Влияние компенсатора давления на логарифмический декремент затухания колебания давления в первом контуре АЭС с ВВЭР-1000 Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2013 №1(6), С.47-52

= ЭКСПЛУАТАЦИЯ АЭС -

УДК 550.34:621.311.25

ВЛИЯНИЕ КОМПЕНСАТОРА ДАВЛЕНИЯ НА ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ ДЕКРЕМЕНТ ЗАТУХАНИЯ КОЛЕБАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ПЕРВОМ КОНТУРЕ АЭС С ВВЭР-1000

© 2013 г.К.Н. Проскуряков, П.А. Романов

Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт», Москва

Поступила в редакцию 05.02.2013 г.

Цель исследования - определение декрементов затухания сейсмических воздействий в первом контуре АЭС и предотвращение возникновения вибрационных и акустических резонансов с колебаниями, вызванными землетрясением. Представлены результаты расчетов добротности и логарифмического декремента затухания колебаний давления теплоносителя в АЭС с ВВЭР-1000. Установлено, что величина логарифмического декремента меньше нормативного значения и зависит от уровня воды в компенсаторе давления.

Ключевые слова: логарифмический декремент, сейсмостойкость, частота, колебания, добротность.

События на АЭС Фукусима 1 продемонстрировали, что проектный уровень сейсмических воздействий на теплогидравлические системы оказался заниженным. Следствием этого явились повреждения систем охлаждения реактора, возникшие ещё до прихода цунами.

В связи с актуальностью проблемы повышения сейсмостойкости АЭС особое внимание должно быть уделено исследованиям, направленным на обоснование достоверности методов оценки сейсмических воздействий на конструкции ЯЭУ. К наиболее важным направлениям исследований относятся:

- разработка методов расчета добротности, логарифмических декрементов колебаний теплоносителя и полосы пропускания в акустических контурах теплоносителя и рабочего тела АЭС;

- проведение расчетов этих параметров в эксплуатационных режимах для одной из современных АЭС с ВВЭР;

- выработка рекомендаций по дополнению и совершенствованию антисейсмических мероприятий в процессе эксплуатации АЭС и на этапе их проектирования.

Ранее такие задачи, как показал печальный опыт Фукусимы, применительно к сложным промышленным объектам, в том числе и к АЭС, либо в такой постановке не ставились, либо не получили удовлетворительных решений.

Как отмечается в работах [1,2], важным в надежной эксплуатации оборудования является отсутствие совпадения собственных частот между взаимодействующими элементами системы. Для теплогидравлических систем АЭС явление резонанса наблюдается как между элементами конструкции и внешней возбуждающей силой, так и между конструкцией и рабочей средой. Определение собственной частоты колебаний давления, скорости затухания колебаний и других акустических параметров рабочей

©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013

среды в гидравлических системах АЭС, остается актуальной задачей.

Для расчета акустических характеристик теплоносителя АЭС в данной работе использованы одномерные математические модели. Они позволяют достаточно точно описывать длинноволновые колебания давления теплоносителя в трубопроводах и в оборудовании АЭС [2, 3]. Одним из используемых приближений является приведение уравнений неустановившегося движения сжимаемой жидкости к, так называемым, телеграфным уравнениям. Как любой конструктивный элемент, обладающий массой и упругостью, теплоноситель имеет собственные частоты колебаний давления и скорости, которые могут совпасть по величине и фазе с частотами внешних возмущений и вызвать резонансное увеличение амплитуды колебаний. Для расчета собственной частоты колебаний теплоносителя используется известные в акустике методы.

Согласно [2, 3], акустическая масса среды плотностью р в канале длинной 1и поперечным сечением ^вычисляется по формуле:

р1

т = —.

Акустическая податливость среды в канале объемом V :

С = 1-

пР

где п - показатель политропы, Р- давление в канале.

Собственная частота колебаний давления текучей среды в канале:

г = 1

Добротность потока определяется следующим образом:

(2 = -

где X = ^^ - реактивное сопротивление, кг/м4-с;

Я -активное сопротивление элемента определяется вязкостными силами; да-акустическая масса, кг/м4; С-акустическая податливость, м4-с2/кг.

Активное сопротивление равно:

Н = №

где Ыд- мощность диссипируемой энергии, Вт; Ш - объемный расход жидкости, м /с.

Добротность связана с логарифмическим декрементом затухания (А):

Д=

Я

На рисунке1 представлена акустическая схема, разработанная для одной петли первого контура АЭС с ВВЭР -1000.

Рис. 1. Акустическая модель петли первого контура ВВЭР-1000 А3 - активная зона; ПГ - парогенератор; КД - компенсатор давления; ХК и ГК - холодный и горячий коллекторы; 1-13 - номера элементов первого контура. 1 - "холодная нитка" от главного циркуляционного насоса (ГЦН) до входного патрубка реактора; 2 - опускной участок; 3 - пространство под активной зоной;4 - активная зона; 5 - пространство над активной зоной; 6 - "горячая нитка" (от выходного патрубка реактора до входа в горячий коллектор ПГ); 7 - дыхательный трубопровод; 8 -жидкая фаза в компенсаторе давления; 9 - паровая фаза в компенсаторе давления; 10 - горячий коллектор; 11 - трубчатка ПГ; 12 - холодный коллектор; 13 - "холодная нитка" от выхода из холодного коллектора ПГ до ГЦН

Результаты расчета зависимости декремента затухания колебаний от уровня воды в КД представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Влияние уровня воды в КД на декремент затухания

Из рисунка 2 видно, что логарифмический декремент затуханий колебаний давления теплоносителя в номинальном режиме (давление в контуре Р=16 МПа, температура теплоносителя на входе в реактор ¿вх=289 0С, на выходе из реактора

4ьи:=322 0С, уровень воды в КД 9 м) равен 0.04, а в пусковом режиме (при использовании азота в КД, при давлении теплоносителя Р= 10 МПа, и температуре теплоносителя ^=150°С ) А=0.05 при том же уровне воды.

В таблице 1 приведены нормативные значения [4] логарифмических декрементов затухания колебаний для строительных конструкций, оборудования и трубопроводов.

Таблица 1. Логарифмические декременты колебаний строительныхконструкций и _трубопроводов_

Вид конструкции Логарифмический декремент колебаний А

Железобетонные конструкции обычные 0,25

Железобетонные конструкции преднапряженные 0,12

Стальные конструкции сварные 0,12

Стальные конструкции на болтах 0,25

Оборудование и трубопроводные системы большого диаметра (> 300 мм) 0,12

При сопоставлении логарифмических декрементов затухания колебаний давления теплоносителя в первом контуре АЭС с ВВЭР-1000, представленных на рисунке 2, с величинами логарифмических декрементов, представленных в таблице 1, видно, что в эксплуатационных режимах величины декрементов затухания колебаний в теплоносителе оказываются ниже нормативных значений для конструкций и оборудования.

Расчеты показывают, что длина дыхательного трубопровода (7), соединяющего КД (позиции 8 и 9) с первым контуром, также оказывает влияние на значение логарифмического декремента затухания колебаний давления теплоносителя. Из рисунка 1 видно, что при изменении длины дыхательного трубопровода от 8 до 23 метров декремент затухания А меняется от 0.05 до 0.04 соответственно.

Д

о,смп

0.04В -

0,04£- -

0.044 -

О .042 -1,-,-1-,-1-,-1-,-1-,-1-,-1-,-1-,-1—

В 10 12 14 16 1В 20 22 24

Длина дыхательного трубопровода, м

Рис. 3. Изменение декремента затухания в зависимости от длины дыхательного трубопровода

Внешние нагрузки "сейсмического" типа [1, 5] вызывают движение оборудования и трубопроводов, которое существенно влияет на гидродинамические процессы. Учет этого влияния при проектировании и эксплуатации оборудования и трубопроводов АЭС необходим для обеспечения прочности и надежности при сейсмических нагрузках.

В [5] рассматривались гармонические колебания трубопровода в направлении оси, когда все его точки движутся по закону: y = yocos ю t, где yo -амплитуда колебаний, ю - циклическая частота. Показано, что уравнения, описывающие неустановившееся напорное адиабатическое течение вязкой сжимаемой жидкости в протяженном подвижном трубопроводе, отличаются от обычно используемых при исследовании гидравлического удара в трубах наличием слагаемого, которое учитывает перемещение оси трубопровода.

Хорошее совпадение численного и аналитического решений для гармонических колебаний, подтверждает правильность разработанного алгоритма. Алгоритм [5] может применяться для расчета гидроупругих колебаний трубопроводов, вызванных внешними нагрузками, закон изменения которых во времени известен.

Известно, что при попадании частоты сейсмических волн в полосы пропускания частот собственных колебаний [2] в контурах теплоносителя или рабочего тела АЭС и/или отдельных его элементов происходит увеличение амплитуды сейсмической волны в этих контурах.

Максимальной величины амплитуда сейсмической волны достигает при совпадении частот сейсмических волн с модами собственных колебаний теплоносителя. В этом случае произойдет кратное (соответственно величине Q) увеличение амплитуды сейсмической волны в контурах АЭС и ее значений в процессе затухания волны. В результате для каждого элемента акустического контура в соответствующем режиме эксплуатации определяется реальный спектр собственных частот и логарифмических декрементов колебаний теплоносителя.

Результаты проведенного исследования показывают, что повышение сейсмостойкости АЭС с ВВЭР при землетрясениях может быть достигнуто путем уменьшения уровня воды в компенсаторе давления и длины дыхательного трубопровода.

На основе анализа разрушений, на АЭС Фукусима Daiichi-1, вызванных землетрясением, МАГАТЭ поставило задачу разработки более строгих требований и норм для повышения сейсмостойкости объектов ядерно-топливного цикла и атомной энергетики. Очевидно, что для обеспечения сейсмической надежности конструкций и технологических систем АЭС должны быть проведены исследования с целью определения декрементов затухания сейсмических воздействий в конструкциях и технологических системах АЭС, а также с целью предотвращения возникновения в них вибрационных и акустических резонансов (ВАР) с колебаниями, вызванными землетрясением.

Новые требования и нормы еще предстоит разработать, но их соблюдение будет обязательным для проектируемых и строящихся АЭС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ананьев, А.Н. и др. Сейсмическая безопасность атомных станций [Текст]/ А.Н. Ананьев, С.П. Казновский, П.С. Казновский, В.И. Лебедев, Х.Д. Чеченов - М. : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 230 с.

2. Proskuryakov K.N. Estimation of Dynamic Loading on a Design of the Atomic Power Stations Resulting Seismic Influences. Paper448790 Nagoya, Japan, December 11-16, 2011.

3. Лепендин, Л.Ф.Акустика [Текст] / Л.Ф. Лепендин - М. : Высшаяшкола, 1978. - 272 с.

4. Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций. НП-031-01 [Текст] // Вестник Госатомнадзора России. - 2001. - №3. - С. 64-88.

5. Яскеляин, А.В. Исследование гидравлического удара в жидкости при колебаниях трубопровода [Текст] / А.В.Яскеляин // Проблемы прочности и пластичности. - 2008. - №70. - С. 62-70.

Influence of pressurizer on logarithmic decrement of pressure oscillations

inprimarycircuitofWWER-1000

K.N. Proskuryakov*, P.A. Romanov**

National Research University Moscow Power Engineering Institute, 14 Krasnoznamennaya St., Moscow, Russia 111250 e-mail*: ProskuriakovKN@mpei.ru ; e-mail**: truepachenko@mail.ru

Abstract- Objectives of the study are to determine the decrements of damping rates of seismic impacts in the primary circuit of a nuclear power plant and to prevent vibration and acoustic resonance with the vibrations caused by an earthquake. The results of calculations of Q-quality and the logarithmic decrement of damping pressure in heat-transfer in nuclear power plants with WWER - 1000 are presented. It is showed that the logarithmic decrement is less than the standard value and depended on the water level in the pressurizer.

Keywords: logarithmic decrement, earthquake resistance, frequency, oscillations, Q-quality.