УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ИСПЫТАНИЯ КОНТУРА МНОГОКРАТНОЙ ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИИ РБМК

Полезная модель относится к области создания средств обеспечения надежности и долговечности работы РБМК.
В данном описании используются следующие аббревиатуры.
АПЭН - аварийный питательный электронасос,
БС - барабан-сепаратор,
БЧК - бак чистого конденсата,
ВН - винтовой насос,
ВК - всасывающий коллектор,
ГПК - главный предохранительный клапан,
ГЦН - главный циркуляционный насос,
НВК - нижние водяные коммуникации,
НГУ - насос гидроиспытаний и уплотнений,
НК - напорный коллектор,
РБМК - реактор большой мощности канальный,
СПиР - система продувки и расхолаживания,
СРК - стопорно-регулирующий клапан,
САОР - система аварийного расхолаживания,
ТК - топливный канал,
0
P - номинальное давление в КМПЦ РБМК;
h
P - давлений гидроиспытаний,
h
T - температура гидроиспытаний.
Гидравлические испытания контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) РБМК сопровождаются, как показывает опыт эксплуатации РБМК, резонансными повышениями давления (гидравлическими ударами).
0
h
Нагнетание давления в КМПЦ при гидроиспытаниях производится двумя ступенями: сначала до давления, близкого к номинальному давлению для РБМК (Р), с помощью аварийных питательных электронасосов (АПЭН), и далее до давления гидроиспытания Р с помощью насоса гидроиспытаний и уплотнений (НГУ). В качестве НГУ в настоящее время на блоках РБМК используются плунжерные насосы.
h
h
Давление P и температура гидроиспытаний T устанавливаются для элементов КМПЦ РБМК в соответствии с требованиями Главного конструктора РБМК.
За прототип выбрано устройство для гидравлического испытания контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) РБМК (см. Канальный ядерный энергетический реактор РБМК под редакцией Ю.М.Черкашова, изд-во «ГУП НИКИЭТ», 2006, с.110), включающее топливные каналы ядерного реактора, имеющие тупиковые емкости (стояки) и соединенные трубопроводами с установленными на них запорно-регулирующей арматурой и средствами контроля и измерения технологических параметров КМПЦ с главными циркуляционными насосами, барабанами-сепараторами, с установленными в них средствами измерения давления, с паропроводами, с трубопроводами системы аварийного охлаждения реактора (САОР), с системой продувки и расхолаживания (СПИР), с системой главного предохранительного клапана, с питательным узлом, через который вода из специальных резервуаров для хранения конденсата (баков чистого конденсата (БЧК)) подается при гидроиспытаниях в КМПЦ с помощью аварийного питательного электронасоса (АПЭН) и плунжерного насоса.
При испытаниях контура необходимо обеспечить:
- регулируемый подъем давления до заданного значения и
- непревышение верхнего предела давления гидроиспытаний.
Для этого давление в КМПЦ контролируют манометрами, а в нагнетательном тракте плунжерного насоса установлен воздушный колпак и предусмотрена линия рециркуляции для нагнетаемой воды с регулирующим вентилем. Воздушный колпак предназначен для демпфирования колебаний давления в нагнетательном тракте насоса, включающем в рассматриваемом случае и КМПЦ, вследствие пульсирующей подачи, характерной для плунжерного насоса. Введение воздушного колпака для демпфирования колебаний обосновать расчетным путем можно только для одноканального тракта. Для разветвленной системы КМПЦ, содержащей ветвления трубопроводов и тупиковые емкости в виде стояков топливных каналов, играющих роль резонаторов Гельмгольца, такое обоснование неверно.
В результате можно констатировать, что указанный прототип имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что плунжерный насос, применяемый для нагнетания давления, создает пульсирующую подачу воды.
Гидравлические испытания КМПЦ РБМК проводятся согласно регламенту с определенной периодичностью. Поэтому нарушения целостности КМПЦ, которые могут возникать при гидроударах (появление трещин в трубопроводах, разрушение уплотнений в арматуре и т.п.), будут усугубляться с каждым испытаниям, создавая «малые течи» - предвестники катастроф (см. авария на Три-Майл-Айленд, http://bigpicture.ru/?p=132367).
Таким образом, КМПЦ РБМК обладает неустранимым свойством усиливать малые колебания внешнего воздействия. Отсюда следует, что единственным способом избежать резонансных явлений в КМПЦ РБМК при гидроиспытаниях и устранить обусловленные ими нарушения целостности элементов КМПЦ является устранение источника пульсаций давления в КМПЦ. Поскольку в настоящее время таким источником служит плунжерный насос, то предлагается вместо него применить средство, обеспечивающее безпульсационный ввод воды в КМПЦ. В качестве такого средства можно использовать, в частности, винтовой насос.
Техническим результатом, на которое направлена полезная модель, является повышение надежности, долговечности и безопасности работы РБМК за счет устранения возможности разрушений КМПЦ при гидроиспытаниях путем устранения резонансных явлений, а также упрощение схемы контура.
Для этого предложено устройство для гидравлического испытания контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) РБМК, включающее топливные каналы ядерного реактора, соединенные трубопроводами, с установленными в них запорно-регулирующей арматурой, с главными циркуляционными насосами, барабанами-сепараторами, с трубопроводами системы аварийного охлаждения реактора, с системой продувки и расхолаживания, с паропроводами, с системой главных предохранительных клапанов, при этом барабан-сепаратор через питательный узел соединен с баком чистого конденсата, на нагнетательных трубопроводах которого установлены аварийный питательный электронасос, и насос гидроиспытаний и уплотнений, при этом в качестве насоса испытаний и уплотнений установлен винтовой насос.
На фигуре 1 дана принципиальная схема устройства, где 1 - барабан-сепаратор; 2 - опускные трубы; 3 - всасывающий коллектор; 4 - всасывающие трубы; 5 - главные циркуляционные насосы; 6 - напорные трубы; 7 - байпас; 8 - напорный коллектор; 9 - раздаточный групповой коллектор; 10 - нижние водяные коммуникации; 11 - топливный канал (830 на одну половину реактора); 12 - стояк; 13 - пароводяные коммуникации; 14 - стопорно-регулирующий клапан; 15 - паропроводы; 16 - бак чистого конденсата; 17 - питательный узел; 18 - система продувки и расхолаживания; 19 - регулировочный вентиль; 20 - аварийный питательный электронасос; 21 - система аварийного охлаждения реактора; 22 - система главного предохранительного клапана; 23 - манометр; 24 - винтовой насос.
На фигуре 2 показан резонатор, формируемый стояком 12 топливного канала 11.
На фигуре 3 показана схема кривошипно-шатунного плунжерного насоса с нагнетательным воздушным колпаком, где 25 - воздушный колпак; 26 - плунжер; 27 - нагнетательный клапан; 28 - всасывающий клапан; 29 - шатун; 30 - коленчатый вал; 31 - напорный тракт; 32 - линия на рециркуляцию; 33 - регулировочный вентиль.
На фигуре 4 показана диаграмма подачи трехплунжерного насоса.
2
2
На фигуре 5 приведена расчетная зависимость собственной частоты стояка высотой 2 м от объемной доли газа в нем для давления 1 кГ/см (пунктирная кривая) и 70 кГ/см (сплошная кривая).
Рассмотрим работу КМПЦ при гидроиспытаниях. Плунжерные насосы, установленные в настоящее время в контурах РБМК, относятся к насосам объемного типа, которые работают по принципу вытеснения жидкости, изменяя энергию давления. В насосах этой группы рабочий орган (плунжер, поз.26 на фиг.3) совершает возвратно-поступательное движение с помощью кривошипно-шатунного механизма (поз.29, 30 на фиг.3) и, следовательно, неотъемлемым их свойством является пульсирующий характер подачи. Для увеличения равномерности подачи, путем уменьшения отклонений от среднего значения, применяют многоцилиндровые насосы.
Трехплунжерный насос, применяемый в РБМК, имеет три рабочие полости и состоит из трех насосов одиночного действия с общим коленчатым валом, кривошипы которого расположены под углом 120°. Подача такого насоса определяется по формуле, полученной Лейбензоном (Лейбензон Л.С., Теория воздушного колпака поршневых насосов. Собрание трудов, т.3, 1955 г.)
где φ=ωt, t - время, ω - угловая скорость вращения коленчатого вала с числом оборотов в минуту n (фиг.3), ω=πn/30.
Из диаграммы на фиг.4 видно, что на участке поворота коленчатого вала от 0 до 60° мгновенная подача жидкости суммируется из подач I и III плунжеров. Подачи жидкости также будут суммироваться на участках от 120 до 180° (I и II плунжеры) и от 240 до 300° (II и III плунжеры). В результате, применение трехплунжерных насосов увеличивает частоту колебаний подачи и уменьшает амплитуду ее пульсаций.
Для уменьшения амплитуды пульсаций давления в тракте нагнетания плунжерного насоса в тракт помещается воздушный колпак (поз.25 на фиг.3). Установка воздушного колпака достаточно больших размеров может значительно уменьшить колебание уровня жидкости в нем и тем самым уменьшить амплитуду колебаний давления в тракте.
н
н
С другой стороны при введении воздушного колпака, который представляет собой тупиковую емкость, может произойти резонансное возрастание амплитуды колебаний давления (гидравлический удар), приводящее к разрушению трубопроводной системы. В частности, для случая, когда напорным трактом служит одиночная труба длиной L с площадью поперечного сечения f, а колпак содержит объем воздуха V при давлении Р, установлено с использованием формулы (1) (Лейбензон Л.С., Теория воздушного колпака поршневых насосов. Собрание трудов, т.3, 1955 г.), что для нормальной работы трехплунжерного насоса и колпака должно соблюдаться условие
0
a
где ω - частота собственных колебаний столба жидкости в трубопроводе; ρ - плотность газа в колпаке;  - скорость звука в воздухе.
Оценки типа (2) могли бы служить ориентиром при решении вопроса о защите КМПЦ РБМК от гидроударов. Для этого необходимо знать резонансные частоты для этой системы.
Рассмотрим этот вопрос подробнее. Известно (см. Канальный ядерный энергетический реактор РБМК под редакцией Ю.М.Черкашова, изд-во «ГУП НИКИЭТ», 2006), что топливный канал РБМК устроен таким образом, что в верхней его части имеется стояк, который также играет роль тупиковой емкости (поз.12 на фиг.1 и 2). В условиях работы реактора на номинальной мощности эта емкость заполнена смесью водяных паров, азота, водорода, кислорода, а также неконденсированных газов, образующихся при делении топлива. Тупиковая емкость образует резонатор, который подобно тому, как воздушный колпак в нагнетательном тракте плунжерного насоса, может усиливать колебания давления в системе при совпадении частоты внешнего воздействия с собственной частотой этого резонатора.
Роль резонатора может играть всякий объем газа, ограниченный стенками и потому обладающий собственными частотами колебаний. Однако таким объемам обычно свойственны нормальные колебания в широком диапазоне частот. В результате они будут резонировать на множестве гармонических колебаний.
Для простой трубы резонансные частоты являются кратными гармониками, подобно обертонам вибрирующей струны. При последовательном соединении трубопроводов в общем случае они не представляют гармонический ряд, но для них могут быть установлены некоторые частные соотношения. В сложных системах с ветвлениями или параллельными соединениями, каковой является КМПЦ РБМК, резонансы могут возникать в отдельных участка системы с модами пульсаций, свойственной каждой ветви. В таких сложных системах существует возможность наложения частот и их взаимодействия (см., например, Е.В.Wylie. Resonance in Pressurized Piping Systems, Trans. ASME, December, 1965, p.960).
Резонансные частоты сложных систем могут быть рассчитаны методами импедансных диаграмм или численными методами механики сплошной среды с учетом сжимаемости жидкости и деформации стенок трубопроводов. Для этого можно было бы применить современные программные комплексы типа ABAQUS, ANSYS и др. (см., например, http://ansys.ru/product/ansys-acoustics-structures), использующие конечно-элементный анализ в области компьютерного инжиниринга.
2
2
Однако при расчетах акустических явлений в КМПЦ РБМК возникают принципиальные трудности. Скорость звука в смеси газов может изменяться в широких пределах. Объем газа в стояке зависит как от его размеров, так и от давления в КМПЦ и, следовательно, изменяется в процессе испытаний. Кроме того, конструкция КМПЦ такова, что объем стояка, заполненный газом, зависит не только от давления в КМПЦ, но и от положения топливного канала в активной зоне реактора. На фигуре 5 приведена расчетная зависимость собственной частоты стояка высотой 2 м от объемной доли газа в нем для давления 1 кГ/см (пунктирная кривая) и 70 кГ/см (сплошная кривая). Видно, что с ростом давления область высоких частот расширяется.
Колебания давления в каналах взаимозависимы. Поскольку объем газа в стояке есть случайная величина, а число топливных каналов в РБМК составляет примерно 1660, то процессы резонансного усиления колебаний в КМПЦ РБМК носят случайный характер. Из сказанного выше следует, что определение резонансных частот КМПЦ РБМК представляет в настоящее время практически невыполнимую задачу. В этих условиях введение воздушного колпака в нагнетательном тракте плунжерного насоса в качестве средства демпфирования пульсаций давления КМПЦ не защищает систему от гидравлических ударов.
Поскольку вероятность нарушения целостности элементов КМПЦ при гидравлических испытаниях достаточно велика, то необходимо обеспечить достаточно высокую точность измерения давления. Для измерения давления в КМПЦ РБМК применяют статические манометры с трубкой Бурдона в качестве чувствительного элемента (поз.23 на фиг.1) (см. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы, М., «Энергия», 1974 г.). Пульсации давления в КМПЦ при гидроиспытаниях вызывают колебания стрелки манометра. Предохранение манометров от разрушения и повышение точности измерения давления при наличии колебаний обеспечивается с помощью специальных демпфирующих устройств. Однако эти устройства эффективны при условии, что колебания внешнего воздействия составляют не более 15% от уровня давления в контуре. Тогда, как показали Преображенский В.П. и Иванова Г.М. (см. Теплоэнергетика №2, 1968 г.), можно считать, что отклик системы линейно зависит от внешнего воздействия и, используя линейную теорию, теоретически определить характеристики демпфирующих устройств, при которых пульсации давления в манометре будут ослаблены до необходимого уровня.
Резонансные усиления амплитуды колебаний могут достигать больших величин, при которых отклик системы на внешнее воздействие становится нелинейными. Аналитическое описание таких процессов невозможно. В результате невозможно подобрать средства, обеспечивающие достаточную точность измерения давления и предохранить систему от увеличения давления выше допустимых значений при гидравлических испытаниях. Использование регулировочного вентиля (поз.33 на фиг.3) и линии рециркуляции (поз.32 на фиг 3) для снижения пульсаций давления в системе также не может быть эффективным.
В связи с вышесказанным предлагается установить вместо плунжерного насоса винтовой насос (поз.24 на фиг.1), что позволит отказаться от используемых в настоящее время неэффективных способов демпфирования колебаний давления в КМПЦ путем установки воздушного колпака (поз.25 на фиг 3), линии рециркуляции воды (поз.32 на фиг.3) и регулировочного вентиля (поз.33 на фиг.3) в тракте нагнетания в КМПЦ и демпфирующих устройств в манометрах КМПЦ при контроле давления.
Главным преимуществом винтовых насосов является равномерная подача перекачиваемой среды, достигаемая вследствие отсутствия деталей с возвратно-поступательным движением. Винтовой насос является объемным насосом, состоящим из двух компонентов - ротора и статора (см. Абдурашитов С.А и др. Насосы и компрессоры. М., «Недра», 1974). Ротор имеет форму наружной спирали с числом заходов "n". Ротор является единственной движущейся деталью насоса. Статор представляет собой внутреннюю спираль с числом заходов "n+1". При вращении ротора происходит постоянное открытие и закрытие полостей, и их перемещение от приема к подаче насоса. Площадь полости между ротором и статором остается постоянной на любом сечении по всей длине насоса, что обеспечивает поток среды без пульсаций.
Винтовые насосы обладают также рядом особенностей, выгодно отличающих их от поршневых насосов - отсутствие клапанов и сложных проходов, что снижает местные сопротивления и инерционные силы в системе.
3
Трехвинтовые насосы дают подачу от 1,5 до 800 м/ч и создают давление нагнетания до 18 МПа. Требуемые параметры для КМПЦ РБМК лежат в этих пределах. Применение винтовых насосов новых моделей, использующих современные усовершенствованное оборудование и материалы, может стать весьма эффективным и с экономической точки зрения.
h
0
h
При применении винтового насоса создание параметров воды в КМПЦ РБМК при гидравлических испытаниях происходит следующим образом. В исходном состоянии КМПЦ, включающий барабаны-сепараторы (БС) 1, опускные трубы 2, всасывающие коллекторы 3, всасывающие трубы 4, главные циркуляционные насосы (ГЦН) 5, напорные трубы 6, байпас 7, напорный коллектор (НК) 8, раздаточно-групповые коллектора (РГК)_9, нижние водяные коммуникации 10, топливные каналы 11 со стояками 12, пароводяные коммуникации 13, паропроводы 15, бак чистого конденсата 16, узел питательной воды 17, отводы в систему продувки и расхолаживания (СПиР) 18, регулировочный вентиль 19, аварийный питательный насос (АПЭН) 20, коллекторы системы аварийного расхолаживания (САОР) 21, трубопроводы главных предохранительных клапанов (ГПК) 22, манометры 23, винтовой насос (ВН) 24, заполнен водой при температуре 30-50°С до уровня, соответствующего заполнению БС до половины. За счет мощности ГЦН температура воды повышается до температуры гидроиспытаний Т. Нагнетание воды в систему для полного заполнения водой КМПЦ включается АПЭН, который подает воду в БС через узел питательный узел 17 из бака чистого конденсата 16. Давление в системе повышается до P. Для достижения давления P в КМПЦ АПЭН отключается и включается винтовой насос 24, который нагнетает воду в КМПЦ через питательный узел 17 из бака чистого конденсата 16.
0
h
Таким образом, подъем давления в КМПЦ от величины Р, соответствующей работе реактора на номинальной мощности, до давления гидроиспытаний Р, производится безпульсационым нагнетанием воды, что достигается заменой плунжерного насоса на винтовой насос, что в свою очередь снижает вероятность гидроударов, позволяет упростить организацию контура и повысить точность измерения давления гидроиспытаний.