И. А. МОЛЕВ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИНАМИКИ УРОВНЯ ВОДЫ В ПАРОГЕНЕРАТОРЕ
НА ТЕПЛОВУЮ МОЩНОСТЬ АЭС С ВВЭР-1000
Представлена методика определения влияния динамики уровня воды в парогенераторе на тепловую мощность АЭС. Показана работа данной методики в полномасштабном комплексе «ПРОСТОР» по данным 2-го блока Калининской АЭС. Также было показано, что учет динамики уровня воды в парогенераторе позволяет повысить точность определения тепловой мощности АЭС, что напрямую связано с задачами повышения КИУМ и теплотехнической безопасности станционного оборудования.
Актуальность данной работы связана с разработкой в НИЯУ МИФИ совместно с ядерно-физической лабораторией (ЯФЛ) Калининской АЭС методики расчета теплового баланса и уточнения основных интегральных параметров РУ с ВВЭР-1000 при нормальной эксплуатации с использованием станционных данных и программного комплекса «ПРОСТОР». Методика уточняет такие параметры, как тепловые мощности активной зоны и 1-го контура, средние температуры и расходы теплоносителя по петлям главного циркуляционного контура, значения давлений пара в парогенераторах и тепловой мощности 2-го контура [1].
Цель данной методики – повысить точности расчета теплового баланса РУ и определения тепловой мощности активной зоны, что непосредственно связано с задачами повышения КИУМ и теплотехнической безопасности реакторного оборудования.
Необходимость уточнения вышеуказанных параметров связана с тем, что показания температур теплоносителя в горячих нитках ГЦК не дают достоверного представления о средней температуре теплоносителя в них. Другое обстоятельство связано с большой неопределенностью в станционных данных по значениям расходов в петлях ГЦК. И третье обстоятельство связано с не учитываемой динамикой массы воды в парогенераторах при расчете теплового баланса во втором контуре, что приводит зачастую к переоценке или недооценке мощности второго контура, рассчитанной по расходам питательной воды через парогенераторы. Запишем уравнения теплового баланса парогенератора [2]:
Qпг=D × ((1–w) × iпн + w × iвн) + Dпр × iвн – Gпв × iпв, (1)
где Qпг – тепловая мощность парогенератора; D – паропроизводительность парогенератора; iпн – энтальпия пара на линии насыщения при давлении генерируемого пара на выходе из парового коллектора ПГ; iвн – энтальпия воды на линии насыщения при давлении генерируемого пара на выходе из парового коллектора ПГ; iпв – энтальпия питательной воды; r – теплота парообразования; Dпр – расход продувки; w – паросодержание на выходе из парового коллектора ПГ; Gпв – расход питательной воды.
Формула (1) используется для расчета тепловой мощности парогенератора. Видно, что учитываются только расходы на входе и выходе парогенератора, но не учитываются процессы происходящие внутри. Так, при быстром изменении уровня в ПГ мы можем получать большие погрешности в определении мощности. Или даже при небольших колебаниях уровня мы можем получить систематическую ошибку расчета мощности.
Возможно, неучет динамики уровня в парогенераторе связан со сложностью определения уровня. Так, в исследовании [3] показаны неточности измерений уровня вызванные: занижением действительного массового уровня некоторыми датчиками, запариванием датчиков, конструктивной неточностью установки штуцеров. Но эти неточности были бы важны в том случае, если бы мы определяли абсолютный уровень воды в парогенераторе, а так как нам необходимо получить изменение уровня, то систематическими погрешностями в измерениях можно пренебречь.
Учитывать динамику массы воды в парогенераторе предлагается добавлением к уравнению (1) члена:
Ql = Dl × (i2 – iпв), (2)
где Ql – тепловая мощность парогенератора, обусловленная динамикой уровня; iпн – энтальпия пара на линии насыщения при давлении генерируемого пара на выходе из парового коллектора ПГ; iвн – энтальпия воды на линии насыщения при давлении генерируемого пара на выходе из парового коллектора ПГ; Dl – скорость изменения массы воды в парогенераторе.
Используя данный член (2), в уравнении (1) мы будем учитывать изменения в парогенераторе, которые могут не отражаться на расходах подводимых и отводимых потоков воды и пара. Это будет являться уточнением в определении мощности второго контура. Данная работа заключается в создании методики определения этого члена в уравнении для расчета тепловой мощности парогенератора.
Исследование проводилось с помощью полномасштабного программного комплекса «ПРОСТОР» (разработка МИФИ и ЭНИКО ТСО) с использованием данных СВРК 2-го энергоблока Калининской АЭС. Исследование ограничилось рассмотрением отрезков времени работы энергоблока с практически неизменяемой мощностью, что связано с задачей определить влияние динамики уровня в парогенераторе на мощность второго контура при режиме работы энергоблока на номинальной мощности, это также связано с желанием рассмотреть наименьшее влияние на тепловую мощность второго контура динамики уровня в парогенераторе. При аварийных режимах с большими темпами изменения уровня влияние динамики уровня будет большим, чем при работе энергоблока на номинальной мощности.
Для обработки базы данных СВРК и передачи данных в программный комплекс «ПРОСТОР» был написан программный код на языке «FORTRAN».
Первоначальная обработка данных СВРК заключалась в выводе на экран из архива графиков зависимости уровня парогенератора расхода питательной воды, расхода постоянной продувки, расхода периодической продувки и активной мощности турбогенератора от времени. Далее по графику активной мощности турбогенератора выбирались участки времени, на которых мощность энергоблока равна номинальной и не отклоняется от нее. На выбранных участках, в свою очередь, выбирались участки с постоянными значениями постоянной продувки и с отсутствием периодической продувки. Затем на отобранных участках обрабатывались графики уровней воды в парогенераторах.
При первоначальной обработке данных было обнаружено, что в определении уровня воды в парогенераторе наблюдаются большие флуктуации, что, по-видимому, связано с интенсивным процессом парообразования в парогенераторе и неоднородной поверхностью зеркала испарения. Для устранения флуктуаций для дальнейшей обработки использовалось усреднение полученных данных методом наименьших квадратов.
Временной отрезок для обработки определялся так, чтобы на нем наблюдалась монотонность изменения уровня.
Далее на этом отрезке изменения уровня отбирались точки, отбраковывая явные искажения баз данных или датчиков (например, нулевые показания уровня). Из точек на выбранном временном отрезке методом наименьших квадратов находились коэффициенты функции усреднения вида:
Fl = al × t2 + bl × t + cl , (3)
где al , bl , cl – определяемые коэффициенты; t – время с начала отрезка.
Функция (3) есть функция изменения уровня в парогенераторе на выбранном отрезке. Далее определялась производная функции (3), которая является скоростью изменения уровня в парогенераторе. На данном этапе систематические погрешности датчиков, о которых говорилось выше, уже можно не учитывать.
Для определения скорости изменения массы воды необходимо определить зависимость объема парогенератора от уровня. Первоначально эта зависимость была определена по имеющимся чертежам парогенератора 2-го энергоблока Калининской АЭС. Затем полученная зависимость была использована в полномасштабной модели 2-го энергоблока Калининской АЭС. В ходе апробации по экспериментальным данным зависимость объема парогенератора от уровня воды в нем была уточнена. В итоге была получена функция зависимости объема парогенератора от уровня вида:
Fv = – 0,78 × l4 + 4,2 × l3 – 1,06 × l2 + 20,15 × l – 1,13, (4)
где Fv – заполненный объем парогенератора; l – уровень воды в парогенераторе.
Из функций зависимостей уровня от времени (3) и объема от уровня (4) была найдена скорость изменения объема. Далее при известной плотности воды в парогенераторе найдена скорость изменения массы воды в парогенераторе.
Теперь, зная скорость изменения массы воды из (2) и зная энтальпии пара и воды [4], можно определить поправку тепловой мощности, вызванную динамикой уровня в парогенераторе на рассматриваемом временном отрезке.
Для примера возьмем временной отрезок при работе энергоблока на номинальной мощности при незначительных колебаниях (в пределах погрешности измерений) расхода постоянной продувки и отсутствии расхода периодической продувки. Для одного временного отрезка для одного парогенератора не учитываемые в станционных методиках изменения составили:
изменение уровня 5 · 10–6 м · с–1;
изменение объема 0,2 · 10–3 м3 · с–1;
расход 0,16 кг · с–1;
поправка мощности 0,4 МВт;
процент мощности 0,125 %.
Из приведенных результатов видно, что в среднем погрешность в определении тепловой мощности второго контура, вызванная неучетом динамики уровня в парогенераторах, для всех четырех парогенераторов будет составлять 0,5 % на номинальном режиме работы АЭС. Что является существенным уточнением. Также стоит добавить, что это – минимально возможный вклад, вносимый данной поправкой. При аварийных режимах, при быстрых темпах изменения уровня погрешность, вызванная неучетом динамики уровня в парогенераторах, будет более значимая.
Итак, можно сделать вывод, что учет динамики уровня воды в парогенераторе позволяет повысить точность расчета тепловой мощности реакторной установки, и что возможен автоматический расчет влияния динамики уровня в парогенераторе на мощность реакторной установки.
В дальнейшем предлагается проверить данную методику в аварийных режимах работы АЭС, протестировать ее по данным СВРК 1-го, 2-го и 3-го энергоблоков Калининской АЭС.
Предполагается также заменить в данной методике визуальное определение временных отрезков монотонного изменения уровня на полностью автоматическое, затем включить данную методику в методику расчета теплового баланса и уточнения основных интегральных параметров РУ с ВВЭР-1000, разработанную в МИФИ совместно с ЯФЛ Калининской АЭС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. , Молев В. П. и др. // Ядерные измерительно-информационные технологии. 2009.Т. 30. № 2. С 13.
2. Лукасевич Б. И., , и др. Парогенераторы реакторных установок ВВЭР для атомных электростанций. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004.
3. , Асс-, и др. // Отчет о научно-исследовательской работе. Сепарационные, гидродинамические и тепловые испытания парогенераторов ПГВ-1000 1-го блока Калининской АЭС в период пусконаладки. – М.: ВНИИАЭС, 1986.
4. // Парогенераторные установки атомных электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1987.
