close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

;pdf

код для вставкиСкачать
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ПАССИВНОГО ОТВОДА
ТЕПЛА ПРИ АВАРИЯХ С ПОТЕРЕЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
М.А. Камнев, Е.П. Потехин
ОАО «ОКБМ Африкантов», г. Нижний Новгород, Россия
Высокие требования к безопасности реакторных установок определяют необходимость
создания и использования пассивных систем безопасности выполняющих свои функции во
всем спектре рассматриваемых аварий, в том числе и авариях с потерей теплоносителя. При
аварии с потерей теплоносителя происходит выделение пара и газа в объем защитной
оболочки, что может привести к негативным последствиям и выходу радиоактивности в
окружающую среду. При развитии тяжелой аварии с повреждением активной зоны возможно
выделение водорода в объем защитной оболочки. При определенных концентрациях
водорода, за счет его стратификации в подкупольном пространстве защитной оболочки,
существует опасность возникновения горения и детонации парогазовой смеси. Для
обеспечения целостности последнего барьера безопасности в проектах плавучего
энергоблока, ЛАЭС-2 предусмотрена система пассивного отвода тепла из защитной
оболочки.
В докладе представлены результаты экспериментальных исследований пассивной
системы снижения аварийного давления в защитной оболочке (ССАД ЗО) РУ КЛТ-40С при
развитии аварии с потерей теплоносителя, а также результаты двух тестовых экспериментов
по исследованию процессов перемешивания легкого газа в защитной оболочке при работе
теплообменника.
Экспериментальные исследования ССАД ЗО РУ КЛТ-40С при развитии аварии с
потерей теплоносителя
Пассивная
система
снижения аварийного давления в
защитной оболочке реакторной
установки
КЛТ-40C
предназначена для ограничения
давления в защитной оболочке
без превышения максимального
проектного давления в целях
сохранения
целостности
последнего
барьера
безопасности при авариях с
потерей теплоносителя первого
контура и отказе активных
систем безопасности. Схема
Рисунок 1 – Схема защитной оболочки судовой РУ
защитной оболочки судовой РУ
приведена на рисунке 1. ССАД ЗО включает в себя четыре петли. Каждая петля содержит
теплообменник-конденсатор который подключен трубопроводами к цистерне аварийного
расхолаживания с запасом воды, которая в процессе работы выпаривается в атмосферу.
Таким образом, образуется четыре индивидуальных и практически идентичных контуров
охлаждения для отвода тепла из защитной оболочки. Работа системы осуществляется по
принципу естественной циркуляции и не требует дополнительных источников энергии.
Для обоснования эффективности выполнения системой снижения аварийного давления
функций безопасности необходимы исследования процессов отвода тепла из защитной
оболочки.
Цель исследований – экспериментальное обоснование проектных характеристик
пассивной системы снижения аварийного давления в защитной в условиях аварии с потерей
теплоносителя.
Задачи исследований включают:
- экспериментальное определение мощностных характеристик ССАД ЗО при
относительной мольной концентрации неконденсирующихся газов: воздуха от 0 до 0,4; гелия
от 0,1 до 0,6 (гелий заменяет водород в целях безопасности);
- экспериментальное исследование теплоотдачи при конденсации пара на поверхности
ТК в присутствии неконденсирующихся газов;
- экспериментальное исследование распределения компонентов парогазовой смеси в
объеме модели ЗО в условиях развития тяжелой аварии с потерей теплоносителя и выбросом
водорода.
Исследования
проводились
на
экспериментальном стенде СПОТ ЗО. Схема
стенда для испытаний контура охлаждения
ССАД ЗО приведена на рисунке 2.
В состав экспериментального стенда
входит следующее оборудование и системы:
- два модуля электропарогенераторов,
номинальной мощностью 2,4 МВт;
- емкость - модель защитной оболочки,
объемом 59 м3;
- конденсатосборник;
- система подачи гелия;
- теплообменник - доохладитель;
- контур охлаждения, включающий в
себя:
1) теплообменник-конденсатор (ТК) модель
теплообменника ССАД;
Рисунок 2 – Схема стенда СПОТ ЗО
2)
подводящий
и
отводящий
трубопроводы с арматурой;
- бак-испаритель;
- система подпитки, охлаждения и
дренажа.
В стендовых условиях контур охлаждения
ССАД
моделируется
экспериментальной
моделью в масштабе 1:1, что обусловливает
высокую
представительность
испытаний.
Схематичное сравнение масштабов штатной
системы и стенда представлено на рисунке 3.
Соотношение масштабов штатной системы
и стенда представлено в таблице 1.
Таблица 1 – Соотношение масштабов
Теплообменник-конденсатор
Контур охлаждения
Высота ЗО
Объем ЗО (на одну петлю)
1:1
1:1
1:1
1:2
Рисунок 3 – Схематичное сравнение
масштабов штатной системы и стенда
Измерение состава газовой
среды в модели ЗО выполнялось с
помощью системы отбора проб
рисунок 4.
Система отбора проб включает
в себя девять пробоотборных линий
(трубопроводов
3×1),
влагоотделители, запорные вентили,
автоматические газовые клапаны,
преобразователи
давления
и
термопреобразователь.
Входные
отверстия
пробоотборных
трубопроводов размещаются в объёме
основного газового контура стенда. Рисунок 4 – Рабочее окно системы отбора проб
Влагоотделители обеспечивают удаление из отбираемой газовой пробы капельной влаги,
уменьшающей срок службы адсорбента разделительной колонки хроматографа. Запорная
арматура обеспечивает управление работой системы в ручном и полуавтоматическом
режимах.
Для обоснования проектных характеристик
контура
охлаждения
системы
снижения
аварийного давления получены зависимости
мощности контура охлаждения от давления в
модели защитной оболочки при различном
исходном давлении воздуха 40, 100, 133, 170 кПа
(рисунок 5) [1].
В диапазоне проектных значений давления
неконденсирующихся газов в защитной оболочке
обеспечивается проектная мощность контура
охлаждения 500 кВт без превышения допустимого
проектного предельного давления 500 кПа.
Мощность контура охлаждения оценивается для
стабилизированного стационарного процесса при
Рисунок 5 – Зависимость
температуре воды в объеме бака-испарителя
мощности ССАД ЗО от давления
100 °С. Испытания проведены в диапазоне
в модели ЗО
давления воздуха в защитной оболочке от 40 до
170 кПа
и
мощности
теплообменникаконденсатора от 120 до 600 кВт.
Испытания с повышенной концентрацией
воздуха в емкости показали, что при подаче пара в
нижнюю часть модели ЗО обеспечивается
практически равномерное распределение газа
вдоль всей поверхности ТК. При этом,
оцениваемый коэффициент теплоотдачи на
внешней поверхности ТК в стабилизированном
режиме составляет от 700 до 1750 Вт/(м2°С).
На рисунке 6 представлен график зависимости
коэффициента
теплоотдачи
со
стороны
парогазовой смеси при конденсации пара на
поверхности ТК от отношения давления воздуха
Рисунок 6 – Зависимость
в ЗО при нормальных условиях к общему
коэффициента теплоотдачи со
давлению в ЗО.
стороны ПГС от относительной
концентрации воздуха
Экспериментальные
исследования
мощностных
характеристик
контура
охлаждения конденсационной системы ССАД
ЗО в условиях тяжелой аварии выполнены при
исходном парциальном давлении гелия в
модели ЗО равном 27, 37, 67, ~100 кПа и
парциальном давлении воздуха около 100 кПа.
На рисунке 7 представлен график
зависимости
мощности
теплообменникаконденсатора от давления пара в модели ЗО в
режиме стабилизации параметров в ЗО и
контуре охлаждения (вода в баке-испарителе
прогрета
до
линии
насыщения).
Из
представленного графика видно, что при
увеличении исходного парциального давления
гелия от ~ 0 до 98 кПа в модели защитной
оболочки
и
работе
теплообменникаРисунок 7 – Зависимость мощности ТК
конденсатора
на
заданной
мощности
от давления пара при различном
наблюдается
рост
давления
насыщенного
пара.
исходном парциальном давлении гелия
Например, при работе ТК на номинальной
мощности ~ 620 кВт и исходных значениях парциального давления гелия 0, 27, 37, 67, 98 кПа
и воздуха 100 кПа давление насыщенного пара в модели ЗО составляет 280, 308, 317, 337 и
372 кПа, соответственно. Увеличение давления насыщенного пара в модели ЗО связано с
ухудшением теплопередающей способности теплообменника-конденсатора со стороны ПГС
при конденсации пара в присутствии гелия.
По
результатам
экспериментальных
исследований
мощностных
характеристик
контура охлаждения конденсационной системы
ССАД ЗО определены значения коэффициента
теплоотдачи со стороны парогазовой смеси при
конденсации пара на поверхности ТК в
присутствии гелия и воздуха.
На рисунке 8 представлен график
зависимости коэффициента теплоотдачи со
стороны парогазовой смеси от мольной
концентрации гелия в модели защитной
оболочки при исходном давлении воздуха в
модели ЗО около 100 кПа. Увеличение мольной
концентрации гелия в модели ЗО от 0,08 до 0,35
об. приводит к уменьшению значений
теплоотдачи от ~ 1050 до ~ 290 Вт/(м2·0С).
На рисунке 9 представлен график
Рисунок 8 - Зависимости коэффициента
зависимости
распределения температуры по
теплоотдачи от мольной концентрации
высоте модели защитной оболочки от времени
гелия при исходном давлении воздуха в
при исходном давлении гелия в модели ЗО
модели ЗО ~100 кПа
равном 27 кПа. Испытания полномасштабной
петли контура охлаждения ССАД ЗО показали, что в диапазоне исходного давления гелия в
модели ЗО равном 27, 37, 67, ~100 кПа и при исходном давлении воздуха 100 кПа
обеспечивается практически равномерное распределение парогазовой смеси по всей высоте
объема модели защитной оболочки. Схема расположения термопреобразователей в модели
ЗО приведена на рисунке 9 б.
а)
б)
Рисунок 9 - Зависимости распределения температуры по высоте модели защитной оболочки
от времени (а) и схема расположения термопреобразователей в модели ЗО (б)
При исходном давлении гелия в модели ЗО ~120 кПа и при исходном давлении
воздуха 100 кПа и работе петли контура охлаждения ССАД ЗО на мощности 600, 500, 300,
150 кВт наблюдается стратификация парогазовой смеси в модели защитной оболочке. На
рисунке 10 представлен график зависимости распределения температуры по высоте модели
защитной оболочки от времени на протяжении режима. Расслоение парогазовой смеси
наблюдается при росте параметров в модели ЗО. При давлении в модели ЗО 685 кПа (абс.)
нижняя граница стратифицированного слоя находится выше модели ТК (в области
месторасположения термопреобразователя t44). При уменьшении давления модели ЗО до 580
кПа (абс.) нижняя граница стратифицированного слоя смещается в область
месторасположения термопреобразователя t45, расположенного ниже верхнего коллектора
модели ТК. Температурный градиент между стратифицированным слоем и основным
парогазовым объемом при стабилизации параметров составляет 35 0С.
а)
Рисунок 10 – Распределение температуры ПГС по высоте модели ЗО
б)
Исследование процессов перемешивания легкого газа при работе теплообменника
Экспериментальные исследования проводились по сценарию, воспроизводящему
последовательность событий при развитии тяжелой аварии в легководном реакторе с
соблюдений всех заданных требований и граничных условий. Граничные условия
определены с учетом масштабирования объема модели ЗО к объему ЗО станций. Сценарий
эксперимента представлен на рисунке 11. Сценарий включает четыре фазы. В ходе первой
фазы выполняется инжекция
пара в
объем модели
защитной оболочки. Эта
фаза имитирует истечение
теплоносителя в ЗО. Вторая
фаза
моделирует
этап
повреждения активной зоны,
на которой в атмосферу ЗО
поступает
водород.
На
заключительной фазе IV
имитируется работа как
средства
управления
Рисунок 11 – Сценарий эксперимента
тяжелой аварией [2].
Целью проведения экспериментов являлось исследование теплогидравлических
процессов в модели защитной оболочки
стенда СПОТ ЗО в условиях развития
тяжелой аварии с потерей теплоносителя и
выбросом водорода. Задачи исследований
включали:
исследование
образования
стратификации легкого газа, исследование
влияния теплообменника системы пассивного
отвода тепла на стратификацию.
Для возможности проведения тестовых
экспериментов по исследованию процессов
перемешивания легкого газа была проведена
модернизация стенда СПОТ ЗО. В процессе
модернизации
смонтированы
новые
трубопроводы подачи пара, азота и гелия,
новый теплообменник и контур охлаждения.
Схема модернизированного стенда СПОТ ЗО
Рисунок 12 – Схема модернизированного стенда
представлена на рисунке 12.
СПОТ ЗО
1 – греющий контур; 2 – трубопровод подача пара; 3
Результаты
экспериментальных
– трубопровод подачи гелия; 4 – трубопровод
исследований
включают
данные
дренажа; 5 – стойки с термопреобразователями; 6 –
распределения температур в объеме модели
точки отбора проб; 7,8 – съемные вставки; 9 –
защитной оболочки, изменения температуры
теплообменник; 10 – контур охлаждения; 11 –
стенки емкости, концентрации гелия для
модель защитной оболочки; 12 – сосуд для сбора
конденсата; 13 – электронасос
каждой фазы в отдельности. В докладе
приведены результаты распределения газа в течение фазы 2, 3 и при работе теплообменника.
На рисунке 13 представлена зависимость изменения объемной концентрации гелия в
фазе подачи гелия и релаксации. В фазе 2 при подаче гелия в емкость концентрация гелия
выше точки инжекции увеличивается в среднем до 10% об. Выше теплообменника (точки
отбора С1, С2 и С3) концентрируется около 12% об. гелия, концентрация пара составляет
70% об. Возле теплообменника (точки отбора С4, С5 и С6) находится около 10 об. гелия.
Несколько ниже точки инжекции (точка отбора С7) к концу Фазы III концентрация гелия
составляет около 2%. В нижней части емкости концентрация гелия близка к нулевым
значениям и не превышает 0,4% об. Перед включением теплообменника, в модели защитной
оболочки выше точки инжекции находится стратифицированный слой парогазовой смеси, со
средним содержанием гелия 10% об. и пара 69-70% об.
Рисунок 13 – График изменения мольной концентрации гелия в фазе подачи гелия и
стабилизации
В Фазе IV производится ввод в действие теплообменника, на заданной мощности,
определенной в результате масштабирования. При включении теплообменника в работу
происходит конденсация пара при этом мольная концентрация гелия вблизи теплообменника
(точка отбора С6) увеличивается от исходных 0,1 до 0,17, концентрация пара составляет
около 0,45. Через 1500 с после начала работы теплообменника концентрация гелия в точке
отбора С6 уменьшается от 0,17 до 0,04, при этом концентрация пара увеличивается до 0,47. В
точках отбора С4, С5, напротив теплообменника, концентрация гелия также уменьшается от
0,1 до 0,04. На протяжении фазы работы теплообменника в точках отбора С1, С2,
расположенных выше теплообменника, концентрация гелия и пара уменьшаются
незначительно. К концу фазы мольная концентрация гелия и пара составляет 0,098 и 0,65,
соответственно.
Рисунок 14 – График изменения мольной концентрации гелия при работе теплообменника
Заключение
1. Выполнен комплекс экспериментальных исследований системы пассивного отвода
тепла в условиях аварии с потерей теплоносителя.
2. Проектная мощность контура охлаждения ССАД ЗО в диапазоне исследуемых
значений концентраций неконденсирующихся газов (воздуха от 0 до 0,4; гелия от 0,1 до 0,6)
обеспечивается без превышения допустимого проектного предельного давления 500 кПа.
3. Получена зависимость коэффициента теплоотдачи со стороны ПГС при конденсации
пара на поверхности ТК в присутствии неконденсирующихся газов.
4. При предельных проектных концентрациях гелия, при работе ТК наблюдается
стратификация легкого газа в модели ЗО.
5. Выполнены тестовые эксперименты по исследованию процессов перемешивания
легкого газа по сценарию, воспроизводящему последовательность событий при развитии
тяжелой аварии:
- в условиях принятого масштабирования и граничных условий получена стратификация
ПГС по высоте модели ЗО;
- теплообменник системы отвода тепла не обеспечивает полное перемешивание легкого
газа, в верхней части модели ЗО повышенные концентрации гелия сохраняются.
6. Полученные экспериментальные данные являются уникальным материалом для
верификации расчетных программных средств.
Список используемых источников
1. Бахметьев А.М., Большухин М.А., Хизбуллин А.М. Камнев М.А. Экспериментальное
исследование пассивной системы снижения аварийного давления в защитной оболочке РУ
КЛТ-40С. Атомная энергия, 2010. №108, в. 5, стр.284-288.
2. D. Paladino, S. Guentay, M. Andreani, I. Tkatschenko, J. Brinster et.al. The EURATOMROSATOM ERCOSAM-SAMARA Projects on Containment Thermal-hydraulics of current and
future LWRs for Severe Accident Management. Proceedings of ICAPP 12 Chicago, USA, June 2428, 2012.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа