Совершенствование регламента проведения продувки в режимах останова блока с РБМК на основе динамики распределения примесей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат технических наук Иванов, Сергей Васильевич

• Иванов, Сергей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванов, Сергей Васильевич

Список обозначений.

Введение.

1. Обзор научно-технической литературы и постановка задачи.

2. Теория распределения примесей в объеме кипящего рабочего тела стационарном и переходных режимах.

2.1. Физико-химические основы концентрирования примесей.

2.2. Гидродинамическая модель процессов прятания и выброса.

2.3. Диффузионно-гидравлическая модель.

2.4. Распределение примесей в объеме кипящего рабочего тела.

3. Гидравлические связи между элементами КМПЦ РБМК и их характеристики.

3.1. Описание КМПЦ РБМК. Характеристики работы КМПЦ РБМК.

3.2. Режимы работы КМПЦ РБМК.

4. Эксперименты по исследованию процессов выброса примесей во время останова блока с РБМК.

4.1. Описание экспериментов. Методы и средства измерения.

4.2. Результаты экспериментов.

4.2.1. Эксперимент на энергоблоке №3 Смоленской АЭС.

4.2.2. Эксперимент на энергоблоке №1 Смоленской АЭС.

4.2.3. Эксперимент на энергоблоке №2 Смоленской АЭС.

4.3. Анализ результатов экспериментов.

4.4. Пути совершенствования регламента продувки.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование регламента проведения продувки в режимах останова блока с РБМК на основе динамики распределения примесей»

Совершенствование технологических процессов на электрических станциях посредством внесения необходимых изменений в регламент работы оборудования, в технологические и конструктивные схемы элементов оборудования является важной задачей, требующей постоянного внимания эксплуатирующих и проектирующих организаций. Это позволяет обеспечивать более эффективное и долговременное функционирование оборудования, основываясь на понимании протекающих физических в нем процессов и не прибегая к дорогостоящей замене элементов оборудования. В настоящее время эта задача приобретает особое значение.

Изношенность технологического оборудования становится серьезной проблемой электроэнергетики страны. Одной из основных причин отказов является разрушение поверхностей теплообмена, вследствие коррозии и образования отложений.

Особенностью АЭС с РБМК является радиоактивность оборудования, обусловленная образованием отложений радионуклидов на внутренних поверхностях. Это приводит к повышенной численности обслуживаемого персонала и увеличению его дозовых нагрузок. Проблема дозовых нагрузок персонала АЭС в настоящее время рассматривается не только с медицинской точки зрения, но и с технической, экономической и социальной. Снижение дозовых нагрузок персонала АЭС прямо приводит к снижению эксплуатационных затрат и повышению коэффициента использования установленной мощности АЭС.

Большую часть дозовых нагрузок персонал получает в период ремонтных работ на остановленном оборудовании. Мощность экспозиционной дозы излучения от оборудования этой части контура при остановленном реакторе на 80-95% обусловлена у-распадом радионуклидов продуктов коррозии конструкционных материалов контура. Анализ данных по облучению персонала при проведении ремонтных работ показывает, что к его основным источникам относятся 60Со, 5ICr, 59Fe, 58Со и другие продукты коррозии [27]. Продукты коррозии железа являются носителями соединений радиоактивных изотопов, образовавшихся из легирующих компонентов сталей. При появлении отложений в активной зоне продукты коррозии могут сорбироваться из объема теплоносителя на поверхности твэлов и длительное время удерживать даже растворимые примеси, в частности соединения натрия, хлориды, а также продукты деления, попавшие в теплоноситель из негерметичных твэлов. Образовавшиеся отложения могут подвергаться смыву и выносу в другие части контура. Откладываясь на элементах контура вне активной зоны, отложения создают наведенную радиоактивность и приводят к радиационному заражению всего контура.

Радикальный путь устранения перечисленных нежелательных явлений — создание такого водного режима, при котором в воде не появлялось бы продуктов коррозии. Если же это условие не обеспечивается в полной мере, то задача состоит в разработке новых технологий, направленных на повышение уровня эксплуатации и надежности парогенерирующих установок. К этим разработкам относятся и совершенствование регламента ведения продувки в переходных режимах работы парогенерирующего оборудования, опирающееся в своем теоретическом плане на закономерности распределения примесей.

Для удаления примесей из парогенерирующего объема применяются непрерывная и периодическая продувка. Непрерывная продувка применяется для поддержания на допустимом уровне концентрации растворенных примесей. Ее целесообразно осуществлять из зоны с максимальной концентрацией примесей. Необходимость проведения непрерывной продувки заключается не только в удалении растворенных примесей. Практика показывает, что наиболее опасно для работоспособности тепловыделяющих элементов образование отложений из примесей. Большая часть нерастворенных примесей ведет себя подобно растворенным и их эффективное удаление с непрерывной продувкой способствует уменьшению образования отложений. Периодическая продувка, как правило, применяется для удаления скопления нерастворенного шлама с нижних образующих парогенерирующего оборудования. Периодическая продувка может применяться также для восстановления и поддержания концентрации растворенных примесей в случаях нарушений ВХР. В этом случае она проводится по тем же линиям, что и непрерывная.

Следует отметить, что среди специалистов в настоящее время нет единой координации объединяющей процессы тепло-массообмена и гидродинамики в объеме кипящего рабочего тела, распределения по объему и в районе тепловыделяющих элементов растворимых и нерастворимых примесей. Если в режиме нормальной эксплуатации представление об этих процессах еще достаточно адекватны, то при пусках, остановах и в режимах с переменной нагрузкой происходят процессы, которые практически не изучены.

При эксплуатации парогенерирующих устройств (реакторы и парогенераторы АЭС, котлы ТЭС и т.д.) в переменных режимах часто наблюдается значительное изменение концентрации и радиоактивности примесей в рабочей среде при неизменном качестве питательной воды, получившее название выброса и прятания или хайдаута (от английских терминов hideout и hideout return - прятание и возврат).

Процесс хайдаута протекает следующим образом: в работавшем длительное время на постоянных параметрах парогенерирующем устройстве устанавливается постоянная концентрация примесей в теплоносителе, причем концентрация примесей в пристенном слое парогенерирующей поверхности и ядре потока различна. Величина концентрирования примеси зависит от ее свойств: растворимости, летучести, дисперсности и др. При снижении нагрузки или останове происходит значительное увеличение концентрации и радиоактивности примесей в объеме рабочего тела. При этом количество выбрасываемых примесей из пристенного слоя растет с увеличением его толщины, которая, в свою очередь, определяется величиной слоя отложений на поверхности теплообмена и его пористостью.

Именно в этот момент следует проводить режим включения периодической продувки или увеличения постоянной. Такой режим позволяет достичь следующих преимуществ:

• продувка в таком режиме имеет максимальную эффективность, то есть, при равном расходе из парогенерирующего объема выводится максимальное количество примесей, в том числе и радиоактивных. При этом снижается дозовая нагрузка на персонал.

• увеличение количества выводимых примесей в период снижения мощности, в свою очередь, снижает концентрацию примесей в объеме рабочего тела при последующей нагрузке, что снижает образование отложений и коррозию и положительно сказывается на надежности тепловыделяющих элементов.

Также необходимо учитывать время осаждения частиц примеси после останова и гидродинамику в объеме рабочего тела.

Итак, целью данной диссертационной работы является разработка и внедрение на основе динамики распределения примесей новых технологий, направленных на эффективный вывод примесей и продуктов коррозии из объема рабочей среды, а, следовательно, и повышение уровня эксплуатации и надежности блоков с РБМК. Особое внимание уделяется теории распределения примесей с различными свойствами в кипящем объеме рабочего тела и разработке математической модели, описывающей процессы выброса и прятания примесей (глава 2), а также анализу гидравлических связей между элементами КМПЦ, оказывающих влияние на интегральное распределение примесей в КМПЦ. На основании этих данных строятся рекомендации по увеличению эффективности вывода примесей из КМПЦ путем совершенствования регламента ведения технологических операций с системами и элементами систем АЭС с учетом их режимов работы. Обзор сведений о вводно-химическом режиме АЭС с РБМК и его особенностях, работ по исследованию состава естественных примесей рабочей среды и продуктов коррозии конструкционных материалов и их свойствах представлен в главе 1. Описание гидравлических связей между элементами КМПЦ РБМК, возможные схемы включения элементов КМПЦ и технологическе параметры работы КМПЦ для нормальной работы по этим схемам, описание технических возможностей систем и оборудования АЭС для поддержания ВХР, для выведения примесей из КМПЦ приводятся в главе 3. Результаты экспериментов проведенных на блоках №№1,2,3 Смоленской АЭС по замеру концентрации и активности примесей в период останова блока представлены в главе 4.

Заключение диссертации по теме «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации», Иванов, Сергей Васильевич

выводы.

В работе исследованы закономерности распределения примесей и продуктов коррозии в переходных режимах. На основе данных закономерностей поведения примесей предложены пути совершенствования регламента ведения продувки после снижения мощности с учетом гидродинамических связей между элементами КМПЦ. Основные результаты работы заключаются в следующем:

• Распределение примесей в парогенерирующих установках, рассчитанное по диффузионно-гидравлической модели, описанной в работе, качественно хорошо описывает реально происходящие процессы после снижения мощности. Математическая модель процессов выброса и прятания примесей основана на общем уравнении конвекции-диффузии в движущейся среде, и применима к любым примесям, к любым условиям течения.

• Из представленной модели выброса и прятания примесей следует, что концентрация примесей в пристенном слое парогенерирующих поверхностей может на 2-4 порядка превышать концентрацию примесей в ядре потока (например, для соединений натрия). Однако для определения степени влияния столь значительного превышения концентрации примесей на коррозионные процессы и образование отложений необходимо более детальное изучение химических процессов, происходящих в пристенном слое.

• Количество примесей, сконцентрировавшихся у теплопередающей поверхности, пропорционально толщине вязкого пристенного слоя, которая пропорциональна шероховатости стенки. А степень шероховатости стенки во многом определяет величину загрязненности поверхности нагрева. Таким образом, по величине выброса примесей в объем можно судить о загрязненности теплопередающей поверхности. В качестве «индикатора» загрязненности поверхности могут быть выбраны соли натрия, т.к. они практически нерастворимы в паре, в воде присутствуют только в растворенном виде и практически не отлагаются на поверхности.

• На динамику распределения примесей в объеме рабочей среды парогенерирующего устройства влияют ряд факторов несвязанных с процессами выброса и прятания. Это и изменение истинного объемного паросодержания, и включение и выключение дополнительной арматуры, и наличие сложных гидравлических связей между элементами КМПЦ. Все эти факторы необходимо учитывать при разработке регламента ведения продувки для эксплуатируемых и при проектировании новых парогенерирующих устройств.

• Поскольку основной вклад в дозовую нагрузку на персонал во время ремонтных работ дает у-излучение от активированных продуктов коррозии на основе железооксидных соединений, а они, в свою очередь, в КМПЦ присутствуют в растворенном и мелкодисперсном виде и практически полностью отлагаются на поверхности или уносятся с паром, то, помимо эффективного использования процессов выброса примесей при снижении мощности, необходимо большое внимание уделить методам срыва рыхлого слоя отложений путем гидромеханического воздействия на него или другими методами.

• Особое внимание стоит уделить одному из таких методов - методу срыва рыхлого слоя отложений путем воздействия резкого вскипания теплоносителя после открытия БРУ-К, и, как следствие, резкого увеличения давления в порах отложений. Этот метод не связан с установкой дополнительного оборудования и применением реагентов, а открытие клапанов БРУ-К является плановой операцией по проверке их работоспособности.

В работе проведены расчетные и экспериментальные обоснования увеличения эффективности продувки. Однако для обеспечения большего эффекта необходимо проведение дополнительных исследований по определению фракционного состава и спектра крупности частиц примеси в КМПЦ РБМК на действующем оборудовании, т.к. этот параметр является определяющим как по возможности проникновения и отложения на теплопередающей поверхности, так и скорости осаждения после останова блока, а также проведение электронно-микроскопических исследований поверхностей с отложениями для получения наиболее полной информации о частицах, формирующих слой отложений.

Результаты исследований, проведенных в данной работе, показали, что для решения проблемы уменьшения дозовой нагрузки на персонал во время ремонтных работ недостаточно использования знания только эффектов прятания примесей в пристенном слое при работе на мощности и выброса примесей из пристенного слоя при снижении мощности, необходимо применение комплексного подхода.

В данной работе рассматривались пути совершенствования регламента продувки в КМПЦ РБМК, но теория распределения примесей в объеме кипящего рабочего тела может быть использована для разработки регламента продувки парогенерирующих установок блоков другого типа, с учетом их особенностей:

• типа водно-химического режима,

• параметров работы ПГУ (давление, температура, и т.п.),

• качественного (фракционного) и дисперсного состава естественных примесей рабочей среды и продуктов коррозии конструкционных материалов и их свойств,

• гидравлических связей между элементами ПГУ, наличия внутрикорпусных устройств и др.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванов, Сергей Васильевич, 2010 год

1. Акользин П.А., Герасимова В.В., Герасимов В.В. Локальная коррозия металла теплоэнергетического оборудования. — М.: Энергоатомиздат, 1992.-272с.

2. Акользин П.А., Герасимов В.В. Коррозия конструкционных материалов ядерных и тепловых энергетических установок. М: Высшая школа, 1963.-376с.

3. Акользин П. А., Герасимов В.В., и др. Под общей редакцией проф.Т.Х.Маргуловой. Водный режим тепловых электростанций (обычных и атомных). М: Изд-во «Энергия». 1965.

4. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: справочник. М: Изд-во МЭИ, 1999. - 168с.

5. Варовин И.А., Еперин А.П., Захаржевский Ю.О. Исследование состояния поверхности и материала оболочек твэлов реактора РБМК-1000. — М., Атомные электрические станции, №8, 1985, с.78-83.

6. Варовин И.А., Еперин А.П., Константинов Е.А. Коррозионные отложения и их удаление с теплопередающих поверхностей реактора типа РБМК. Атомные электрические станции. Сб.Статей. М: Энергоатомиздат., 1985.

7. Водно-химический режим АЭС: Сборник докладов. /Междунар. науч.-техн. совещ., Смоленск, октябрь 2003 г. / С. Е. Мальков, и др., Концерн "Росэнергоатом" Смоленская атомная станция, ВНИИАЭС . - М. : Б. и., 2005. - 423 с.

8. Галин Н.М., Кириллов П.Л. Тепломассообмен (в ядерной эенргетике). -М: Энергоатомиздат, 1987. 376 с.

9. Гасанов Р.С., Соловьев Ю.Б., Распопов С.В. Изменение электрокинетических свойств продуктов коррозии в теплоносителе АЭСв переходные режимы работы. JI. ЛТИ Исследования по химии, технологии и применению РАВ. Сб.статей. 1988.

10. Герасимов В.В., Касперович А.И., Мартынова О.И. Водный режиматомных электростанций. М.: Атомиздат, 1976.

11. Гигридов А.Д. Турбулентная диффузия с конечной скоростью. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1996. - 260 с.

12. Горбуров В.И. Гидродинамика двухфазных потоков впаропроизводительных установках атомных электростанций. Дисс.докт. техн. наук. М.: МЭИ, 1991.332с.

13. Горбуров В.И., Зорин В.М., Харитонов Ю.В. О контроле водного режима парогенерирующих устройств. — М., Теплоэнергетика, №7, 1994 с.25-30.

14. Горбуров В.И., Иванов С.В., Горбуров Д.В. Распределение примесей в парогенерирующем оборудовании АЭС и ТЭС. М., Атомная энергия, том. 108, вып.2, 2010 - с.86-91.

15. Де Грот С.Р., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М: Мир, 1964.

16. Джахан Фарниа Г. Р. Моделирование пространственного распределения примесей в парогенерирующих каналах оборудования АЭС и ТЭС. -Дисс. .канд. техн. наук. — М: МЭИ, 2005.

17. Джахан Фарниа Г.Р., Горбуров В.И. Моделирование распределения растворимых примесей при кипении в оборудовании ТЭС и АЭС. М., Теплоэнергетика, №1, 2006 - с.71-76.

18. Доильницын В.А., Станкевич В.В., Иванов В.Д. Образование отложений модельных продуктов коррозии на теплопередающей поверхности.

19. Доллежаль Н.А., Емельянов И.Я. Канальный ядерный энергетический реактор. -М.: Атомиздат, 1980. 208 с.

20. Ефимов А.А., Москвин JI.H., Бредихин В .Я. Анализ продуктов коррозии в тракте циркуляции теплоносителя АЭС с РБМК. — М., Теплоэнергетика, №11, 1984 с.8-10.

21. Ефимов А.А., Пыхтеев О.Ю., Москвин JI.H. Ультрадисперсные гидролитические полимеры железа (III) — предшественники коррозионных отложений в контурах АЭС и РБМК. М., Теплоэнергетика, №8, 2001 — с.9-12.

22. Зарембо В.И., Крицкий В.Г., Пучков JI.B. Термодинамическая модель поведения продуктов коррозии кобальта в тракте АЭС с кипящим реактором. М., Атомная энергия, т.64, вып.З, 1988 - с.222-225.

23. Зарембо В.И., Крицкий В.Г., Пучков JI.B. Растворимость магнетита в условиях восстановительной среды в воде АЭС при повышенной температуре. М., Атомная энергия, т.64, вып.З, 1988 — с.225-227.

24. Катковский С.Е. Процессы выброса и прятания примесей в парогенерирующих устройствах АЭС и ТЭС. Дисс. .канд. техн. наук. -М: МЭИ, 2002.

25. Клочков Е.Р., Топорова В.Г. Исследование процесса образования отложения на твэлах водоохлаждаемых реакторов. М., Теплоэнергетика, №12, 1996 - с.52-54.

26. Краснов A.M., Ещеркин В.М., Шмелев В.Е. Процессы концентрирования растворенных примесей теплоносителя («хайд-аут») на исследовательском реакторе ВК-50. — М., Теплоэнергетика, №7, 2002 -с. 18-23.

27. Крицкий В.Г., Стяжкин П.С., Березина И.Г. Влияние качества теплоносителя на эксплуатационную надежность элементов оборудования АЭС с РБМК-1000. М., Теплоэнергетика, №7, 2000 - с.2-9.

28. Крицкий В.Г., Тяпков В.Ф., Белоус В.Н. Анализ ведения водно-химических режимов АЭС с РБМК-1000 и основные направления их совершенствования. М., Теплоэнергетика, №7, 2005 — с.26-34

29. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М: Наука, 1988. - 734 с.

30. Левин В.Г. Физико-химическая гидродинамика. — М.: Физматгиз, 1959.

31. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. — М: Наука, 1979. 528 с.

32. Мамет В.А., Мартынова О.И. Процессы "хайд-аут" (местного концентрирования) примесей котловой воды парогенераторов АЭС и их влияния на надежность работы оборудования. — М., Теплоэнергетика, №7, 1993 -с.2-7.

33. Маргулова Т.Х., Мартынова О.И. Водные режимы тепловых и атомных электростанций. М.: Высшая школа, 1987, -319 с.

34. Мартынова О.И. Водно-химический режим электростанций с барабанными котлами. — М., Теплоэнергетика, №10, 1995 с.66-70.

35. Мелвин-Хьюз Е.А. Равновесие и кинетика реакций в растворах. М.: Химия, 1975.

36. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика, часть 1. . М: Наука, 1965. - 640 с.

37. Морозова И.К., Громова А.И., Герасимов В.В., Кучеряев В.А., Демидова

38. В.В. Вынос и отложения продуктов коррозии реакторных материалов. -М: Атомиздат, 1975.

39. Протопопов B.C., Лысков М.Г. Массообмен и электрокинетические процессы при образовании железоокисных отложений. — М: МЭИ, 1984. -76с.

40. Резников М.И., Меньшикова В.Л., Лысков М.Г. Фракционный состав частиц продуктов коррозии и его влияние на процесс образования железоокисных отложений на парогенерирующих поверхностях. М., Труды МЭИ, вып.466, 1980 - с. 10-17.

41. Справочник по электрохимии. / Под ред.A.M. Сухотина. Л.: Химия, 1981.

42. Стырикович М.А., Мартынова О.И., Миропольский 3.JI. Процессы генерации пара на электростанциях. — М: Энергия, 1969. 312 с.

43. Стырикович М.А., Самойлов Ю.Ф., Грязев A.M. О растворимости окислов железа в водяном паре. — М., Теплоэнергетика, №4, 1968.

44. Стырикович М.А., Полонский B.C., Циклаури Г.В. Тепломассообмен игидродинамика в двухфазных потоках атомных электрических станций. М.: Наука, 1982.

45. Стырикович М.А., Полонский B.C., Циклаури Г.В. Тепломассообмен и гидродинамика в двухфазных потоках атомных электростанций. М: Наука, 1982.

46. Тевлин С.А., Юрьев В.Г. Исследование влияния кипения теплоносителя на процессы образования отложений продуктов коррозии на твэлах и генерацию их радионуклидов. М., Атомные электрические станции, №8, 1985, с.163-167.

47. Тепловые и атомные электростанции: справочник / под общ. ред. А.В. Клименко и В.М. Зорина, книга третья, М.: МЭИ, 2003.

48. Тяпков В.Ф., Хамьянов Л.П., Чудакова И.Ю. Образование продуктов коррозии в теплоносителе и отложениях в контуре многократной принудительной циркуляции АЭС с РБМК-1000. — М., Теплоэнергетика, №12, 2007 с.55-58.

49. Физические величины: справочник / Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братовский A.M. и др.; под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

50. Хлебников А.А. Пространственное распределение примесей в парогенерирующем оборудовании АЭС и ТЭС в стационарных и переходных режимах. Дисс. . .канд. техн. наук. - М: МЭИ, 2001.

51. Черников О.Г., Родионов Ю.А., Крицкий В.Г., Стяжкин П.С. Метод прогноза мощности дозы гамма-излучения в помещениях КМПЦ РБМК1000 по данным химического и радиоспектрометрического контроля теплоносителя. М., Теплоэнергетика, №5, 2009 — с.39-44.

52. Шкроб М.С., Вихрев В.Ф. Водоподготовка, Энергия, 1966г., с. 57.

53. Шкроб М.С., Прохоров Ф.Г. Водоподготовка и водный режим паротурбинных элетростанций. — М.: Госэнергоиздат, 1961.

54. Штихлинг Г. Теория пограничного слоя. М: Наука, 1974.

55. Эрдеи-Груз Т. Явления переноса в водных растворах. — М: Мир, 1976.

56. Holl R.E. Transactions of the ASME, 1944, v. 66, №5, pp. 456—474.

57. Class G. Zur Frage warmestromalhangiger salzablagerungen en seiderohren, Mitt. VGB, 1962, № 80.

58. Wood C.J. PWR Secondery Water Chemistry Guidelines. // ЕРШ Journal, 1993.-c. 38-41.