Научная статья на тему 'Влияние компенсатора давления на логарифмический декремент затухания колебания давления в первом контуре АЭС с ВВЭР-1000'

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

CC BY
442
123
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ ДЕКРЕМЕНТ / LOGARITHMIC DECREMENT / СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ / ЧАСТОТА / FREQUENCY / КОЛЕБАНИЯ / OSCILLATIONS / ДОБРОТНОСТЬ / EARTHQUAKE RESISTANCE / Q-QUALITY

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Проскуряков Константин Николаевич, Романов Петр Алексеевич

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Проскуряков Константин Николаевич, Романов Петр Алексеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Influence of pressurizer on logarithmic decrement of pressure oscillations in primary circuit of WWER-1000

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.

Текст научной работы на тему «Влияние компенсатора давления на логарифмический декремент затухания колебания давления в первом контуре АЭС с ВВЭР-1000»

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*: [email protected] ; e-mail**: [email protected]

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.