ТРОЙНИКОВЫЙ УЗЕЛ СМЕШЕНИЯ ПОТОКОВ СИСТЕМЫ ПРОДУВКИ-ПОДПИТКИ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Полезная модель относится к ядерной энергетике и может быть использована в водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР), а более конкретно, во вспомогательных системах первого контура установки.
На современных АЭС с ВВЭР приняты двухконтурные схемы с генерацией насыщенного или слабоперегретого пара, с сепарацией и промежуточным перегревом пара перед турбиной. Уровень давления генерируемого в парогенераторе пара обусловливается допустимым нагревом теплоносителя в реакторе и составляет 6…7 МПа.
Первый контур установки предназначен для отвода тепла, выделяющегося в реакторе, и передачи его второму контуру в парогенераторе. В состав первого контура, кроме реактора, парогенераторов, главных циркуляционных насосов (ГЦН) и главных циркуляционных трубопроводов входят система компенсации давления и система очистки первого контура, работающая при давлении первого контура. Для работы первого контура предусматриваются вспомогательные системы: подпитки и очистки контура, газовых сдувок, организованных протечек и дренажа спецводоочистки и др.
Система подпитки первого контура обеспечивает подачу подпиточной воды в главный циркуляционный контур для поддержания заданного уровня теплоносителя в компенсаторе давления. Она возвращает воду, отбираемую из контура на очистку, осуществляет заполнение первого контура водой, обеспечивает поддержание давления в первом контуре в аварийных ситуациях, связанных с падением давления (разрыв трубопроводов, обесточивание станции и т.д.), компенсирует расход организованных протечек из контура, а также малых аварийных протечек.
Как правило, система продувки - подпитки первого контура содержит подпиточный насос, регенеративный теплообменник, доохладитель продувочной воды, дроссельное устройство, оборудование спецводоочистки. (SU №990000 1981).
Основной проблемой таких систем является возникновение больших температурных перепадов и напряжения в металле патрубков подпитки, связанных с большой разницей температур смешивающихся потоков, которые ведут к потере прочности и разрушению оборудования. Для исключения этого в систему дополнительно вводят байпасный трубопровод, соединенный одним концом с подпиточным патрубком, а другим с продувочным патрубком.
Тройниковое соединение - широко распространенный узел, с помощью которого выполнены соединения трубопроводов в различных системах реакторных установок с ВВЭР.
Процессы теплообмена в различных элементах энергетического оборудования таких установок (трубы котлов, парогенераторов и других теплообменников, тепловыделяющие и другие конструктивные элементы реакторов, узлы приводов СУЗ (систем управления и защиты), элементы трубопроводов и др.), как правило, сопровождаются пульсациями температур.
Характеристики этих пульсаций зависят от многих факторов. Наиболее интенсивные пульсации происходят при кризисах кипения первого и второго рода, при неустойчивом "запаривании" поверхностей нагрева, при выносе влаги на нагретые поверхности, при расслоении потока, при колебаниях расхода теплоносителей, при естественной конвекции и т.д. Колебания температуры вызывают соответствующие (иногда значительные) колебания температурных напряжений, которые, добавляясь к стационарным нагрузкам в сочетании с коррозионным воздействием среды, могут привести к усталостному или коррозионному разрушению элементов.
При высоких температурах и при их сравнительно медленном изменении во времени дополнительных температурных напряжений может и не возникать. Однако и в этом случае наличие колебаний температур вызывает ускоряющее воздействие на процесс разрушения в условиях ползучести.
Происходит повреждение трубопроводов при смешении теплоносителей с большой разницей температур или при неустановившейся естественной конвекции.
Известны решения, направленные на повышение безопасности и надежности тройниковых соединений, уменьшающие термические напряжения и деформацию за счет использования покрытия из изоляционного материала, например керамики, на одном из патрубков (US №5575423 1994). Однако данное устройство не может быть использовано в ядерных реакторах вследствие невыполнения критериев прочности тройникового узла ввиду большой разницы температур смешивающихся потоков.
Наиболее близким к предложенному решению является тройниковый узел смешения потоков системы продувки-подпитки ядерного реактора, включающий тройник, подключенный двумя концами к основному трубопроводу, несущему теплоноситель с одной температурой, и дополнительным отверстием - к дополнительному трубопроводу системы, несущему теплоноситель с другой температурой, и вставку, разделяющую потоки теплоносителя с разной температурой. (US №2014/0334594 2012).
В данном узле вставка, разделяющая потоки теплоносителя, приводит к возникновению большого температурного градиента на стыке дополнительного и основного трубопроводов, что снижает надежность тройникового соединения, поскольку при температурных деформациях трубопроводов и бокового отвода в корпусе тройника возникают значительные напряжения, которые могут превысить прочностные свойства материала, из которого выполнен тройник.
Как уже указывалось, основное требование, которое предъявляется к системе аварийной защиты в процессе проектирования, анализа и эксплуатации ядерного реактора, заключается в том, что система защиты должна обеспечить безопасность в случае аварии с потерей теплоносителя (максимальная проектная авария). Любое неожиданное прекращение потока теплоносителя через активную зону реактора может привести к серьезным последствиям для атомной электростанции в целом. Прекращение потока может произойти в результате поломки циркуляционного насоса или клапана или в результате разрыва главного трубопровода на входе в корпус реактора или на выходе из корпуса реактора.
При этом, в трубопроводе подпитки температура теплоносителя может составлять 20°С, а в байпасе - 300°С, что ведет к невыполнению критериев прочности тройникового узла ввиду большой разницы температур смешивающихся потоков.
Задачей полезной модели является обеспечение целостности и нормальной работы тройникового узла.
Технический результат, достигаемый при этом - повышение надежности тройникового соединения путем сохранения его прочности за счет уменьшения высокочастотных и низкочастотных температурных пульсаций и связанных с ними циклических напряжений.
Для решения вышеотмеченной задачи и достижения указанного технического результата в тройниковом узле смешения потоков системы продувки-подпитки ядерного реактора, включающем тройник, подключенный двумя концами к байпасу, несущему теплоноситель с одной температурой, и дополнительным отверстием - к трубопроводу подпитки системы, несущему в аварийных ситуациях теплоноситель с другой температурой, и вставку, разделяющую потоки теплоносителя с разной температурой:
вставка установлена по ходу потока теплоносителя в байпасе так, что ее внешняя часть размещена перед входом теплоносителя в тройниковый узел,
ее внутренняя часть размещена внутри тройникового узла консольно и представляет собой трубу с отверстиями эллиптической формы в зоне тройника,
тройниковый узел снабжен переходником, установленным на его выходном конце и образующим со вставкой коаксиальный канал для прохода теплоносителя.
Предпочтительно, что внутренняя поверхность внешней части вставки выполнена в виде конфузора.
Установка вставки по ходу потока теплоносителя в байпасе, так, что ее внешняя часть размещена перед входом теплоносителя в тройниковый узел, а внутренняя часть размещена внутри тройникового узла консольно и представляет собой трубу с отверстиями в зоне тройника, снабжение тройникового узла переходником, установленным на его выходном конце и образующим со вставкой коаксиальный канал для прохода теплоносителя позволяет обеспечить целостность и нормальную работу тройникового узла при нарушении условий его эксплуатации путем сохранения его прочности за счет уменьшения высокочастотных и низкочастотных температурных пульсаций и связанных с ними циклических напряжений.
Выполнение внутренней поверхности внешней части вставки в виде конфузора и отверстий в трубе вставки эллиптической формы усиливает эффект смешения потоков с разной температурой.
Ниже дано описание работы тройникового узла, которое понятно из описания фигур чертежей, прилагаемых к заявке.
На чертежах показан тройниковый узел смешения потоков системы продувки-подпитки ядерного реактора, где на фиг. 1 - изображение узла в сборе, на фиг. 2 показано распределение температурного поля по поверхности типового тройникового узла, и на - фиг. 3 - распределение температурного поля по поверхности предлагаемого тройникового узла.
Как показано на Фиг. 1 тройниковый узел смешения потоков системы продувки-подпитки ядерного реактора содержит тройник 1, вставку 2, внешняя часть которой 3 подсоединена к байпасному трубопроводу, несущему поток горячего теплоносителя (на чертеже не показан), а внутренняя - 4 размещена внутри тройника 1 и имеет отверстия 5. Узел снабжен переходником 6, установленным между тройником 1 и байпасным трубопроводом отвода горячего теплоносителя (на чертеже не показан). К дополнительному отверстию тройника подсоединен трубопровод подпитки 7, несущий поток холодного теплоносителя во время аварийной ситуации.
Во время работы вода забирается из ветки ГЦТ (главного центрального трубопровода) - идет к регенеративному теплообменнику - нагревает подпиточную воду - подпиточная вода идет в ГЦТ. Если теплообменник работает в нормальном режиме, проблем с тройниковым узлом не возникает, поскольку температура подпиточной воды сопоставима с температурой воды в байпасе и, соответственно, температурных напряжений не возникает.
При аварии подпиточная вода перестает нагреваться, и поступая в ветку ГЦТ через трубопровод подпитки, создает температурный градиент в теплообменнике и, соответственно, температурные напряжения в тройнике. Кроме того, снижение температуры подпиточной воды возможно и при различных, не только аварийных, режимах работы реакторной установки (РУ), в том числе обесточивании и ложном срабатывании аварийной системы защиты реактора.
При этом холодная подпиточная вода попадает в тройник 1 через трубопровод подпитки 7 и затем - в коаксиальный канал между переходником 6 и вставкой 4, и частично смешиваясь с горячей водой, поступающей через конфузор внешней части 3 вставки 2 из байпаса, окончательно смешивается с потоком, поступающим через отверстия 5 в трубе вставки 2. Это приводит к интенсивному теплообмену между холодной подпиточной водой и горячей водой, поступающей из байпаса, что обеспечивает выравнивание температур потока, проходящего через тройник, как показано на фиг. 3.
Таким образом, применение вставки 2 в тройниковом узле обеспечивает смешивание горячего и холодного теплоносителя без образования больших температурных градиентов на стыке трубопровода подпитки и байпаса. При этом воздействие относительно больших температурных градиентов приходится на вставку 2, разрушение которой не несет такой угрозы, как разрушение тройника 1 и может быть легко исправлено заменой вставки 2 на новую вставку.
Многочисленные исследования и расчеты, проведенные авторами, показали (см. фиг. 2 и фиг. 3), что предложенная конструкция позволяет обеспечить целостность и нормальную работу тройникового узла при нарушении условий его эксплуатации путем сохранения его прочности за счет уменьшения высокочастотных и низкочастотных температурных пульсаций и связанных с ними циклических напряжений.