Расчетное исследование теплогидравлических процессов в парогенераторе и контуре циркуляции теплоносителя РУ БРЕСТ-ОД-300

Ларин И.А., Семченков А.А., Афремов Д.А., Кудрявцев А.В., Хижняк Е. С.  (АО «НИКИЭТ», Москва)

Введение

В настоящее время обоснование работоспособности, надежности и безопасности теплообменного оборудования в различных режимах и ситуациях, проводится, в том числе, с помощью расчетных кодов. Современные расчетные коды предоставляют пользователю большие возможности по моделированию теплогидравлических процессов в устройствах с различной конфигурацией трактов теплоносителей и рабочих сред, а также геометрией теплообменных поверхностей. Основной целью настоящей работы было создание численной модели первого контура реакторной установки (РУ) БРЕСТ-ОД-300 на базе кода HYDRA-IBRAE/LM/V1 [1–3], которая позволила бы моделировать различные теплогидравлические процессы, происходящие в контуре при эксплуатации РУ. Наиболее сложные с точки зрения моделирования элементы расчетной схемы верифицированы на экспериментальных данных. С использованием расчетной схемы первого контура получены основные параметры первого контура РУ БРЕСТ-ОД-300.

1. Первый контур РУ БРЕСТ-ОД-300

Схема первого контура РУ БРЕСТ-ОД-300 представлена на рис. 1.

Рис. 1. Контур циркуляции теплоносителя РУ БРЕСТ-ОД-300

В состав контура входят 4 петли. Каждая петля содержит следующие основные элементы: участок активной зоны ( а.з.), два парогенератора ( ПГ), главный циркуляционный насосный агрегат (ГЦНА), теплообменник расхолаживания (ТР), напорная камера, канал опускного тракта, трубопроводы, соединяющие эти элементы. Циркуляция в номинальном режиме работы осуществляется за счет разности уровней теплоносителя. Свинец поднимается насосом в напорную камеру, откуда основной поток направляется по каналам опускного тракта на вход а.з. Другая, меньшая часть, расхода теплоносителя из напорной камеры следует на вход а.з. через ТР. «Холодный» свинец, нагреваясь, проходит активную зону снизу вверх. Затем нагретый теплоноситель через патрубок отвода направляется в ПГ, где происходит обмен энергией с рабочим телом второго контура, и далее снова поступает на вход насоса.

2. Конструкция ПГ

Парогенератор РУ БРЕСТ-ОД-300 [4–7] предназначен для выработки водяного пара заданных параметров за счет тепла, переносимого из активной зоны свинцовым теплоносителем. ПГ представляет собой вертикальный теплообменник погружного типа с витыми трубами (рис. 2а). Движение свинцового теплоносителя и рабочего тела – прямоточное на опускном участке трубного пучка и противоточное – на подъемном. В ПГ входят следующие основные элементы: камера питательной воды; паровые камеры; опорная плита; трубный пучок; наружный кожух.еВ конструкции трубки ПГ можно выделить несколько участков: опускной участок с паровой теплоизоляцией, вертикальные, горизонтальные и витой участки.

Вышеперечисленные особенности создают гидравлическую систему, в которой возможны пульсации расхода и изменение направления течения в отдельных трубах пучка. Из-за сложности процессов, протекающих на опускном участке ПГ, необходимо разрабатывать специальную модель теплового зазора и проверять методику ее составления. Со стороны свинца, в свою очередь, имеются тракты, как с продольным, так и поперечным омыванием пучка труб, что требует правильного подбора зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи. Расчетная схема теплообменной трубы ПГ представлена на рис. 2б.

Ниже представлены основные номинальные характеристики ПГ.

Тепловая мощность ПГ, МВт   90

Температура свинцового теплоносителя среднесмешанная, °С

– на входе в ПГ        535

– на выходе из ПГ        420

Температура питательной воды на входе в ПГ, °С  340

Температура пара на выходе из ПГ, °С  505

Давление пара на выходе из ПГ, МПа  17

Паропроизводительность, кг/с      51,3

Рис. 2. Общий вид ПГ (а), расчетная схема теплообменной трубы (б)

3. Верификация расчетных моделей

Исследование свойств теплоизоляции опускного участка ПГ проводилось на стенде, изготовленном и установленном в АО «НИКИЭТ». Рабочий участок стенда представляет собой два параллельных канала, разделенных исследуемой теплоизоляцией (рис. 3а). В один из каналов подавалась вода, а в другой греющий пар. На стенде измерялись температуры воды и греющего пара вдоль тракта в различных режимах работы стенда. Схема размещения датчиков показана на рис. 3б. Подробное описание стенда и результатов экспериментов приводятся в [8 – 12].

 Рис. 3. Поперечное сечение гидравлических трактов рабочего участка стенда (а),  схема размещения датчиков (б) 

Первоначально в целях создания численной модели ПГ проведены посттестовые расчеты экспериментов с помощью средств кода RELAP5/mod3. Для решения задач данной работы эти расчеты были повторены с использованием кода HYDRAIBRAE/LM/V1. На рисунке 4 приведены результаты сравнения подогрева воды, измеренного на экспериментальном участке, и рассчитанного с помощью кодов RELAP5/mod3 и HYDRA-IBRAE/LM/V1. Следует отметить, что при подогреве воды менее 25 °С результаты, полученные с помощью кода HYDRA-IBRAE/LM/V1, имеют много меньший разброс, чем результаты, полученные с помощью кода RELAP5/mod3. Данная область соответствует рабочему диапазону парогенератора. В этом случае отклонение расчета по коду HYDRA-IBRAE/LM/V1 не превышает 4 %, в то время как для кода RELAP5/mod3 аналогичный параметр равен 16 %.

Таким образом, отклонение расчета от эксперимента лежит в приемлемом диапазоне: приблизительно 85 % точек имеет отклонение ±15 % при расчете по коду RELAP5/mod3 (рис. 5б), а для кода HYDRA-IBRAE/LM/V1 отклонение для всех расчетных точек не превышает 12 % (рис. 5а).

Рис. 4. Отклонение расчетного подогрева воды от экспериментального

Следующим этапом верификации расчетной модели парогенератора являлись посттестовые расчеты по экспериментальным данным, полученным на 18-трубной модели ПГ. На рисунке 6 изображена экспериментальная модель ПГ. Конструкция модели повторяет основные элементы конструкции парогенератора. Длина труб и их угол наклона на витом участке модели соответствуют аналогичным параметрам ПГ. Длина опускного участка уменьшена по условиям размещения установки в стендовом зале. Для компенсации «недостающей» длины на входе парогенерирующих труб установлены дополнительные дроссели. Дополнительно в модели была предусмотрена возможность отключения одной половины труб для расширения возможностей стенда.

На рисунке 7а изображена численная модель экспериментального участка. По центру представлена схема опускного участка (рис. 7б). Опускной участок смоделирован исходя из опыта, полученного при верификации модели зазора. В структуре имеются два канала, соединенных горизонтальными связями за счет чего реализуется циркуляция рабочего тела в зазоре. Ввиду того, что в ряде экспериментов охлаждение осуществлялось одной половиной труб, а также по причине того, что погружные термопары располагаются с одной стороны модели, витой участок со стороны свинца выполнен в виде двух каналов, соединенных горизонтальными связями (рис. 7в). Это позволяет более точно рассчитать температуру свинца. Таким образом, можно видеть, что в численной модели отражены основные структурные особенности исследуемого объекта.

Результаты расчетов и экспериментальные данные по показаниям погружных и наружных термопар для одного из исследованных режимов показаны на рис. 8. Как можно видеть все расчетные значения расположены внутри облака точек экспериментальных данных.

Максимальное отклонение расчетной температуры свинца на выходе модели от экспериментальных данных составило 4,6 °С, максимальное отклонение расчетной мощности передаваемой воде от полученной в эксперименте составило 3,5 %.

Рис. 6. 18-трубная модель ПГ (а), вертикальное сечение модели  по оси патрубка подвода теплоносителя (б)

Рис. 7. Нодализационные схемы 18-трубной модели (а), опускного участка (б),  подъемного участка (в)

Рис. 8. Результаты расчетов экспериментов на 18-трубной модели

4. Численные модели ПГ и первого контура РУ БРЕСТ-ОД-300

Схема численной модели парогенератора, созданная для кода HYDRA, представлена на рис. 9. Модель имеет характерные для ПГ структуры: витой и опускной участки, камеру смешения потоков свинцового теплоносителя, в которой расположены горизонтальные участки теплообменных труб. На изображении справа можно видеть, что модель зазора повторяет модель зазора при верификации 18-трубной модели.

Рис. 9. Нодализационные схемы ПГ (а), опускного участка ПГ(б) 

Модель ПГ для кода HYDRA схожа по структуре с ранее созданной численной моделью для кода RELAP5/mod3. Однако имеется существенное отличие. В код HYDRA-IBRAE/LM/V1 встроены зависимости для теплоотдачи от жидкого свинца. Поэтому созданная средствами кода HYDRA-IBRAE/LM/V1 численная модель ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300 выполнена в соответствии с геометрическими характеристиками объекта без каких-либо значительных корректировок и включает в себя все элементы трактов. В тоже время в коде RELAP5/mod3 отсутствуют теплофизические свойства жидкого свинца. Поэтому в численной модели ПГ, построенной на базе кода RELAP5/mod3, свинец моделировался с помощью перегретого пара при использовании принципа сохранения водяного эквивалента [13, 14]. В дальнейшем для создания модели контура циркуляции РУ БРЕСТ-ОД-300 модель ПГ для кода RELAP5/mod3 была преобразована в модель для кода RELAP5-3D, в которой также отсутствуют теплофизические свойства свинца, но имеется эвтектика свинец-висмут. Для корректного моделирования теплоотдачи кодом RELAP5-3D при замене свинцового теплоносителя эвтектикой свинец-висмут в численной модели достаточно уменьшить тепловой диаметр пропорционально отношению теплопроводностей свинца и эвтектики, то есть в 17,1 / 14,2 ≈ 1,2 раза.

На рисунке 10 показаны расчетные теплогидравлические параметры воды, пара и свинца вдоль парогенерирующей трубы в номинальном режиме работы ПГ, рассчитанные как с помощью кода HYDRA-IBRAE/LM/V1 (рис. 10а), так и с помощью кода RELAP5/mod3 (рис. 10б). Результаты расчета по двум кодам практически не отличаются и показывают, что конструкция ПГ позволяет получить проектное значение температуры пара на выходе (505 °С) с некоторым запасом.

Рис. 10. Теплогидравлические параметры воды и свинца в номинальном режиме работы ПГ, рассчитанные кодом HYDRA-IBRAE/LM/V1 (а) и кодом RELAP5/mod3 (б) 

Расчеты показывают, что тепловая изоляция опускного участка ПГ выполняет свои функции, сохраняя недогрев питательной воды до температуры насыщения вдоль всего опускного участка, а объемное паросодержание равно нулю. Иными словами, кипение на опускном участке, защищенном теплоизоляцией, отсутствует. Однако основные отличия в результатах расчета касаются именно опускного участка: по коду HYDRA-IBRAE/LM/V1 получен меньший на 2 °С подогрев на рассматриваемом участке. Как показали эксперименты, код HYDRA-IBRAE/LM/V1 дает меньшую погрешность при расчете теплоизолирующего зазора, чем код RELAP5/mod3. Поэтому можно считать, что результаты расчета подогрева воды на опускном участке ПГ полученные с помощью кода HYDRA-IBRAE/LM/V1 более достоверны. При сравнении графиков на рис. 10а и рис. 10б, видно, что различный подогрев воды на опускном участке, приводит к незначительным отличиям в длине испарительного и пароперегревательного участков.

Следует отметить, что код RELAP5.3D, на который имелась лицензия, обладал ограничением по размеру численных моделей, а код RELAP5/mod3, хотя и имел возможность рассчитывать большие модели, не мог использовать в качестве теплоносителя даже эвтектику свинец-висмут. Поэтому код RELAP5.3D использовался, по большей части, для кроссверификации небольших моделей, а также для  расчета первого контура РУ БРЕСТ-ОД-300 с упрощенной моделью ПГ. У теплогидравлического код HYDRA-IBRAE/LM/V1 такие недостатки отсутствуют, это позволило интегрировать детально проработанную модель ПГ в расчетную схему первого контура РУ БРЕСТ-ОД-300, представленную на рис. 11. Таким образом, использование программного средства HYDRA-IBRAE/LM/V1 дает возможность проводить расчеты первого контура при работе установки в динамических режимах.

С использованием данной модели проведены расчеты, по результатам которых определены теплогидравлические характеристики первого контура РУ при работе на номинальном (100 %) и частичных уровнях мощности (30 и 50 %). Сравнение результатов, полученных кодами RELAP5.3D и HYDRA-IBRAE/LM/V1 показало различие общего перепада давления по контуру в 2,2 кПа и отличие в уровнях не более 0,02 м.

Рис. 11. Расчетная схема первого контура РУ БРЕСТ-ОД-300

Заключение

Средствами теплогидравлических кодов Relap5/mod3 и HYDRA-IBRAE/LM/V1 разработана численная модель, позволившая провести расчетное моделирование теплоизолирующего зазора на опускном участке ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300. Численная модель верифицирована и настроена с помощью данных, полученных в ходе экспериментов на физической модели опускной трубы с теплоизолирующим зазором. В ходе верификации создана численная модель рабочего участка стенда, проведены расчеты различных режимов работы стенда. Показано, что коды с достаточной точностью моделируют процессы в теплоизолирующем зазоре, причем отклонение расчета от эксперимента у кода HYDRA-IBRAE/LM/V1 меньше, чем у кода Relap5/mod3. Верифицированная численная модель теплоизолирующего зазора вошла в состав численной модели ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300.

Результаты расчета номинального режима работы ПГ с помощью двух кодов отличаются незначительно и подтверждают работоспособность конструкции ПГ. Однако код HYDRA-IBRAE/LM/V1, по сравнению с кодом RELAP5/mod3, дает больше возможностей для моделирования теплогидравлических процессов в ПГ, позволяет снизить погрешность расчета.

После интеграции моделей ПГ в схемы первого контура РУ БРЕСТ-ОД-300, проведены расчеты стационарных режимов работы РУ с различными уровнями мощности. Результаты показали незначительное отличие в решении поставленной задачи кодами RELAP5.3D и HYDRA-IBRAE/LM/V1.

Благодарность

За предоставленные экспериментальные данные авторы работы выражают благодарность сотрудникам отдела экспериментальных теплофизических и комплексных испытаний АО «НИКИЭТ» А.Г. Хижняку, В.П. Шишову, С.В. Шпанскому и главному инженеру Ю.В. Лемехову, проводившим исследования свойств теплоизоляции опускного участка ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300, а также сотрудникам отдела перспективных разработок для крупномасштабной энергетики АО «НИКИЭТ» М.Е. Чекову, А.В. Проухину и сотрудникам АО «ГНЦ РФ – ФЭИ» В.А. Грабежной, А.С. Михееву, Ю.Ю. Штейну, принимавших участие в исследованиях 18-трубной модели ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300.

Список литературы

1. Большов, Л.А. Расчетные коды нового поколения для новой технологической платформы ядерной энергетики / Л.А. Большов, Н.А. Мосунова, В.Ф. Стрижов, О.В. Шмидт // Атомная энергия – 2016 – 120 т. № 6. – С. 303–312.
2. Алипченков, В.М. Базовые положения, текущее состояние разработки и перспективы дальнейшего развития теплогидравлического расчетного кода нового поколения HYDRA_IBRAE/LM для моделирования реакторных установок на быстрых нейтронах / В.М. Алипченков, А.М. Анфимов, Д.А. Афремов, В.С. Горбунов, Ю.А. Зейгарник, А.В. Кудрявцев, С.Л. Осипов, Н.А. Мосунова, В.Ф. Стрижов, Э.В. Усов // Теплоэнергетика, 2016, № 2, с. 54–64.
3. Афремов, Д.А. Верификация кода HYDRA-IBRAE/LM/V1 и его использование для моделирования РУ БРЕСТ-ОД-300 / Д.А. Афремов, Ю.В. Журавлева, А.В. Кудрявцев, Д.В. Сафронов, А.А. Семченков // Годовой отчет НИКИЭТ – 2016. Сб. статей / Под ред. Е.О. Адамова. – М.: АО «НИКИЭТ», 2016. – С. 138–140.
4. Yu.G.Dragunov, «Lead-Cooled Fast-Neutron Reactor (BREST)» / Yu.G.Dragunov, V.V. Lemekhov, A.V. Moiseeyev, V.S. Smirnov – INPRO Dialog-Forum, IAEA HQ, Vienna, Austria, May 26–29 2015, p. 32
5. Драгунов, Ю. Г. Технические решения и этапы разработки реакторной установки БРЕСТ-ОД-300 / Ю.Г. Драгунов, В.В. Лемехов, В.С. Смирнов, Н.Г. Чернецов // «Атомная энергия» – 2012. – 113 т., Вып. 1. – С. 58–64
6. Драгунов, Ю. Г. Реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем (БРЕСТ) / Ю.Г. Драгунов, В.В. Лемехов, В.С. Смирнов // «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики», третья международная научно-техническая конференция: доклады – М.: ОАО «НИКИЭТ». 2014. – Т.1. – с. 94–102.
7. Драгунов, Ю. Г. Технический проект РУ БРЕСТ-ОД-300: этапы разработки и обоснование / Ю. Г. Драгунов, В. В. Лемехов, А. В. Моисеев, В. С. Смирнов, О. А. Ярмоленко, В. П. Васюхно, Ю. С. Черепнин // «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики», четвертая международная научно-техническая конференция: доклады – М.: АО «НИКИЭТ». 2016. – Т.1. – с. 21–30.
8. Семченков, А.А. Исследование теплоизоляционных свойств «пароводяного зазора» в опускных трубах парогенератора / А. А. Семченков, О. Ю. Новосельский, Ю. В. Лемехов, А. Г. Хижняк, С. В. Шпанский, В. П. Шишов // Атомная энергия – 2013 – 115 т. – №5. – С. 246–250.
9. Semchenkov, A.A. Investigation of the Heat-Insulation Properties of the Steam-Water Gap in the Downcomer Pipes of a Steam Generator / A. A. Semchenkov, O. Yu. Novosel’skii, Yu. V. Lemekhov, A. G. Khizhnyak, S. V. Shpanskii, V. P. Shishov // Atomic Energy – March 2014.
10. Лемехов, Ю.В. Исследование теплоизоляционных свойств «пароводяной щели» на опускном участке парогенератора С-300 РУ БРЕСТ-ОД-300. / Ю.В. Лемехов, А.А. Семченков, О.Ю. Новосельский, А.Г. Хижняк, С.В. Шпанский, В.П. Шишов // Сборник докладов конференции молодых специалистов «Быстрые реакторы» – М.: ОАО «НИКИЭТ» – 2012. – С. 101–112.
11. Лемехов, Ю.В Исследование теплоизоляционных свойств «парового зазора» на опускном участке парогенерирующей трубы РУ БРЕСТ / Ю.В. Лемехов, О.Ю. Новосельский, А.А. Семченков, А.Г. Хижняк, В.П. Шишов, С.В. Шпанский // Годовой отчет НИКИЭТ – 2013. Сб. статей / Под ред. Е.О. Адамова. – М.: ОАО «НИКИЭТ», 2013. – С. 133–137.
12. Семченков, А.А. Результаты экспериментального исследования и численного моделирования теплопередачи через «пароводяной» зазор опускного участка ПГ РУ БРЕСТ-ОД-300 / А.А. Семченков, О.Ю. Новосельский // Сборник докладов конференции молодых специалистов «Инновации в атомной энергетике» – М.: ОАО «НИКИЭТ» – 2013. – С. 299–307.
13. Семченков, А.А. Исследование теплогидравлических процессов в парогенераторе со свинцовым теплоносителем: дис. … канд. техн. наук / А.А. Семченков – М.: АО «НИКИЭТ», 2015 – 167 с.
14. Семченков, А.А. Построение численной модели парогенератора, обогреваемого ТЖМТ, средствами разных версий кода RELAP5 / А.А. Семченков, О.Ю. Новосельский, И.Н. Кустова // Сборник докладов четвертой конференции «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ-2013)» – Обнинск, ФГУП «ГНЦ РФ ФЭИ». – 2013. – 2 т. – С. 569–575.