Прогнозирование условий возникновения виброакустических резонансов в оборудовании первого контура ру с ВВЭР-1000

УДК 621.039.5

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ РЕЗОНАНСОВ В ОБОРУДОВАНИИ ПЕРВОГО КОНТУРА РУ С ВВЭР - 1000

Определены значения добротности и полосы пропускания для акустической модели активной зоны ВВЭР при однофазном и двухфазном состояниях теплоносителя. Выполнено расчетно-теоретическое обоснование условий роста вибраций в ВКУ и ТВС ВВЭР-1000 в полосе пропускания. Результаты расчета и измерений имеют удовлетворительное соответствие. Разработана методика прогнозирования и получены результаты прогнозирования виброакустических резонансов ТВС и теплоносителя в переходных режимах работы РУ ВВЭР - 1000.

Ключевые слова: Добротность, полоса пропускания, виброакустический резонанс, тепловыделяющая сборка, прогнозирование, диагностика, управление, оборудование.

Values of quality factor and pass-band for acoustic model of reactor core of reactor unit with VVER - 1000 are defined at single-phase and biphasic conditions of the coolant. The settlement-theoretical substantiation of conditions of growth of vibrations of internals and fuel assembly within a pass-band limits. Results of calculation and measurements have suitable coincidence. The technique of forecasting is developed and results of forecasting of vibro -acoustical resonances of fuel assemblies with coolant in stationary and transitive operating modes of reactor unit with VVER - 1000 are worked out.

Keywords:Q-factor, bandwidth, vibro - acoustical resonances, fuel assembly, reactor, forecasting, diagnostics, control, equipment.

При увеличении срока службы АЭС возрастают суммарная длительность переходных режимов и низко-цикловые и высоко-цикловые нагрузки на оборудование, приводящие к усталости металла. В числе главных задач в этих условиях являются обеспечение возможности прогнозирования, выявления и предотвращения режимов эксплуатации, приводящих к резонансному взаимодействию акустических колебаний теплоносителя и вибраций оборудования. Результатом такого взаимодействия могут быть усталостные разрушения элементов оборудования, ВКУ и разгерметизация ТВЭЛ. Наиболее остро эти задачи возникают при разработке новых модификаций оборудования ВКУ, ТВЭЛ и ТВС. Для отстройки от резонансов необходимо располагать виброакустическим паспортом (ВАП) [1], как оборудования, так и циркулирующего теплоносителя. Однако в настоящее время таких паспортов нет. Ввиду этого разработка методического обеспечения для построения акустического паспорта теплоносителя (АПТ), как в отдельных компонентах оборудования, так и системе первого контура в целом, является актуальной задачей.

При рассмотрении результатов вибродинамических измерений, полученных во время пусконаладочных работ на первом блоке Ростовской АЭС [2] обнаружены

К.Н. Проскуряков, К.С. Новиков, С.О. Беликов

МЭИ ТУ, Москва

МPEI (TU), Moscow

режимы, в которых происходит аномальный рост вибраций. Параметры теплоносителя в этих режимах приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры теплоносителя в режимах с высоким уровнем вибраций

№ режима Параметры теплоносителя

Давление, р [МПа] Температура теплоносителя, 1 [°С]

На входе в реактор На выходе из реактора

№ 1 15,9 270 270

№ 2 16,0 278 281

№ 3 16,0 285 314

При малой мощности реактора значение пика на частоте 49,8 Гц уменьшается примерно в 5 раз (рис. 1б). Для выявления причины появления аномальной интенсивности виброускорения на частоте 49,8 Гц в режиме №1 (рис. 1а) проведен расчет собственной частоты колебаний давления теплоносителя (СЧКДТ) для всех участков однопетлевой акустической модели первого контура ВВЭР-1000 (рис. 2).

49 а ! 1 | \

\ ! 1 !

! 1

78 13. 32.7 Л/ 65.9 Л 99 8 - 127.4 .А..

20 40 60

100 120 140 160 180 200

в и. д2;Тц

ООО»

0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0.000

8 1 49 8 !

99.6 | !

58. 07.9 1

122 !

20 40 60 80

100 120 140 160 180 200

б

Рисунок 1 - Расчет собственной частоты колебаний давлениятеплоносителя

Рисунок 2 - Акустическая модель первого контура ВВЭР-1000

а

Результаты расчетов СЧКДТ показывают, что аномальный уровень виброускорений, показанный на рисунке 1а, обусловлен совпадением трех частот колебаний давления теплоносителя, возбужденных тремя различными источниками: утроенной оборотной частоты вынужденных колебаний давления теплоносителя, вызванной вращением ГЦН; собственной частоты акустических колебаний теплоносителя в активной зоне и частоты виброускорений измеренной на крышке реактора. Высокий, но значительно меньший уровень виброускорений крышки реактора показанный на рисунке 1б обусловлен совпадением только двух частот колебаний теплоносителя, одна из них вызвана внешним источником колебаний, т.е. ГЦН, вторая обусловлена частотой виброускорений крышки реактора.

На рисунке 3 а и рисунке 3б представлены спектры виброперемещений, полученные при обработке сигналов от датчиков виброперемещения, установленных на всасе ГЦН (рис. 3 а) и на напоре (рис. 3б).

0.05

16.

99 в (

1 \

73 ,1,1 331 1 49.В 66.4 I |

1. Гц

г

33.2 1

ел 1 25.4 1

1 II ! I . ( |

(Гц

20 40

100 120 140 160 180 200

40 60 80 1 00 120 140 160 180 200

б

Рисунок 3 - Спектры виброперемещений, установленных на всасе и на напоре ГЦН

Из рисунке 3 а (режим №2) видно, что на всасе ГЦН интенсивность вибраций на частоте 16,6 Гц является доминирующей и её величина на порядок выше других. В спектре виброперемещений, полученных от сигнала датчика расположенного на напоре ГЦН, интенсивность виброперемещений на частоте 16,6 Гц, приблизительно, на порядок меньше (рис. 3б). Рассчитанная величина СЧКДТ в акустическом контуре, образованном участками 11 и 12 (см. рис. 2), т.е. состоящим из холодного коллектора и всасывающего трубопровода ГЦН, равна 8,3 Гц.

При зависимости перепада давления от квадрата скорости теплоносителя имеем:

Др(у)=Б-(у)2,

где Б - коэффициент пропорциональности. Если скорость V изменяется во времени по гармоническому закону:

V = (v)•cosю•t ,

где ю - круговая частота, то справедливо следующее преобразование,

Др^)=Б^)2сов2ю4=БОД2+ БОД2сов2 ю4

Из уравнения (1) следует, что при частоте акустических колебаний в рассматриваемом контуре (Г), равной Г = 8,3 Гц, и при зависимости перепада давления

а

от квадрата скорости происходит удвоение частоты акустических колебаний, в результате чего в спектре возникают колебания с частотой 16,6 Гц, которая равна оборотной частоте ГЦН. Такое преобразование СЧКДТ приводит к её полному совпадению с оборотной частотой ГЦН и возникновению в гидравлическом контуре, образованном холодным коллектором парогенератора и трубопроводом, соединяющим его с ГЦН, резонанса частоты акустических колебаний с частотой вынужденных колебаний, обусловленных оборотной частотой ГЦН.

Спектральная плотность мощности (СПМ) сигналов от одного и того же датчика пульсации давления, установленного на выходе из реактора приведены на рисунках 4а-4в. Главное отличие в эксплуатационных режимах, при которых получены эти результаты, состоит в различном уровне мощности реактора.

б

а

в

Рисунок 4 - Спектральная плотность мощности (СПМ) сигналов датчика пульсации давления при различном уровне мощности реактора

Режиму №3 соответствует СПМ, представленная на рисунке 4б. Для исследования причин появления аномально высоких пульсаций давления на частоте, равной 2,7 Гц, была использована гипотеза возникновения параметрического резонанса акустических колебаний в реакторе.

Для исследования причин появления аномально высоких пульсаций давления на частоте, равной 5,4 Гц, проведен расчет СЧКДТ, добротности и полосы пропускания для участка 4 (см. рисунок 2) , результаты [3] представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты расчета СЧКДТ, добротности и ПП

Режим Скорость звука, м/с СЧКДТ, Гц Добротность, Полоса пропускания, Гц

№ 3 119 5,4 3,5 1,55

№ 4 80 3,6 2,4 1,5

№ 5 149 6,7 4,3 1,55

Из таблицы 2 следует, что величина 1111 для СЧКДТ в активной зоне зависит от режима работы АЭС. Левая и правая половины ПП для режима №3 равны 0,74Гц. Таким образом, нижняя граница ПП соответствующая частоте 5,4 равна 4,63 Гц, а верхняя граница ПП 6,17 Гц. Следовательно, СЧКДТ равные 3,6 Гц и 6,7 Гц находятся вне ПП. Проведенные расчеты подтверждают, сделанное ранее, предположение о том, что СЧКДТ в режимах № 4 (см. рисунок 4а) и № 5 (см. рисунок 4в) выходят из области резонансного взаимодействия с вибрациями ТВС, частота которых равна 5,4 Гц. [4]

Размер ПП показывает, что режим резонансного взаимодействия возникает в узком диапазоне изменения частот около значения 5,4 Гц и при более значительных изменениях СЧКДТ, соответствующих значениям 3,6 Гц и 6,7 Гц пропадает.

Как было показано выше, в режиме № 3 (рисунок 4б) наблюдались аномальные всплески интенсивности пульсаций давления. На модели энергоблока АЭС, с помощью программного комплекса (ПК) «Радуга ЭУ» были воспроизведены режимы, представленные на рисунке 4а-4в с целью выявления средней температуры в активной зоне ВВЭР-1000 для рассматриваемых режимов. Режим №3 получен путем отключения одного ГЦН на уровне мощности, равного 80% от номинального значения. После завершения переходного процесса, средняя температура в зоне установилась на уровне 303 °С. Режим №4 смоделирован, в частности, при работе на 3-ех ГЦН и отключении второго ГЦН с последующим снижением до мощности в 30% от номинальной. В данном режиме установилась средняя температура теплоносителя в активной зоне, равная 302 °С. Режим №5 соответствует работе РУ на мощности около 90% от ^ом. Достижение данных параметров возможно путем снижения мощности реактора с номинальной мощности до уровня в 90% от его номинального значения, средняя температура в АЗ при этом составила 303°С. Однако, в связи с неравномерностью энерговыделения по активной зоне, важно не только совпадение средней температуры со значением, равным 303°С, но и определение доли ТВС, имеющих температуру, близкую к «опасной», также является важной информацией, позволяющей определить степень опасности режима. Следовательно, опасность режима, в котором произошло совпадение среднего значения температуры в АЗ со значением в 303°С, можно оценить, зная долю ТВС, которая попала в полосу пропускания собственных частот колебания давления теплоносителя.

Для выполнения поставленной задачи рассмотрен колебательный контур образованный тремя участками, а именно: опускным участком (участок 2 см. рисунок 2), пространством под активной зоной (участок 3 см. рис. 2) и самой активной зоной (участок 4 см. рисунок 2).

Для рассмотренного колебательного контура полоса пропускания относительно СЧКДТ = 5,4 Гц будет равна 1,6 Гц, следовательно, значения неблагоприятных частот, принадлежат интервалу (4,6 - 6,2) Гц.

ь*

ы

/

/ у

СЧКДТ, Гц

Рисунок 5 - График зависимости температуры в области полосы пропускания от собственных частот колебаний давления теплоносителя

Для определения значений температур, в области полосы пропуская, в которых будет иметь место резонансное взаимодействие вибраций ТВС с собственной частотой колебаний теплоносителя, используется график зависимости температуры от собственных частот колебаний давления теплоносителя, полученного экспериментальным путем (рисунок 5).

Изменение температуры в пределах ПП будет происходить в диапазоне 4,2 °С. Тепловыделяющие сборки, попавшие в область значений температур (312,1-319,4) °С в режиме №3 (рис. 6а), (313,5-320,9) °С в режиме №4 (рис. 6б), (311,3-318,6) °С в режиме №5 (рис. 6в) будут иметь повышенные уровни вибраций. На картограмме полученные области температур ТВС для рассматриваемых режимов, закрашенные темным цветом, соответствуют зонам повышенного уровня вибраций.

Рисунок 6 - Области температур ТВС для рассматриваемых режимов № 3, 4, 5, соответствующих зонам повышенного уровня вибраций

Показано, что в режиме №3 ТВС, находящиеся в условиях повышенной вибрации, практически заполняют всю А.З. (рис. 6а), в то время как в других режимах этого не наблюдается (рис. 6б, 6в). Этим и объясняется аномальный уровень вибраций, зафиксированный в режиме № 3.

Попадание ТВС в область неблагоприятных температур теплоносителя зависит от характера переходного процесса, реализация которого определяется регламентом безопасной эксплуатации энергоблока АЭС с реактором ВВЭР-1000.

Для предотвращения попадания ТВС в область неблагоприятных температур может потребоваться корректировка существующих регламентов безопасной эксплуатации энергоблока АЭС с реактором ВВЭР-1000 и управляющих воздействий, направленных на требуемое изменение параметров теплоносителя (температуру, расход, давление) РУ ВВЭР - 1000 при осуществлении переходных режимов.

В случае невозможности предотвратить попадание части ТВС в зону повышенных вибраций, необходимо принять меры по минимизации их числа и сокращению времени их пребывания в режиме повышенных вибраций. Решение этой задачи также можно выполнить штатными средствами АСУ ТП.

Литература

1. Проскуряков К.Н., Виброакустическая паспортизация АЭС - средство повышения их надежности и безопасности // Теплоэнергетика. 2005, №12., С. 30-34.

2. «Отчет. Результаты вибродинамического контроля оборудования ГЦК реакторной установки В-320 блока №1 Ростовской АЭС». Министерство Российской федерации по атомной энергии концерн «РОСЭНЕРГОАТОМ», Волгодонская АЭС. №1 01. РЦ/СПНИ.О. А-46.

3. Аркадов Г.В., Павелко В.И., Усанов А.И. Виброшумовая диагностика ВВЭР. М. Энергоатомиздат, 2004.

4. Проскуряков К.Н, Новиков К.С. Определение области виброакустических резонансов теплоносителя и ТВС в перспективных реакторах повышенной мощности // Атомная энергия. 2010. В. 3. С. 151- 155.

Проскуряков Константин Николаевич - доктор технических наук, профессор кафедры атомных электрических станций, Московский энергетический институт (Технический университет) - МЭИ (ТУ). Email: prosk@npp.mpei.ac.ru

Новиков Константин Сергеевич - аспирант кафедры атомных электрических станций, Московский энергетический институт (Технический университет) - МЭИ (ТУ). Email: ko555@mail.ru

Беликов Святослав Олегович - аспирант кафедры атомных электрических станций, Московский энергетический институт (Технический университет) - МЭИ (ТУ). Email: belikov_so@bk.ru

Proskouriakov Konstantin N. - Doctor of Technical science, Professor, the Nuclear power plants department, Moscow Power Engineering Institute (Technical University) -МPEI (TU). Email: prosk@npp.mpei.ac.ru

Novikov Konstantin S. - postgraduate student, the Nuclear power plants department, Moscow Power Engineering Institute (Technical University) - МPEI (TU). Email: ko555@mail.ru

Belikov Sviatoslav O.- postgraduate student, the Nuclear power plants department, Moscow Power Engineering Institute (Technical University) - МPEI (TU). Email: belikov_so@bk.ru