Экспериментальное определение границ гидродинамической устойчивости парогенератора на малых нагрузках

DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-171-176 УДК 621.181

M.A. Камнев, M.A. Антоненков

AO «ОКБМ Африкантов», г. Нижний Новгород, Россия

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПАРОГЕНЕРАТОРА НА МАЛЫХ НАГРУЗКАХ

Целью работы является проведение экспериментальных исследований гидродинамических характеристик парогенератора в обеспечение проектного ресурса эксплуатации. Представлены обобщающие данные экспериментальных исследований, направленных на определение границ гидродинамической устойчивости прямоточного парогенератора. Исследования выполнены в широком диапазоне параметров первого и второго контуров. Выполненные экспериментальные исследования позволяют обосновать и оптимизировать режимы эксплуатации прямоточных парогенераторов.

Ключевые слова: парогенератор, парогенерирующий элемент, модель, гидродинамическая устойчивость парогенератора.

Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-171-176 УДК 621.181

М. Kamnev, М. Antonenkov

JSC Afrikantov ОКВМ, Nizhny Novgorod, Russia

EXPERIMENTAL DETERMINATION OF HYDRODYNAMIC STABILITY LIMITS FOR STEAM GENERATOR UNDER LOW LOAD

This paper discusses experimental studies on hydrodynamics of steam generator in order to ensure its design lifetime. It summarizes the data of tests intended to determine hydrodynamic stability limits of drumless steam generator. The studies were performed for a wide range of 1st and 2nd contour parameters. This work enables justification and optimization of operation profiles for drumless steam generators.

Keywords: steam generator, steam-generating element, model, hydrodynamic stability.

Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

Введение

Introduction

В связи с требованиями увеличения ресурса реакторных установок при их проектировании большое значение приобретают вопросы повышения надежности, долговечности и эффективности основного оборудования (реактор, парогенератор

(ПГ), насосное оборудование и др.). Результаты исследований, выполненных в АО «ОКБМ Африкантов», показывают, что пульсации расхода питательной воды существенно влияют на величину и характер температурных пульсаций в стенке парогенерирующего элемента (ПГЭ).

Возникающие знакопеременные температурные напряжения в стенках труб поверхности теплооб-

Для цитирования: Камнев М.А., Антоненков М.А. Экспериментальное определение границ гидродинамической устойчивости парогенератора на малых нагрузках. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 2: 171-176.

For citations: Kamnev M.A., Antonenkov M.A. Experimental determination of the boundaries of the hydrodynamic stability of a steam generator at low loads. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 2: 171— 176 {in Russian).

мена существенно влияют на надежность ПГ. Это явление связано, в первую очередь, с гидродинамическими условиями - с пульсациями расхода рабочего тела. Пульсации расхода приводят к пульсации тепловых потоков, которые особенно опасны для элементов с концентраторами напряжений (сварные соединения и т.д.). Возможность появления микротрещин усталостного характера в этом случае определяется частотой и амплитудой пульсаций теплового потока и температур.

Обеспечение требуемых параметров гидродинамики потока на малой нагрузке и устойчивости работы парогенератора определяют необходимость экспериментального обоснования технических характеристик оборудования, заложенных в проекте.

Целью исследовательских испытаний является экспериментальное определение гидродинамических характеристик прямоточных ПГ.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

разработка и создание модели ПГ;

модернизация стендовой базы под условия испытаний;

разработка программного обеспечения, модернизация средств измерений;

определение границы гидродинамической устойчивости прямоточного парогенератора;

проведение сравнительных исследований гидродинамических характеристик парогенератора с использованием малоинерционных кориолисовых датчиков расхода (Promass) совместно с турбинными датчиками расхода (ДМРМ).

Описание испытательного

оборудования

Description of test equipment

Испытания проводились на теплофизическом стенде СТ-1866, схема которого представлена на рис. 1. В его состав входят испытуемая модель, контур греющего теплоносителя с параметрами, близкими к параметрам первого контура реакторных установок, и конденсационная система, обеспечивающая подачу питательной воды к модели и отведение пара из модели в конденсатор.

Объектом испытаний является кассета парогенераторов реакторных установок. Испытания проводились с использованием модели кассеты ПГ, представленной на рис. 2, которая включала в себя два модуля. Для обеспечения равномерного

распределения расхода питательной воды по ПГЭ и устойчивой работы модели кассеты на входе в каждый ПГЭ по второму контуру устанавливался дроссель, идентичный дросселю ПГЭ штатной кассеты ПГ.

К трем ПГЭ одного из модулей подключены импульсные линии для исследования гидродинамических характеристик. Каждая импульсная линия имеет в своем составе:

средства измерений температуры и расхода среды второго контура;

клапан тонкой регулировки для установления расходов питательной воды в каждой импульсной ветке, равных расчетному расходу на один ПГЭ модели кассеты;

подогреватели для восстановления температуры питательной воды до значения, равного температуре воды на входе в остальные ПГЭ. Для измерения расхода на выносных импульсных линиях использовались кориолисовые датчики расхода Рготавв 83А, которые позволяют измерять прямые и обратные расходы теплоносителя второго контура с погрешностью ± 0,036 кг/ч.

На входе в ПГЭ и в объеме коллекторов установлены микротермопреобразователи с градуировкой ХА(К).

Объем испытаний включает определение гидродинамических характеристик модели кассеты ПГ (амплитуда и частота пульсаций расхода и температуры теплоносителя второго контура на входе в ПГЭ) на режимах заданных программой испытаний.

Определение гидродинамических характеристик выполнялось в следующей последовательности:

разогрев стенда и выход на стационарный режим с программными параметрами испытаний. Расход по второму контуру подбирался таким, при котором гарантированно обеспечивалась гидродинамическая устойчивость модели кассеты ПГ. Режим считался стационарным, если отклонения режимных параметров по показаниям средств измерений за время 15 мин. не превышали половины погрешности их измерения;

снижение расхода питательной воды с шагом, достаточным для определения минимальной границы гидродинамической устойчивости модели кассеты ПГ;

регистрация (запись) параметров режима;

переход на следующий режим.

По результатам экспериментальных исследований прямоточных прямотрубных парогенерато-

M.A. Kamnev, M.A. Antonenkov.

Experimental determination of the boundaries of the hydrodynamic stability of a steam generator at low loads

Рис. 1. Схема стенда CT-1866: 1 - модель парогенератора; 2 - электронагревательная колонка; 3 - конденсатор; 4 - компенсатор объема; 5, 6 - насосы первого и второго контуров соответственно; 7, 13 - подогреватели питательной воды; 8 - подпиточный насос; 9 - подпиточный бак первого контура; 10 - газовый баллон; 11 - холодильник;12 - расходомер;14 - клапан тонкой регулировки

Fig. 1. Layout of ST-1866 test rig: 1 - model of steam generator; 2 - electric heater; 3 - condenser; 4 - volume compensator; 5, 6 - pumps of 1st and 2nd contours respectively; 7, 13 - feed water heaters; 8 - feed pump; 9 - feed tank of the 1st contour; 10 - gas bottle; 11 - refrigerator; 12 - flow meter; 14 - fine-tuning valve

Вход

греющего теплоносителя

Выход греющего

теплоносителя 1. ы » 1

Выход пара

Вход теплоносителя второго контура

2"

ф ф ф ф ф ф

Рис. 2. Схема теплофизических испытаний:

1 - клапан тонкой регулировки; 2 - подогреватель; 3 - модель парогенератора; D4...D6 - кориолисовые расходомеры

Fig. 2. Layout of thermophysical tests: 1 - fine-tuning valve;

2 - heater; 3 - model of steam generator; D4...D6 - Coriolis flow meters (Promass 83A); D7...D9 - DMRM low flow gauges

ров в качестве критерия оценки приемлемости гидродинамических характеристик ПГ приняты следующие условия:

размах пульсаций температуры среды второго контура на входе в парогенерирующий элемент и в объеме питательного коллектора модуля (ДО - не более 25 °С;

амплитуда пульсаций расхода среды второго контура в парогенерирующем элементе (А0) -не более 90 %.

При одновременном выполнении этих условий обеспечивается циклическая прочность ПГЭ.

Амплитуда пульсации расхода питательной воды через измерительные ПГЭ определялась по формуле

А gmax QmmtK iqq О+О

зации режима (реализация записывается в течение 3 мин. с частотой опроса не менее 10 Гц), кг/ч; К}) -поправочный коэффициент динамической погрешности измерения амплитуды.

Расчет величины амплитуды пульсации расхода по формуле (1) применим к процессу пульсации расхода, близкого синусоидальному и симметричному относительно среднего.

В ходе испытаний с использованием высокочувствительных датчиков расхода типа РготаББ выяснилось, что характер пульсации расхода питательной воды через ПГЭ, особенно в области обратных выбросов, далек от симметричного и синусоидального.

Для получения адекватной количественной оценки величины пульсации расхода через ПГЭ вычисляли два значения отклонений расхода от среднего:

(¿тах ~

где ()тах и Qmin - максимальное и минимальное значения расхода питательной воды через ПГЭ, определяемые при оценке с вероятностью 95 % из числа значений, зарегистрированных в записанной реали-

М-) =

Qср

öcp-ßm

-KD 100;

•£d100.

ср

Таким образом, требование критерия гидродинамической устойчивости ПГ об амплитуде пульсаций расхода питательной воды в ПГЭ относится к отрицательной полуволне пульсации 4v(~) - 90 %.

Представительность испытаний была обеспечена:

идентичностью конструктивного исполнения активной части испытуемой модели и перспективной кассеты ПГ;

идентичностью основных параметров, характеризующих условия стендовых испытаний и условия работы перспективной кассеты ПГ;

наличием расчетных методик, позволяющих корректно учитывать влияние отличий в элементах конструкции модели кассеты ПГ и перспективной кассеты ПГ, обусловленных масштабным фактором, при переносе результатов испытаний модели на перспективную кассету ПГ.

Результаты испытаний

Test results

Анализ полученных результатов испытаний показал, что на режимах при расходе первого контура 960, 12000 и 21600 кг/ч при давлении пара 1,5, 2,0 и 3,5 МПа критерий гидродинамической устойчивости кассеты ПГ Rt < 25 °С наступает раньше, чем .! ( } = 90 % (рис. 3, см. вклейку). Па режимах с расходом первого контура 960 кг/ч при давлении пара 0,7 МПа критерий гидродинамической устойчивости кассеты Rt < 25 °С наступает позже, чем AD(~) = 90 % (рис. 4, см. вклейку).

В ходе выполнения исследований гидродинамических характеристик модели кассеты ПГ выполнено сравнение показаний малоинерционных кориолисовых датчиков расхода (Promass 83А) с датчиками расхода турбинного типа (ДМРМ) (рис. 5, см. вклейку). Выявлено, что:

при величине расхода питательной воды на ПГЭ, который находится в рабочем диапазоне расходомера ДМРМ, и отсутствии обратных расходов показания кориолисового и турбинного расходомеров имеют конгруэнтный характер;

на пульсационных режимах, характеризующихся наличием обратных расходов питательной воды, происходит ограничение показаний датчика ДМРМ-6 на уровне свободного коэффициента а (Одмрм и hi- где о. b - коэффициенты; /- частота выходного сигнала. Гц).

По результатам испытаний определено, что в интервале амплитуд до 90 % частота пульсаций расхода питательной воды составляет около 2... 3 Гц. При пульсациях расхода питательной воды выше 90 % частота пульсаций снижается до 1 Гц. Снижение частоты пульсаций обусловлено изменением их характера. Частота пульсаций расхода питательной воды 2... 3 Гц обусловлена процессом парообразования в зоне ухудшенного теплообмена, а снижение частоты пульсаций расхода питательной воды до 1 Гц характерно для межвитковой пульсации. В качестве примера изменения частоты пульсаций расхода питательной воды через ПГЭ при снижении расхода приведена реализация режима (G = 960 кг/ч; h = 280 °С; Рпе = 0.7 Мпа; /цв = 55 °С) (рис. 6, см. вклейку).

На величину частоты пульсаций расхода питательной воды не оказывают влияние параметры среды первого и второго контуров (/ь G, Д im).

Экспериментальные данные по размаху пульсаций температур на входе в ПГЭ и в коллекторе питательной воды модели ПГ показали, что при расходе первого контура, равном:

960 кг/ч максимальный размах температуры составил 108 °С % = 280 °С; Рпе = 0,7 Мпа; / . 55 °С: pw = 0,7-105кг/(м2-ч)) и 90 °С (i! = 320 °Ci Рпе =0,7 Мпа; /пв= 55 °С; pw = 1,Г105кг/(м2 ч)), а в остальных режимах колебания величины размаха температуры составили от 10 до 60 °С;

12000 кг/ч и 21600 кг/ч максимальный размах температуры составил 55 °С. Все значения максимального размаха температуры получены при температуре питательной воды равной 50 и 55 °С.

Сравнительный анализ влияния параметров первого и второго контуров на величину массовой скорости питательной воды через ПГЭ, при котором нарушается гидродинамическая устойчивость кассеты ПГ, показал, что увеличение значения происходит при:

повышении температуры питательной воды от 50 до 140 С:

снижении давления пара от 3,5 до 0,7 МПа;

повышении температуры первого контура от 280 до 320 °С;

повышении расхода греющего теплоносителя от 960 до 21600 кг/ч.

Пример влияния расхода и температуры первого контура, давления пара и температуры питательной воды на величину границы гидродинамической устойчивости кассеты ПГ представлен на рис. 7 и 8.

II И

°о

П П) Л а

1 о

II I

о о

II

Й "

Г 5

II п

ю (м

л *

ж С)

О

со о

-а а

VI О

5

а

01 3

а а О Щ

о

3

^ -в

II П

с "О

Частота пульсаций расхода, Гц

ю

<л о

З'

Ш

СП

о си о

м о

о VI

2

о

Размах пульсаций температуры, °С

Амплитуда пульсаций расхода, %

С > о

ььь

.¿г

Размах пульсаций температуры, °С

Я ~

2 к>

к>

V

I

I- Г /1

У: О V

V

^ ^ ^ с" ~ ~ ~ ~

Ы ^ \DOO~

О

ОС

о

§

-о

о

V

Амплитуда пульсаций расхода, % >- ю и> ^

о о о о

^¡О ООО

I ЯI_I_I_I_I_|_

еО О

е

«1,

0 щ ^

ой

> О

2,0х10: 1,0х10: 0,0x10" -1,0x105 -2,0x105 -

« -3,0х105

0

1 -4,0x105

48 52 Время, с

Рис. 5. Сравнительная зависимость показаний кориолисового расходомера Promass и датчика малых расходов ДМРМ Fig. 5. Comparison of readings: Promass flow meter vs DMRM low flow gauge

2,0x105 —♦— l,0xl05 V1 ГЧ s 0 pw4 Pw4cp ¿60 162 къ Результат: Ал(-) = 8%, Я/60 = 1,0 °С Rt61 = 0,6 °С Rt62 = 0,7 °С Rt6i = 2,2 °С Fd4 =1,32 Гц

-l,0xl05 g Q, §

-2,0x105 « CO CQ О

-3,0xl05|

-4,0x105

68 70 72 Время, с

"Т

70 72 Время, с

4,0x10J

Результат: ¿d4(~) = 381,961 %, Rt60 = 62,6°С Rte] = 68,6 °С Rt62 = 53,8°С Rt63 = 108,8 °С Fd4 = 0,42 Гц

Рис. 6. Графическая зависимость массовой скорости питательной воды через исследовательский парогенерируюиций элемент и температуры на входе в исследовательский парогенерирующий элемент: а - pw4cp = 2х 10- кг/

Fig. б. Mass velocity of feeding water passing via research steam-generating element vs Input temperature of this element: a - pw4a, 2*10' kg/

M.A. Kamnev, M.A. Antonenkov.

Experimental determination of the boundaries of the hydrodynamic stability of a steam generator at low loads

300

Режим: ti = 305 °C, Pne = 1,5 МПа, tnB = 50 °C

G = 960 кг/ч A— G = 12 000 кг/ч G = 21 600 кг/ч "

200

О

3

10°™ 90

0

0,0x10'

Режим: G = 12 000 кг/ч, Pne = 1,5 МПа, /пв = 100 °C 200

,o

1,0x10

2,0x10

3,0хЮ5 4,0хЮ5

1,0x10

2,0xl05

3,0x10

4,0x10

Массовая скорость, кг/

Массовая скорость, кг/

Рис. 7. Влияние параметров первого контура на амплитуду пульсаций расхода питательной воды: а - влияние расхода первого контура; б - влияние температуры первого контура

Fig. 7. Effect of 1st contour a) flow rate and b) temperature upon fluctuation amplitude of feed water flow

200

Режим: G = 12 000 кг/ч, tx = 305 °C, tnB = 100 °C

300

Режим: G = 12 000 кг/ч, tx = 305 °C, Pne = 0,7 МПа

7 МПа 5 МПа 0 МПа 5 МПа

1-г

¿пв = 55 °С — ¿ПВ=100°С

е— tnB= но °с"

1,0x10 2,0x10 3,0x10 4,0x10 5,0хЮ5 Массовая скорость, кг/

0,0x10

2,0x10

4,0x10

6,0x10

Массовая скорость, кг/

Рис. 8. Влияние параметров второго контура на амплитуду пульсаций расхода питательной воды: а - влияние давления пара; б - влияние температуры питательной воды

Fig. 8. Effect of 2nd contour a) flow rate and b) temperature upon fluctuation amplitude of feed water flow

Заключение

Conclusion

В результате испытаний определены границы гидродинамической устойчивости прямоточного парогенератора.

Сравнительный анализ результатов испытаний, полученных с использованием кориолисовых дат-

чиков расхода типа РготазБ, установленных на измерительных ветках последовательно с турбинными датчиками расхода типа ДМРМ, показал следующее:  показания датчиков расхода типа ДМРМ в аттестованном диапазоне расходов и рабочем диапазоне частот пульсаций расхода через ПГЭ совпадают с показаниями малоинерционных кориолисовых датчиков расхода типа РгошаБз;

результаты предыдущих исследований гидродинамических характеристик парогенератора, полученные с использованием датчиков расхода типа ДМРМ, подтверждены в аттестованном диапазоне расходов;

при снижении расхода ниже минимально доступного для ДМРМ происходит ограничение показаний величины расхода. Выполненные экспериментальные исследования позволяют обосновать и оптимизировать режимы эксплуатации прямоточных ПГ.

Сведения об авторах

Камнев Михаил Анатольевич, к.т.н., начальник НИИК АО «ОКБМ Африкантов». Адрес: 603074, Нижний Нов

город, Бурнаковский проезд, 15. Тел.: 8 (831) 275-25-73. E-mail: kamnev@okbm.nnov.ru.

Антоненков Максим Александрович, к.т.н., начальник бюро АО «ОКБМ Африкантов». Адрес: 603074, Нижний Новгород, Бурнаковский проезд, 15. Тел.: 8 (831) 246-95-54. E-mail: antonenkov@okbm.nnov.ru.

About the authors

Kamnev, Mikhail A., Cand. Sci. (Eng), Head of Research & Testing Complex, JSC Afrikantov OKBM, address: 15, Burnakovsky proezd, Nizhny Novgorod, Russia, post code 603074, tel. 8 (8312) 275-25-73. E-mail: kamnev@okbm.nnov.ru Antonenkov, Maxim A., Cand. Sci. (Eng), Head of Bureau, JSC Afrikantov OKBM, address: 15, Burnakovsky proezd, Nizhny Novgorod, Russia, post code 603074, tel. 8 (831) 246-95-54. E-mail: antonenkov@okbm.nnov.ru.

Поступила / Received: 18.07.19 Принята в печать / Accepted: 30.08.19 © Камнев M.A., Антоненков М.А., 2019