CC BY
38
ИЗЫСКАНИЕ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ,
__СТРОИТЕЛЬСТВО И МОНТАЖ _
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ АТОМНОЙ ОТРАСЛИ
УДК 621.039
МЕТОДИКА ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
ПРОДОЛЬНО-ОРЕБРЕННЫХ ТРУБ СЕПАРАТОРОВ -ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЕЙ ДЛЯ АЭС С ВОДО-ВОДЯНЫМИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ РЕАКТОРАМИ
© 2019 М. Ю. Хижов
АО Опытное конструкторское бюро «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия
Предложена методика и конструкция стенда, позволившие провести теплогидравлические испытания продольно -оребренных труб сепараторов-пароперегревателей для АЭС с водоводяными энергетическими реакторами повышенной эффективности. По результатам проведенных испытаний продольно-оребренных труб с количеством П-образных рёбер, равных шести и восьми, проведен сравнительный анализ. Показано, что для таких конструкций увеличение поверхности теплообмена превышает снижение коэффициента теплоотдачи
Ключевые слова: теплообменные трубы, сепаратор-пароперегреватель, теплогидравлические испытания, коэффициент теплоотдачи, поверхность теплообмена.
Поступила в редакцию 23.04.2019 После доработки 27.05.2019 Принята к публикации 31.05.2019
За короткий исторический промежуток времени ядерная энергетика стала частью мирового энергетического баланса. При этом с каждым годом доля атомных электростанций в мировом производстве электроэнергии возрастает. В ближайшие 8-10 лет будут введены в эксплуатацию новые АЭС: «Ханхикиви» (Финляндия), «Аккую» (Турция), «Эль-Дабаа» (Египет), «Руппур» (Бангладеш) и др. Новые перспективные проекты АЭС ориентированы на увеличение мощности, как единичных агрегатов, так и мощности энергоблоков в целом, что возможно как за счет проектирования и строительства новых, так и модернизации отдельных агрегатов в цепочке АЭС, при этом важная роль отводится увеличению их надежности и ресурса. Одним из узких звеньев в цепочке АЭС с ВВЭР-1200 (проект АЭС-2006) является сепаратор-пароперегреватель (СПП), предусматривающий применение теплообменных труб, включая матричную трубу с приваренными на нее продольными П-образными ребрами в количестве шести штук.
В работе [1] изложен метод оценки качества приварки П-образных ребер к матричной трубе, который может быть использован в производстве аппаратов СПП для ВВЭР-1200. Это технологический аспект обеспечения качества, а значит и прочностной надежности данных агрегатов. Изложим проблему касаемо конструктивного исполнения сепаратора-пароперегревателя, позволяющего повысить коэффициент теплоотдачи и, соответственно, эффективность аппарата. Известно, что для увеличения надежности и ресурса турбины необходимо повысить температуру пара, выдаваемого СПП. Самым простым решением было бы увеличить длину кассет, что несет за собой
© Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2019
ряд проблем, главная из которых - увеличение габаритов аппарата, что, соответственно, усложнит их транспортировку и монтаж. Кроме этого, увеличение длины пролета теплообменных труб приводит к значительным динамическим явлениям, поскольку теплообменные процессы в аппаратах сопровождаются колебаниями нагрузки и температуры, выпадением осадка. На трубы в поперечном и осевом направлениях действуют переменные силы. Сочетание колебаний силовых факторов, наличие или образование между контактирующими поверхностями щелей, в которые проникает осадок, либо приводит к щелевой коррозии с последующей разгерметизацией теплообменных контуров, либо к быстрой потере плотности и прочности узла крепления труб [2, 3]. Поэтому техническое решение об увеличении теплообменной поверхности путем увеличения количества ребер является наиболее технологичным и экономичным.
В данной работе проведена методика сравнительных теплогидравлических испытаний продольно-оребренных труб СПП с количеством П-образных ребер, равных шести и восьми.
В таблице 1 и на рисунке 1 представлены геометрические параметры моделей труб с шестью и восемью ребрами, на рисунке 1 показаны их поперечные сечения. Основными отличиями конструкции трубы с восемью ребрами является их больший диаметр по оребренной части - 33,54 мм, большая высота ребра - 8,8 мм, меньший угол раскрытия двойного ребра 22°30 и меньший шаг приварки двойных (П-образных) ребер на несущую (матричную) трубу - 1,72 мм.
Таблица 1 - Геометрические параметры моделей труб с шестью и восемью двойными П-образными рёбрами [Geometric parameters of pipe models with six and eight double U-shaped edges]_
Буквенные обозначения характеристик Величина
№ п/п Характеристики труб Труба из шести рёбер Труба из восьми рёбер
1 Длина трубы модели, мм l 4710 4710
2 Длина оребрённой части, мм 1p 3900 3900
3 Количество одиночных рёбер n 12 16
4 Высота ребра, мм hреб 8,5 8,8
5 Толщина ребра, мм 5 0,8 0,8
6 Развёрнутая длина корыта, образованного двумя рёбрами, мм 1кор 20 20
7 Диаметр по вершинам рёбер, мм dp 33 34
8 Отношение поверхности рёбер Нр к полной поверхности Нп Нр/Нп 0,793 0,84
9 Отношение поверхности, не занятой рёбрами, к полной поверхности Нтр/Нп 0,207 0,16
10 Коэффициент оребрения, Нп/Нтр ф 4,84 6,259
11 Живое сечение для прохода воздуха, м2 1*воз 1,155 х 10-3 1,123 х 10-3
Продолжение таблицы 1
№ п/п Характеристики труб Буквенные обозначения характеристик Величина
Труба из шести рёбер Труба из восьми рёбер
12 Живое сечение для прохода воды, м2 £од 1,131 х 10-4 1,131 х 10-4
13 Эквивалентный гидравлический диаметр модели, мм ^эм 12,08 9,889
14 Полная поверхность оребрённой трубы, м2 -Рор.тр. 1,07 1,482
Рисунок 1 - Поперечное сечение теплообменных труб: а) с шестью двойными П-образными ребрами; б) с восьмью двойными П-образными ребрами [Cross section of heat exchange tubes: a) with six double U-shaped
ribs; b) with eight double U-shaped ribs]
Из приведенных данных следует, что увеличение площади поверхности ребер пропорционально произведению отношения высот ребер и числа ребер и соответствует 1,38.
Теплоотдача продольно обтекаемых пучков из труб с продольными ребрами при Re=2x103-2x105 и равномерном заполнении сечения теплообменными трубами описывается формулой [4]:
Ыы = 0,332Яе Р
0,75 г, 0,33
0,2 +
1 + 0,167 (кр / Ъ2)
(1)
где № - величина критерия Нуссельта нагреваемого пара; Яе - величина критерия Рейнольдса нагреваемого пара; Рг - величина критерия Прандтля нагреваемого пара; Ир - высота ребра, м; Ь2 - ширина зазора между вершинами ребер, м. Ширину зазора между вершинами ребер определим по формуле (2):
Ъ2 =—р-52, (2)
пр
где Бр - диаметр оребренной части, м; Пр - количество единичных ребер; 82 - толщина ребер у вершины, м.
Расчеты по формулам (1) и (2) показали, что для трубы с 6 двойными (12 единичными) ребрами зависимость (1) имеет вид формулы (3):
Ыщ = 0,034Яе°,75 Рг0'33. (3)
Для трубы с 8 двойными (16 единичными) ребрами имеем, формулы (4):
Ыщ = 0,0239 Яе0,75 Рг °'33. (4)
Эквивалентный гидравлический диаметр трубного пучка пароперегревателя СПП-1000-1 с 12 единичными ребрами равен ёгб = 13,31 мм, с 16 единичными ребрами ёг8 = 10,05 мм [5]. В этом случае имеем следующее соотношение коэффициентов теплоотдачи, формула (5):
— = —-1,074 . (5)
а Ыщ
Следовательно, увеличение поверхности теплообмена в 1,38 раза превышает снижение коэффициента теплоотдачи а8 в 1,074 раз при равных числах Яе и Рг.
Идеология сравнительных испытаний труб с 6 и 8 двойными ребрами изложена в отчете о НИОКР [5]. Сравнение результатов экспериментов должно проходить при одинаковых расходах воздуха, моделирующего нагреваемый пар, поскольку у труб разные эквивалентные гидравлические диаметры. Эксперименты предполагалось проводить на единичных оребренных трубах натурных размеров, расположенных внутри цилиндрической трубы. При тепловых испытаниях в трубу греющего пара подавалась горячая вода, в канал нагреваемого пара - воздух. Внутренний диаметр цилиндрической технологической трубы подбирался из максимального приближения эквивалентного гидравлического диаметра модели к эквивалентному гидравлическому диаметру натурного аппарата.
В таблице 2 приведены технические характеристики использованных приборов. По расчетам, приведенным в таблице 2 [5], для трубы 057x7 мм отличия вышеупомянутых диаметров для трубы с 6 двойными ребрами на 9,2% меньше натурного, для трубы с 8 двойными ребрами - на 1,6% так же меньше натурного. По
расчетам, приведённым в таблице 3 [5], число Рейнольдса трубного пучка натурного пароперегревателя СПП на номинальном режиме Яе = 28000.
Таблица 2 - Измерительные приборы стенда теплогидравлических испытаний продольного оребрения трубы [Measuring instruments for the stand of thermohydraulic testing of pipe longitudinal finning]_
Предел
относитель
№ п.п. Обозначе ние на схеме Наименование измерения Название прибора Марка прибора Диапазон измерений ной / абсолютной погрешност и измерений
1 Рбар Атмосферное давление Преобразователь абсолютного давления АИР-30ДА, модель ТА8 10-110 кПа 0,2%
Давление сжатого
2 рст Р ш воздуха перед измерительной диафрагмой Манометр ОБМВ-140 0-4 атм 1,5%
3 АРш Перепад давления сжатого воздуха на измерительной диафрагме Преобразователь дифференциально го давления АИР-30ДД, модель CD4 0-10 кПа 0,2%
4 Поз.4 Расход сжатого воздуха Измерительная диафрагма Ботв= 35 мм Сид=0,03 кг/(м2хс)
Температура сжатого
5 V +вх L возд, L возд, +вых t возд воздуха на измерительной диафрагме, на входе, в середине и на выходе из трубы Термопреобразова тель сопротивления ТСПУ 0104 Pt 100 0-100°C ±0,35°C
6 +вх L вод, +вых t вод Температура воды на входе и выходе из трубы технологической Термопреобразова тель сопротивления ТСПУ 0104 Pt 100 0-100°C ±0,35°C
7 ^ак Температура волы в баке - барботёре Термометр контактный ТК5-06 -99-1300°C ±0,5°C
Давление сжатого
8 рвх Р возд воздуха на входе трубы технологической Манометр МП4-У 0-1 ати 1,5%
9 Овод Объёмный расход воды Расходомер электромагнитный МЕТРАН-370 Ду 15 0,061,792 л/с 0,5%
Однако существенным недостатком такой схемы испытаний является наличие шунтирующего потока воздуха между внутренней поверхностью цилиндрической технологической трубы и вершинами ребер. Для трубы 057x7 мм расчетная ширина шунта равна 5 мм для трубы с 6 двойными ребрами и 4,5 мм с 8 двойными ребрами. Для теплообменной трубы с 6 двойными ребрами площадь поперечного сечения шунта составляет 52,2% от площади сечения для прохода воздуха, а для трубы с 8 двойными ребрами - 51,5%.
Поскольку поток воздуха через шунт на оребренном участке идет практически без теплообмена с поверхностью испытуемой трубы [6, 7, 8], эксперименты носят только сравнительный характер.
Схема модели для испытания представлена на рисунке 2. Схема течения воздуха и воды - противоток.
Рисунок 2 - Модель для теплогидравлических испытаний теплообменных труб: 1 - труба испытуемая; 2-труба наружная технологическая; 3 - теплоизоляция; 4 - технологические проставки; 5 - штуцер воздуха; 6 - штуцер воды; 7 - штуцер датчика давления; 9 - входная шайба воздуха [Model for heat-hydraulic testing of heat exchange tubes: 1 - test tube; 2 - external technological pipe; 3 - heat insulation; 4 -technological spacers; 5 - air fitting; 6 - water fitting; 7 - pressure sensor fitting; 9 - air inlet washer]
На рисунке 3 приведена схема стенда и схема измерений теплофизических испытаний оребренных труб. Сжатый воздух из заводской магистрали, очищенный и осушенный в сепараторе 3, через измерительную диафрагму 4 подается в испытуемую трубу 1, размещённую в цилиндрической технологической трубе 2, и проходит по оребренной ее части и выхлапывается в атмосферу. Вода, нагретая в баке - барботере 5 паром от заводской магистрали, насосом К100-65-200 6 подается в трубу греющего пара и сливается из нее в бак 5. Труба 2 теплоизолирована.
Рисунок 3 - Схема стенда и схема измерений теплогидравлических испытаний теплообменных труб: 1 -труба; 2 - труба технологическая наружная; 3 - сепаратор сжатого воздуха; 4 - измерительная диафрагма; 5 - бак-барбордер; 6 - насосный агрегат К100-65-200; 7 - электромагнитный расходомер «Метран-370» Ду15 [Stand scheme and measurement scheme of heat-hydraulic tests of heat exchange pipes: 1 - pipe; 2 - external technological pipe; 3 - compressed air separator; 4 - measuring diaphragm; 5 - tank barborder; 6 - pump unit K100-65-200; 7 - «Metran-370» DN15 electromagnetic flow meter]
В процессе эксперимента измеряются с записью на персональный компьютер стенда:
- атмосферное давление Рбар;
- воздуха перед измерительной диафрагмой V;
- перепад давления на измерительной диафрагме ДРш;
- температура воздуха на входе в оребрение трубы 1;вхвозд;
- температура воздуха в середине оребренной трубы 1;срвозд (факультативно);
- температура воздуха на выходе из оребрения трубы 1;выхвозд;
- температура воды на входе в трубу греющего пара 1;вхвод;
- температура воды на выходе из трубы греющего пара 1;выхвод;
- объемный расход горячей воды Qвод.
С записью в ручном режиме измерялись:
- давление воздуха перед измерительной диафрагмой Рстш;
- давление воздуха на входе в оребрение трубы Рвхвозд;
- температура воды в баке - барботере 1&к.
Эксперимент проводился следующим образом. Вода в баке - барботере нагревалась паром до ~ 75-85°C (больше нельзя по правилам эксплуатации насосного агрегата К100-65-200) и удерживалась на выбранном уровне. Затем запускался насосный агрегат, и подавался расход воды от 0,080 л/с до 0,13 л/с и удерживался на выбранном уровне. Столь небольшой расход греющего теплоносителя требовался для увеличения разности температур его на входе и выходе из испытуемой трубы для повышения точности расчета баланса тепла.
Далее подавался требуемый расход воздуха. Для этого на манометре, измеряющем давление перед измерительной диафрагмой Рст ш, выставлялось давление от 0,75 ати до 3,75 ати. Фактический расход воздуха в автоматическом режиме вычислял персональный компьютер стенда. Баланс тепла производился так же расчетом на компьютере стенда. По достижении небаланса < 5% производилась запись показаний приборов на компьютере стенда и бумажный протокол испытаний.
Предложенная методика позволила эффективно осуществить теплогидравлические испытания продольно-оребренных труб сепараторов-пароперегревателей для АЭС с водоводяными энергетическими реакторами повышенной эффективности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смирнов, А.М. Оценка качества оребренных теплообменных труб сепаратора-пароперегревателя [Текст] / М.Ю. Хижов, В.И. Лексиков // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2018. - № 4. - С. 135-141.
2. Кондратенко, Л.А. К вопросу о влиянии динамики роликового вальцевания на качество изготовления теплообменных аппаратов в атомных энергетических установках [Текст] / Л.А. Кондратенко, В.М. Терехов, Л.И. Миронова // Тяжелое машиностроение. - 2016. - № 10.
- С. 10-14.
3. Смирнов, А.М. Особенности технологии раздачи теплообменных труб достаточной толщины и оценка качества прессовых соединений [Текст] / А.М. Смирнов, В.М. Терехов, А.С. Аверин // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2019. - № 1. - С. 150-155.
4. Отчет НИОКР №ЭЦР-0613. Теплогидравлические испытания продольно-оребренных труб пароперегревателя СПП-1000-1 [Текст]. - Подольск : ПАО «ЗиО-Подольск», 2017 - 51 с.
5. Аверьянов, И.Д. Экспериментальные исследования теплообмена и аэродинамики штатной кассеты из ребристых труб сепаратора-пароперегревателя СПП-220М [Текст] / А.И. Бакин, В.В. Богданов, В.К. Буров. - Отчет НИОКР №ФР 00698. - Подольск : «ЗиО-Подольск», 1977.
- 74 с.
6. Горобец, В.Г. Сравнительный анализ теплоотдачи и гидравлического сопротивления пучков труб с оребрением разменного типа [Текст] / сб. трудов IV Российской национальной конф. по теплообмену. - Москва : Московский энергетический институт, 2006. - С. 182-186.
7. Сепараторы - пароперегреватели турбин АЭС. Расчет и проектирование. РТМ 108.020.107-84 [Текст]. - Ленинград : ЦКТИ, 1986. - 15 c.
8. Легкоступова, В.В. Расчетное обоснование модернизации сепараторов-пароперегревателей энергоблоков АЭС [Текст] : дисс. канд. техн. наук. - Санкт-Петербург : ОАО «НПО ЦКТИ», 2018. - 172 с.
9. Терехов, В.МТехнологические основы обеспечения качества глубоких отверстий и соединений теплообменных труб с трубными решетками и коллекторами аппаратов атомных энергоустановок: дис. докт. техн. наук [Текст] / В.М. Терехов. - Москва, 2006. - 476 с.
10. Кондратенко, Л.А. Расчетно-экспериментальные методы исследования технологических напряжений и деформаций в неразъемных трубных соединениях энергоустановок: автореф. докт. техн. наук [Текст] / Л.А. Кондратенко. - Москва, 2017. - 48 с.
REFERENCES
[1] Smirnov A.M., Hizhov M.YU., Leksikov V.I. Ocenka kachestva orebrennyh teploobmennyh trub separatora-paroperegrevatelya [Estimation of Quality of Heat Exchange Pipes with External Ribs for the Separator-Superheater]. Engineering & Automation Problems. 2018. №. 4. P. 135-141 (in Russian).
[2] Kondratenko L.A., Terekhov V.M., Mironova L.I. K voprosu o vliyanii dinamiki rolikovogo val'cevaniya na kachestvo izgotovleniya teploobmennyh apparatov v atomnyh ehnergeticheskih ustanovkah [Effect of the Dynamics of the Rolling on the Quality of Manufacture of Heat Exchangers of Nuclear Power Units] Heavy engineering consta^on. 2016. № 3. P. 10-14 (in Russian).
[3] Smirnov A.M., Terekhov V.M., Averin A.S. Osobennosti tekhnologii razdachi teploobmennyh trub dostatochnoj tolshchiny i ocenka kachestva pressovyh soedinenij [Features of Radial Deformation Technology of Heat-Exchanging Pipes of Sufficient Thickness and Assessment of Quality of Press Connections]. Engineering & Automation Problems. 2019. №. 1. P. 150-155 (in Russian).
[4] Otchyot NIOKR №EHCR-0613. Teplogidravlicheskie ispytaniya prodol'no-orebrennyh trub paroperegrevatelya SPP-1000-1 [Report NIOKR №EHCR-0613. Thermohydraulic Testing of Longitudinally Finned Tubes of the SPP-1000-1 Superheater]. Podol'sk. PAO «ZiO-Podol'sk». 2017. 51 p. (in Russian).
[5] Aver'yanov I.D., Bakin A.I., Bogdanov V.V., Burov V.K. EHksperimental'nye issledovaniya teploobmena i aehrodinamiki shtatnoj kassety iz rebristyh trub separatora-paroperegrevatelya SPP-220M. [Experimental Studies of Heat Transfer and Aerodynamics of a Standard Cassette Made of Finned Tubes of a SPP-220M Separator-Superheater] Otchyot NIOKR №FR 00698. Podol'sk. PAO «ZiO-Podol'sk». 2017. 74 p. (in Russian).
[6] Gorobec V.G. Sravnitel'nyj analiz teplootdachi i gidravlicheskogo soprotivleniya puchkov trub s orebreniem razmennogo tipa [Comparative Analysis of Heat Transfer and Hydraulic Resistance of Bundles of Tubes with Barreled Fins]. Proceedings of the St. Moscow. Moscow Power Engineering Institute. 2006. P. 182-186 (in Russian).
[7] Separatory - paroperegrevateli turbin AEHS. Raschyot i proektirovanie. RTM 108.020.107-84 [Separators - Steam Superheaters of NPP Turbines. Calculation and Design. RTM 108.020.107-84]. Leningrad : CKTI. 1986. 15 p. (in Russian).
[8] Legkostupova V.V. Raschyotnoe obosnovanie modernizacii separatorov-paroperegrevatelej ehnergoblokov AEHS : - diss. kand. tekhn. nauk. [Estimated Justification for the Modernization of Separators-Superheaters of NPP Power Units]. St. Petersburg. OAO «NPO CKTI». 2018. 172 p. (in Russian).
[9] Terekhov V.M. Tekhnologicheskie osnovy obespecheniya kachestva glubokih otverstij i soedinenij teploobmennyh trub s trubnymi reshetkami i kollektorami apparatov atomnyh ehnergoustanovok: dis. dokt. tekhn. nauk [Technological Basis for Quality Assurance of Deep Holes and Heat Exchanger Tube Connections with Tube Sheets and Collectors of Nuclear Power Plants. Thesis]. Moscow. 2006 (in Russian).
[10] Kondratenko L.A. Raschetno-ehksperimental'nye metody issledovaniya tekhnologicheskih napryazhenij i deformacij v neraz"emnyh trubnyh soedineniyah ehnergoustanovok: avtoref. dokt. tekhn. nauk [Computational and Experimental Methods for Studying Technological Stresses and Deformations in Permanent Pipe Joints of Power Plants: Thesis abstract]. Moscow. 2017 (in Russian).
Method of Heat-Hydraulic Tests of Long-Relined Pipes of Separator - Vapor Heaters for NPP with Water-Water Energy Reactors
M.YU. Khizhov
OA OKB «GIDROPRESS», Podol'sk, Russia e-mail: [email protected]. ru
Abstract - The paper proposes methodology and design of the stand which allowed to conduct thermal tests of longitudinally-finned tubes of separators-superheaters for nuclear power plants with water-water power reactors of high efficiency. According to the results of tests of longitudinally ribbed pipes with the number of U-shaped ribs equal to six and eight, a comparative analysis is conducted. It is shown that the increase in heat transfer surface exceeds the decrease in heat transfer coefficient for such structures.
Keywords: heat exchange tubes, separator-superheater, thermal hydraulic tests, heat transfer coefficient, heat exchange surface.
