CC BY
51
УДК 621.3.083.92
ДАТЧИК НА ОСНОВЕ ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЕМПЕРАТУРНОГО
КОНТРОЛЯ РЕАКТОРА АЭС
© 2010 г. В.Ф. Катаев*, И.В. Крейс*
ЗАО «Институт термоэлектричества», г. Волгодонск Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
Close corporation «Institute of Thermoelectricity», Volgodonsk **Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Рассмотрен датчик на основе линии задержки на поверхностных акустических волнах для контроля температуры пара в системе циркуляции парогенератора АЭС. Предложена конструкция сенсора, построена его математическая модель, получены функциональные зависимости относительного изменения времени задержки от величины температуры.
Ключевые слова: датчик; линия задержки; поверхностные акустические волны; температура; парогенератор; атомная электростанция.
This article is about surface acoustic wave delay line sensor for circulation pipes nuclear generator steam temperature control system. There was proposed sensor design, built mathematical model, received functional relation of relative delay time changing by temperature.
Keywords: sensor; delay line; surface acoustic waves; temperature; steam generator; nuclear power plant.
Система штатного температурного контроля реакторов типа ВВЭР обеспечивает измерение температуры: теплоносителя на входе в реактор и выходе из него (по замерам в трубопроводах циркуляционных петель), на выходе из топливных кассет, различных конструкционных элементов реактора, таких как поверхности корпуса, фланцев, каналов ионизационных камер. На атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится измерение температуры. Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.
В настоящее время в системе автоматического регулирования уровня воды в парогенераторах (ПГ) энергоблоков с ВВЭР-1000 используется входной сигнал по расходу генерируемого пара. Этот сигнал формируется по косвенному параметру - перепаду температуры теплоносителя первого контура на входе и выходе из ПГ. Вода реакторного контура находится под повышенным давлением (до 16 МПа) и имеет высокую температуру (293 градуса - на выходе, 267 - на входе в реактор) [1]. Таким образом, высокая точность определения температуры является важнейшим фактором обеспечения безопасного функционирования АЭС.
Разработка внутризонных измерительных устройств связана с решением специфических задач, обусловленных влиянием на первичные преобразователи ионизирующего излучения. Вещество, находящееся в активной зоне, подвергается бомбардировке нейтронами, квантами, электронами и другими частицами, что приводит к искажению метрологических характеристик измерительного устройства. Однако известно, что с уменьшением размеров чувствительного элемента детектора в условиях реакторного излучения погрешность измерения снижается.
Анализ современных датчиков показал, что их точность измерения мала, подверженность радиационному воздействию значительно сокращает их срок годности, необходимость наличия проводного канала связи и источника питания повышает затраты и сложность эксплуатации.
Для устранения приведенных недостатков целесообразно использовать пассивные беспроводные пьезоэлектрические датчики температуры на основе линии задержки (ЛЗ) на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Общий вид ЛЗ приведен на рис. 1.
Конструктивно датчик представляет собой подложку пьезоэлектрического материала, на которую нанесены 2 ВШП из А1. К одному из ВТТТП присоединяется антенна, а ко второму -схема согласования [2].
1
Рис. 1. Общий вид ЛЗ на ПАВ: 1 - пьезоэлектрическая подложка; 2 - ВШП; 3 - акустический поглотитель;
4 - контакты для крепления антенны
Пример реализации термодатчика на ПАВ приведен на рис. 2. Пьезоэлектрическая подложка с двумя ВШП контактирует посредством термопасты с контролируемым объектом. ПАВ-датчик находится в герметизированном, заполненном инертным газом (например, Не) объеме. Соединение с антенной осуществляется через гермовводы.
7
l = т
Рис. 2. Конструктивное исполнение датчика температуры на ПАВ: 1 - пьезоэлектрическая подложка; 2 - встречно-штыревые преобразователи (ВШП); 3 - соединительный провод; 4 - антенна в виде полуволнового вибратора; 5 - пластичная термопаста; 6 - эпоксидный клей; 7 - герметизирующее уплотнение отверстия для откачки воздуха; 8 - стенки корпуса; 9 - посеребренная крышка; 10 - поверхность объекта контроля (труба с теплоносителем);
11 - керамическое уплотнение антенного входа
Принцип функционирования датчика основан на изменении времени задержки ЛЗ на ПАВ при изменении температуры, что описывается формулой
т(Т) = T(T))(1 +1 T(n)(T - To)n),
(1)
n=1
где Гт - температурный коэффициент задержки, зависящий от свойств материала подложки; Т -температура в данный момент времени; Т0 - нулевая температура, соответствующая термостабильному состоянию материала; т(Т0) - время задержки, соответствующее термостабильному состоянию, рассчитывается по формуле
т(Т0) = 100^ / V = 100/ (2)
где X - длина волны ПАВ; /0 - центральная частота сенсора в термостабильном состоянии [3].
Таким образом, для центральной частоты /0 = = 433, 92 МГц термостабильное время задержки т(70)= 0,23-10"6(с).
Для 5Т-среза SiO2, берлинита и тетрабората лития выражение (1) принимает вид
т(Т) = т(Т0)(1 + Т(2)(Т - Т0)2), (3)
где Тх(2) (ЯТ-кремний) = 32,3'10 9 (°с 2Х Тх(2) (берлинит) = = 220'10 ( С ), ) (тетраборат лития) = 230'10 ( С ); Т0 ^Т-кремний) = Т0 (берлинит) = 21,1( С), Т0 (тетраборат лития) =
= 11(°С) [4].
Датчик на основе ЛЗ на ПАВ по сути представляет собой фильтр, АЧХ которого рассчитывается по формуле [3]
A( w) = 101g
2Yr Gfl (w)
(Ga(w) + Yr)2 + (wCBmn -1 / (wLc))2
, (4)
где Уг - проводимость генератора; Ga - входная проводимость ВШП; Свшп - емкость преобразователя; w - циклическая частота; Lc - согласующая индуктивность [5].
На основании формул (1) - (4) можно построить для датчика температуры на основе ЛЗ на ПАВ с резонансной частотой, равной /0 = = 433,92 МГц, амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и график температурной зависимости относительного изменения времени задержки с применением программных средств Matlab&Simulink.
На рис. 3 приведены вышеуказанные зависимости для датчика температуры, выполненного на подложке ST-SiO2, на рис. 4 и 5 - для подложек берлинита и тетрабората лития соответственно.
Как видно из графиков, температурная зависимость относительного изменения времени задержки для всех трех подложек имеет вид параболы с перегибом в точке термостабильности (нулевой точке). На линейном участке параболы от 200 до 300 °С возможно реализовать термочувствительный датчик, причем, согласно приведенным графикам, максимальная чувствительность реализуется для датчика на основе подложки из тетрабората лития. АЧХ датчиков имеет вид, сходный с видом АЧХ ПАВ-фильтра. Ширина полосы пропускания порядка 1 МГц, чего достаточно для селективности опросного устройства. Потери в датчике, согласно расчетам, составляют менее 10 дБ. Это достигается подбором оптимального числа электродов преобразователя и выбором материала подложки [6].
3
Дх/х, ПО-6
4с 1500
^jnjxj
Рис. 3. Характеристики датчика температуры на основе подложки 5Т-кварца: а - температурная зависимость относительного изменения времени задержки; б - амплитудно-частотная характеристика
р
ТХ
-=JSl-*J
10lg(U2/U1)(f), Дб Ю
3 -30
а)
б)
Рис. 4. Характеристики датчика температуры на основе подложки берлинита:
а - температурная зависимость относительного изменения времени задержки; б - амплитудно-частотная характеристика
10lg(U2/U1)(f)f Дб
101-г
-зо
4,Э5
XA*is
4.J5 4.5
ИТТм"1*1о8
а)
б)
Рис. 5. Характеристики датчика температуры на основе подложки тетрабората лития: а - температурная зависимость относительного изменения времени задержки; б - амплитудно-частотная характеристика
Зная время задержки сенсора, можно опреде- синтезатор формирует опросный импульс, сиг-
лить температуру подложки, расположенной нал с высокочастотного излучателя поступает на
тыльной стороной на объекте контроля. Прин- антенну. Сигнал по радиоканалу поступает на
цип действия системы: по команде контроллера антенну сенсора. При изменении температуры
происходит задержка датчика, и амплитуда его отклика уменьшается. Ответный импульс сенсор излучает на опросное устройство. Полученный сигнал поступает на высокочастотный приемник, затем на когерентный детектор и оцифровывается посредством АЦП. Контроллер опросного устройства производит сравнение частоты сигнала отклика с предельно допустимым значением. Дальность беспроводного опроса - до 100 метров.
Для АЭС важным фактором является безаварийность выработки электроэнергии и себестоимость, с одной стороны, а с другой - жесткие требования по защите окружающей среды, а также постоянно возрастающий объем производимой электроэнергии. Эти противоречия могут быть разрешены только с применением современного измерительного оборудования и автоматизации производства. При этом актуальность применения датчиков температуры на основе ЛЗ ПАВ обусловлена их малыми габаритами, высо-
Поступила в редакцию
кой точностью показаний, отсутствием необходимости в использовании источника питания и проводов, малая подверженность воздействию радиации, практически неограниченный срок службы, возможность установки в труднодоступные или даже опасные места конструкций.
Литература
1. Гетман А., Козин Ю. Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации сосудов и трубопроводов давления. М: Энергоатомиздат, 1997. 288 с.
2. Катаев В. Ф., Карапетьян Г.Я. Пассивный датчик на ПАВ для дистанционного контроля параметров // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2006. № 5. С. 10.
3. Джексон Р. Новейшие датчики. М.: Техносфера, 2007. 384 с.
4. Балышева О.Л. Материалы для акустоэлектронных устройств: учеб. пособие. ГУАП. СПб., 2005. 50 с.
5. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1990. 415 с.
6. Мэтьюз Г. Фильтры на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и связь, 1981. 472с.
18 февраля 2010 г.
Катаев Владимир Федорович - генеральный директор, ЗАО «Институт термоэлектричества», Волгодонск, Тел. (8639) 247414. E-mail: [email protected]
Крейс Иван Викторович - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 89518411751. E-mail: [email protected]
Kataev Vladimir Fedorovich - director-general, Close corporation «Institute of thermoelectricity», Volgodonsk, Ph. (8639) 247414. E-mail: [email protected]
Kreys Ivan Viktorovich - post-graduate student, Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 89518411751. E-mail: [email protected]
УДК 621.314.222.6.008.6
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ (МОНИТОРИНГ) СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ
© 2010 г. С.Л. Кужеков , А.А. Дегтярев , А. А. Пекарский , А.В. Бережной , Е.Г. Дашевский
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
**ОАО Электроцентроналадка, г. Москва ** Electrotsentronaladka, Moskov
Разработана система автоматизированного непрерывного контроля состояния (мониторинга) силовых трансформаторов и автотрансформаторов. В состав системы входят подсистемы, обеспечивающие следующие функции: контроль и управление температурой масла трансформатора; контроль газо- и влагосодержания масла; контроль состояния системы регулирования напряжения под нагрузкой (РПН); контроль состояния изоляции вводов; пульт управления, который обеспечивает ручное или программное отключение модулей системы мониторинга.
Ключевые слова: мониторинг; состояние; контроль; силовой трансформатор; автотрансформатор; температура; масло-, газо- и влагосодержание; изоляция; ввод; РПН.
The system of automatic uninterrupted control of power transformers and autotransformers state (monitoring) has been worked out. The system includes subsystems providing the following functions: control and regulation of oil temperature of transformers; control of gas and moisture content of oil; control of voltage regulation system state under load (RUL); control of input insulation state; control desk ensuring manual and programmed disconnection of monitoring system modules.
Keywords: monitoring; state, control; power transformers; autotransformers; temperature; oil; gas and moisture content; insulation; input; RUL.
Старение парка трансформаторов и рост единичной мощности трансформаторов - две тенденции не только в отечественной, но и в мировой энергетике. Первая тенденция приводит к возрастанию вероятности повреждения трансформатора и аварийного выхода его из строя. Опасность второй тенденции заключается в том, что в случае повреждения трансформатора возникает аварийная ситуация, приводящая к существенным перебоям в электроснабжении и значительному материальному ущербу.
Предупреждение аварий трансформаторов обеспечивают системы автоматизированного контроля состояния силовых трансформаторов и автотрансформаторов (системы мониторинга трансформаторов). На данный момент на отечественном рынке представлен ряд таких систем как отечественного, так и импортного производства. Лидирующие позиции занимают системы производства ГУП ВЭИ, ООО
АРМ оператора
«Энергоавтоматизация», ЗАО «Интера», которым принадлежит более пятидесяти процентов рынка.
Так как основная масса установленных систем мониторинга размещается в Сибири и в Центральной России, а в Южном Федеральном Округе, несмотря на наличие значительного количества трансформаторного оборудования указанные системы не используются, и учитывая многочисленные просьбы предприятий, в ООО НПФ «КВАЗАР» и ЮРГТУ (НПИ) разработан образец системы мониторинга.
Указанная система построена на базе встраиваемых контроллеров компании ICP-DAS, серии /7000, которая обеспечивает недорогое, гибкое и эффективное решение поставленной задачи. Линейка серии /7000 включает процессорные модули, коммуникационные модули, модули аналогового ввода-вывода, модули дискретного ввода-вывода.
f.
ИБП
Т
Концентратор
Кабель питания 220В Кабель питания 220В
Шкаф электромеханических пускателей электродвигателей системы охлаждения
Кабель питания 380В
Силовые автоматические выключатели
£
Пуск;
тель 1 Пуск 1тель 2 Пус]
Шкаф
С alisto РПН
^¡ёЪ
:атель 3 П\
скатель 4
Охладитель Охладитель Охладитель Резервный № 1 № 2 № 03 охладитель
клеммныи
Дт—Дт
|Да| Щ |Дс| Рис. 1
Каждый модуль - это функционально законченное устройство, размещенное в пластиковом корпусе из негорючей пластмассы. Установка модулей осуществляется на стандартную 35-миллиметровую DIN-рейку.
По своим техническим характеристикам и системе команд контроллеры и модули серии I7000 аналогичны изделиям других производителей, представленным на рынке России.
В качестве SCADA -системы выбрана широко распространённая SCADA-система TRACE MODE. В состав SCADA -системы входят драйверы для выбранной серии контроллеров. Особое внимание в SCADA-системе TRACE MODE уделено интеграции с другими приложениями, в том числе и с другими SCADA-системами, что важно для обеспечения связи с АСУ ТП электрической части электростанции или подстанции.
В SCADA -систему TRACE MODE встроена поддержка наиболее распространённых программных интерфейсов: ODBC, OPC, DDE.
Структурная схема разработанной системы мониторинга приведена на рис. 1.
Система размещается в шести шкафах, пять из которых (шкаф управления, шкаф контроля влаго- и газосодержания масла (Calisto), шкаф контроля устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), шкаф контроля состояния изоляции вводов (КТУ-5) и шкаф электромеханических пускателей электродвигателей системы охлаждения) размещаются непосредственно у трансформатора, а шестой -автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора - в помещении дежурного (оперативного) персонала.
Внешний вид одного из шкафов - шкафа контроля состояния изоляции вводов - показан на рис. 2.
Рис. 2
Поступила в редакцию
Каждый из шкафов представляет собой законченный модуль, который может быть использован автономно; поэтому возможны варианты реализации системы, в которых отсутствуют один или несколько шкафов.
Шкаф управления - модуль, объединяющий сигналы от шкафов контроля влаго- и газосодержания масла, контроля устройства регулирования напряжения под нагрузкой, контроля состояния изоляции вводов, электромеханических пускателей электродвигателей системы охлаждения, и передающий полученные данные на АРМ оператора.
Шкаф контроля влаго- и газосодержания масла -покупной модуль, ведущий сбор информации о газосодержании и влагосодержании масла.
Шкаф контроля устройства регулирования напряжения под нагрузкой - модуль, контролирующий температуру масла в баке РПН, номер отпайки РПН, а также иные параметры РПН.
Шкаф контроля состояния изоляции вводов - модуль, предназначенный для контроля состояния изоляции одной из наименее надежных частей трансформаторов - высоковольтных вводов. Состояние изоляции вводов оценивается по значениям модуля комплексной проводимости изоляции - параметру, рекомендованному нормативными документами для контроля изоляции вводов и трансформаторов тока.
Шкаф электромеханических пускателей электродвигателей системы охлаждения - модуль, предназначенный для размещения пускателей двигателей охладителей, автоматов их защиты и пульта ручного управления. Управление указанными пускателями ведется по алгоритму, использующему значения температуры верхнего и нижнего слоев масла в баке силового трансформатора и токов в его фазах.
Для передачи данных от шкафа к операторскому пульту используется сеть Ethernet, допускающая применение волоконно-оптического канала связи, не чувствительного к электромагнитным помехам. Связь между компонентами модулей осуществляется по RS485.
Разработано программное обеспечение системы мониторинга, обеспечивающее текущий контроль состояния трансформатора, архивирования и документирования полученной информации.
Система мониторинга прошла лабораторные испытания. Предполагается её установка на опытную эксплуатацию на один из автотрансформаторов в Южном Федеральном округе.
18 февраля 2010 г.
Кужеков Станислав Лукьянович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электроснабжение предприятий», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 255650. [email protected]
Дегтярев Андрей Александрович - инженер, аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт. E-mail: [email protected]
Пекарский Антон Александрович - инженер, аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: [email protected]
Бережной Александр Васильевич - инженер, аспирант Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: [email protected]
Дашевский Евгений Григорьевич - начальник отдела, ОАО «Электроцентроналадка», г. Москва. E-mail: [email protected]
Kuzekov Stanislav Lykianovitch - Doctor of Technical Sciences, professor, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 255650. E-mail: [email protected]
Degtyarev Andrey Alexandrovitch - post-graduate student engineer, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: [email protected]
Pekarsky Anton Alexandrovitch - post-graduate student engineer, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: 89034638952. E-mail: [email protected]
Berezhnoy Alexander Vasilevitch - post-graduate student engineer, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: 89043481646. E-mail [email protected]
Dashevsky Evgeney Grigorevitch - chief of department «Electrotsentronaladka», Moskov, Ph. 89166128302. E-mail: [email protected]_
УДК 681.53.38: 532.543: 621.31
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА ЗАКРЫТИЯ ОСЕВОГО ОБРАТНОГО КЛАПАНА
© 2010 г. П.И. Пасько , А.Г. Плахов
Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
ОАО «Атоммашэкспорт» (г. Волгодонск)
Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)
** «Atommashexport», Volgodonsk
Приведены результаты расчетных исследований гидродинамики потока при аварийном закрытии осевого обратного клапана. Выполнено сравнение силы удара затвора клапана о седло при испытании и максимальной проектной аварии.
Ключевые слова: регулирующий клапан; гидродинамика потока; численное моделирование; гидродинамическая нагрузка.
In the present work numerical experimental results hydrodynamics flow repair closing of axial check valve are adducing. Force disk valve of saddle by test and by highest possible projects breakdown traced compare to use.
Keywords: check valve; hydrodynamics flow; indirect simulation; hydrodynamics loadings.
Запорная арматура предназначена для обеспечения условий нормального функционирования тепло-обменного оборудования ТЭС и АЭС. Обратные осевые клапаны характеризуются высокой надежностью и постоянной величиной коэффициента гидравлического сопротивления в открытом положении. Эскиз обратного осевого клапана изображен на рис. 1.
При рассмотрении возможности использования обратного осевого клапана с условным диаметром Ду600 в качестве обратного клапана на главном паропроводе АЭС необходимо доказать, что клапан сохранит работоспособность при максимальной проектной
аварии (МПА) - разрыве главного паропровода. Рис. 1. Конструкция обратного осевого клапана
Проверку работы клапана в режиме аварийного закрытия планировалось осуществить на стенде испытательной лаборатории ФГУП «НИЦ АЭС». Схема испытания приведена на рис. 2.
Пар
Р=23 МПа 7=450 °С
Воздух Р=23 МПа
Н»
В атм.
I
Пар
Р=23 МПа 7=450 °С
Продувка
Воздух const
Рис. 2. Принципиальная схема рабочего участка по испытанию обратного клапана АЭ254.600.09.000 на рабочих параметрах Рр = 8,5 МПа Тр = 285°С: 1 - сосуд ВД стенда РУ-4; 2 - пароприемная камера; 3 - клапан обратный (испытываемое изделие); 4 - узел ввода пара; 5 - быстродействующий клапан; 6 - мембранный узел; 7 - переход 100/50;
8 - фланцевое соединение
Испытания проводятся с обязательным поддержанием рабочих параметров среды Рр, Тр. Подготовка среды необходимых рабочих параметров осуществляется в сосуде высокого давления (ВД) посредством подачи пара в сосуд. Сосуд предварительно заполнен питательной водой. Подача среды на клапан производится в «обратном» (по отношению к рабочему) направлении. Закрытие затвора клапана производится из максимально открытого положения устройством аварийного срабатывания (разрыв мембраны). Воздействие механического (и гидравлического) ударов при аварийном срабатывании клапана фиксируется при разрыве мембраны. Под действием перепада давления и потока среды происходит срабатывание клапана с механическим ударом затвора о седло. При этом среда (пароводяная смесь), прошедшая через открытый затвор клапана, поступает в пароприемную камеру и затем через воздуховоды в атмосферу.
Расчетное исследование динамики закрытия обратного осевого клапана Ду600 проводится с помощью пакета инженерного анализа ANSYS, который позволяет рассчитывать локальные характеристики гидравлического потока. Цель расчетного исследования - сравнение величины силы удара затвора клапана о седло при МПА и вышеизложенных условиях испытания
Математическая модель для описания гидродинамических процессов состоит из:
- уравнения движения жидкости
V ( pw u -ц ej Vu ) = ——, V(pwv -ц ej Vv ) =——
dx
v(pw w -ц ef Vw) = ;
- уравнения неразрывности потока
V(pw ) = 0;
- уравнения сохранения энергии
Эу
v(pCw T -А f VT ) = 0
где р - плотность, кг/м3; Р - рабочее давление, Па; W - вектор скорости, м/с; и, V, w - компоненты скорости по координатам х, у, 2 соответственно, м/с;
, с„р£:
^ еГ = ^ +
- эффективное значение динами-
ческой вязкости газа, Па-с; С - удельная теплоемкость, Дж/(кг К); Т - температура, К; XеГ = Х + —--
Рг
эффективное значение коэффициента теплопроводности, Вт/(м-К). Для моделирования процессов турбулентного переноса применялась модель SST.
Для расчетного исследования были созданы трехмерные конечно-элементные модели клапана, открытого на 85, 50 (рис. 3 а) и 15 % (рис. 3 б). Плотность сетки существенно меняется как по длине конструкции, так и для пристенного слоя, места возможных отрывов потока задаются более мелкой сеткой.
а) б)
Рис. 3. Конечно-элементные модели клапана
В результате расчета на моделях получаем распределение давлений и скоростей в клапане. На рис. 4 а, в, д представлены распределения скоростей в клапане в районе затвора, а на рисунках 4 б, г, е - распределения давлений. Движение затвора определяется величиной перепада давлений на его диске. Определены гидродинамические усилия, действующие на диск затвора (без учета действия пружины), и построена интерполяционная кривая (рис. 5 а).
1
1
2
Рис. 4. Скорости и давления потока в клапане, открытом на: а, б - 85 %; в, г -50 %; д, е - 15 %
F, Н 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
-500 -1000 -1500
*
\
\
\
\
\
\
) 1 0 2 0 3 0 4 0 5 к 6 0 7 0 8 0 9
а)
Рис. 5. Гидродинамические усилия на затвор
Из приведенного графика следует, что при испытании клапана на параметрах рабочей среды в режиме аварийного закрытия гидродинамическое усилие на затвор клапана, при положении затвора, соответствующего открытию клапана от 45 до 100 %, направлено на его открытие, а при положении затвора, соответствующего открытию клапана от 0 до 45 %, направлено на закрытие клапана. Силу удара затвора о седло клапана оцениваем по кинетической энергии затвора. Кинетическая энергия движения затвора при испытаниях в режиме аварийного закрытия E = | Fdx = = 950 Дж.
При нормальных условиях срабатывания клапана его закрытие осуществляется за счет движения затво-
120%
б)
клапана: а - при испытании; б - при МПА
ра под действием усилия пружины, при этом, без учета влияния среды, кинетическая энергия движения затвора равна
E
Fi + F2 2
h = 30,2 Дж,
где F1, F2 - минимальное 250 Н; максимальное 326 Н усилие пружины соответственно; h - ход пружины 0,105 м.
Сила взаимодействия затвора с седлом клапана при закрытии клапана в результате МПА - разрыва паропровода Ду600 с расходом насыщенного пара G = 1470 т/ч при давлении Р = 6,4 МПа, приведена на рис. 5 б. Энергия взаимодействия при МПА E = 274 Дж.
Вывод
По результатам расчетных исследований динамики закрытия осевого обратного клапана Ду600 установлено, что при испытании клапана по рассматриваемой схеме в режиме аварийного закрытия сила удара затвора о седло в 2,2 раза превышает силу удара
Поступила в редакцию
затвора о седло при закрытии клапана в результате МПА (разрыва паропровода Ду600).
Литература
1. Methodology ANSYS-CFX. Version 9.0. London, Computational Dynamics, 2005.
18 февраля 2010 г.
Пасько Петр Иванович - старший преподаватель, Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 7(86392) 22-52-10.
Плахов Андрей Генадьевич - старший инженер-конструктор, ОАО «Атоммашэкспорт». Тел. 7(86392) 23-47-07. доб. 168.
Pasko Peter Ivanovich - senior lector, Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 7(86392) 22-52-10.
Plachov Andrey Gennadievich - senior engineer-designer, «Atommashexport». Ph. +7(86392)- 23-47-07. add. 168.
УДК 681.53.38: 532.543: 621.31
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСИЛИИ НА ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ РЕГУЛИРУЮЩЕГО КЛАПАНА «ДИСК» С ПОМОЩЬЮ
КОМПЛЕКСА ANSYS
© 2010 г. П.И. Пасько*, А.Г. Плахов", Ю.С. Кузин"
*Волгодонский институт (филиал) *Volgodonsk Institute (branch)
Южно-Российского государственного of South-Russian
технического университета (Новочеркасского State Technical University
политехнического института) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
**ОАО «Атоммашэкспорт» (г. Волгодонск) "Atommashexport, Volgodonsk
Приведены результаты расчетных исследований гидродинамики потока в регулирующих клапанах типа «Диск». Определена зависимость величины гидродинамического момента на золотнике клапана от величины его открытия. Получена численная зависимость максимального вращающего момента на золотнике от геометрических характеристик клапана и параметров потока.
Ключевые слова: регулирующий клапан; гидродинамика потока; численное моделирование; гидродинамическая нагрузка.
In the present work numerical experimental results hydrodynamics flow of actuator valves of type «Disk» are adducing. Functional dependence quantity hydrodynamics moments of slide of valves from quantity uncover has been specified. Numerical expression maximum torque of slide of geometrical characteristic of valves and parameter flow obtained.
Keywords: actuator valve; hydrodynamics flow; indirect simulation; hydrodynamics loadings.
Регулирующие клапаны «Диск» являются разгру- седлом благодаря 10 %-ной нагрузке прижатия со
женными клапанами и используются для регулирова- стороны головки диска. На рис. 1 представлена конст-
ния расхода воды и пара на АЭС и ТЭС. Регулирую- рукция клапана «Диск» Ду400.
щая часть клапана «Диск» в основном состоит из ще- Расчетное исследование проводилось с помощью
левидного седла, где размер отверстия в седле регули- трехмерных конечно-элементных моделей, созданных
руется вращающимся диском (золотником). Угол с помощью программного комплекса ANSYS, который
вращения диска изменяет проходное сечение и вели- позволяет рассчитывать локальные характеристики
чину расхода. Диск держится в постоянном контакте с потока.
гии турбулентности
V
С Це л pwk —— Vk
2 f ди, ^
3 дГ:
дч
дГ:
(
V
Л
ц-ef
pwe--—Ve
j
- С -" Ce1 k
D 2 f ди,-
— M-t т +Pk 3 дХ:
ди
ди
дх.
К йхг-
где К - приведенная кинетическая энергия турбулентности; е - скорость диссипации кинетической энергии турбулентности.
Для замыкания системы вышеописанных уравнений применялись соотношения:
СцРк2
ц -— > ^ -ц+ц; ef pjr
P -
r8uL
дх, дх, V j 1 j
ди, дх,-
Рис. 1
Математическая модель для описания гидродинамических процессов, происходящих в регулирующем клапане, состоит из системы уравнений, описывающих турбулентное движение несжимаемой вязкой жидкости [1]:
- уравнения движения (Навье-Стокса)
V(р^ - Ц/ Vй) = ' V(рWv - Ц/^) = - -^р ,
ЗР
V(рWw -Це/ = '
- уравнения неразрывности потока V(рW) = 0 ;
- уравнения сохранения энергии
v(рcWT -Хе/ VT ) = 0,
где р - плотность, кг/м3; Р - рабочее давление, Па; W - вектор скорости, м/с; и, V, w - компоненты скорости по координатам х, у, 2 соответственно, м/с; це/ - эффективное значение динамической вязкости газа, Па-с; С - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); Т - температура, К; X/ - эффективное значение коэффициента теплопроводности, Вт/(м-К).
Для моделирования процессов турбулентного переноса применялась стандартная двухпараметриче-ская К -е модель для высоких чисел Рейнольдса, определяемая следующими уравнениями:
- уравнение для кинетической энергии турбулентности
Были построены трехмерные конечно-элементные модели регулирующих клапанов с условным диаметром (Ду) Ду500, Ду400, Ду350 и Ду300. На моделях рассмотрена гидродинамика потока в клапане при различных углах открытия, определены прижимные усилия и вращающие моменты на золотнике, а также рассмотрены условия возникновения и область локализации кавитационных явлений. Для сравнения результатов расчетов исследования гидродинамики клапана задавались скорости, соответствующие линейной характеристике и равные при 50 %-ном открытии клапана 2 м/с - для воды и 30 м/с - для пара. Рассматривалась зависимость величины вращающих моментов на золотнике от относительной площади проходного сечения седла ^седпа /FN (отношение площади проходного сечения отверстий в седле клапана к условной площади проходного сечения клапана) и относительной площади проходного сечения между корпусом и стаканом Fпрох.стакан /FN. Величины относительных площадей приведены в табл. 1.
Таблица 1
Клапан регулирующий «Диск» F /FN 1 седла /J F /FN 1 прох.стакан /J
Ду500 0,39 0,88
0,25 0,67
Ду400 0,25 0,66
Ду350 0,12 0,87
Ду300 0,22 1,09
0,3 0,99
- уравнение для диссипации кинетической энер-
Результатами численного моделирования потока являются распределения скоростей и давлений в клапанах. Исследование на моделях позволили определить, что при частичном открытии клапана типа «Диск» на различные поверхности золотника дейст-
2
вуют разные давления, возникающие в результате гидравлических потерь и изменении скоростных напоров во входной камере клапана, что приводит к появлению вращающих моментов на золотнике, возникновению пульсаций потока и акустических колебаний. Вращающие моменты на золотнике возни-
кают в результате изменения местных скоростей потока и действуют на боковые поверхности золотника в направлении на закрытие клапана. На рис. 2 а приведены распределения скоростей, на рис. 2 б - давлений в клапане, на рис. 2 в - давлений на боковые поверхности золотника клапана Ду500, открытом на 60 %.
а)
б)
Рис. 2
в)
Мр, м 0.041—
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 5
Открытие, % F /FN 1 седла ""
в) г)
0.02
0.01
0
0 20 40 60 80 100 Открытие, %
а)
Мр, м3
0.02
0.015
5x10"
М, Н-м 200
0
0 20 40 60 80 100 Открытие, %
б)
M..
Оседла / FN '
0,05
004
0 03
Открытие, % в)
0,02
0
0,1
0,2
F.
0,3
а /FN
0,4 0,5
Рис. 3
1
Л/1
На рис. 3 а приведены гидродинамические моменты на золотнике клапана при различной величине открытия, на рис. 3 б, в - показаны графики приведенных гидродинамических моментов (Мр) на золотнике, равных отношению гидродинамического момента на золотнике М к скоростному напору потока
pv2
—— во входном сечении клапана. На графиках рис. 3
а, б линия из точек соответствует клапану Ду500 (Fседлa/FN = 0,39), сплошная линия соответствует клапану Ду400 ^седла /FN = 0,25), штриховая линия соответствует клапану Ду350 ^седла /FN = 0,12), штрихпунктирная линия соответствует клапану Ду300 ^седла /FN = 0,22). На графике рис. 3 в линия из точек соответствует потоку воды, а сплошная линия - потоку пара в клапане Ду300. На рис. 3 г показана зависимость максимальных приведенных гидродинамических моментов на золотнике клапана «Диск» к приведенной площади проходного сечения седла.
Следовательно, максимальные гидродинамические моменты на золотнике клапанов типа «Диск» наблюдаются при открытии клапана на 50 - 60 %. Для клапанов «Диск» с относительной площадью проходного сечения седла Fседлa /FN от 0,1 до 0,4 может быть использована формула для определения максимальных гидродинамических моментов на золотнике:
Выводы
1. По результатам расчетных исследований гидродинамики регулирующих клапанов «Диск» с условным диаметром Ду300 - Ду500 и отношением площади проходного сечения седла к условной площади проходного сечения клапана Fс/FN = (0,1-0,4) установлено, что при частичном открытии клапана на золотнике появляются вращающие гидродинамические моменты, направленные на закрытие клапана, и получена эмпирическая формула.
2. Полученная численная зависимость может быть использована при проектировании клапанов «Диск» с минимальным значением закрывающих гидродинамических моментов на золотнике.
3. Гидродинамические моменты на золотнике клапанов зависят также от относительной площади проходного сечения между корпусом и стаканом Fпрох.стaкaн /FN. Увеличение значения относительной площади проходного сечения между корпусом и стаканом приводит к уменьшению величины гидродинамического момента, но для вывода формулы, описывающей эту зависимость, недостаточен объем расчетного материала.
M max = С
Pvo 2
F„«
FN
Литература
где с = 0,04^0,05 - коэффициент; v0 - скорость потока во входном сечении при номинальном расходе рабочей среды.
1. Methodology ANSYS-CFX. Version 9.0. London, Computational Dynamics, 2005.
Поступила в редакцию
18 февраля 2010 г.
Пасько Петр Иванович - старший преподаватель, Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 7(86392) 22-52-10.
Плахов Андрей Генадьевич - старший инженер-конструктор, ОАО «Атоммашэкспорт». Тел. 7(86392) 23-47-07. доб. 168.
Кузин Юрий Сергеевич - инженер - конструктор, ОАО «Атоммашэкспорт»; тел. 3-47-07. доб. 165.
Pasko Peter Ivanovich - senior lector, Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 7(86392) 22-52-10.
Plachov Andrey Gennadievich - the senior engineer-designer, «Atommashexport». Ph. +7(86392)- 23-47-07. add. 168.
Cousin Yury Sergeevich - the engineer-designer, «Atommashexport», Volgodonsk; Тел. 3-47-07. доб. 165.
