Разработка и натурное экспериментальное обоснование эксплуатационного процесса выведения нерастворенных примесей из парогенераторов АЭС с ВВЭР

Атомная энергетика, как в России, так и за рубежом, базируется в основном на реакторных установках с водой под давлением, водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР). Важнейшими компонентами этих энергоблоков являются парогенераторы (ПГ). От эксплуатационной надежности ПГ в значительной мере зависят экономические показатели работы энергоблока в целом.

На энергоблоках с ВВЭР-1000 парогенератор является концентратором растворенных и нерастворенных примесей во втором контуре, вследствие чего возникает важная проблема — коррозионно-эрозионный износ теплопередающих поверхностей нагрева и коллекторов Несмотря на имеющийся достаточно большой опыт эксплуатации, используемые в нашей стране парогенераторы типа ПГВ-1000 в ряде случаев не могут отработать свой проектный ресурс. По данным научно-технической конференции во ВНИИАЭС 22.03.2001 г. в 80-е годы было заменено 28 ПГ, а в период с 90-го по 96гг — 76 ПГ. Стоимость замены составила от 26,3 до 34,8 млн долл. По данным годового отчета ЭНИЦ (Электрогорск, 2002г) стоимость замены одного ПГ в 80-е годы составляла 30,9 млн долл., а в 90-е увеличилась до 49,3 млн долл.

До настоящего времени отсутствуют общепринятые методы оценки динамики накопления нерастворенных примесей в ПГ. Кроме того, существенной проблемой в понимании происходящих в ПГ процессах является знание распределения по его объему растворенных и нерастворенных примесей (Шлама). Сегодня имеется достаточно четкое представление лишь о распределении растворенных примесей. Об этом свидетельствует положительный результат по снижению интегрального солесодержания в водяном объеме ПГ после модернизации систем водопитания и продувки. Однако остаются недостаточно изученными вопросы поведения нерастворенных примесей в переходных режимах эксплуатации и при останове блока. Так на Балаковской АЭС при строгом соблюдении норм водно-химического режима (ВХР) по железу (примерно 10 мкг/кг в питательной воде), за компанию в парогенератор вводится оценочно 100−120 кг железа, за тот же период с продувкой ПГ выводится не более 10−20 кг (при средней концентрации железа в продувке 50мкг/кг). С другой стороны при проведении химических отмывок из ПГ удаляются от 400 до 1000 кг железа. Очевидно, приведенные цифры не позволяют корректно свести материальный баланс по железу, не смотря на то, что источники поступления продуктов коррозии железа в ПГ хорошо известны: это трубопроводы 2 контура, ПВД, суммарная корродирующая поверхность которых превосходит поверхность самого ПГ, СПП — который также вносит значительный вклад во вносимое железо.

Второй фактор, оказывающий существенное влияние на коррозионные процессы в ПГ — это относительно низкие параметры пара в турбоустановке, что вызывает существенно большие расходы пара на 1 МВт установленной мощности, чем в тепловой энергетике. Вследствие этого применялись весьма развитые медьсодержащие поверхности (конденсаторы турбины, ПНД), являющиеся источником элемента, ускоряющего коррозию теплопередающей поверхности ПГ. Справедливости ради следует отметить, что в последние годы проводятся значительные работы по модернизации оборудования конденсатно-питательного тракта АЭС с целью исключения из него медьсодержащих сплавов (Тяньваньская АЭС, АЭС «Бушер», «Куданкулам», блок № 2 Волгодонской АЭС). Для вновь проектируемых блоков АЭС с ВВЭР изначально предусмотрено исключение медьсодержащих материалов из оборудования второго стойких материалов.

Третий фактор — присосы в конденсаторе охлаждающей воды, которые из-за значительных габаритов конденсаторов также оказывают существенное влияние на весь конденсатно-питательный тракт и, в конечном итоге, опять на ВХР ПГ. Здесь ситуации могут значительно различаться. Так, например, Калининская АЭС оказывается в значительно лучших условиях с точки зрения присосов охлаждающей воды в конденсаторах, так как качество охлаждающей воды на Калининской, и, например, на Балаковской АЭС весьма различны.

Поступление в ПГ различных примесей, особенно на уже эксплуатируемых АЭС, нельзя ограничить ужесточением норм качества питательной воды, как и исключить коррозию материалов конденсатно-питательного тракта и присосы в конденсаторе.

Реальным путем продления ресурса находящихся в эксплуатации ПГ следует признать научно обоснованное внедрение:

1) мероприятий по ограничению поступления примесей во второй контур АЭС.

2) модернизированных схем продувок ПГ;

3) оптимального регламента постоянной и периодической продувок ПГ в режимах нормальной эксплуатации и, особенно, в переходных режимах (пуска и останова блока).

В последнее время интенсивно разрабатывалась теория водопитания, продувки и ввода корректирующих растворов в кипящее оборудование АЭС и ТЭС. Доказана тесная взаимосвязь гидравлических процессов (пространственная циркуляция рабочего тела) с теплофизическими процессами (интенсивностью парообразования) и распределением по объему различных примесей. Создана программа «СИ^С+БАЬ), позволяющая получить соответствующие параметры. Рассчитано около 40 вариантов для различных конструктивных особенностей ПГ: геометрии выравнивающих устройств, раздачи питательной воды, числа и координат точек продувок при вариации в них расходов. Расчетно-теоретические исследования показали, что существует несколько жестких правил, отступление от которых ведет к ухудшению показателей ВХР:

1. Постоянная продувка должна производиться только из одной точки.

2. Координата этой точки должна совпадать с зоной максимального солесодержания.

3. При изменении параметров зона максимального солесодержания не должна перемещаться по объему кипящего рабочего тела.

4. Раздача питательной воды должна производиться таким образом, чтобы создавался устойчивый направленный ток рабочего тела в точку продувки.

5. Расход относительной продувки должен отслеживать изменение концентрации примесей в объеме, а не паропроизводительность парогенератора.

6. Раздача питательной воды должна быть по возможности компактной, но не вносящей перекосы по уровню в ПГ, исключающая возможность гидроударов и возникновения «холодных» пятен на корпусе ПГ.

7. Питательная вода должна подаваться в зону максимальных тепловых нагрузок, а продувка — из зоны минимальных.

8. Периодическая продувка производится через штуцеры, расположенные на нижней образующей корпуса ПГ. Выбор продувочного штуцера должен по возможности совпадать с областью скопления шлама в ПГ, а время действия — определяется режимом работы блока (пуска, останова, включения ПВД и т. д.).

Существующие варианты внутрикорпусных устройств на ряде блоков не удовлетворяют перечисленным принципам. Правильность сформулированных положений теоретическим и экспериментальным путем апробирована на целом ряде оборудования АЭС и ТЭС. Схемы водопитания, продувки и ввода корректирующих растворов были изменены и прошли успешное промышленное испытание на более чем 20 объектах. Однозначно доказано, что интегральным (макро) процессом распределения примесей можно успешно управлять, добиваясь минимальной скорости накопления примесей на кипящих поверхностях.

Однако осуществленная модернизация схемы постоянной и периодической продувок, а также изменения схемы раздачи питательной воды, проблему значительного продления ресурса ПГ все еще не решили.

Существует еще одно распределение примесей — это локальное изменение концентраций примесей вблизи (на расстоянии порядка 100 мкм) от кипящей поверхности. На этом расстоянии, в зависимости от таких параметров, как коэффициент диффузии, растворимость в паре и свойств рабочего тела происходит концентрирование примесей (увеличение на несколько порядков). Это явление, известное в литературе как «hide out», или явление прятанья и выброса растворенных примесей известно уже достаточно давно, хорошо фиксируется экспериментально, но единого представления о механизме этого процесса не было до последнего времени. А этот процесс во многом и определяет ресурс теплопередающей поверхности. Так, например, значение рН, поддерживаемое на уровне 9.0−9.5 в объеме рабочего тела, на стенке за счет концентрирования хлоридов и сульфатов может падать до величины около 6. Также у стенки, но несколько по другому механизму, «прячется» и железо в нерастворенной форме (шлам). В процессе останова блока наблюдаются выброс хлоридов и сульфатов, а также оседание шлама, не фиксируемое в процессе эксплуатации, и его скопление в том месте, куда собирает его пространственная циркуляция.

Суммируя вышесказанное, для существенного улучшения режима эксплуатации, повышения безопасности и надежности ПГ необходимо аргументировано ответить на следующие вопросы: из какой точки водяного объема ПГ вести периодическую продувку, с каким расходом, в какой момент времени и при каких условиях.

Для действующих и вновь проектируемых парогенераторов с учетом их конструктивных особенностей ответы на поставленные вопросы снимут многие проблемы, которые имеются в настоящий момент на эксплуатируемых ПГ.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных методов выведения нерастворенных примесей из парогенераторов при различных режимах эксплуатации энергоблока.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) На основе анализа теоретических исследований и практических данных определить закономерности поведения и распределения нерастворенных примесей в объеме ПГ и вблизи теплопередающей поверхности.

2) На основе уточненных закономерностей поведения и распределения нерастворенных примесей разработать параметры, условия и методику эффективного выведения нерастворенных примесей в выбранных технологических режимах эксплуатации.

3) Для обеспечения условий осуществления разработанной технологии выведения нерастворенных примесей, поддержания и надежного контроля необходимых параметров эксплуатации системы продувки разработать и обосновать применение соответствующего оборудования для выведения нерастворенных примесей с продувочной водой.

4) Экспериментально обосновать эффективность разработанной технологии в натурных условиях действующего энергоблока.

Положения диссертации, выносимые на защиту и их научная новизна:

1. По результатам расчетно-теоретической разработки вопросов распределения нерастворенных примесей при сбросе нагрузки и останове энергоблока показано, что после сброса нагрузки (уменьшения плотности теплового потока в ПГ) шлам выходит из вязкого подслоя в макрообъем (водяной объем) ПГ и осаждается на верхних образующих теплообменных труб (ТОТ) и на нижней образующей парогенератора в течение определенного времени (от минут до нескольких часов) в зависимости от размера частиц, также определена зона наиболее вероятного скопления шлама.

2. Разработана и реализована новая технологическая методика выведения нерастворенных примесей из ПГ АЭС с продувочной водой при сбросе нагрузки и останове энергоблока.

3. Получено натурное экспериментальное обоснование новой методики выведения нерастворенных примесей из ПГ АЭС с продувочной водой при сбросе нагрузки и останове энергоблока.

4. Разработана новая конструкция расходомера с гидродинамическим подвесом шарового ротора, обеспечивающая повышенную точность, минимальное гидравлическое споротивление расходомера и надежность его работы в условиях потока среды, содержащей нерастворимые примеси, в широком диапазоне измерений.

5. Разработана новая конструкция внутрикорпусных устройств (ВКУ) запорно-регулирующего клапана (ЗРК) системы продувки ПГ, обеспечивающая практическое исключение кавитации рабочей среды и, как следствие, исключение повреждений элементов ВКУ ЗРК.

Степень достоверности результатов исследований подтверждается:

1. Применением современных методов постановки, проведения и обработки результатов натурных испытаний с учетом теплогидравлических особенностей технологических процессов, протекающих в ПГ, и конструкционных особенностей ПГ и используемых средств измерений.

2. Использованием математических и статистических методов исследований с применением современной вычислительной техники.

3. Положительными результатами практического использования разработанной методологии.

Практическая значимость результатов работы:

1. Оценено количество нерастворенных примесей в вязком подслое ТОТ, которое вместе со шламом, осажденным на теплопередающей поверхности ПГ, хорошо согласуется с данными по массе удаленного шлама в результате химической промывки ПГ энергоблока № 1 Ростовской АЭС.

2. Показано, что наиболее вероятным участком скопления шлама после сброса нагрузки и снижения теплового потока является зона напротив «холодного» коллектора, между второй и четвертой дистанционирующими решетками на нижней образующей корпуса «горячей» половины парогенератора.

3. Показано, что при останове блока время процесса осаждения зависит от размера частиц, а именно, при увеличении размера частиц процесс осаждения начинается раньше и продолжается меньше. Частица с размером более 100 мкм осядет уже через 11 секунд после останова парогенератора.

4. На Ростовской АЭС опробирована новая эксплуатационная технология выведения нерастворенных примесей из парогенераторов АЭС с продувочной водой, обеспечивающая эффективность удаления продуктов коррозии железа из ПГ в несколько раз выше, чем по штатному регламенту.

5. Проверенные эксплуатацией в системе продувки ЮУАЭС и подтвержденные на специально разработанном и изготовленном в ОАО «ЭНИЦ» метрологическом стенде технические характеристики, разработанного автором расходомера, новой конструкции с гидродинамическим подвесом шарового ротора, обеспечивают повышенную точность и надежность работы расходомера в жестких условиях потока продувочной воды, содержащей нерастворимые примеси, в широком диапазоне изменения расходов.

6. Внедрена новая конструкция запорно-регулирующего клапана системы продувки ПГ, обеспечивающая существенное повышение надежности и долговечности ЗРК путем применения в клапане разработанных автором модернизированных внутрикорпусных устройств.

7. Подтверждена эффективность использования дренажного патрубка парогенератора ДуЮО в качестве продувочного и необходимость его использования во вновь разрабатываемых регламентах продувки для энергоблоков с ПГВ-1000.

8. Показано, что проведение периодической продувки «карманов» коллекторов с использованием дренажного патрубка ДуЮО по новой технологии позволяет эффективно удалять как нерастворенные, так и растворенные примеси котловой воды ПГ.

9. Измерениями в пробоотборах с использованием анализатора ГРАН-152 определен гранулометрический состав нерастворенных примесей, выводимых из ПГ с непрерывной и периодической продувками. Установлено, что основную часть нерастворенных примесей составляют частицы размером от 5 до 25 мкм.

10. Даны рекомендации по повышению эффективности системы штатных пробоотборов для оценки массы нерастворенных примесей, выводимых из ПГ.

Основные положения, выносимые на защиту.

Разработка и натурное экспериментальное обоснование эффективных методов выведения нерастворенных примесей из парогенераторов, включающее:

1) результаты расчетно-теоретической разработки и исследование закономерностей распределения нерастворенных примесей при сбросе нагрузки и останове блока;

2) новую технологию выведения нерастворенных примесей из ПГ АЭС с продувочной водой при сбросе нагрузки и останове блока;

3) результаты натурного экспериментального обоснования новой технологии выведения нерастворенных примесей из ПГ действующей АЭС с продувочной водой при сбросе нагрузки и останове блока.

4) результаты разработки новой конструкции ВКУ ЗРК системы продувки ПГ, обеспечивающей практическое исключение кавитации рабочей среды, снижение неравномерности температурного расширения элементов клапана и исключение повреждений ВКУ ЗРК;

5) результаты разработки и экспериментального обоснования новой конструкции расходомера с гидродинамическим подвесом шарового ротора, обеспечивающей повышенную точность, минимальное гидравлическое сопротивление расходомера и надежность его работы в условиях потока среды, содержащей нерастворимые примеси.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях и семинарах:

• 6-й Международный семинар по горизонтальным парогенераторам, г. Подольск, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2004 г.;

• 7-й Международный семинар по горизонтальным парогенераторам, г. Подольск, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2006 г.;

• 7-е Международное научно-техническое совещание «Водно-химический режим АЭС», Москва, ОАО «ВНИИАЭС», 2006 г.

• 14-я международная научно-техническая конференция «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2008 г.;

• 8-й Международный семинар по горизонтальным парогенераторам, г. Подольск, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2010 г., а также на различных семинарах, заседаниях НТС и совещаниях в:

• ОАО ОКБ «Гидропресс» ;

• ОАО «Концерн «Росэнергоатом»;

• НАЭК «Энергоатом» (Украина);

• ОАО «ВНИИАЭС» ;

• ОАО «Атомтехэнерго»;

• различных АЭС в России, Украине, Болгарии, Китае и Чехии.

Основные результаты работы опубликованы в 17-ти печатных работах, в том числе в 3-х публикациях в ведущих рецензируемых научно-технических журналах, в 4-х патентах на изобретения, а также в большом количестве отчетов о выполнении научно-исследовательских работ.

Личный вклад автора в полученные результаты.

С 1990 года автор принимает непосредственное участие в теоретическом обосновании и разработке методов эффективного выведения примесей из парогенераторов, принимал непосредственное участие в разработке и внедрении модернизированных систем продувки парогенераторов АЭС с ВВЭР, мониторинге и модернизации оборудования для систем продувки, выпуске методик и программ проведения промышленных испытаний, внедрении разработанных технологий и оборудования, в экспериментах и анализе результатов экспериментов по обоснованию и внедрению модернизированных систем и технологий продувки парогенераторов на строящихся и действующих АЭС. Благодарности.

Автор благодарен Ю. В. Копьеву, .В. И. Горбурову, В. М. Зорину, Н. Б. Трунову, А. Ю. Петрову, A.A. Сальникову, А. Г .Жукову за большой вклад в проведение исследований, положенных в основу данной работы.

Экспериментальные данные были получены большим коллективом сотрудников различных организаций. Особую признательность автор выражает.

Ю.Ф. Кутдюсову, А. Н. Макарцеву, A.B. Уланову, М. В .Русаковой, С. А .Харченко, Р. Ю. Жукову, Г. А .Климовой, Е. В. Хромовских, Г. А. Вавер, Е. И .Беклемышеву, А. Н. Беляеву, В. А. Задойному, Е. А. Нечаеву, Н. П. Зубкову и многим другим специалистам, участвовавшим в проведении исследований, эксплуатационных и стендовых испытаниях, разработке и изготовлении нового оборудования, позволивших экспериментально обосновать решение проблемы вывода нерастворенных примесей из водяного объема парогенераторов АЭС.

Выводы по главе 4.

1. Натурными измерениями с использованием анализатора ГРАН-152 определен гранулометрический состав нерастворенных примесей, выводимых из ПГ с непрерывной и периодической продувками. Основную часть нерастворенных примесей составляют частицы размером от 5 до 25 мкм.

2. Результаты натурных испытаний технологии выведения нерастворенных примесей из парогенератора АЭС с водой периодической продувки с максимальным её расходом при сниженном до минимума или до нуля тепловом потоке показывают, что эффективность удаления продуктов коррозии железа из ПГ с водой продувки, организованного по данной технологии, в несколько раз выше, чем по штатному регламенту.

3. Показана эффективность длительного, в течение нескольких часов, выведения нерастворенных примесей при сниженном до минимума или до нуля тепловом потоке.

4. Подтверждена эффективность использования дренажного патрубка ДуЮО (находящегося в зоне максимального скопления шлама) в качестве продувочного и необходимость его использования в этом качестве на энергоблоках с ПГВ-1000.

5. С усиленной периодической продувкой «карманов» коллекторов и дренажного патрубка ДуЮО по новой технологии эффективно удаляются как нерастворенные, так и растворенные примеси котловой воды ПГ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Анализ предшествующих работ показывает, что вопросы поведения нерастворенных примесей в переходных режимах эксплуатации и при останове энергоблока изучены недостаточно, вследствие чего использовавшиеся методы выведения нерастворенных примесей из ПГ с непрерывной и периодической продувкой во время эксплуатации энергоблока малоэффективны.

2. На основе гипотезы о «прятанье» нерастворенных примесей (шлама) при повышении мощности и работе РУ на номинальной мощности в пристенном слое теплопередающей поверхности ПГ оценена величина содержания нерастворенных примесей в вязком подслое ТОТ, которая вместе со шламом, осажденным на теплопередающей поверхности ПГ, хорошо согласуется с данными по массе удаленного шлама (около 450 кг) в результате химической промывки ПГ энергоблока № 1 Ростовской АЭС.

3. По результатам расчетно-теоретической оценки распределения нерастворенных примесей при сбросе мощности и тепловой нагрузки в ПГ показано, что после уменьшения плотности теплового потока шлам выходит из вязкого подслоя в макрообъем рабочего тела и осаждается на верхних образующих труб и на нижней образующей парогенератора в течение от минут до нескольких часов в зависимости от размера частиц.

4. Расчетами показано, что наиболее вероятным участком скопления шлама после уменьшения плотности теплового потока является зона напротив «холодного» коллектора, между второй и четвертой дистанционирующими решетками, что неоднократно подтверждалось результатами коррозионного осмотра ПГ со стороны второго контура.

5. Показано, что процесс осаждения шлама начинается практически через несколько секунд после останова блока, и шлам осаждается в определенной зоне парогенератора, в зоне напротив холодного коллектора. Следовательно, необходимо начинать вывод шлама из зоны его осаждения уже через несколько секунд и продолжать вывод шлама до тех пор, пока не осядут последние частицы. Тем самым можно добиться практически полного вывода шлама из парогенератора при останове блока и сохранить теплопередающую поверхность в целостности.

6. Также показано, что при останове блока время процесса осаждения сильно зависит от размера частиц, а именно: при увеличении размера частиц процесс осаждения начинается раньше и продолжается меньше. Так, частица с размером более 100 мкм осядет уже через 11 секунд после останова парогенератора.

7. На основании вышеприведенных теоретических предпосылок автором при участии соавторов был предложен новый способ выведения нерастворенных примесей из парогенераторов АЭС с продувочной водой, по которому очистку парогенераторов от шлама производят в период останова энергоблока при последовательном отключении петель, при этом продувочную воду с максимальным расходом отводят из парогенератора отключенной петли после выравнивания температуры теплоносителя на входе и выходе ПГ из зоны максимального скопления шлама, расположенной в нижней части ПГ.

8. Для реализации разработанного способа на Ростовской АЭС использована разработанная при участии автора усовершенствованная продувочная схема парогенераторов, в которой применены запорно-регулирующие клапаны новой конструкции, имеющие линейные расходные характеристики и позволяющие в широких пределах регулировать распределение расходов продувочной воды как между непрерывной и периодической продувками, так и между ПГ, все линии периодической продувки разделены отсечной арматурой, а дренажный штуцер ДуЮО, расположенный в зоне максимального скопления шлама, дополнительным трубопроводом связан с линией продувки и используется в качестве штуцера периодической продувки.

9. Разработанный подход к освобождению парогенераторов от шлама был реализован в разработанной автором при участии соавторов и внедренной на Ростовской АЭС новой эксплуатационной технологии выведения нерастворенных примесей из парогенераторов АЭС с продувочной водой.

10. С целью обеспечения применимости системы продувки для эффективного выведения нерастворенных примесей с продувочной водой разработана и внедрена новая конструкция ВКУ ЗРК системы продувки ПГ, обеспечивающая практическое исключение кавитации рабочей среды, снижение неравномерности температурного расширения элементов клапана и исключение повреждений (эрозии) нижней крышки, плунжера и седла ВКУ ЗРК, что подтверждено успешным опытом эксплуатации ЗРК на Ростовской АЭС.

11. С той же целью разработана новая конструкция расходомера с гидродинамическим подвесом шарового ротора, обеспечивающая минимальное гидравлическое сопротивление расходомера, повышенную точность и надежность его работы в условиях потока среды, содержащей нерастворимые примеси, в широком диапазоне измерения, особенно при больших расходах протекающей жидкости. Заявленные технические характеристики расходомера проверены эксплуатацией в системе продувки (ЮУАЭС) и подтверждены на специально разработанном и изготовленном в ОАО «ЭНИЦ» метрологическом стенде.

12. Натурными измерениями с использованием анализатора ГРАН-152 определен гранулометрический состав нерастворенных примесей, выводимых из ПГ с непрерывной и периодической продувками. Установлено, что основную часть нерастворенных примесей составляют частицы размером от 5 до 25 мкм.

13. Результаты натурных испытаний новой технологии выведения нерастворенных примесей из парогенератора АЭС с водой периодической продувки с максимальным её расходом при сбросе нагрузки показывают, что эффективность удаления продуктов коррозии железа из ПГ с водой продувки, организованного по данной технологии, в несколько раз выше, чем по штатному регламенту.

14. Показана эффективность длительного, в течение нескольких часов, выведения нерастворенных примесей при сбросе нагрузки.

15. Подтверждена эффективность использования дренажного патрубка ДуЮО (находящегося в центральной части парогенератора) в качестве продувочного и необходимость его использования в этом качестве на энергоблоках с ПГВ-1000.

16. Показано, что с усиленной периодической продувкой «карманов» коллекторов и дренажного патрубка ДуЮО по новой технологии эффективно удаляются как нерастворенные, так и растворенные примеси котловой воды ПГ.