ПАРОГЕНЕРАТОР ДВУХКОНТУРНОЙ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Российский патент 1998 года по МПК G21C9/00 

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано в парогенераторах двухконтурных атомных электростанций.

Известен парогенератор двухконтурной атомной электростанции, содержащий горизонтальный корпус с размещенным внутри него трубным пучком теплоносителя первого контура и устройством для отвода пара второго контура в виде установленных вдоль корпуса в его верхней части пароотводящих патрубков, подключенных к паровому коллектору [1] - прототип. В случае нарушения целостности парового коллектора или присоединенной к нему паровой магистрали и резкого падения вследствие этого давления в корпусе парогенератора заполняющий его жидкий теплоноситель второго контура (вода) быстро вскипает и с большой скоростью устремляется к месту разрыва, оголяя трубный пучок, что может привести к перегреву и разгерметизации тепловыделяющих элементов активной зоны ядерного реактора.

Достигаемый результат изобретения - уменьшение скорости выпуска теплоносителя из парогенератора при разрыве паровой магистрали до допустимых по условиям безопасности ядерного реактора пределов. Для получения этого результата у парогенератора двухконтурной атомной электростанции, содержащего горизонтальный корпус с размещенным внутри него трубным пучком теплоносителя первого контура и устройством для отвода пара второго контура в виде установленных вдоль корпуса в его верхней части пароотводящих патрубков, подключенных к паровому коллектору, в каждом пароотводящем патрубке установлена по меньшей мере одна вставка для ограничения расхода пара через течь в аварийных условиях, выполненная в виде сопла Лаваля, входное и выходное сечения которого совмещены с внутренним поперечным сечением патрубка, а минимальное сечение выбрано по формуле
F = K₁ • K₂ • G,
где
K₁ - газотермодинамический коэффициент, определяемый по известным зависимостям, исходя из оптимального соотношения между максимальной степенью ограничения аварийного расхода и гидравлическим сопротивлением вставки в номинальном режиме;
K₂ - коэффициент неравномерности паровой нагрузки по длине парогенератора;
G - расход пара через патрубок в номинальном режиме.

Каждая вставка может быть оборудована устройством для измерительного отбора давления из зоны минимального сечения сопла Лаваля.

Ограничение расхода теплоносителя из места течи при разрыве трубопровода путем установки в трубопроводе профилированной вставки основано на известном в газодинамике явлении [2]. Явление это заключается в следующем. Для идеального газа массовый расход через сопло равен произведению
G=F•γ, (1)
где
F - площадь выходного сечения сопла,
γ- сложное математическое выражение, включающее показатель адиабаты k, начальные параметры газа p₁, v₁ и отношение давлений β=p₂/ p₁ газа на выходе из сопла к давлению перед соплом.

Для заданных значений F, k, p₁, v₁ выражение (1) представляет собой функцию
G=f(β). (2)
Из анализа выражения (2) можно видеть [2], что с уменьшением отношения давлений β от 1 до 0 массовый расход G газа при движении через суживающее сопло сначала должен постепенно возрастать от нулевого значения (при отсутствии перепада давлений G=0), а потом, дойдя до максимального (критического) значения β_*, постепенно уменьшаться до 0 при β=0. Практически, однако, такой ход зависимости (2) наблюдается только в диапазоне β=1...β_*. Начиная с β_*, массовый расход через суживающее сопло с уменьшением β, достигнув максимума, остается неизмененным. Выражение для β_* имеет следующий вид:
β_*=(p₂/p₁)_*-(2/k+1)^k/(k-1). (3)
Отсюда видно, что отношение (β_*) критического давления на выходе из сопла к давлению перед соплом имеет постоянное значение и зависит только от показателя адиабаты, т.е. от природы рабочего тела.

Описанное выше явление возникновения критического (ограниченного) массового расхода газового потока через суживающее сопло при больших перепадах давления на нем было использовано для разработки метода [3,4] ограничения расхода теплоносителя из трубопровода под давлением в случае его аварийного разрыва. Метод заключается в размещении на предполагаемом аварийном участке трубопровода сопловой вставки, практически не препятствующей движению потока теплоносителя в трубопроводе при номинальном режиме работы ввиду незначительного перепада давлений на вставленном в трубопровод сопле. В принципе сопло может быть суживающим, но такое сопло будет создавать сравнительно высокое гидравлическое сопротивление внутри трубопровода при номинальном режиме работы, что неэкономично. Поэтому в качестве ограничительных вставок обычно используют сопла Лаваля, имеющие на выходе расширяющий участок, уменьшающий гидравлическое сопротивление сопла. Критическое давление в сопле Лаваля возникает не на выходе сопла, а в его узком (минимальном) сечении на границе между суживающим и расширяющим участками.

Если теперь в общем виде выразить требуемое значение величины выходного сечения сопла F через параметры проходящего через него в аварийном режиме газового потока, то, учитывая предыдущие выкладки, можно написать
F=γ•G_*, (4)
где
γ=f(k,p₁,v₁)
Поскольку для конкретного рабочего тела и заданных параметров на входе в сопло γ является величиной постоянной, значение F однозначно определяется требуемым значением величины G_*, которая, в свою очередь, также однозначно определяется известными значениями k, p₁, v₁. Так как значение расхода газа G при номинальном режиме и, следовательно, отношение G/G_* известно, то выражение (4) можно заменить на
F=γ_e•G , (5)
где
γ_e=(G_*/G)•γ.
Таким образом, задание требуемого значения G_* для газа с известными теплофизическими свойствами однозначно определяет величину искомого значения площади узкого сечения сопла Лаваля.

В отличие от газов истечение насыщенного пара и двухфазной пароводяной смеси (ПВС) характеризуется не одним, а двумя критическими отношениями давлений. Первое β_*1=0,528 характеризуется достижением скорости потока в минимальном сечении канала сопла скорости звука. Для газов (показатель адиабаты k= 1,4) в этом случае наступает "запирание" потока, т.е. дальнейшее увеличение перепада давления не приводит к увеличению расхода (G-const-G_*). Для пара и ПВС расход с увеличением перепада давлений продолжает увеличиваться до величины β_*2<β_*1. Величина β_*2 зависит как от термодинамических, так и от конструктивных параметров (характер входа в сопло). В каждом конкретном случае расчет β_*2 ведется, исходя из исходных данных по известным зависимостям.

Однако полученное значение F может оказаться неприемлемым по условиям слишком высокого гидравлического сопротивления сопла Лаваля при номинальном режиме течения потока теплоносителя. Исходя из этих условий, соответствующее значение F может быть получено по известному соотношению

где
G_* - критический расход через вставку в аварийном режиме,
B - коэффициент истечения, зависящий только от физических свойств среды,
p_o, v_o - давление и удельный объем заторможенного потока перед вставкой,
μ- коэффициент расхода, равный отношению действительного расхода к теоретическому.

Как показали эксперименты, оптимальное значение минимального сечения вставки, удовлетворяющее в достаточной степени условиям (5) и (6), можно получить из эмпирического соотношения
F = K₁ • G, (7)
где
K₁ определяется по номограммам с учетом (5) и (6).

Применительно к парогенератору, имеющему горизонтальный корпус с устройством для отвода пара второго контура в виде установленных вдоль корпуса в его верхней части пароотводящих патрубков, подключенных к паровому коллектору, согласно изобретению вместо установки одной сопловой вставки в паровом коллекторе предусмотрена установка нескольких вставок - по одной в каждом пароотводящем патрубке. Это связано с тем, что при аварийной разгерметизации контура атомной энергетической установки расход вытекающего из контура теплоносителя существенно зависит от длины канала от места разрыва до места истечения (сопла вставки). Максимальный аварийный расход происходит при минимальном расстоянии между ними. Максимально возможное значение указанного расстояния при аварийном разрыве коллектора возможно только при размещении вставки в пароотводящем патрубке парогенератора. Поскольку при этом число вставок увеличивается соответственно числу пароотводящих патрубков, требуется введение коэффициента K₂, учитывающего известным образом неравномерность паровой нагрузки по длине парогенератора для обеспечения равномерного аварийного расхода теплоносителя через сопла всех вставок.

На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый парогенератор в продольной проекции; на фиг. 2 - узел А фиг. 1, представляющий один из пароотводящих патрубков с установленной в нем вставкой.

Парогонератор содержит горизонтальный корпус 1 с размещенным внутри него трубным пучком 2, подключенным к входному 3 и выходному 4 коллекторам теплоносителя первого контура. В верхней части корпуса 1 установлено устройство для отвода пара второго контура в виде расположенных вдоль корпуса 1 пароотводящих патрубков 5, подключенных к паровому коллектору 6. В каждом пароотводящем патрубке 5 установлена вставка 7 в виде сопла Лаваля, минимальное сечение которого F выбрано по формуле
F = K₁K₂G,
где
K₁ - газотермодинамический коэффициент, определяемый исходя из оптимального соотношения между максимальной степенью ограничения аварийного расхода (5) и гидравлическим сопротивлением вставки в номинальном режиме (6),
K₂ - коэффициент неравномерности паровой нагрузки по длине парогенератора, корректирующий значение F для обеспечения равномерного распределения парового расхода по всем соплам,
G - расход пара через патрубок в номинальном режиме.

Каждая вставка 7 оборудована устройством для измерительного отбора давления из зоны минимального сечения сопла Лаваля, выполненным в виде отверстий 8 в теле вставки 7, расположенных равномерно по периферии указанного минимального сечения, кольцевой камеры 9, охватывающей указанные отверстия с наружной стороны вставки 7, и отводной трубы 10.

Парогенератор работает следующим образом. Нагретый в ядерном реакторе теплоноситель первого контура с помощью коллекторов 3 и 4 пропускается через трубный пучок 2 парогенератора, нагревая залитый в его корпус 1 теплоноситель 11 второго контура. Образующийся пар после не показанного на чертеже сепарационного устройства, очищающего его от влаги, поступает через пароотводящие патрубки 5 в паровой коллектор 6, а оттуда в паровую магистраль электростанции.

При обычных условиях эксплуатации сопло Лаваля не оказывает заметного сопротивления протеканию через пароотводящий патрубок 5 парового потока. В случае же разрыва или повреждения одного из паропроводов паровой магистрали на соплах Лаваля вставок 7 устанавливается относительное давление ε≤ε_a , где ε- p₁/p_o, p₁ - давление за соплом, p_o - давление перед соплом, ε_a- - отношение давлений, при котором скорость в минимальном сечении сопла становится равной скорости звука, а расход пара через сопло равным критическому расходу [2] . В зависимости от геометрических параметров сопла Лаваля, выбираемых из условий обеспечения минимально возможного расхода пара в аварийном режиме при минимально возможном гидравлическом сопротивлении сопла в номинальном режиме эксплуатации, можно добиться уменьшения аварийного расхода примерно в 3-5 раз.

Наличие отводных трубок 10 из зон минимального сечения сопел Лаваля позволяет использовать эти сопла одновременно и в качестве измерительных органов для контроля за расходами пара через пароотводящие патрубки, что может быть использовано для коррекции коэффициента K₂.

Источники информации
1. Дорощук В. Е. Ядерные реакторы на электростанциях. -М.: Атомиздат, 1977, с. 116, рис. 5.5.

2. Теплотехника. / Под ред. А.П.Баскакова. 2-е изд. -М.: Энергоиздат, 1991, с. 49.

3. Патент США N 3123533, кл. 176-38, 1964.

4. Авторское свидетельство СССР N 306378, кл. G 01 M 3/00, 1971.

Сущность: в парогенераторе двухконтурной атомной электростанции, содержащем горизонтальный корпус с размещенным внутри него трубным пучком теплоносителя первого контура и устройством для отвода пара второго контура в виде устанвленных вдоль корпуса в его верхней части пароотводящих патрубков, подключенных к по меньшей мере одному паровому коллектору, в каждом пароотводящем патрубке установлена по меньшей мере одна вставка в виде сопла Лаваля. Минимальное сечение сопла выбрано по расчетной формуле, что позволяет предотвратить выход из строя активной зоны ядерного реактора в случае аварийного повреждения паровой магистрали второго контура. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Парогенератор двухконтурной атомной электростанции, содержащий горизонтальный корпус с размещенным внутри него трубным пучком теплоносителя первого контура и устройством для отвода пара второго контура в виде установленных вдоль корпуса в его верхней части пароотводящих патрубков, подключенных к по меньшей мере одному паровому коллектору, отличающийся тем, что в каждом пароотводящем патрубке установлена по меньшей мере одна вставка для ограничения расхода пара через течь в аварийных условиях, выполненная в виде сопла Лаваля, входное и выходное сечения которого совмещены с внутренним поперечным сечением патрубка, а минимальное сечение выбрано по формуле
F - K₁ • K₂ • G,
где K₁ - газотермодинамический коэффициент, определяемый по известным зависимостям, исходя из оптимального соотношения между максимальной степенью ограничения аварийного расхода и гидравлическим сопротивлением вставки в нормальном режиме;
K₂ - коэффициент неравномерности паровой нагрузки по длине парогенератора;
G - расход пара через патрубок в номинальном режиме. 2. Парогенератор по п.1, отличающийся тем, что каждая вставка оборудована устройством для измерительного отбора давления из зоны минимального сечения сопла Лаваля.