Денис Хитрых, ЗАО «EMT Р»

Едва ли кто-то оспорит утверждение, что электричество сегодня является самым удобным видом энергии, который может быть использован везде, куда можно про­тянуть провода: дома, в школе, офисе, на промышленном предприятии, улице и т.п. Вместе с тем наметившийся в последние годы дефицит электроэнергии стимулиру­ет развитие индустрии энергосбережения. Использование программного комплекса ANSYS в энергетике позволяет совершен­ствовать конструкции энергетического оборудования, обеспечивая его безопас­ную и максимально эффективную работу. В статье рассказывается об опыте при­менения программного продукта ANSYS CFX при проектировании дросселя паро­генератора атомной электростанции.

Надежность

Инженеры компании Babcock & Wilcox (Канада) использовали ANSYS CFX для определения по­терь полного давления в дросселе заменяемого парогенератора атомной электростанции (АЭС) «Окони» компании Duke Power.

Перед разработчиками была поставлена за­дача определить минимальную площадь сечения выходного парового сопла, при которой не проис­ходит запирания канала в условиях аварии, и од­новременно минимизировать потери полного дав­ления при нормальной работе энергоустановки.

Расчет гидравлического сопротивления дросселя, выполненный с помощью полуэмпи­рических методов, выявил несоответствие рас­четных и замеренных потерь полного давления в дросселе парогенератора на различных режимах.

Чтобы развеять свои сомнения, инженеры Babcock & Wilcox прибегли к методам вычисли­тельной гидродинамики (CFD).

Специфика задачи

В кипящих ядерных реакторах, охлаждаемых водой под давлением, нагретая вода перво­го контура из активной зоны поступает в паро­генератор, где охлаждается вторичным тепло­носителем (как правило, водой), а затем повтор­но прокачивается через реактор. Таким образом, происходит возобновление первичного цикла. Одновременно во втором контуре в верхней части парогенератора образуется пар, который поступает на вход в турбогенератор. Здесь он расширяется и вращает турбину, соединенную с генератором. Далее этот пар в виде питатель­ной воды возвращается в парогенератор, возоб­новляя тем самым вторичный цикл.

АЭС «Окони» стала первой атомной станцией в США, преодолевшей рубеж в 500 млрд. кВт/ч вырабо­танной электроэнергии (2003 год). Ранее в 2002 году на станции были зафиксированы самый высокий за всю ее историю коэффициент использования установ­ленной мощности (93,03%) и самая высокая годовая выработка — 20,7 млрд. кВт/ч электроэнергии. В на­стоящее время на АЭС «Окони» реализуется комплек­сная программа модернизации в целях повышения бе­зопасности, надежности и экономичности. В частности, на трех блоках должна быть произведена замена кры­шек корпуса реактора и парогенераторов. В 2000 году АЭС «Окони» стала второй атомной станцией в США, получившей продление эксплутационной лицензии на 20 лет. Станция расположена неподалеку от города Се­нека (шт. Южная Каролина). На площадке работают три реактора PWR мощностью 846 МВт каждый.

Основным преимуществом двухконтурной схемы является доступность оборудования энер­гетического (второго) контура, свободного от ра­диоактивности, для обслуживания и ремонта.

Прямоточные парогенераторы, используе­мые на АЭС «Окони», имеют уникальную кон­струкцию, позволяющую превращать воду вто­рого контура в сухой перегретый пар, благодаря чему отпадает необходимость включать в схему дополнительное сепарационное оборудование. Обычно сепараторы применяют на станциях для защиты лопаток паровой турбины от разруше­ния вследствие каплеударной эрозии.

При эксплуатации парогенераторов на АЭС наиболее частыми повреждениями являются про­течки в трубах. Коррозионные повреждения обыч­но возникают со стороны вторичной воды, кото­рая подвергается менее тщательной химической очистке. В случае «Окони» таким слабым местом оказался паропровод высокого давления.

Наиболее радикальным шагом по повы­шению надежности и долговечности трубопро­водов могла бы быть замена материала. В па­рогенераторах B&W, установленных в «Окони», трубопроводы были изготовлены из жаростой­кого материала Inconel 600. После инцидента он был заменен сплавом Inconel 690, который наиболее полно удовлетворяет требованиям к металлу паропроводов по максимально воз­можной его сопротивляемости коррозионному растрескиванию под напряжением.

Несмотря на вредное воздействие, которое дроссель оказывает на параметры парогенера­тора (в первую очередь уменьшается темпера­тура перегретого пара и соответственно снижа­ется интенсивность теплообмена в зоне кипения трубного пучка), он выполняют очень важную функцию. Дроссель повышает надежность ра­боты внутренних компонентов парогенератора в случае полного разрушения главного пароп­ровода, идущего от парогенератора на вход в турбогенератор, а также ограничивает скорость, с которой пар может травиться из трубопровода в случае его повреждения.

Модель

На начальном этапе работы инженеры компании Babcock & Wilcox воспользовались консультаци­ей CFD специалистов CFX (во главе с Михайло Иванович).

Расчетная область включала в себя кольце­вой проток, начинающийся на выходе из трубного пучка, семь диффузоров дросселя, заделанных в выходное паровое сопло, и часть трубопрово­да, примыкающего к выходу сопла. Расчетная сетка имела три уровня дискретизации: грубую, среднюю и мелкую. Основная идея заключалась в том, чтобы выполнить расчеты на разных сет­ках и получить экстраполированное решение, не зависящее от качества исходной сетки.

Исследуемая среда представляла собой пар с давлением 6,44 МПа и температурой 314 °С.

Для определения термодинамических свойств пара было записано уравнение состоя­ния в вириальной форме.

На входе было задано давление 6,44 МПа, на выходе — расход пара, равный 341 кг/с (что соот­ветствует числу Рейнольдса порядка 2х109). Все стенки кольцевого канала, сопла и труб рассматри­вались как адиабатные и гидравлически гладкие.

Результаты расчетов

Результаты расчета течения были представлены в виде полей давления и числа Маха в характер­ных сечениях конструкции, векторов скоростей и линий токов.

Суммарные потери полного давления (рас­считанные на мелкой сетке) на участке между верхней частью кольцевого протока и выходом из сопла составили 0, 038 МПа. Экстраполиро­ванные потери (по результатам расчетов на трех различных сетках) составили 0,030 МПа.

Численный анализ показал, что поток до­статочно равномерно распределен между семью диффузорами дросселя, течение является дозвуковым, максимальная скорость пара в сужении не превышает 173 м/с, или 0,32 Маха.

Таким образом, можно сделать вывод, что установка дросселя не оказывает заметного влияния (падение давления в дросселе невелико, а скорость не является критической) на параметры парогенератора.