термосифонная тепловая защита конечного поглотителя СПОТ от замерзания в условиях низких температур
И.И. Свириденко, В.А. Тимофеев
СевНТУ, г. Севастополь, Украина
Д.В. Шевелев
Севастопольское отделение научно-технической поддержки
ОП НТЦ НАЭК «Энергоатом», Севастополь, Украина
Рассматривается режим тепловой защиты от замерзания воды, используемой в качестве конечного поглотителя автономной термосифонной системы пассивного отвода теплоты (СПОТ) реакторной установки (РУ) АЭС с ВВЭР-1000. Представлены схема системы, принцип действия и результаты расчетного моделирования тепловой защиты конечного поглотителя в условиях пониженной температуры окружающего воздуха в период «ожидания» системы.
Актуальность проблемы
Необходимость тепловой защиты от замерзания конечного поглотителя остаточных тепловыделений РУ атомных электростанций (АЭС) при низких температурах окружающего воздуха связана с требованием поддержания в состоянии постоянной эксплуатационной готовности всего комплекса систем и оборудования, предназначенного для обеспечения безопасности при аварийном расхолаживании РУ в условиях потери источников электроснабжения собственных нужд в любых климатических условиях.
Применение воды в качестве конечного поглотителя остаточных тепловыделений РУ по сравнению с воздухом имеет ряд существенных преимуществ. Более высокая теплоемкость, отсутствие необходимости в регулировании расхода конечного поглотителя, а также возможность использования воды для охлаждения наружной поверхности защитной оболочки реакторного отделения при авариях с течью первого контура позволяют создавать схемы СПОТ повышенной надежности, эффективности и многофункциональности.
Ограничение применения воды для поглощения остаточных тепловыделений РУ при аварийном расхолаживании характерно для площадок АЭС, расположение которых планируется в средних и северных широтах. Это связано с угрозой ее замерзания в условиях низкой температуры окружающего воздуха. Емкости с конечным поглотителем СПОТ - баки аварийного отвода теплоты (БАОТ) обычно размещаются за пределами защитной оболочки РУ. Поэтому существует высокая вероятность замерзания воды в БАОТ с последующим его отказом из-за потери конечного поглотителя при нарушении герметичности элементов бака и трубопроводов.
Предложенная нами автономная СПОТ [1-3], обеспечивающая отвод остаточных тепловыделений реактора через промежуточный теплообменник аварийного расхолаживания (ТОАР) на основе двухфазных термосифонов (ДТС), а также промежуточный контур и теплообменник-конденсатор (ТК), расположенный в БАОТ, позволяет существенно повысить безопасность РУ в аварийных условиях с обесточиванием. Данная система обеспечивает высокую надежность отвода остаточных тепловыделений конечному поглотителю. В связи с этим тепловая защита самогу конечного поглотителя в холодных климатических условиях является актуальной задачей.
установка реакторный защита тепловой
Цель работы
Целью разработки является создание системы тепловой защиты конечного поглотителя СПОТ, обеспечивающей ее постоянную эксплуатационную готовность за счет предотвращения возможного замерзания воды в БАОТ в режиме «ожидания» при понижении температуры окружающего воздуха ниже 0 оС. Система тепловой защиты как система нормальной эксплуатации (НЭ) и важная для безопасности должна удовлетворять следующим требованиям: высокой надежности, эффективности и экономичности.
Описание и принцип действия тепловой защиты
Тепловая защита от замерзания воды в БАОТ, расположенного за пределами защитной оболочки (ЗО) РУ, обеспечивается ее постоянным подогревом теплотой теплоносителя, циркулирующего в главном циркуляционном контуре (ГЦК) (рис. 1).
Рис. 1. Схема пассивной тепловой защиты конечного поглотителя:
1 - реактор; 2, 3 - подъемный и опускной трубопроводы петли СПОТ; 4 - ТОАР; 5 - паровой трубопровод промконтура; 6 - ТК; 7 - конечный поглотитель; 8 - БАОТ; 9 - конденсатный трубопровод промконтура; 10 - теплоизоляция; 11, 25 - «холодный» и «горячий» трубопроводы ГЦК; 12 - всасывающий трубопровод ГЦН; 13, 14 - нижний и верхний трубопроводы САОЗ; 15 - ГЗК СПОТ; 16, 23 - «горячий» и «холодный» трубопроводы продувки; 17, 18, 19 - невозвратные клапаны; 20, 21, 22 - клапаны с электроприводом; 24 - дроссельная шайба; 26 - ПГ; 27 - ГЦН; 28 - контейнмент; 29 - ЗО
Перенос теплоты 1-го контура осуществляется с помощью находящейся в режиме ожидания автономной СПОТ через термосифонный ТОАР 4, промконтур и ТК 6, размещенный в БАОТ 8. Теплота 1-го контура подводится к БАОТ постоянной продувкой термосифонного ТОАР 4 теплоносителем 1-го контура. Для продувки предусмотрены байпасные участки 16 и 23, расположенные параллельно подъемному 2 и опускному 3 трубопроводам СПОТ, и врезанные, соответственно, в трубопроводы САОЗ 13 и 14. Продувка реализуется за счет образующегося при работе ГЦН 27 перепада давления между трубопроводами САОЗ 13 и 14, соединенными, соответственно, с нижней и верхней смесительными камерами реактора.
Продувка ТОАР выполняется по следующей схеме: от нижнего трубопровода САОЗ 13, в котором давление 1-го контура соответствует давлению нагнетания ГЦН, через байпасный трубопровод 16, дроссельную шайбу 24, подъемный трубопровод петли СПОТ 2, ТОАР 4, байпасный трубопровод 23, в верхний трубопровод САОЗ 14. При этом теплота теплоносителя 1-го контура через зону теплоподвода ТОАР передается промежуточному теплоносителю ДТС. Далее от ДТС в зоне теплоотвода ТОАР теплота передается теплоносителю промконтура СПОТ.
промконтур представляет собой кольцевой ДТС. После испарения жидкого теплоносителя промконтура в межтрубном пространстве зоны теплоотвода ТОАР пар по трубопроводу 5 поступает в ТК 6, где конденсируются за счет отвода теплоты конечному поглотителю 7. Конденсат промконтура по трубопроводу 9 возвращается в ТОАР 4. Таким образом, за счет постоянного подвода теплоты от РУ к БАОТ поддерживается температура конечного поглотителя выше точки замерзания. Причем, для подогрева воды в БАОТ используют тракт циркуляции теплоносителя 1-го контура, минуя реактор и парогенератор (ПГ).
Режим пассивной тепловой защиты БАОТ реализуют только при низкой температуре окружающего воздуха. В условиях отсутствия опасности замерзания конечного поглотителя продувку ТОАР прекращают, перекрывая арматуру 21 и 22 на соответствующих байпасных трубопроводах 16 и 23.
Рассмотренный способ тепловой защиты воды в БАОТ защищен патентом Украины 32984 [4].
Особенности расчетной модели БАОТ
При моделировании пассивной тепловой защиты БАОТ для получения теплофизических характеристик состояния конечного поглотителя была разработана детальная расчетная модель БАОТ. Объем воды в баке, составляющий 400 м3 (для одной петли СПОТ), рассматривался как сегмент с основанием 1,020 м и высотой 20 м, расположенный на наружной поверхности ЗО реакторного отделения. Объем бака (рис. 2) моделировался гидравлическим элементом типа PIPE Р-991(992, 993, 994), состоящим из 18 расчетных объемов 01…18, расположенных вертикально в виде замкнутого кольцевого контура.
Теплообменная поверхность ТК одной петли СПОТ, составляющая 170 м2, сформирована из 1200 вертикальных труб размером (181,5)10-3 м и высотой 2,5 м, представлена тепловой структурой HS-654. Для обеспечения максимальной продолжительности времени ее нахождения под уровнем воды, ТК расположен в нижней части бака в расчетном объеме 01 БАОТ (Рнач = 0,12 МПа).
Теплоотвод от наружной поверхности ТК осуществляется при свободной конвекции конечного поглотителя. Со стороны промконтура ТК моделировался ГЭ типа PIPE и для упрощения расчетной схемы имел один расчетный объем Р-654 (664, 674, 684) высотой 2,5 м.
В расчетных объемах с 01 по 08 моделировался подъемный конвективный поток недогретой жидкости, в расчетных объемах с 11 по 18 - опускной поток недогретой жидкости. В расчетных объемах 09 и 10 в режиме ожидания - воздух под атмосферным давлением, в режиме тепловой защиты конечного поглотителя и отвода остаточных тепловыделений РУ - насыщенный пар, контактирующий через воздушный объемом БАОТ (ГЭ 999) с атмосферным воздухом (ГЭ 990 - объем бесконечных размеров).
Таким образом, кольцевая модель БАОТ имела строгое разграничение областей подъемного и опускного течения, но учитывала процессы тепло-массопереноса между расчетными объемами с 01 по 09 и с 18 по 10, соответственно. Причем, для получения скорости конвективного потока жидкости вдоль теплообменной поверхности ТК, а также в расчетных объемах с восходящим потоком до 0,1 м/с, сечение всех расчетных объемов области подъемного течения Р-991(01…09) принималось равным 2 м2. Соответственно, сечение расчетных объемов с опускным течением Р-991(10…18) составляло 18 м2.
Рис. 2. Нодализационная схема БАОТ с ТК
Кроме того, по мере снижения уровня воды при ее испарении из бака «режим испарения» назначался сначала на границе расчетных объемов (08, 11) и (09, 10), далее на границе (07, 12) и (08, 11), затем на границе (06, 13) и (07, 12), и т.д., вплоть до границы нижних расчетных объемов (01, 18) и (02, 17). Это позволило более корректно выполнить расчет и достаточно точно оценить максимальное время испарения конечного поглотителя из БАОТ при работе СПОТ.
Внешняя стенка БАОТ моделировалась тепловой структурой HS-99, имеет толщину 5 мм, материал - нержавеющая сталь. Для расчета тепловых потерь через стенку бака учитывались рекомендации [5], согласно которым коэффициент теплоотдачи наружному воздуху принимался равным 50 Вт/м2К.
Результаты расчетного моделирования тепловой защиты БАОТ
При аварийной ситуации с обесточиванием, СПОТ подключается к РУ с помощью автоматического открытия ГЗК 15. Если ввод в действие СПОТ происходит во время режима тепловой защиты БАОТ, перетока теплоносителя 1-го контура с верхнего трубопровода 14 САОЗ в нижний трубопровод 13, минуя ТОАР, не происходит, благодаря невозвратному клапану 17. Циркуляция теплоносителя по петлям СПОТ будет осуществляться только в направлении, указанном на рис. 1 стрелками, что подтверждается результатами расчетного моделирования изменения расхода в трубопроводах продувки Ду32 и расхолаживания Ду200 после срабатывания аварийной защиты (а.з.) и подключения СПОТ (рис. 3 а). К 125 секунде после срабатывания а.з. циркуляция по байпасному трубопроводу 23 Ду32 прекращается из-за падения движущего напора после останова ГЦН. До подключения СПОТ циркуляция 1-го контура продолжается по трубопроводу 3 Ду200 (рис. 3 б). С вводом в действие СПОТ режим тепловой защиты конечного поглотителя завершается, и в его продолжении необходимости больше нет, так как вода в БАОТ нагревается уже за счет функционирования СПОТ (рис. 3 в).
По сравнению со схемой постоянного подогрева конечного поглотителя в БАОТ от общестанционных систем АЭС [6] рассмотренный способ имеет ряд существенных преимуществ, основное из которых - повышенная надежность тепловой защиты. Вода в БАОТ в нашем случае подогревается пассивно, то есть способ реализуется за счет основных технологических процессов РУ без использования каких-либо внешних источников теплоты и дополнительных насосов для циркуляции греющего теплоносителя.
а)
|
б) |
в) |
|
Рис. 3. Изменение расхода теплоносителя 1-го контура в трубопроводах СПОТ: Ду200 системы расхолаживания и Ду32 системы продувки
На рис. 4 приведен уровень располагаемого перепада давления в петле продувки ТОАР и характер его изменения во время срабатывания аварийной защиты реактора и подключения СПОТ. Перепад давления до момента срабатывания а.з. ( = 0) соответствует напору, создаваемому работающим ГЦН в петле продувки в режиме тепловой защиты при НЭ. Этого напора достаточно для постоянной продувки термосифонного ТОАР теплоносителем 1-го контура через байпасный трубопровод.
В аварийной ситуации с полным обесточиванием отключаются все ГЦН, и напор, обеспечивающий продувку ТОАР, падает до уровня 0,011…0,012 МПа, и таковым остается, вплоть до подключения СПОТ через 2410 секунд после срабатывания а.з. За этот промежуток времени (40 минут), несмотря на существенное снижение (в 10…20 раз) теплоты, подводимой к конечному поглотителю (рис. 5), температура воды в БАОТ практически не меняется (рис. 6). А с вводом в действие СПОТ уже отпадает и сама необходимость в тепловой защите конечного поглотителя, так как БАОТ начинает функционировать по своему прямому назначению: воспринимает остаточные тепловыделения РУ.
Рис. 4. Перепад давления по 1-му контуру в петле продувки ТОАР
Подвод теплоты к БАОТ за счет переноса скрытой теплоты парообразования промежуточных теплоносителей ДТС ТОАР и двухфазного промконтура позволяет добиться высокой эффективности тепловой защиты при общем низком термическим сопротивлении системы с минимальными потерями теплоты РУ. Термическое сопротивление системы, благодаря высокой интенсивности теплоотдачи при испарении и конденсации промежуточных теплоносителей ДТС и промконтура, будет определяться лишь термическим сопротивлением стенок термосифонной сборки ТОАР и ТК, а также теплоотдачей от ТК в БАОТ.