Способ определения запасов до кризиса теплоотдачи в каналах яэу

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при определении запасов до кризиса теплоотдачи в ядерных энергетических установках (ЯЭУ), например, ВВЭР или РБМК. Способ заключается в том, что устанавливают требуемые режимные параметры на входе в тепловыделяющую сборку (ТВС), подводят мощность к ТВС, изменяют мощность ТВС, измеряют температуры стенок твэлов (имитаторов твэл), определяют момент наступления кризиса путем сравнения температур стенок при различных мощностях сборки, определяют запасы до кризиса теплоотдачи путем сравнения КТП и тепловых потоков при номинальных параметрах сборки, причем за кризис теплоотдачи принимают первое, по сравнению с нормальным режимом теплосъема, непропорциональное изменению мощности повышение температуры стенки. Мощность подводят к отдельным группам и(или) отдельным твэлам (имитаторам твэл), изменяют мощность, подводимую к отдельным группам твэл и(или) отдельным твэлам, так чтобы условия на выходе сборки были равны наперед заданным определяют кризис на отдельных группах и(или) отдельных твэлах (имитаторах твэл). Определяют момент наступления кризиса путем сравнения температуры стенок при различных мощностях кризисных твэлов, определяют критический тепловой поток (КТП), определяют запасы до кризиса теплоотдачи путем сравнения КТП, полученных на отдельных группах и(или) отдельных твэлах (имитаторах твэл) и тепловых потоков, соответствующих работе сборки при номинальных параметрах сборки, где G - расход воды через сборку ТВС, кг/с; i_вых, i_вх - энтальпия теплоносителя на входе и выходе и входе сборки, кДж/кг; Nδ_i - мощность, выделяемая на балансных твэлах (имитаторах твэл), на которых не определяется кризис, кВт; n - число балансных твэл; N_крi - мощность, выделяемая на твэлах (или твэле), на которых проводится определение кризиса, кВт; m - число кризисных твэл, m≥1; d - диаметр твэла, мм. Технический результат - повышение точности определения запасов до кризиса в каналах ЯЭУ. 1 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при определении запасов до кризиса теплоотдачи в ядерных энергетических установках (ЯЭУ), например, ВВЭР или РБМК.

Известен способ определения запасов до кризиса теплоотдачи, заключающийся в том, что устанавливают требуемые режимные параметры на входе в тепловыделяющую сборку (ТВС), подводят мощность к ТВС, изменяют мощность ТВС, измеряют температуры стенок твэлов (имитаторов твэл), определяют момент наступления кризиса путем сравнения температур стенок при различных мощностях сборки, определяют критическую мощность при различных параметрах на входе сборки, определяют запасы до кризиса теплоотдачи путем сравнения критической мощности сборки и мощности сборки при номинальных параметрах, причем за кризис теплоотдачи принимают первое, по сравнению с нормальным режимом теплосъема, непропорциональное изменению мощности, повышение температуры стенки, связанное с ухудшением теплоотвода от имитатора твэл (Ф.Я.Овчинников, В.В.Семенов “Эксплуатационные режимы ВВЭР”, М., Энергоатомиздат, 1988, с.133).

Предположение о том, что условия возникновения кризиса формируются всей совокупностью параметров потока, составляет основу гипотезы глобальных условий. В этом случае запасы до кризиса определяют по критической мощности.

Основной недостаток такого подхода заключается в том, что практически невозможно подобрать на экспериментальной сборке все условия, имеющиеся в реакторной установке (РУ) и, следовательно, получить правильные запасы до кризиса. Например, известно, что критические тепловые потоки (КТП), (q_кр) зависят от распределения теплового потока по длине твэла, при этом мощность может быть значительно ниже, чем для твэла с равномерным тепловыделением (Кириллов П.Л., Песков О.Л., Пометько Р.С., Болтенко Э.А. “Расчет критической мощности парогенерирующих каналов с неравномерным тепловыделением по длине”, Теплоэнергетика, №5, 1981). Критическая мощность сборки зависит от ее длины, размещения твэлов по сечению и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения запасов до кризиса теплоотдачи в каналах ЯЭУ, заключающийся в том, что устанавливают требуемые режимные параметры на входе в тепловыделяющую сборку, подводят мощность к ТВС, изменяют мощность на ТВС, измеряют температуры стенок твэлов (имитаторов твэл), определяют момент наступления кризиса путем сравнения температур стенок при различных мощностях сборки, определяют запасы до кризиса теплоотдачи путем сравнения КТП и тепловых потоков при номинальных параметрах на выходе сборки, причем за кризис теплоотдачи принимают первое, по сравнению с нормальным режимом теплосъема, непропорциональное изменению мощности повышение температуры стенки, связанное с ухудшением теплоотвода от имитатора твэл (1. Ю.А.Безруков и др. Исследование критических тепловых потоков в пучках стержней применительно к реакторам типа ВВЭР. В сб. докладов Семинар ТФ-74. Исследования критических тепловых потоков в пучках стержней. М.: Совет экономической взаимопомощи. Постоянная комиссия по использованию атомной энергии в мирных целях. 1974 г., 2. Э.А.Болтенко, Р.С.Пометько. Исследование кризиса теплообмена на модели ТВС альтернативного топлива для ВВЭР-1000. Препринт ФЭИ-2774. Обнинск - 1999 г.).

Для определения (получения) зависимости вида q_кр=f(Р, ρ W, x) варьируются условия (длина, температура воды на входе, расход воды и т.д.), повторяют все операции, описанные выше, и определяют КТП при других параметрах и получают зависимость вида q_кp=f(P, ρ W, x). С помощью программы межячейкового анализа определяются локальные параметры в отдельных ячейках сборки, определяются КТП (q_кр) при данных локальных параметрах и находятся запасы до кризиса как отношение критического теплового потока с поверхности твэл в данном сечении (q_лoк) - q_кр/q_лок. В этом случае реализуется “локальный” подход. Для определения q_кр имеются как таблицы, так и различные расчетные зависимости (Кириллов П.Л., Бобков В.П., Болтенко Э.А. и др. “Скелетные таблицы по критическим тепловым потокам”. Атомная энергия, 1991, т.71, №1, с.18-28; Болтенко Э.А,, Катан И.Б., Зятнина О.А. “Расчет кризиса теплоотдачи при различных режимах течения//Теплофизические аспекты безопасности ВВЭР. Труды международного семинара. Теплофизика. 90, в 2^х томах, под редакцией П.Л.Кириллова. Обнинск: ФЭИ ОНТИ. 1991, т.2, с.314-319). Определение запасов до кризиса теплоотдачи возможно на основе различных методик (П.Л.Кириллов, Ю.С.Юрьев, В.П.Бобков Справочник по теплогидравлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы, М.: Энергоатомиздат, 1990 г.)). Во всех методиках используются значения КТП, полученные вышеописанным способом (прототип).

Основной недостаток способа заключается в том, что коэффициент запаса, определяемый как q_кр/q_лок имеет смысл только для фиксированных, неизменных номинальных параметров и не может быть реализован, как в нормальных режимах работы, так и в переходных или в аварийных ситуациях.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности определения запасов до кризиса в каналах ЯЭУ и состоит в том, что мощность подводят к отдельным группам и(или) отдельным твэлам (имитаторам твэл), изменяют мощность, подводимую к отдельным группам твэл и(или) отдельным твэлам, так чтобы условия на выходе сборки были равны наперед заданным

,

где G - расход воды через сборку ТВС, кг/с;

i_вых, i_вх - энтальпия теплоносителя на выходе и входе сборки, кДж/кг;

Nδ _i - мощность, выделяемая на балансных твэлах (имитаторах твэл), на которых не определяется кризис, кВт;

n - число балансных твэл;

N_кpi - мощность, выделяемая на твэлах (или твэле), на которых проводится определение кризиса, кВт;

m - число кризисных твэл, m≥ 1;

d - диаметр твэла, мм.

Определяют КТП на отдельных группах и(или) отдельных твэлах (имитаторах твэл), определяют запасы до кризиса теплоотдачи путем сравнения полученных значений КТП и тепловых потоков при номинальных режимных параметрах сборки.

Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения запасов до кризиса, обеспечивается тем, что КТП, определенные предлагаемым способом, получены при условиях, максимально близких к реальным.

1. КТП на твэлах (имитаторах твэл) получены при режимных параметрах на входе и выходе сборки, соответствующих номинальным (или наперед заданным (аварийным)).

2. Тепловые потоки на твэлах (имитаторах твэл), на которых не выходят на кризис (балансных), соответствуют номинальным (или требуемым по условию).

3. Условия по сечению сборки соответствуют реальным (неравномерность тепловыделения по сечению, высоте сборки, неравномерность ячеек и т.д.).

Способ осуществляется следующим образом. Задаются режимные параметры на входе и выходе РУ (модели РУ), при которых необходимо определить запасы до кризиса. Далее на сборке с имитаторами твэл, которая включена в состав экспериментальной установки, обеспечивающей прокачку воды через сборку и создание входных условий на входе (температура воды на входе, давление, расход воды), устанавливают требуемую по условиям эксперимента мощность на балансных имитаторах и кризисных имитаторах. В результате на входе и выходе сборки устанавливают требуемые режимные параметры и плотность теплового потока на имитаторах. Далее путем повышения мощности на кризисных (кризисном) имитаторах выходят на кризис. При этом на балансных имитаторах варьируют мощность с тем, что бы сохранить условия на выходе сборки. Полученные значения критических тепловых потоков используют для определения запасов до кризиса для РУ при заданных условиях на входе и выходе сборки. На фиг.1 показан пример определения запасов до кризиса известным и предлагаемым способом. Для упрощения на фиг.1 рассмотрен случай, когда твэлы имеют равномерное тепловыделение по длине, и предлагаемым способом определено одно значение КТП. На фиг.1 показано 1 - зависимость q_кр=f(x) на основе значений КТП, полученных известным способом (прототип); 2 - зависимость теплового потока от паросодержания (тепловой баланс). Равномерное тепловыделение. Х_вых=Х_вх+q_ном π dLn/Gr, Х_вых - массовое паросодержание на выходе сборки, X_вx - массовое паросодержание на входе в сборку, определяется как - Х_вх=(I_вх-I_н)/r, где I_вх, I_н - энтальпия воды на входе в сборку и на линии насыщения соответственно I_вх=f(P, t_вx), кДж/кг определяется на основе таблиц теплофизических свойств воды, Р и t_вx - давление воды в сборке (на входе) и температура воды на входе в сборку, I_н=f(P) – энтальпия воды на линии насыщения, кДж/кг, r=f(P), кДж/кг - скрытая теплота парообразования, определяется на основе таблиц теплофизических свойств воды, q_ном - номинальный тепловой поток на твэлах (твэле) кВт/м², т.е. тепловой поток, принимаемый в качестве исходного при определении запасов до кризиса, L - длина твэла, м, n - число твэлов, d - диаметр твэла, G - расход воды, прокачиваемой через сборку, кг/с. 3 - запас до кризиса, полученный на основе предлагаемого способа (взяты значения КТП, полученные известным способом (прототип)). 4 - Значение КТП, полученное на основе предлагаемого способа. 5 - Запас до кризиса, полученный предлагаемым способом (взято значение КТП, полученное предлагаемым способом).

Как видно из фиг.1 в данном случае запас до кризиса получился меньшим того, который определен известным способом. По-видимому, могут иметь место и случаи, когда картина будет обратной.

В качестве примера рассмотрим определение запасов до кризиса на сборке, моделирующей ТВС ВВЭР и имеющейся в ЭНИЦ. ТВС мощностью до 10 МВт с имитаторами косвенного нагрева (число имитаторов 168). Мощность одного имитатора соответствует средней плотности теплового потока РУ ВВЭР ~0,6 МВт/м², имеется возможность на некоторых стержнях повышать мощность до выхода на кризис.

На фиг.2 показано поперечное сечение сборки, указаны имитаторы твэл, на которых возможен выход на кризис (их число и размещение по сечению сборки можно изменять). Допустим выход на кризис будет происходить на четырех имитаторах твэл, размещенных в наиболее характерных местах сборки (граничат с наиболее характерными ячейками сборки). Значения КТП, при параметрах на входе и выходе, соответствующих номинальным (давление на выходе -16,0 МПа, температура воды на входе 290° С, температура воды на выходе 320° С) составляют 2-2,2 МВт/м² (в зависимости, где расположены имитаторы твэл). Средний тепловой поток на балансных стержнях 0,6 МВт/м². Относительное изменение мощности сборки при выходе на кризис на четырех имитаторах составляет Δ N=4· 3,14· 9,1· 10^-3·3,5· 2· 10⁶/10· 10⁶=0,08, т.е. примерно на 8% от общей мощности. Выход на кризис на одном имитаторе изменяет общую мощность примерно на 2%. Эти изменения в мощности и, следовательно, в выходных условиях корректируются с помощью балансных имитаторов. Таким образом, используя предложенный способ, возможно получение КТП и, соответственно, запасов до кризиса при условиях, близких к реальным условиям работы сборки.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность определения запасов до кризиса в каналах ЯЭУ за счет того, что КТП, определенные предлагаемым способом, получены при условиях, максимально близких к реальным.

Способ определения запасов до кризиса теплоотдачи в каналах ЯЭУ, заключающийся в том, что устанавливают требуемые режимные параметры на входе в тепловыделяющую сборку (ТВС), подводят мощность к ТВС, изменяют мощность ТВС, измеряют температуры стенок твэлов (имитаторов твэл), определяют момент наступления кризиса путем сравнения температур стенок при различных мощностях сборки, определяют критические тепловые потоки (КТП) при различных параметрах на выходе сборки, определяют запасы до кризиса теплоотдачи путем сравнения полученных значений КТП и тепловых потоков при номинальных режимных параметрах сборки, причем за кризис теплоотдачи принимают первое, по сравнению с нормальным режимом теплосъема, непропорциональное изменению мощности повышение температуры стенки, связанное с ухудшением теплоотвода от твэл, отличающийся тем, что мощность подводят к отдельным группам и (или) отдельным твэлам (имитаторам твэл), изменяют мощность, подводимую к отдельным группам твэл и (или) отдельным твэлам, так, чтобы условия на выходе сборки были равны наперед заданным

где G - расход воды через сборку ТВС, кг/с;

i_вых, i_вх - энтальпия теплоносителя на выходе и входе сборки, кДж/кг;

Nδ_i – мощность, выделяемая на балансных твэлах (имитаторах твэл), на которых не определяется (не возникает) кризис, кВт;

n - число балансных твэл;

N_крi - мощность, выделяемая на твэлах, на которых проводится определение кризиса, кВт;

m - число кризисных твэл,

определяют КТП на отдельных группах и(или) отдельных твэлах (имитаторах твэл), определяют запасы до кризиса теплоотдачи путем сравнения полученных значений КТП и тепловых потоков при номинальных режимных параметрах сборки.