.06.99 г.., Приказом Государственной администрации ядерного регулирования Украины №63 от 09.12.99 г.. И держбюджетного научно исследовательской работы №4 20 "Оценка термоакустической неустойчивости каналов активной зоны РУ с ВВЭР-1000", а также в соответствии с хоздоговорной работы с Запорожской атомной электростанцией №01 / 341-97 "Анализ границ режимных параметров области термоакустической неустойчивости активной зоны ЗАЭС ".

Цель и задачи работы. Цель диссертации состоит в разработке физической и математической модели процессов термоакустической неустойчивости теплоносителя в реакторной системе, а также верифицированных методов оценки границ режимных параметров области термоакустической неустойчивости теплоносителя в активной зоне водо-водяных энергетических реакторов.

Основные задачи диссертации для достижения указанной цели заключались в следующем:

- обоснование физической и математической модели процессов возникновения термоакустических колебаний параметров теплоносителя в реакторной системе;

- разработка методик и расчетных программ оценки границ режимных теплогидравлических параметров области термоакустической неустойчивости активной зоны ядерных энергетических установок;

- верификация и оценка применимости расчетных способов определения условий возникновения термоакустической неустойчивости;

- анализ опыта эксплуатации действующих реакторных систем типа водо-водяной энергетический реактор относительно термоакустической неустойчивости теплоносителя в активной зоне, а также обоснование соответствующих технических и организационных мероприятий по повышению надежности и безопасности этих систем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- в физической модели условий возникновения термоакустической неустойчивости теплоносителя в активной зоне реакторных систем типа водо-водяной энергетический реактор;

- в расчетных условиях оперативной оценки границ режимных теплогидравлических параметров области термоакустической неустойчивости теплоносителя в активной зоне водо-водяного энергетического реактора;

- в научном обосновании организационных и технических мероприятий по повышению надежности ядерных энергетических учрежденияхк в рабочих и переходных режимах относительно термоакустической неустойчивости теплоносителя.

Практическое значение работы состоит в использовании результатов

- при разработке эксплуатирующими организациями атомных электростанций отчетов по анализу безопасности для лицензирования и управления ресурсом реакторных установок;

- при разработке технических обоснований безопасности реакторов нового поколения повышенной безопасности;

- для совершенствования технологических регламентов и инструкций по эксплуатации ядерных энергетических установок с водо-водяным энергетическим реактором и управлению проектными / запроектными авариями;

- при разработке технических решений по повышению надежности ядерных энергетических установок с водо-водяным энергетическим реактором.

Личный вклад соискателя. Основные научные результаты, приведенные в диссертации, полученные автором в период работы с 1990 гг. До 1998 Личный вклад соискателя состоит:

- в постановке и обосновании тематики;

- в анализе известных теоретических и экспериментальных исследований;

- в разработке программы расчета термоакустической неустойчивости теплоносителя в активной зоне водо-водяного энергетического реактора и анализе полученных результатов;

- в процедуре обработки экспериментальных данных и верификации расчетных методов оценки условий возникновения термоакустической неустойчивости в каналах, обогреваемые;

- в разработке модифицированных методов оперативной оценки условий возникновения термоакустической неустойчивости теплоносителя в активной зоне водо-водяного энергетического реактора;

- в анализе опыта эксплуатации энергоблоков водо водяного энергетического реактора 1000 Запорожской атомной электростанции и разработке практических рекомендаций по повышению надежности реакторных установок.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации докладывались на научно-практической конференции & ldquo; Перспективные направления развития экологии, экономики и энергетики & rdquo; (М. Одеса, в 1999 г.), На научно-технических семинарах Дмоакустичнои неустойчивости в системе реакторной установки типа водо-водяной энергетический реактор основана на анализе работы, совершаемой паровые объемы, что конденсируются, под влиянием возмущений акустических волн. При этом, в отличие от относительно коротких каналов, в которых основными & ldquo; генераторами & rdquo; термоакустических колебаний есть отдельные паровые пузыри, что конденсируются, для & ldquo; длинных каналов & rdquo; (Типа активной зоны водо-водяной энергетический реактор) такими & ldquo; генераторами & rdquo; есть паровые объемы, что конденсируются, время существования которых в потоке сравним с периодами колебаний основных гармоник & ldquo; стоячих & rdquo; акустических волн.

В случае если суммарная работа, которую осуществляют эти паровые объемы, что конденсируются, в акустических волнах, положительная, то в теплоносителе появляются условия возникновения высокочастотных самопидтримуючихся колебаний, то есть условия термоакустической неустойчивости.

На рис.1 отражены основные положения разработанной физической модели термоакустической неустойчивости в активной зоне водо-водяного энергетического реактора. Учитывая соотношение объемов верхней камеры смешения, опускного участка и занятого теплоносителем объема в активной зоне, а также геометрические особенности кассет тепловыделяющих элементов, мижкасетний пространство можно условно рассматривать как акустически изолированный канал, в котором формируются & ldquo; стоячие & rdquo; акустические волны различных мод (рис.1). Для развития термоакустической неустойчивости наиболее существенная первая мода. При определенных условиях в канале возможно развитие неравновесного пузырьковый двухфазного потока (мал.1б). Под действием возмущений акустических волн пузыри осуществляют суммарную работу, знак которой и определяет состояние теплоносителя относительно термоакустической неустойчивости. В & ldquo; коротких & rdquo; каналах время & ldquo; жизни & rdquo; пузырей, что конденсируются, по сравнению с периодом акустических колебаний Т (мал.1в). В & ldquo; длинных & rdquo; каналах типа активной зоны водо-водяного энергетического реактора (более 3 м) период акустических колебаний может быть существеннобольше времени & ldquo; жизни & rdquo; пузырей. В этом случае, в возбуждении термоакустической неустойчивости участвуют пузыри, которые находятся в объеме теплоносителя Vj (мал.1б), что определяется периодом колебаний акустических возмущений, Vj АЗВТ (АЗО скорость звука в неравновесном пузырьковый потоке).

Принятая физическая модель процессов возникновения термоакустической неустойчивости теплоносителя в активной зоне водо-водяного энергетического реактора может быть описана математической моделью двухфазного потока, определяет не только усредненные в пространстве параметры потока, но и параметры дискретной фазы (концентрация пузырей N, размеры V и скорость движения Wп) в зависимости от сечения

Рис.1. Физическая модель формирования термоакустической неустойчивости

теплоносителя в активной зоне

а) спектр стоячих волн в акустически изолированном канале активной зоны: 1 1 & ndash, а мода; 2 2 & ndash, а мода; 3 3 я мода;

б) формирование пузырьковый полидисперсного потока теплоносителя в активной зоне;

в) участие пузырей в возбуждении термоакустических колебаний.

их зарождения и предыстории развития (мал.1б). В основе такой модели может быть использована известная неравновесие полидисперсна модель (НП модель) пузырьковый потока Герлига Скалозубова. Согласно ЧП модели уравнения законов сохранения записываются для каждой отдельной группы пузырей, имеющих одинаковое место зарождения на поверхности канала. Начальные условия для каждой группы пузырей выражены через локальные внутренние характеристики недогреть кипения: плотность центров парообразования Nст, частота отрыва f и максимальный пристеночный размер пузырей dm. Удельный межфазный тепловой поток описывается с учетом нестационарного относительного движения каждой отдельной группы пузырей в поле нестационарных параметров жидкости. Вместе с уравнениями законов сохранения для потока и граничными условиями указана матмодели представляет неравновесие полидисперсную модель двухфазного пузырьковый потока.

После линеаризаций и интегрального преобразования уравнений и краевых условий НП-модели по параметру s = j, характеризующий частоту возмущений (j2 = 1), полученное характеристическое уравнение:

f21 (z = Hаз) = 0 (1)

где z текущая продольная координата; Наз высота активной зоны реактора; f элементы фундаментальной матрицы решений НП-модели теплоносителя в активной зоне, соответственно, на двухфазного и однофазного участках:

=,

соответствующей системе преобразованных уравнений НП-модели:

(2)

где = col преобразованы по Лапласу возмущения расхода теплоносителя G, давления Р и удельного энтальпии теплоносителя i, а также размеров V, скорости движения Wп и концентрации N пузырей в потоке (k число выделенных групп пузырей, имеющих одинаковые место зарождения и предысторию развития); соответствующая квадратная матрица коэффициентов, зависящих от стационарного распределения режимных параметров двухфазного потока и параметра s.

В отличие от известной методики В.А.Герлигы в предложенном подходе учитываются произвольные диапазоны основных частот термоакустических колебаний (включая менее 100 Гц), что позволяет считать более обоснованным применение методики оценки границ термоакустической неустойчивость в достаточно длинной активной зоне реактора. Расширение применимости методики на область более низких основных частот формально отражается в учете градиентов изменения по длине возмущений параметров отдельно выделенных групп пузырей и влиянии возмущений энтальпии жидкости. Учет влияния этих факторов определяет дополнительные механизмы развития термоакустических колебаний, при определенных условиях могут быть приоритетными. Так, например, возмущения давления в акустических волнах (для конкретности увеличение) приводит к уменьшению поверхности приведенного парового объема Vj по отношению к невозмущенного состояния, а следовательно, и к уменьшению межфазного теплового потока (дестабилизирующий фактор). С другой стороны, увеличение давления в акустической волны приводит к увеличению температуры насыщения пара Тs и увелков экспериментальным данным из условий возникновения термоакустической неустойчивости в каналах, обогреваемые, полученным на модельных стендах Челябинского и Одесского политехнических институтов. Данные для относительно малого давления полученные на экспериментальной установке & ldquo; Термозвук & rdquo; Одесского политехнического института совместно с Королевым А.В. Схема экспериментальной установки приведена на рис.2.

Экспериментальные данные получены в диапазоне давления 0,1 ... 1.3 МПа и представлены в координатах (2) на рис.3. Здесь также представлены обработанные данные Н.И.Антонюк В.А.Герлигы, полученные на стенде Челябинского политехнического института в диапазоне давления 10,0 ... 16,0 МПа.

Для построения границ области термоакустических колебаний были проведены статистические расчеты по выборкам экспериментальных данных. В частности, максимальное отношение стандартного отклонения и медианы, равное 0,2571, полученное для выборки данных по давлению 0,1 МПа, а минимальное значение (0,0387) для 1,0 МПа. Доверительная вероятность мала минимальное значение (0,7) для выборок данных по давлению 0,1 и 0,8 МПа и максимальное значение 1,0 для давления 0,9; 1,1; 1,2 и 1,3 МПа, при этом средневзвешенный доверительная вероятность по всей исследуемой области, имела значение 0,8739. Соответствующие экспериментальные значения границ областей термоакустической неустойчивости представлены на рис.3 при доверительной вероятности 0,8739.

На рис.3 приведены соответствующие расчеты по разработанной методике, изложенной выше. С учетом погрешностей и доверительных интервалов исследовательских данных соответствие расчетных и экспериментальных границ термоакустической неустойчивости можно считать удовлетворительным. Однако, вследствие принятого в атомной энергетике консервативного принципа при анализе вопросов безопасности реакторов, рис.3 представлены также & ldquo; верхняя & rdquo; и & ldquo; нижняя & rdquo; консервативные оценки границ термоакустической неустойчивости теплоносителя.

Таким образом, на основе расчетно-экспериментальных исследований предложена обобщенная областактивную зону (с учетом 3% протечок), кг / c; Ркр критическое давление теплоносителя, Па; Р давление на входе в активную зону, Па; Fпрох.аз, Fоб.твс, nтвс - соответственно площадь проходного сечения активной зоны; площадь обогреваемой и число ТВС; Твх температура теплоносителя на входе в активную зону, С.

На основе приведенных результатов можно сделать следующие основные выводы:

· В рабочих режимах эксплуатации активная зона устойчива по отношению к возникновению термоакустических колебаний. Однако снижение расхода через активную

зону в несколько раз (при прочих равных условиях) может привести к возникновению термоакустической неустойчивости теплоносителя.

· Термоакустической неустойчивость возникает на всех энергоблоках в отдельных переходных режимах, связанных с остановкой, разгрузкой / погрузкой реакторной установки. В случае разгрузки реакторной установки термоакустической неустойчивость возникает, если темпы снижения тепловой мощности Nт меньше темпов снижения расхода через активную зону GАЗ. При погрузке реакторной установки термоакустической неустойчивость возникает, если темпы роста Nт выше темпов роста GАЗ.

· При возникновении термоакустической неустойчивости в переходных режимах конструкции активной зоны находятся достаточно длительное время (до десятков часов) под влиянием высокочастотных пульсаций давления

Загрузка...

Страницы: 1 2