Д.М.Марков, А.А. Просвирнов
Недостатки существующих парогенераторов типа ВВЭР-1000М
Горизонтальные парогенераторы
ПГВ-1000 доказали свои эксплуатационные характеристики длительным циклом
использования на действующих АЭС, однако сохраняются их «родовые» недостатки:
- из-за неравномерности
тепловыделения на горячей и холодной сторонах парогенератора наблюдается
неравномерность паровой нагрузки (расхода пара по сечению парогенератора) и
уровня воды над дырчатым листом, и, как следствие, опасность заброса (выброса)
влаги в паропроводы;
- при номинальной мощности
обычно происходит прорыв пара в опускные каналы и через закраину дырчатого
листа, что блокирует опускное течение котловой воды и резко уменьшает кратность
циркуляции на горячей стороне парогенератора;
- подача питательной воды происходит под дырчатый лист и для прогрева
питательной воды до температуры насыщения часть произведенного в межтрубном пространстве пара
конденсируется;
- низкие скорости рециркуляции
приводят к образованию застойных зон и выпадению шлама.
В случае работы парогенератора
традиционной схемы процессы сепарации и парообразования основаны на процессе
естественной циркуляции. В процессе работы парогенератора питательная вода
поступает в один продольный раздаточный коллектор и подается на ряды поперечных
разбрызгивателей, установленных под дырчатым листом над пакетами трубчатки на
стороне горячего коллектора. Эта холодная питательная вода из раздаточного
коллектора нагревается до насыщения, частично конденсируя пар в пароводяной
смеси под дырчатым листом, образующейся в результате теплообмена основной воды
парогенератора с пакетами трубчатки, смешивается с основной водой
парогенератора (имеющей температуру насыщения), и уже смешанная таким образом,
опускается в промежутки между пакетами трубчатки (в опускные каналы), за счет
естественной циркуляции, после чего вновь участвует в теплообмене с пакетами
трубчатки. При номинальной мощности часть пара, прорываясь в опускные каналы,
блокирует опускание холодной воды и кратность циркуляции падает.
Таким образом, в номинальном
режиме работы парогенератора имеются довольно значимые потери
производительности, обусловленные главным образом неэффективной схемой
циркуляции и уменьшением кратности циркуляции.
Для минимизации последствий
вышеуказанных недостатков могут применяться струйные аппараты.
Двухкамерный струйно-вихревой аппарат
В АО «ВНИИАЭС» разработан
эффективный двухкамерный струйно-вихревой аппарат, использующий в качестве
рабочего тела поток питательной воды в ПГ от питательных насосов и позволяющий
интенсифицировать рециркуляцию на горячей стороне ПГ.
Особенностью аппарата является
его способность прокачивать воду ПГ над и под дырчатым листом. Одна камера
подключается к пространству над дырчатым листом, а вторая к пространству под
дырчатым листом.
Рисунок 1. 3D-модель верхней
части струйного аппарата
Данный аппарат позволяет:
- свести на нет потери пара при
конденсации по сравнению с традиционной схемой, происходящей при нагреве
питательной воды парогенератора;
- получать более интенсивное
перемешивание теплоносителя в опускных каналах, что снижает термическую
нагрузку на пакеты трубчатки;
- исключить прорыв пара в
опускные каналы;
- выравнивать уровень воды в
парогенераторе над дырчатым листом за счет захвата воды из области над дырчатым
листом на горячей стороне парогенератора.
Описание конструкции
Струйный аппарат содержит:
Корпус, выполненный
цилиндрическим, размещенный вертикально в опускном канале парогенератора и
соединенный нижней частью с направляющим дефлектором.
Цилиндрическое сопло,
утопленное наполовину своей длины в верхнюю часть корпуса с образованием
кольцевого зазора между цилиндрическим соплом и корпусом для подачи питательной
воды парогенератора в корпус из области под дырчатым листом.
Сужающиеся каналы,
расположенные внутри стенок цилиндрического сопла и соединенные через подающие
трубки с раздаточным коллектором с возможностью поступления питательной воды из
сужающихся каналов в корпус под углом 75 градусов к вертикали, при этом верхний
срез цилиндрического сопла соединен с дырчатым листом, пропускающим питательную
воду парогенератора из области над дырчатым листом в верхнюю часть
цилиндрического сопла и далее в корпус.
Корпус может иметь длину до 1700 мм, для заполнения
всей длины отпускного канала.
Рисунок 2. Общий вид струйного
аппарата.
Струйный аппарат состоит из
цилиндрического корпуса (1), цилиндрического сопла (2) для подвода питательной
воды из раздаточного коллектора, пластин (3) для соединения цилиндрического
корпуса аппарата с цилиндрическим соплом, подающих трубок (4), сужающихся
каналов (5) внутри стенок цилиндрического сопла (2) (для наглядности на рис.3
канал заштрихован) и направляющего дефлектора (6).
Рисунок 3. Разрез струйного
аппарата
Верхний срез цилиндрического
сопла (2) соединен с дырчатым листом (7). Подающие трубки (4) подводят
питательную воду из раздаточного коллектора в соединенные с ними сужающиеся
каналы (5).
Форма сужающихся каналов (5)
внутри стенок цилиндрического сопла (2) имеет спиральный вид для создания
ускорения и получения скорости около 10 м/с на выходе из каналов
цилиндрического сопла, при этом в верхней части цилиндрического сопла отверстие
входа значительно шире, чем в нижней части на выходе (например – в верхней
части может быть 4 мм,
в нижней части – 2 мм).
Сам характер сужения может быть
как продольный, так и поперечный относительно стенок цилиндрического сопла.
Количество сужающихся каналов в стенках цилиндрического сопла (2)
ограничено лишь геометрическими размерами самого цилиндрического сопла (2)
струйного аппарата.
На рис.3 направляющими
стрелками показан вектор движения котловой воды парогенератора из обоих областей
в цилиндрическое сопло (2) и цилиндрический корпус (1).
В верхней части цилиндрического
сопла (2) питательная вода парогенератора поступает в цилиндрический корпус (1)
из области над дырчатым листом (7). А в кольцевой зазор между цилиндрическим
соплом (2) и цилиндрическим корпусом (1) питательная вода парогенератора
поступает из области под дырчатым листом (7).
Рисунок 4. Вход в струйный
аппарат над дырчатым листом
Направляющий дефлектор (6)
устроен таким образом, чтобы способствовать последующему поступлению смешанного
потока в пакеты трубчатки (8).
Описание работы струйного аппарата
При работе струйного аппарата
питательная вода поступает в два ряда расположенных вдоль корпуса
парогенератора раздаточных коллектора на горячей стороне парогенератора, и из
них посредством подающих трубок (4) раздается в сами струйные аппараты. Количество струйных аппаратов
зависит от геометрических размеров парогенератора, для парогенератора ПГВ-10
00
это количество может быть от 10 до 20 в зависимости от количества рядов.
Струйные аппараты расположены между пакетами трубчатки – в опускном канале.
Рисунок 5. Размещение струйных
аппаратов в корпусе ПГ
Поданная подающими трубками (4)
питательная вода из раздаточного коллектора поступает в расположенные в стенках
цилиндрического сопла сужающиеся каналы (5). На выходе из цилиндрического сопла
(2) выходящая с завихрениями под углом 75 градусов к вертикали и со скоростью
около 10 м/с на срезе питательная вода благодаря возникающей разреженности у
среза цилиндрического сопла смешивается со значительной частью питательной воды
парогенератора, которая поступает в цилиндрический корпус как из верхней части
цилиндрического сопла (2), так и из кольцевого зазора между цилиндрическим
соплом (2) и цилиндрическим корпусом (1) струйного аппарата.
Перемешивание питательной воды
из раздаточного коллектора с поступившей питательной водой парогенератора в
цилиндрическом корпусе (1) струйного аппарата дает после выхода из дефлектора
(6) под пакетами трубчатки монотемпературный по сечению поток.
Поток, пройдя сквозь пакеты
трубчатки, превращается в пароводяную смесь, которая поднимается наверх и
частично сепарируется дырчатым листом. Над дырчатым листом. Над дырчатым листом
смесь разделяется на фазы пар-вода гравитационной сепарацией.
Пароводяная смесь,
отсепарированная над и под дырчатым листом, благодаря разреженности,
возникающей у среза цилиндрического сопла вследствие выхода из цилиндрического
сопла питательной воды из раздаточного коллектора со скоростью около 10 м/с,
возвращается обратно в струйный аппарат, где остатки пара в отсепарированной
смеси конденсируются.
Остальная часть воды поступает
под действием гравитации в опускные каналы на закраинах дырчатого листа.
Отсепарированный пар поступает в выходной коллектор и далее на турбину.
Обоснование расчетов
При отработке конструкции
создана 3-D модель струйного аппарата, проведены трехмерные расчеты на CFD коде
при рабочих параметрах воды в ПГ без парообразования. Получены расчетные
характеристики, превышающие характеристики стандартных струйных водо-водяных аппаратов.
Заключение
Таким образом, благодаря
предлагаемому струйному аппарату достигается технический результат,
заключающийся в снятии ограничений на увеличение паропроизводительности
парогенератора посредством увеличения кратности циркуляции питательной воды на
горячей стороне парогенератора. Это способствует уменьшению вероятности заброса
влаги в паропроводы, уменьшению вероятности отложений шлама на трубчатке
парогенератора, а также возможности организации непрерывной промывки отложений
на сварном шве коллектора парогенератора.
Применение предлагаемого
струйного насоса позволит:
- увеличить кратность
циркуляции воды на горячей стороне парогенератора,
- увеличить
паропроизводительность,
- исключить конденсацию пара по
сравнению с традиционной схемой, происходящей при подаче питательной воды
парогенератора под дырчатый лист,
- получать более интенсивное
перемешивание теплоносителя в опускных каналах, что снижает термическую
нагрузку на пакеты трубчатки,
- исключить прорыв пара в
опускные каналы;
- выравнивать уровень воды в
парогенераторе над дырчатым листом за счет захвата воды струйным насосом из
области над дырчатым листом на горячей стороне парогенератора.
Следует отметить, что
устройство является пассивным, так как использует энергию напора питательных
насосов и не требует дополнительных активных устройств.
22.12.2011 г подана заявка на
изобретение. Получен патент на изобретение [1] . Для подтверждения расчетных
характеристик требуются испытания натурной модели струйного аппарата на
экспериментальном стенде с рабочими параметрами ПГ.
Доклад по теме статьи был
представлен на МНТК-2012, опубликованы тезисы доклада в сборнике МНТК-2012 [2].
Литература
1. Патент № 2 487 298 «СТРУЙНЫЙ
АППАРАТ ДЛЯ ПАРОГЕНЕРАТОРА ПГВ-1000», https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2487298&TypeFile=html
2. Восьмая международная
научно-техническая конференция «Безопасность, эффективность и экономика атомной
энергетики» Тезисы докладов, Москва, 23–25 мая 2012 г ., http://mntk.rosenergoatom.ru/mediafiles/u/files/SbornikTezisovMNTK2012.pdf
