Разработка и исследование модернизированной конструкции сепарационных устройств парогенератора для АЭС повышенной мощности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат технических наук Сотсков, Владимир Владимирович

• Сотсков, Владимир Владимирович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сотсков, Владимир Владимирович

Введение.

Глава 1. Анализ сепарационной схемы горизонтальных парогенераторов, ее эволюции, расчетного и экспериментального обоснования.

1.1 Сепарационная схема горизонтальных парогенераторов.

1.2 Эволюция сепарационной схемы парогенератора ПГВ-1000М.

1.3 Экспериментальное обоснование сепарационной схемы.

1.4 Расчетное обоснование сепарационной схемы.

1.4.1 Основные зависимости для расчета сепарации.

1.4.2 Основные зависимости для расчета ПДЛ.

1.4.3 Применение трехмерных теплогидравлических кодов для анализа процессов в горизонтальном парогенераторе.

1.5 Направления модернизации сепарационных устройств парогенератора ПГВ-1500.

1.6 Выводы по главе.

Глава 2 . Теоретическое обоснование модернизации сепарационных устройств парогенератора для АЭС с ВВЭР повышенной мощности.

2.1 Методика расчета переменной степени перфорации ПДЛ.

2.2 Расчетное обоснование системы отвода пара из парогенератора ПГВ-1500 через два патрубка.

2.2.1 Выбор методики расчета переменной степени перфорации ППДЛ.

2.2.2 Расчет системы отвода пара из парогенератора ПГВ-1500 через два патрубка по приближенной методике Майзеля.

2.2.3 Расчет системы отвода пара из парогенератора ПГВ-1500 через два патрубка по методике расчета коллекторных систем промышленных аппаратов.

2.2.4 Расчет переменной степени перфорации ППДЛ.

2.3 Выводы по главе.

Глава 3 . Экспериментальные исследования модернизированной сепарационной схемы на аэродинамическом стенде.

3.1 Цели экспериментальных исследований.

3.2 Исходные данные.

3.3 Моделирование парового объема.

3.4 Методическое обеспечение испытаний ППДЛ-модели парогенератора

ПГВ-1500.

3.4.1 Схема аэродинамического стенда для испытаний ППДЛ-модели.

3.4.2 Конструкция ППДЛ-модели парогенератора ПГВ-1500.

3.4.3 Схемы измерений и свойства измерительных зондов.

3.4.4 Методика анализа опытных данных.

3.5 Результаты испытаний ППДЛ-модели парогенератора ПГВ-1500.

3.5.1 Профили скорости потока воздуха в отверстиях имитатора ПДЛ.

3.5.2 Профили скорости потока воздуха в отверстиях имитатора-ППДЛ и гистограмма степени его перфорации для случая неравномерной паровой нагрузки зеркала испарения.

3.5.3 Профили скорости потока воздуха в отверстиях имитатора ППДЛ и гистограмма степени его перфорации для случая равномерной паровой нагрузки зеркала испарения.

3.5.4 Гидравлические потери на участке имитатор ППДЛ - выходной патрубок.

3.6 Погрешности результатов.

3.7 Выводы по главе.

Глава 4 . Оптимизация конструкции сепарационных устройств.

4.1 Исследования по повышению равномерности выхода пара с ПДЛ.

4.1.1 Расчет переменной степени перфорации ПДЛ парогенератора ПГВ-1500.

4.1.2 Основные результаты расчета.

4.2 Сравнение результатов расчетного обоснования системы отвода пара из парогенератора с экспериментальными исследованиями на аэродинамическом стенде.

4.2.1 Анализ профилей перфорации ППДЛ.

4.2.2 Сравнение гидравлических потерь на участке ППДЛ-выходной патрубок парогенератора ПГВ-1500.

4.3 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование модернизированной конструкции сепарационных устройств парогенератора для АЭС повышенной мощности»

Актуальность работы

Согласно Федеральной целевой программе «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007 - 2010 годы и на перспективу до 2015 года» предусматривается ускоренное строительство атомных электростанций и ввод в эксплуатацию 10 новых энергоблоков атомных электростанций общей установленной мощностью не менее 9,8 ГВт. Основная часть этих энергоблоков будет оснащена реакторными установками с ВВЭР. В России разрабатываются проекты перспективных реакторных установок с реакторами ВВЭР-600, ВВЭР-1000, ВВЭР-1200 и ВВЭР-1500.

Кроме того, большое значение придается повышению уровня мощности энергоблоков российских АЭС, которое проводится согласно «Программе увеличения выработки электроэнергии на действующих энергоблоках АЭС ОАО «Концерн Энергоатом» на 2007-2015 годы».

Важнейшими компонентами энергоблоков АЭС с ВВЭР являются горизонтальные парогенераторы (ПГ). От эффективности ПГ в значительной степени зависят экономические показатели работы энергоблока.

По состоянию на начало 2010 г. на АЭС с ВВЭР, построенных по российским проектам, эксплуатируются 162 ПГ типа ПГВ-440 и 116 ПГ типа ПГВ-1000. Парогенераторы горизонтального типа используются на всех энергоблоках АЭС с ВВЭР России, Украины, Армении, а также в Болгарии, Чехии, Словакии, Венгрии, Финляндии, Китае. Ведется сооружение 4 энергоблоков за рубежом в Иране, Индии и Болгарии.

Актуальность диссертационной работы заключается в разработке модернизированной конструкции сепарационных устройств горизонтального парогенератора, позволяющей улучшить гравитационную сепарацию пара за счет снижения неравномерности паровой нагрузки зеркала испарения, что позволяет повысить мощность новых разрабатываемых парогенераторов и парогенераторов действующих энергоблоков АЭС с ВВЭР.

Цель научного исследования

Целью диссертационной работы являлось разработка и расчетно-экспериментальное обоснование модернизированной конструкции сепарационных устройств парогенераторов для АЭС с ВВЭР повышенной мощности.

Научная новизна

1. Впервые на основе проведенных экспериментальных исследований получены профили и гистограммы степени перфорации пароприемного дырчатого листа (ППДЛ) для случая неравномерной и равномерной паровой нагрузки зеркала испарения горизонтального парогенератора АЭС с ВВЭР.

2. Для обеспечения выравнивания паровой нагрузки зеркала испарения горизонтального ПГ посредством применения погруженного дырчатого листа (ПДЛ) предложена приближенная методика расчета, с использованием которой выполнен расчет переменной степени перфорации ПДЛ парогенератора ПГВ-1500.

3. Разработаны рекомендации по выбору начальной ширины сечения при проведении расчета переменной степени перфорации ППДЛ по приближенной методике и учету гидравлических потерь за счет коллекторного эффекта при расчете гидравлического сопротивления парового тракта парогенератора.

Практическая значимость

Обоснованы новые конструктивные решения сепарационных устройств горизонтальных ПГ для проектируемых и строящихся энергоблоков АЭС с ВВЭР в России и за рубежом. Разработанные технические решения и методика нашли применение в проектно-конструкторской документации ПГ для вновь разрабатываемых энергоблоков АЭС с ВВЭР-1500, АЭС-2006, АЭС «Белене», а также при разработке предложений по модернизации конструкции парогенератора ПГВ-1000М с целью обеспечения возможности повышения мощности работающих энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000.

Достоверность

Достоверность экспериментальных данных обеспечивается применением инструментованных экспериментальных устройств, аттестованных методов измерения, неоднократным повторением каждого из экспериментов, анализом погрешностей.

Достоверность расчетных данных подтверждается использованием апробированных инженерных методик расчета, сходимостью проектных (расчетных) характеристик с данными, полученными экспериментально.

Личный вклад автора

Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие:

• в разработке технических решений по модернизации сепарационных устройств ПГВ-1500;

• в разработке приближенной методики расчета переменной степени перфорации ГГДЛ, проведении расчетов по ней и анализе их результатов;

• в выполнении экспериментальных исследований на этапах -постановки задачи, обсуждения и согласования технического задания на экспериментальную аэродинамическую модель пароприемной части парогенератора ПГВ-1500 и программы и методики экспериментальных исследований, а также в обсуждении и анализе результатов экспериментальных исследований, выявлении закономерности формирования полей скоростей в паровом объеме ПГ, в разработке рекомендаций по профилю перфорации пароприемного дырчатого листа;

• в анализе гидравлических потерь в паровом тракте парогенератора и разработке рекомендаций по их снижению.

На защиту выносятся

Результаты экспериментальных исследований модернизированной сепарационной схемы на аэродинамическом стенде

Результаты оптимизации конструкции сепарационных устройств.

Апробация работы и публикации

По результатам работы сделаны сообщения на 4-й и 5-й Международных научно-технических конференциях «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» в г. Подольске (2005 г. и 2007 г.), на 7-м международном семинаре по горизонтальным парогенераторам в г. Подольске (2006 г.).

Основное содержание диссертационной работы отражено в 9 научных работах и докладах, из них 4 в рецензируемых журналах «Вопросы атомной науки и техники», «Атомная энергия», «Тяжелое машиностроение», а также в одном опубликованном описании к патенту на полезную модель.

По результатам выполненных по теме диссертации исследований выпущено 2 научно-технических отчета.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 143 листах, включая 48 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 53 наименований.

Заключение диссертации по теме «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации», Сотсков, Владимир Владимирович

4.3 Выводы по главе

Таким образом, выполненная оптимизация конструкции сепарационных устройств ПГВ-1500 по результатам проведенных по приближенным методикам расчетов переменной перфорации ПДЛ и ППДЛ, позволяют сделать следующие выводы:

- приближенная методика расчета переменной степени перфорации ПДЛ горизонтального парогенератора позволяет достаточно быстро получить необходимые данные по величинам перфорации ПДЛ, обеспечивающих повышение эффективности выравнивание паровой нагрузки зеркала испарения ПГ, однако необходима экспериментальная проверка результатов расчета по ней в условиях АЭС;

- в предельном случае - при обеспечении равномерной нагрузки зеркала испарения горизонтального парогенератора имеется запас по его паропроизводительности равный примерно 20% при обеспечении проектной влажности пара не более 0,2%, однако для более точной оценки запаса необходимо проведение испытаний парогенератора на АЭС;

- для усовершенствованной сепарационной системы парогенератора ПГВ-1500 целесообразно использовать полученный экспериментальным способом и представленный в настоящей работе оптимальный профиль перфорации ППДЛ, при условии обеспечения равномерной паровой нагрузки зеркала испарения;

- на основании анализа профилей перфорации ППДЛ, полученных расчетным и экспериментальным способами, расчет переменной степени перфорации ППДЛ горизонтальных ПГ рекомендуется проводить по профилю сечения, определенному по методике Майзеля при величине начальной ширины сечения для ППДЛ равной 0,032 Б;

- сравнение гидравлических потерь на участке ППДЛ-выходной патрубок, полученных расчетным и экспериментальным путем, позволяет рекомендовать проводить конструкторский расчет гидравлического сопротивления участка ППДЛ-выходной патрубок по приведенным в настоящей работе зависимостям, при этом, следует учитывать гидравлические потери за счет коллекторного эффекта, причем при расчете можно использовать величину КГС £колл = 0,409, приведенного к сечению коллектора Р„0 = 0,553 м .

- для уменьшения гидравлического сопротивления ППДЛ, рекомендуется его вертикальные стенки выполнить со степенью перфорации равной его максимальной степени перфорации, а также несколько увеличить его среднюю степень перфорации;

- переход от коллекторной схемы отвода пара из парогенератора, какая была реализована в ПГВ-1000М, к схеме отвода пара из парогенератора ПГВ-1500 через 2 патрубка, позволило уменьшить гидравлическое сопротивление парового тракта парогенератора на ОДМПа, что, как показывают оценочные расчеты, эквивалентно повышению мощности парогенератора на 2,6%.

Заключение

В настоящей работе:

1. Выполнен анализ сепарационных схем горизонтальных парогенераторов разных поколений АЭС с ВВЭР, проанализированы этапы эволюции сепарационной схемы парогенератора ПГВ-1000. На основе опыта эксплуатации сепарационных устройств выявлены преимущества и недостатки их существующих конструкций, намечены пути устранения этих недостатков.

2. Проанализированы существующие методики расчета гравитационной сепарации, а также возможности существующих трехмерных теплогидравлических кодов для расчета сепарационных устройств горизонтальных ПГ. Сделан вывод о необходимости разработки и использования приближенных методик расчета усовершенствованных конструкций ПДЛ и ППДЛ.

3. Предложены технические решения по модернизации сепарационных устройств парогенератора ПГВ-1500 за счет разработки усовершенствованных конструкций ПДЛ, обеспечивающего выравнивание паровой нагрузки зеркала испарения, и ППДЛ, обеспечивающего равномерный отвод пара из парогенератора через два патрубка.

4. Разработана приближенная методика расчета переменной степени перфорации ПДЛ, по которой выполнен расчет переменной степени перфорации парогенератора ПГВ-1500.

5. Экспериментально исследована модернизированная сепарационная схема ПГ на аэродинамическом стенде. Разработаны рекомендации по конструкции ППДЛ с реальным (ступенчатым) профилем перфорации. Проанализированы профили перфорации ППДЛ и получены гистограммы степени перфорации отдельных листов ППДЛ для случая неравномерной и равномерной паровой нагрузки зеркала испарения, а также экспериментальное значение коэффициента гидравлического сопротивления узла выхода пара из ПГ.

6. На основании анализа профилей перфорации ППДЛ, полученных расчетным и экспериментальным способами, даны рекомендации по использованию приближенной методики расчета переменной степени перфорации ППДЛ и выбору начальной ширины сечения. На основе экспериментальных исследований даны рекомендации по уменьшению гидравлического сопротивления ППДЛ и учету гидравлических потерь за счет коллекторного эффекта при расчете гидравлического сопротивления парового тракта парогенератора.

7. В итоге, на основе проведенных экспериментальных и расчетно-теоретических исследований разработана и проведена оптимизация модернизированной конструкции сепарационных устройств парогенератора для АЭС с ВВЭР повышенной мощности, позволяющей улучшить гравитационную сепарацию пара и снизить гидравлическое сопротивление парового тракта ПГ, что эквивалентно повышению мощности ПГ на величину более 20%, и таким образом внести вклад в решение важной народно-хозяйственной задачи - повышение эффективности ПГ АЭС с ВВЭР.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сотсков, Владимир Владимирович, 2010 год

1. Трунов Н.Б., Логвинов С.А., Драгунов Ю.Г. Гидродинамические и теплохимические процессы в парогенераторах АЭС с ВВЭР. -М.: Энергоатомиздат, 2001. 318 с.

2. Агеев А.Г., Карасев В.Б., Серов И.Т., Титов В.Ф. Сепарационные устройства АЭС. М.: Энергоиздат, 1982. - 169 с.

3. Таранков Г.А., Титов В.Ф., Логвинов С.А. и др. Исследования парогенераторов головного блока АЭС с ВВЭР // Энергомашиностроение.-1986.-№5.- С. 30-32.

4. Гуцев Д.Ф., Козлов Ю.В., Некрасов A.B. и др. Особенности гидродинамики парогенератора ПГВ-1000 без погруженного дырчатого листа // Теплоэнергетика.- 1989.- №8.- С. 44-48.

5. Федоров Л.Ф., Титов В.Ф., Рассохин Н.Г. Парогенераторы атомных электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 416 с.

6. Дубровский И.С., Агеев А.Г. Гидродинамика погруженных дырчатых щитов // Теплоэнергетика. 1974.- №8. - С. 62-64.

7. Титов В.Ф., Козлов Ю.В., Корольков Б.М. и др. Особенности гидродинамики водяного объема парогенератора ПГВ-1000М// Электрические станции. 1993. - №9. - С. 25 - 30.

8. Лукасевич Б.И., Трунов Н.Б., Драгунов Ю.Г., Давиденко С.Е. Парогенераторы реакторных установок ВВЭР для атомных электростанций. -М.: ИКЦ Академкнига, 2004 394 с.

9. Козлов Ю.В. Пути повышения удельных нагрузок сепарационных устройств мощных парогенераторов // Труды Центрального котлотурбинного института (ЦКТИ). 1971.- вып. 108. - С. 59-63.

10. СорокинЮ.Л. Исследование жалюзийных сепараторов// Энергомашиностроение, 1961, - №2,- С. 5.

11. Козлов Ю.В., Эскин Н.Б. К вопросу расчета критической нагрузки сепараторов // Теплоэнергетика.- 1964, №2, С. 57.

12. Стерман JI.C. Исследование работы жалюзийного сепаратора при различных давлениях. M.-JL: Машгиз, 1954.

13. Сорокин Ю.Л. О применении жалюзийных сепараторов во внутрибарабанных устройствах паровых котлов // Энергомашиностроение. -1962,-№4,-С. 11.

14. Панасенко М.Д., Козлов Ю.В. Исследование сепарирующих устройств для мощных барабанных котлов //Теплоэнергетика. 1962, - №8, -С. 69-71.

15. Козлов Ю.В. Осушители пара и их использование в различных аппаратах на АЭС//Труды Всесоюзного теплотехнического НИИ. 1974, -вып. 2. - С. 111.

16. Агеев А.Г., Дубровский И.С., Карасев В.Б., Серов И.Т. Исследование сепарационной схемы с жалюзийным сепаратором вертикального типа//Вопросы атомной науки и техники. Серия. «Реакторостроение», 1973. - Вып. 2. - С. 37.

17. Свистунов Е.П., Таранков Г.А., Козлов Ю.В. и др. Особенности изменения паросодержания в водяном объеме и уровня воды в парогенераторе ПГВ-1000М // Электрические станции. 1992. - №1. - С. 32 -36.

18. Васильева Р.В., Дубровский И.С., Агеев А.Г и др. Гидродинамика погруженных дырчатых щитов парогенераторов АЭС // Электрические станции, 1986, - №8. - С. 12-15.

19. Свистунов Е.П., Таранков Г.А. Влияние конструкции ПДЛ на парораспределение // Энергомашиностроение, 1987, - №1. - С. 15-19.

20. Саков Э.С., Свистунов Е.П., Пикус В.Ю., Некрасов A.B. и др. Исследование выравнивающей способности погруженного дырчатого листа парогенератора ПГВ-1000. Теплоэнергетика, №7, 1992, С. 50-55.

21. Молчанов В.JL, Усанов А.И., Ситник Ю.К. и др. Некоторые закономерности процессов теплообмена и гидродинамики при глубоком снижении уровня воды в парогенераторе ПГВ-1000//Электрические станции. №2, - 1993, - С. 15-21.

22. Кружилин Г.Н. Теория уноса и сепарации влаги в паровых котлах//Советское котлотурбостроение. 1945, - №1, - С. 11-15; - №4. - С. 21-24.

23. Стерман JI.C. К теории паросепарации // Журнал технической физики, т. XXVIII, выпуск 7, 1958. С. 1562-1574.

24. Козлов Ю.В., Рябов Г.А. Исследование сепарации пара применительно к барабан-сепараторам АЭС //Теплоэнергетика. 1987. - №4. -С. 28-31.

25. Панасенко М.Д. Расчет и проектирование ступенчатого испарения, паропромывки и сепарации пара в паровых котлах. М.: МЭИ, 1963.

26. Кружилин Г.Н. Зависимость допустимой нагрузки парового объема котла от давления // Известия АН СССР. 1951. - №7. - С. 1106-1114.

27. Устройства внутрикорпусные сепараторов пара АЭС с реакторами типа РБМК. Методы расчета. ОСТ 95 10310-88, 1989. 21 с.

28. Козлов Ю.В., Титов В.Ф., Карасев В.Б. и др. Использование осадительной сепарации влаги в парогенераторах АЭС и методы ее расчета // Теплоэнергетика. 1978. - №9. - С. 61 - 65.

29. Трунов Н.Б. Прогресс в исследованиях теплогидравлики парогенераторов для АЭС с ВВЭР//Вопросы атомной науки и техники. Серия «Обеспечение безопасности АЭС». 2005. - Вып. 9. - С. 25-37.

30. Драгунов Ю.Г., Лукасевич Б.И., Трунов Н.Б., Харченко С.А., Сотсков В.В. Парогенератор ПГВ-1500. Новые задачи и решения, Атомная Энергия, том 99, вып. 6, декабрь 2005, С. 416-425.

31. Трунов Н.Б., Сотсков В.В., Агеев А.Г., Васильева Р.В., Левченко Ю.Д. Исследование усовершенствованной сепарационной системы ПГВ-1500//Труды 7-го Международной семинара по горизонтальным парогенераторам (03-05 октября) / ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2006.

32. Идельчик И.Е. Аэродинамика промышленных аппаратов, М.;Л.: Энергия, 1964 г.-287 с.

33. Рябов Г.А., Карасев В.Б., Козлов Ю.В. Экспериментальные исследования гидравлического сопротивления дырчатых листов на пароводяной смеси // Теплоэнергетика, 1984. - № 7. - С. 68-70.

34. Идельчик И.Е. Учет влияния вязкости на гидравлическое сопротивление диафрагм и решеток // Теплоэнергетика. 1960. - № 9. — С.75-80.

35. Майзель С.С. Организация равномерной загрузки парового объема барабанов котлов // Электрические станции. 1954. - № 6. - С. 50-54.

36. Трунов Н.Б., Сотсков В.В., Агеев А.Г., Васильева Р.В. Расчетное обоснование сепарационной схемы парогенератора ПГВ-1500//Вопросы атомной науки и техники, Серия: «Обеспечение безопасности АЭС». 2006. -Вып. 13.-С. 43-50.

37. Безруков Ю.А., Сотсков В.В., Трунов Н.Б., Ефанов А.Д., Левченко Ю.Д. Оптимизация перфорации пароприёмного дырчатого листа ПГВ-1500 // Труды 7-го Международной семинара по горизонтальным парогенераторам (03-05 октября) / ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2006.

38. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). М.: Энергоатомиздат, 1990. - 360 с.

39. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М.: Машиностроение, 1975. 559 с.

40. Чугаев P.P. Гидравлика: Учебник для вузов. Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1982. - 672 с.

41. Кружилин Г.Н. Схема паросепарации с погруженным под уровень воды дырчатым щитом: Сборник работ «Теплофизика в тепловой и ядерной энергетике». Казань: Казанский филиал Московского энергетического института. - 1998. - С.216-226.

42. Трунов Н.Б., Сотсков В.В., Левченко Ю.Д. Усовершенствованная сепарационная система ПГВ-1500 // Тяжелое машиностроение. 2008. - №1. -С. 8-13.

43. Трунов Н.Б., Сотсков В.В., Левченко Ю.Д., Воронин A.A. // Парогенератор // Патент Российской Федерации на полезную модель № 57425. Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей 10.10.2006 г. бюл.№28.