CC BY
95
ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2013 №2(7), С. 45-49
= ЭКСПЛУАТАЦИЯ АЭС -
УДК 621.039.56
ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ ОБЪЕМА ПАРОГЕНЕРАТОРА СОДЕРЖАЩЕГО ПАРОВУЮ ФАЗУ НА ВИБРАЦИИ ГЛАВНЫХ ПАРОПРОВОДОВ АЭС С ВВЭР - 1000
© 2013 г. К.Н. Проскуряков
Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт», Москва
Поступила в редакцию 15.05.2013 г.
Установлено, что колебания объемов парогенераторов, содержащих паровую фазу, являются возбудителями вибраций в оборудовании главного паропровода АЭС С ВВЭР -1000. Доказано, что собственная частота колебаний, генерируемых в этих объемах, зависит от их геометрических размеров и влажности двухфазной среды.
Результаты расчетов показывают, что диапазону изменения объемной влажности пара (0,93 - 0,6), соответствуют частоты колебаний давления, генерируемых в объеме ПГ содержащем паровую фазу, находящиеся в полосе частот от 16 до 70 Гц. Результаты измерений доминирующих частот эксплуатационных вибраций (65,5 Гц; 38,5 Гц; 39,5Гц; 58,0Гц), проведенных на энергоблоке №4 Балаковской АЭС, на ТХ50,70,60,80 подтверждают эти расчетные оценки.
Ключевые слова: Паропровод, вибрации, колебания давления, частота, влажность.
Эксплуатационные вибрации паропроводов на АЭС с ВВЭР-1000 типа В-320 наблюдались с самого начала эксплуатации данных блоков. Впервые она возникла на этапах освоения мощности 70-100% Кном энергоблока № 1 Запорожской АЭС и остается актуальной для всех последующих блоков данной серии (Хмельницкая АЭС, Балаковская АЭС, АЭС «Тимелин», Волгодонская АЭС).
Зафиксированные повышенные вибрации системы паропроводов свежего пара приводили к различным повреждениям (появлению свищей, обрыву вспомогательных трубопроводов обвязки арматуры и т.п.), а также обусловливали многократное снижение циклической прочности главных паропроводов и повышение вероятности их усталостного разрушения [1].
В эксплуатационных режимах вибрации возникают в ответвлениях к БРУ-А и провоцируют эксплуатационный износ арматуры БРУ-А.
Повышенный уровень вибраций, в указанных системах, является существенным недостатком вводимых в эксплуатацию АЭС, в том числе и поставляемых за рубеж. Ввиду этого, прогнозирование возникновения акустических резонансов и снижение уровней вибраций в главном паропроводе АЭС с ВВЭР-1000 является актуальной задачей.
Повышенный уровень вибраций возникает в оборудовании, разрабатываемом различными организациями (парогенераторы проектирует ОАО «ОКБ Гидропресс», а главные паропроводы проектирует ОАО «Атомэнергопроект») и в силу этого выявление причин возникновения акустических резонансов в системе генерации и транспортировки пара и разработка методов их предотвращения не находит должного отражения в проектно-конструкторской документации этих организаций. Целью приведенного в данной статье анализа результатов измерений является выявление
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013
46
ПРОСКУРЯКОВ
закономерностей при формировании спектральных характеристик измеряемых сигналов, а также выявление и исследование процессов, не предусмотренных проектной документацией, но влияющих на работоспособность и надежность оборудования системы главных паропроводов.
Прямым измерением пульсаций давления в паропроводах свежего пара обнаружены волны давления. На энергоблоке №4 Балаковской АЭС были измерены доминирующие частоты [1] эксплуатационных вибраций на 4ТХ50,70,60,80, которые составили величины: 65,5 Гц; 38,5 Гц; 39,5Гц; 58,0Гц; соответственно.
Методы определения собственных частот колебаний давления в оборудовании АЭС [2] позволяют идентифицировать и объяснить возникновение в системе транспортировки пара периодических колебаний давления, влияющих на динамические процессы. В работе [3] выявлены источники доминирующих частот в паропроводе для систем TX50 и TX80.
В таблице 1 и таблице 2 приведены результаты расчетов собственных частот колебаний давления пара в системах ТХ50 и ТХ80.
В ходе трехмерного моделирования двухфазных течений в корпусе горизонтального парогенератора ПГВ-1000 [4] подробно исследована картина стационарного течения теплоносителя в корпусе парогенератора (111) при номинальной мощности реактора 3000 МВт. Поскольку полный циркуляционный контур включает в себя 4 ПГ, мощность тепловыделения, приходящаяся на каждый из них, составляет 750 МВт, что соответствует расходу отводимого пара 408 кг/с. Полученные в расчете значения очень близки к экспериментальным: мощность 755 МВт и расход пара 409 кг/с.
Таблица 1. Расчетные величины собственных частот колебаний давления пара в ТХ50
Участок системы Собственная частота колебаний давления пара, Г (Гц)
Паровой объем ПГ 55,9
Отводящие патрубки от ПГ 34,06
Паропровод 1,2
Отводящий участок паропровода к ИПУ ПГ и БРУ-А («нога») 4ТХ50803 95,9
4ТХ50804 110,5
4ТХ50805 90,6
Кольцевые отводы («бублики») 4ТХ50803 3,47
4ТХ50804 5,12
4ТХ50805 4,75
Таблица 2. Расчетные величины собственных частот колебаний давления пара в ТХ80
Участок системы Собственная частота колебаний давления пара, f (Гц)
Паровой объем ПГ 55,9
Отводящие патрубки от ПГ 34,06
Паропровод 1,2
Отводящий участок паропровода к ИПУ ПГ и БРУ-А («нога») 4ТХ80803 95,9
4ТХ80804 110,5
4ТХ80805 90,6
Кольцевые отводы («бублики») 4ТХ80803 4,45
4ТХ80804 4,75
4ТХ80805 4,75
Расчет предсказывает наличие значительного количества воды над дырчатым листом (рис. 1). Вынос воды происходит, главным образом, за счет захвата капель воды интенсивным восходящим потоком пара. Характерные величины скорости теплоносителя через отверстия дырчатого листа составляют около 7 м/с.
Между трубным пучком и дырчатым листом, образуется паровая подушка. Толщина подушки больше с «горячей» стороны пучка, локальный максимум паросодержания (около 90%) под дырчатым листом наблюдается с «холодной» стороны, подача питательной воды, эффективно уменьшающая паросодержание, осуществляется над «горячей» частью трубного пучка.
В работе [4] проведено сравнение расчетных и экспериментальных значений объемного паросодержания и объемной скорости смеси для стационарного состояния ПГ и при номинальном уровне мощности. Показано, что расчет достаточно хорошо описывает распределение паросодержания и скоростей в объеме ПГ. Во всех точках объема ПГ, где проводились измерения, отмечается монотонное снижение паросодержания при уменьшении мощности.
На основе распределения локального объемного паросодержания в вертикальных поперечных сечениях для Ь= 6,8 м (а) и Ь = 4 м (б), представленных на рисунке 1, выполнена приближенная оценка размеров объема парогенератора заполненного двухфазной средой и средней по этому объему величины паросодержания.
Рис. 1. Расчетные распределения локального объемного паросодержания в вертикальных поперечных сечениях ПГ для Ь = 6,8 м (а) и Ь = 4 м (б).
Величина паросодержания и объем парогенератора занятый двухфазной средой определяется в соответствии с цветовой шкалой, приведенной слева от оси z. Среднее объемное паросодержание (ф = 0,635) рассчитано по значениям, полученным для каждого сечения (см. рис.1). Этому значению объемного паросодержания соответствует сухость пара х = 0,07.
Из рисунка 2, приведенного в работе [5], видно, что при значении сухости пара близком к х = 0,1 , скорость звука в двухфазной среде меняется в широком диапазоне величин. В зависимости от соотношения скоростей фаз в звуковой волне, отношение скорости звука в двухфазной среде к скорости звука в паре меняется от 0,2 до 0,7.
Согласно методике расчета частоты собственных колебаний объемов двухфазной среды [3] в номинальном режиме работы величине объема парогенератора,
48
ПРОСКУРЯКОВ
заполненного двухфазной средой со средней сухостью х = 0,07, соответствует диапазон частот колебаний давления от 16 до 54 Гц.
Рис. 2. Зависимость относительной скорости звука от степени сухости пара и соотношения скоростей фаз в звуковой волне (Св - скорость воды, С - скорость пара)
Из рисунка 3, приведенного в работе [6], следует, что при уменьшении уровня воды в парогенераторе относительно номинального значения на 100 мм, сухость пара в различных точках отбора проб увеличивается в среднем примерно в 6 раз и достигает в объеме ПГ, заполненном паром и пароводяной смесью, средних значений х = 0,4.
0,02 I-!-----
2450 2550 2650 Лр, мм
а)
Рис. 3. Влажность пара в паровом объёме ПГВ-1000: а - изменение влажности пара в паровом объёме; б- расстановка пробоотборников; о, х, А , •, ■ - соответственно в точках №1-5
Из рассмотрения данных, приведенных на рисунке 3, следует, что скорость звука в двухфазной среде при х = 0,4 может достичь величины порядка 470 м/с, при которой собственная частота колебаний давления объема двухфазной среды станет равной 70 Гц.
Проведенные расчетные оценки позволяют идентифицировать источники акустических колебаний, измеренных в главном паропроводе 4-го блока Балаковской АЭС, имеющих значения частот 38, 58 , 46 и 65,5 Гц. Расчеты показывают, что частота акустических колебаний объема ПГ содержащего пар и пароводяную смесь зависит от давления и сухости (влажности) рабочей среды в этом объеме и может регулироваться путем изменения рабочего уровня воды в ПГ.
В исследованном диапазоне изменения средней по паровому объему ПГ влажности пара (0,93 - 0,6), расчетная частота акустических колебаний, генерируемых в объеме ПГ содержащем паровую фазу, соответствует диапазону 16 - 70 Гц.
Для предотвращения резонанса собственных частот колебаний давления в объемах, содержащих пар и пароводяную смесь нескольких параллельно включенных парогенераторов необходимо поддерживать во всех парогенераторах разный уровень воды в пределах регулируемого диапазона.
Разработанные методы и алгоритмы расчета частот акустических колебаний в системе генерации и транспортировки пара предназначены для идентификации, прогнозирования, предотвращения возникновения акустических резонансов и уменьшения уровня вибраций в оборудовании АЭС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Веселова, И.Н. и др. Исследование вибраций главных паропроводов свежего пара первого энергоблока Волгодонской АЭС [Текст] / И.Н. Веселова, М.В. Окулова // Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2010. - №1. - С. 49-55.
2. Проскуряков, К.Н. Использование виброакустических шумов для диагностики технологических процессов в АЭС [Текст] / К.Н. Проскуряков. - М. : МЭИ, 1999. - 68 с.
3. Проскуряков, К.Н. и др. Способы снижения уровня вибрации главных паропроводов АЭС с ВВЭР-1000 [Текст] / К.Н. Проскуряков, С.О. Беликов, А.К. Адаменков, А.В. Костин // Энерго-2012: труды Второй Всероссийской научно-практической конференции Москва, 4-6 июня 2012г. - М. : НИУ МЭИ, 2012. - C. 252-255.
4. Калиниченко, С.Д. и др. Исследование динамики течений двухфазных смесей в циркуляционных контурах АЭС с помощью трехмерного теплогидродинамического кода БАГИРА [Текст] / С.Д. Калиниченко, А.Е. Крошилин, В.Е. Крошилин,А.В. Смирнов // Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР: труды 5-й международной научно-технической конференции 2007 г. - Подольск, 2007. - С. 18.
5. Дейч, М.Е. и др. Газодинамика двухфазных сред [Текст] / М.Е. Дейч, Г.А. Филиппов. 2-е изд. -М. : Энергоиздат, 1981. - 472 с.
6. Трунов, Н.Б. и др. Гидродинамические и теплохимические процессы в парогенераторах АЭС с ВВЭР [Текст] / Н. Б. Трунов, С.А. Логвинов, Ю.Г. Драгунов. - М. : Энергоатомиздат, 2001. -317 с.
Influence of fluctuations in the steam generators containing vapor phase on vibrations in the equipment of the main steam WWER-1000
K.N. Proskuryakov
National Research University Moscow Power Engineering Institute, 14 Krasnoznamennaya St., Moscow, Russia 111250 e-mail: ProskuriakovKN@mpei. ru
Abstract - It is ascertained that fluctuations in the steam generators containing the vapor phase, are the causative agents of vibrations in the equipment of the main steam VVER - 1000. It is proved that the natural frequency generated in these amounts, depends on their dimensions and humidity of biphasic medium.
The results show that the variation range of volumetric vapor moisture (0.93 - 0.6) corresponds to the frequency of the pressure oscillations generated in the amount of GHG containing vapor phase which are in the frequency band from 16 to 70 Hz. The results of measurements the dominant frequencies of vibrations (65.5 Hz 38.5 Hz 39.5 Hz 58.0 Hz) at power-unit №4 at Balakovo NPP, TH50, 70, 60, 80 confirm these estimates.
Keywords: steam pipe, vibrations, pressure variations, frequency, humidity.
