Исследование гидравлических характеристик ТВС-2М с перемешивающими решётками

Исследование гидравлических характеристик ТВС-2М
с ПЕРЕМЕШИВАЮЩИМИ РЕШЁТКАМИ

, , ёв

ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Подольск, Россия

Согласно реализующейся в настоящее время стратегии Государственной Корпорации «Росатом» предусматривается выполнение программы увеличения выработки на действующих блоках АЭС, которая подразумевает как повышение КИУМ и КПД станции, так и повышение тепловой мощности самого реактора. В связи с этим по инициативе Концерна «Росэнергоатом» были развернуты работы по обоснованию безопасной эксплуатации активной зоны и реакторной установки энергоблока №4 Балаковской АЭС на повышенной мощности до 107‑110 % от номинальной.

Реализация задачи повышения мощности энергоблока до 110 % приводит к более жёстким условиям эксплуатации ТВС с точки зрения теплофизики. С повышением тепловой мощности реактора увеличивается, как правило, температура теплоносителя на выходе из ТВС и паросодержание в «горячих» струях наиболее теплонапряжённых участков ТВС. Подобное изменение локальных параметров в пучке твэлов может неблагоприятно сказаться на величине критического теплового потока, а также привести к повышенному окислению оболочек твэлов в процессе эксплуатации. Установка в конструкцию ТВС перемешивающих решёток приводит к повышению эффективности перемешивания теплоносителя и позволяет уменьшить указанные неравномерности его параметров по сечению кассеты и тем самым улучшить условия теплообмена. Установка в тепловыделяющую сборку перемешивающих решёток влияет не только на величину критического теплового потока и процессы массообмена в межтвэльном пространстве, но также изменяет её гидравлические характеристики.

В ОКБ «ГИДРОПРЕСС» была разработана топливная сборка ТВС-2М с перемешивающими решётками, на заводе - изготовителе создан её полномасштабный макет, приведенный на рисунке 1. С целью подтверждения проектных характеристик, заложенных в новую конструкцию, было предусмотрено проведение исследований гидравлических характеристик данного макета ТВС на горячей и холодной воде, во время которых получены КГС макета ТВС-2М в целом и следующих его основных элементов:

- хвостовика (с антидебрисным фильтром (АДФ), нижней опорной решёткой и нижним необогреваемым участком пучка твэлов);

- пучка твэлов в целом;

- обогреваемого участка пучка твэлов длиной 3680 мм;

- выходного участка, состоящего из головки и верхнего необогреваемого участка пучка твэлов;

- головки;

- перемешивающих решёток (ПР) типа "Секторная прогонка";

- перемешивающих решёток типа "Вихрь".

Испытываемый макет ТВС-2М имел два типа решёток-интенсификаторов, расположенных в четырёх верхних 340-миллиметровых пролётах пучка твэлов:

- две перемешивающие решётки ПР1 и ПР2 типа "Секторная прогонка", предназначенные для выравнивания температуры и относительной энтальпии по сечению пучка твэлов (рисунок 2);

- две перемешивающие решётки ПР3 и ПР4 типа "Вихрь", предназначенные для интенсификации теплообмена (рисунок 3).

Макет имел 13 дистанционирующих решёток (ДР) ТВС-2М, схема расположения которых показана на рисунке 1. Дистанционирующая решётка ДР1 располагалась на 100 мм выше нижней опорной решётки (НОР). Шаг между ДР1 и ДР2 составлял 250 мм. Далее, между ДР2 – ДР11 шаг был одинаковым, равным 340 мм. Шаг между ДР11 и ДР12 составлял 255 мм, между ДР12 и ДР13 – 260 мм. Конструктивно ДР макета ТВС-2М и ДР макета ТВС АЭС-2006, испытанного в 2008 году, одинаковы.

Твэлы макета имели шлифованную поверхность. Для установки зондов с отборами статического давления, используемых для измерения перепадов давления на исследуемых участках, центральная труба макета была выполнена перфорированной по всей длине. Литой хвостовик макета был выполнен с АДФ. Головка макета по конструкции аналогична штатной головке ТВС-2М.

Исследования проводились поочередно на стенде с колонкой низкого давления в диапазоне изменения чисел Рейнольдса от 30000 до 180000 и на стенде с колонкой высокого давления в диапазоне изменения чисел Рейнольдса от 30000 до 450000. Оба стенда аттестованы в ФГУ «РОСТЕСТ-МОСКВА» на соответствие испытательного оборудования требованиям нормативно-технической документации (техническим характеристикам, установленным при аттестации) и допускаются к применению для гидравлического пролива модификаций ТВС.

Стенд с колонкой низкого давления позволяет получить следующий диапазон рабочих параметров:

- расход воды через колонку (макет ТВС) – от 220 до 550 м3/ч;

- температура воды – от 20 до 80 °С;

- давление – до 1,0 МПа.

Стенд с колонкой высокого давления обеспечивает следующие рабочие параметры:

- расход воды через колонку (макет ТВС) – от 120 до 500 м3/ч;

- температура воды – от 30 до 300 °С;

- давление – до 15,7 МПа.

Стенды представляют собой замкнутые циркуляционные контуры, заполненные конденсатом, основными элементами которых являются: подводящий трубопровод, шестигранная однокассетная колонка (в которую устанавливается макет), отводящий трубопровод, циркуляционный насос, сетчатый фильтр и запорно-регулирующая арматура. При этом, подогрев конденсата на стенде с колонкой низкого давления осуществляется циркуляционным насосом, а на стенде с колонкой высокого давления – электронагревателем.

Для определения коэффициента гидравлического сопротивления (КГС) макета в целом и его отдельных элементов во время испытаний измерялись следующие параметры:

- расход воды через колонку (макет), м3/ч;

- температура воды, °С;

- давление в колонке, МПа;

- перепады давления на макете и его исследуемых элементах.

Измерение перепадов давления на испытываемом макете и его элементах проводилось на нескольких уровнях температуры воды:

- в диапазоне от 20 до 80 °С на стенде с колонкой низкого давления;

- в диапазоне от 30 до 300 °С на стенде с колонкой высокого давления.

При этом расход воды через ТВС устанавливался в рабочем диапазоне стендов с шагом 20-30 м3/ч (при прямом и обратном ходе изменения расхода).

Коэффициенты гидравлического сопротивления макета и его элементов приводились к средней скорости воды в пучке твэлов испытываемого макета в колонках стендов (вне ДР), которая вычислялась по формуле (1):

, (1)

где Qкол – расход воды через колонку (макет), м3/ч;

Fтвэл – площади проходных сечений пучка твэлов ТВС в колонках стендов, м2.

Коэффициенты гидравлического сопротивления макета и его отдельных элементов определялись на основе измеренных величин перепадов давления по формуле (2):

, (2)

где DРi – измеренный перепад давления на макете или его элементе с учётом поправки на разность плотностей воды в импульсных линиях контрольно-измерительных приборов и колонке, Па;

Предельная относительная погрешность определения КГС макета и всех его элементов при доверительной вероятности 0,95 в колонке низкого давления не превышала ± 4 %, в колонке высокого давления - ± 6,5 %.

Для всех исследованных участков с помощью методов математической статистики получены единые эмпирические зависимости КГС от числа Рейнольдса. При этом величины КГС, полученные в колонке низкого давления, приведены к скорости в пучке твэлов (вне ДР) макета в колонке высокого давления.

Исследование гидравлических характеристик макета ТВС-2М проводилось сразу после поставки макета с завода-изготовителя в ОКБ "ГИДРОПРЕСС" и проведения входного контроля. Гидравлические характеристики макета определялись вначале в колонке низкого давления стенда массового пролива кассет, а затем в колонке высокого давления стенда горячей обкатки.

Экспериментальные значения КГС макета ТВС-2М в целом представлены на рисунке 4, значения КГС пучка твэлов макета и его обогреваемого участка – на рисунках 5 и 6 соответственно. Величины КГС на них, полученные в колонке низкого давления, приведены к скорости в пучке твэлов макета в колонке высокого давления.

 

 

Из представленных рисунков видно, что разброс величин КГС, полученных в колонках низкого и высокого давления, находится в пределах погрешности измерений и для них могут быть подобраны единые эмпирические зависимости.

Зависимость изменения КГС макета ТВС-2М в диапазоне чисел Рейнольдса от 30000 до 450000 аппроксимирована степенной эмпирической зависимостью (3), показанной на рисунке 4:

. (3)

При натурном числе Рейнольдса, равном КГС макета ТВС согласно (3) с доверительной вероятностью 0,95 равен 16,2±1,0.

Изменение КГС пучка твэлов и обогреваемого участка пучка твэлов макета в диапазоне чисел Рейнольдса от 30000 до 450000 описываются эмпирическими зависимостями, вид которых показан на рисунках 5 и 6 соответственно. Согласно данным зависимостям при числе Рейнольдса 450000 с доверительной вероятностью 0,95 КГС пучка твэлов макета ТВС-2М равен 13,4, а обогреваемого участка пучка твэлов – 12,3.

Экспериментальные значения КГС хвостовика макета ТВС-2М, полученные в колонке низкого давления в диапазоне чисел Рейнольдса от 30000 до 180000 и приведенные к скорости в пучке твэлов в колонке высокого давления, представлены на рисунке 7.

 

Изменение КГС хвостовика макета в диапазоне чисел Рейнольдса от 30000 до 180000 аппроксимировано степенной эмпирической зависимостью, показанной на рисунке 7, а её экстраполяция до числа Рейнольдса 450000 дает значение КГС хвостовика макета, равное 1,35.

На рисунках 8 и 9 представлены экспериментальные значения КГС головки и выходного участка макета (верхнего необогреваемого участка пучка твэлов с головкой), полученные в колонке высокого давления.

 

Изменение КГС головки и выходного участка макета в диапазоне чисел Рейнольдса от 30000 до 450000 описываются эмпирическими зависимостями, показанными соответственно на рисунках 8 и 9. Согласно данным зависимостям при числе Рейнольдса 450000 с доверительной вероятностью 0,95 величина КГС головки макета равна 1,45; выходного участка макета – 2,55.

Значения среднего КГС решёток-интенсификаторов теплообмена испытываемого макета определялись как разность КГС двух пролётов пучка твэлов определенной длины с перемешивающими решётками "Секторная прогонка" ПР1 и ПР2 или двух пролётов с перемешивающими решётками "Вихрь" ПР3 и ПР4 за вычетом КГС двух пролётов без ПР той же длины.

При этом суммарное гидравлическое сопротивление дистанционирующих решёток ДР7 и ДР8, а также ДР9 и ДР10 принималось равным суммарному гидравлическому сопротивлению дистанционирующих решёток ДР5 и ДР6.

Экспериментальные значения среднего КГС перемешивающих решёток "Секторная прогонка" и "Вихрь" испытываемого макета, полученные в колонках низкого и высокого давления в диапазоне чисел Рейнольдса от 30000 до а также их эмпирические зависимости приведены на рисунке 10 и рисунке 11 соответственно.

При числе Рейнольдса 450000 с доверительной вероятностью 0,95 КГС перемешивающей решётки "Секторная прогонка" равен 0,21±0,01, перемешивающей решётки "Вихрь" – 0,28±0,02.

 

Следует отметить, что в рамках НИОКР, проводимых в обоснование работы энергоблоков АЭС с РУ В-320 на повышенном уровне мощности 107-110 % от номинальной, также были проведены исследования по определению КГС различных типов решёток-интенсификаторов, в том числе «Вихрь» и «Секторная прогонка». Исследования проводились на дополнительно оснащённом для этих целей стенде исследования перемешивания в ТВС. На стенде была реализована возможность определения гидравлических характеристик элементов модели ТВС как с помощью отборов статического давления, расположенных на корпусе шестигранного чехла, так и с помощью зонда с отборами статического давления, устанавливаемого в перфорированный измерительный канал. При этом экспериментальная модель, показанная на рисунке 12, представляет собой полномасштабный в поперечном сечении необогреваемый фрагмент, имитирующий геометрию пучка твэлов ТВС ВВЭР-1000, высотой 1230 мм, который устанавливается в колонку, представленную на рисунке 13.

 

Результаты данных испытаний подтвердили правомочность предлагаемой методики для определения местных КГС элементов ТВС по разности КГС на отдельном участке модели, определённых после и до установки соответствующего элемента.

Величины КГС решёток-интенсификаторов определялись как разность КГС, полученных на некотором участке модели, после и до их установки

, (4)

где  – КГС изучаемого участка в эксперименте без исследуемого элемента;

 – КГС изучаемого участка в эксперименте с исследуемым элементом.

Исследования проводились на воде с температурой от 20 до 50 °С, в диапазоне чисел Рейнольдса от 20000 до 130000.

В результате обработки экспериментальных данных получены эмпирические зависимости КГС перемешивающих решёток «Вихрь» и «Секторная прогонка» от числа Рейнольдса, которые представлены на рисунках 14 и 15, выполненные с учётом экстраполяции полученных зависимостей до натурного числа Рейнольдса, равного 450000.

Так при числе Рейнольдса равном 450000 значение КГС решёток-интенсификаторов «Вихрь» и «Секторная прогонка» составит 0,26 ± 0,02 и 0,23 ± 0,02 соответственно.

Сравнивая результаты испытаний на модели ТВС с испытаниями макета ТВС-2М при числе Рейнольдса можно отметить следующее: КГС перемешивающей решётки «Вихрь» в настоящих испытаниях, равный 0,26 ± 0,02, находится в поле допуска КГС перемешивающей решётки «Вихрь» макета ТВС-2М, равного 0,28 ± 0,02; КГС перемешивающей решётки «Секторная прогонка» в настоящих испытаниях равен 0,23 ± 0,02, что также близко КГС перемешивающей решётки «Секторная прогонка» макета ТВС-2М, равного 0,21 ± 0,01.

Полученные различия в значениях КГС перемешивающих решёток, которые были определены на макете ТВС-2М и модели ТВС, могут быть обусловлены погрешностью выполнения экстраполяции экспериментальных данных.

Таким образом, можно сказать, что результаты экспериментов по определению КГС перемешивающих решёток «Вихрь и «Секторная прогонка», проведенных на модели ТВС хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными на макете ТВС-2М.

Далее, в таблице 1, представлено сравнение гидравлического сопротивления основных элементов макета ТВС-2М и испытываемого ранее в ОКБ «ГИДРОПРЕСС» макета ТВС АЭС-2006.

Таблица 1

Значения КГС макетов ТВС-2М и АЭС-2006 при числе Рейнольдса приведенные к площади проходного сечения пучков твэлов в колонке высокого давления (Fтвэл = 0,02665 м2)

Макет ТВС	Участок макета
ТВС в целом	Пучок твэлов	Обогреваемая часть пучка	Хвостовик (с АДФ)	Головка	Выходной участок
ТВС-2М	16,2	13,4	12,3	1,35	1,45	2,55
ТВС АЭС-2006	15,94	13,3	12,1	1,32	1,32	2,52

Из таблицы 1 видно, что различие КГС макетов ТВС-2М и ТВС АЭС-2006, а также КГС всех их основных элементов, кроме головок, меньше величины среднеквадратичной погрешности определения КГС. Следовательно, их можно считать одинаковыми. Гидравлическое сопротивление головки макета ТВС-2М на 9 % выше гидравлического сопротивления головки макета ТВС АЭС-2006. Однако причиной данной небольшой разницы гидравлического сопротивления головок макетов ТВС-2М и ТВС АЭС-2006 могут быть неточности, связанные с технологией изготовления и установки зондов.

Оба макета имели решётки-интенсификаторы теплообмена. Макет ТВС-2М имел две перемешивающих решётки типа "Секторная прогонка" и две турбулизирующих решётки типа "Вихрь", КГС которых при числе Рейнольдса приведенный к площади проходного сечения пучков твэлов в колонке высокого давления (Fтвэл=0,02665 м2), составляет 0,21 и 0,28 соответственно. Макет ТВС АЭС-2006 – три перемешивающих решётки типа "Циклон", КГС каждой из которых при тех же условиях составляет 0,28. Суммарное гидравлическое сопротивление четырёх решёток-интенсификаторов макета
ТВС-2М выше гидравлического сопротивления трёх перемешивающих решёток "Циклон" макета ТВС АЭС-2006 на величину 0,14.

Для использования полученных экспериментальных данных по КГС применительно к активной зоне реактора величины КГС макета ТВС-2М были приведены к площади проходного сечения пучка твэлов в активной зоне

(5)

При этом числу Рейнольдса в активной зоне реактора в колонке высокого давления соответствует число Рейнольдса:

(6)

Однако в отличие от активной зоны в колонках стендов имеют место дополнительные потери на трение на поверхности их шестигранных каналов. Данные потери на участке пучка твэлов и его обогреваемой части практически одинаковы и также равны:

»0,06, (7)

Величины КГС хвостовика макета и его головки были пересчитаны пропорционально квадрату отношения проходных сечений пучка твэлов в активной зоне реактора и канале колонки стенда горячей обкатки и соответственно равны 1,23 и 1,32.

Далее в таблице 2 представлены значения КГС макета ТВС-2М и его элементов при числе Рейнольдса приведенные к площади проходного сечения пучка твэлов в активной зоне реактора (Fтвэл=0,02542 м2).

Таблица 2

Значения КГС макета ТВС-2М и его элементов

Макет ТВС	Участок макета
ТВС в целом	Пучок твэлов	Обогре-ваемая часть пучка	Хвосто-вик	Голов-ка	Выходной участок	ДР	ПР «Сек-торная про-гонка»	ПР «Вихрь»
ТВС-2М	15,95±1,0	13,4	12,3	1,23	1,32	2,42	0,42	0,21	0,28

Полученные результаты исследований гидравлических характеристик макета ТВС-2М с перемешивающими решётками могут быть использованы в качестве исходных данных для теплогидравлических расчетов, при выполнении анализов безопасности, расчётов динамических характеристик ТВС.