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.