Процессы выброса и прятания примесей в парогенерирующих устройствах АЭС и ТЭС

Поддержание водно-химического режима (ВХР) энергетического оборудования на высоком уровне — чрезвычайно важная задача, актуальность которой в настоящее время повысилась еще более. Причиной этого является значительный износ оборудования электростанций, что приводит к снижению надежности и безопасности его работы, причем, одной из основных причин отказов является разрушение поверхностей теплообмена. Известно, что основной причиной разрушения являются коррозия и образование отложений, а прочие факторы составляют относительно небольшую часть. Это относится как к тепловым [40], так и к атомным электростанциям [14,56]. В последние годы в улучшении качества водного режима достигнут существенный прогресс, однако основное внимание, как и прежде, уделялось стационарным режимам работы.

В то же время, наиболее существенные отклонения показателей водного режима от норм наблюдаются в переходных режимах работы. При этом в последнее десятилетие возросло число электростанций, работающих в переменном режиме. В этих условиях изучение поведения показателей ВХР в переходных режимах приобретает особое значение.

При эксплуатации парогенерирующих устройств (реакторы и парогенераторы АЭС, котлы тепловых электростанций и т. д.) в переменных режимах часто наблюдается значительное изменение концентрации примесей в теплоносителе, получившее название выброса и прятания или хайдаута (от английских терминов hideout и hideout return — прятание и возврат).

Типичный процесс хайдаута протекает следующим образом: в работавшем длительное время на постоянных параметрах парогенерирующем устройстве устанавливается постоянная концентрация примесей в теплоносителе. При снижении нагрузки или останове происходит резкое и весьма значительное, вплоть до двух—трех порядков, увеличение концентрации примесей (выброс, возврат). Последующее снижение этой концентрации за счет вывода с продувкой происходит намного медленнее. Если через некоторое время производится увеличение нагрузки концентрация примесей вновь снижается (прятание), причем, возможно, до уровня ниже равновесного, устанавливающегося в стационарных условиях. Характерной особенностью этого процесса является зависимость от величины изменения мощности — чем более значительным было это изменение, тем больше будет и изменение концентрации. В соответствии с этим, максимальный выброс обычно наблюдается при полном останове парогенерирующего устройства.

Такое поведение характерно для всех примесей — как растворимых, так и нерастворимых, от коллоидных растворов до взвесей мелкодисперсного шламаразличие между ними в основном заключается в величине выброса. В приложении, А приведены результаты некоторых экспериментов, проведенных с участием автора на ряде ТЭЦ, реакторе ВК-50 ГНЦ НИИ-АР и реакторе ВВЭР-1000 Калининской АЭС.

Накопленный экспериментальный материал по явлениям выброса и прятания весьма велик, но в то же время имеется очень большой разброс в данных по величине изменения — от десятков процентов до десятков и даже сотен раз. Причины этого явления до настоящего времени не были выяснены. Различными авторами предложено большое количество разнообразных гипотез, обладающих, к сожалению, весьма существенными недостатками и не дающими возможности количественного описания процесса.

К сожалению, важность исследования переходных процессов в настоящее время, по-видимому, лучше осознается за рубежом, нежели в нашей стране. Так, ряд зарубежных фирм (Шезйг^ЬоиБе [85], вЕВСО [79,80] и др.) предлагают услуги по измерению процесса выброса с последующей выдачей рекомендаций по ведению водного режима на основе обработки результатов измерений. Отмечается, что снижение выброса уменьшает опасность коррозионного разрушения поверхностей теплообмена [76].

Для атомной энергетики не менее важной является также проблема ядерной безопасности. В условиях, когда общественное мнение по отношению к атомной энергетике колеблется от неопределенной до негативной позиции, сведение вероятности возникновения даже легкой аварийной ситуации на АЭС к минимуму приобретает первостепенное значение. Не вызывает сомнений, что повышение безопасности может быть достигнуто только в результате полного и всестороннего исследования процессов, протекающих в ядерном реакторе. Однако процессам выброса и прятания, в которых наблюдается резкое изменение концентрации примесей, в том числе и сильнопоглощающих, таких как борная кислота, по-видимому, не уделяется практически никакого внимания с точки зрения их влияния на нейтронно-физические характеристики и ядерной безопасности.

Серьезную проблему, в первую очередь для персонала АЭС, с точки зрения радиационной безопасности представляет и выброс прочих (слабо-поглощающих) радиоактивных примесей, к которым относятся как радиоактивные продукты деления, выходящие через негерметичные оболочки твэ-лов, так и радиоактивные продукты коррозии первого контура, обладающие наведенной активностью. Выброс радиоактивных примесей, происходящий при останове реакторной установки, приводит к дополнительному загрязнению оборудования, тем самым затрудняется доступ обслуживающего персонала к оборудованию, увеличивается время, необходимое для снижения активности до допустимого уровня, что приводит к увеличению периода ППР и соответствующему снижению показателей экономической эффективности станцииувеличиваются дозы облучения, полученные обслуживающим персоналом при проведении работ.

Все это указывает на необходимость более глубокого и всестороннего, чем это делалось до сих пор, исследования процессов выброса и прятания.

В настоящей работе объяснение процессов выброса и прятания дается исходя из предположений о неравномерности распределения концентрации примесей в объеме парогенерирующего устройства, а само явление связывается с изменением этого распределения в переходных процессах.

Хорошо известно, что распределение примесей в объеме практически всех современных парогенерирующих устройств не является однородным. Известно также, что крупномасштабное (на расстояниях, сравнимых с размерами самой установки) стационарное распределение примесей может существенно различаться в различных режимах работы установки [51,64]. Тем не менее, однозначно связывать процессы хайдаута с изменением распределения примесей по установке в целом нельзя. Так, в работах [8,9,21,51] было убедительно показано, что для ряда установок (после проведения модернизации) распределение примесей очень устойчиво по отношению к изменению нагрузки. Однако процессы выброса и прятания имеют место и на таких установках, причем, зачастую, без существенных отличий для модернизированной и немодернизированной схем установки [21,45,51,64]. Все же, поскольку изменение крупномасштабного распределения в тех случаях, когда оно имеет место, способно оказывать влияние на изменение концентрации во времени, их рассмотрение целесообразно и было впервые проведено в работе [64], в которой все эти эффекты получили общее название псевдо-хайдаута.

Таким образом, в общем случае процессы хайдаута могут быть связанными лишь с неоднородностями распределения в достаточно небольших областях. С другой стороны, поскольку изменение концентрации в этих областях должно сказываться на всем объеме, неоднородность должна быть очень большой — т. е., разность концентраций может достигать нескольких порядков. Скорости потоков жидкости в современных парогенерирую-щих установках достаточно велики, кроме того, течение практически всегда является турбулентным. Исключением является область пристенного слоя. Следовательно, единственным местом, в котором может происходить существенное концентрирование примесей, является пограничный слой, так как в других местах неоднородности в распределении быстро размываются конвекцией и турбулентной диффузией. Разумеется, в пограничном слое на обычных твердых поверхностях условия для концентрирования сами по себе не создаются, поэтому концентрирование может иметь место только в пристенном слое на поверхности теплообмена, где при наличии кипения существует направленный к стенке конвективный поток примесей вместе с жидкостью.

Для определения концентрации примесей могут быть использованы два подхода. Первый подход— интегральный, состоит в разделении всего объема жидкости на два — пограничный слой и основной объем, с последующей записью балансовых соотношений между ними. Ясно, что при таком подходе возможно лишь определение средних концентраций. Кроме того, ряд процессов, таких как диффузия, не могут быть описаны на основе балансовых соотношений, и следовательно, интегральная модель может быть использована только для качественного рассмотрения или же построения эмпирической модели, с определяемым из опыта коэффициентами для балансовых потоков. Для теоретического описания, следовательно, необходимо использование дифференциальных моделей, описывающих распределение примесей в каждой точке.

Из сказанного ясно, что описание процессов может быть дано на основе уравнения конвекции-диффузииочевидны также и граничные условия для него: на условной границе слоя концентрация принимается равной концентрации в основном объеме, на твердой поверхности поток примесей либо равен нулю, либо, при наличии процесса перехода примесей из раствора в твердую фазу, равен скорости образования отложений. При известном распределении примесей становится возможным и определение влияния их перераспределения на нейтронно-физические параметры ядерного реактора.

выводы.

В работе исследованы процессы выброса и прятания (хайдаута), протекающие в парогенерирующих устройствах АЭС и ТЭС, а также явления, сопутствующие этим процессам. Основные результаты работы заключаются в следующем.

• Существующие подходы к описанию процессов выброса и прятания не обладают необходимой общностью, не учитывают некоторые существенные для явления процессы, и не дают возможности для количественного расчета процесса.

• Созданная математическая модель процессов выброса и прятания на основе уравнения конвекции-диффузии позволяет описать распределение примесей в слое вблизи поверхности теплообмена в стационарных и нестационарных условиях.

• С помощью этой модели показано, что наблюдаемые явления выброса и прятания связаны с концентрированием примесей в тонком слое вблизи поверхности теплообмена. Установлено, что величина концентрирования может достигать очень высоких значений (до 106 и выше в ряде случаев).

• Теоретически исследовано распределение примесей, возникающее в различных условиях обтекания поверхности теплообмена, для случаев, важных для энергетических парогенерирующих установок: твэлы ядерных реакторов, трубы барабанных котлов, трещины и толстые пористые отложения на поверхности теплообмена.

• Создана математическая модель канальной парогенерирующей установки с многократной циркуляцией, описывающая нестационарное распределение концентрации. На основе этой модели и модели процессов выброса и прятания создан универсальный программный комплекс, пригодный для расчета стационарного и нестационарного распределения примесей в различных типах парогенерирующих установок, включая графитовые и тяжеловодные канальные ядерные реакторы, а также котлы барабанного типа.

• Исследована связь процессов выброса и прятания с процессами образования отложений и коррозии: показано существование двух различных механизмов образования отложений, показано, что изменение концентрации примесей в пограничном слое приводит к значительному отличию в величине рН вблизи теплообменной поверхности по сравнению с основным объемом.

• Предложена методика оценки величины отложений на поверхностях теплообмена по результатам измерения процессов выброса и прятания.

• Предложены рекомендации по ведению водно-химического режима парогенерирующих установок АЭС и ТЭС, оптимальному с точки зрения уменьшения скорости образования отложении и коррозий: проведение периодической продувки в моменты после снижения нагрузки, снижение ввода корректирующих растворов.

• Предложены рекомендации по проведению лабораторных исследований коррозионной стойкости конструкционных материалов теплооб-менных поверхностей, с целью максимального приближения лабораторных условий к действительным условиям в энергетических установках.

• Исследована связь процессов выброса и прятания с нейтронно-физическими характеристиками ядерных реакторов. Выявлено существование ранее не описанного эффекта реактивности.

Математическая модель процессов хайдаута основана на общем уравнении конвекции-диффузии в движущейся среде, и применима потому к любым примесям, что отличает ее от гипотез, связывавших прятание примесей с химическими процессами. По сравнению с ранними гипотезами гидродинамического типа, учитывавшим лишь некоторые особенности процесса, данная модель является универсальной, применимой к любым условиям течения. Эта модель позволяет определить распределение примесей вблизи поверхности теплообмена.

Парогенерирующие установки в энергетике отличаются большим разнообразием конструкций и теплогидравлических условий. Универсальность разработанной модели позволяет применить ее к исследованию парогене-рирующих установок практически любого типа, включая корпусные и канальные ядерные реакторы, в том числе и реакторы, в которых идет лишь поверхностное кипение, парогенераторы двухконтурных АЭС, котлы тепловых электростанций барабанного типа и прямоточные котлы на докритиче-ских параметрах.

Исследование распределения примесей, возникающего на поверхности теплообмена в самых различных условиях однозначно указывают на связь концентрирования примесей и процессов выброса и прятания. Это подтверждается моделированием процессов прятания, а также непосредственным сравнением полученных теоретически значений массы примесей в пристенном слое с оценками &bdquo-спрятанной" массы примесей по экспериментальным данным.

Большое теоретическое и практическое значение имеет проблема описания распределения примесей в парогенерирующих устройствах со сложным разветвленным контуром циркуляции, таких как канальные реакторы и барабанные котлы. Созданная в данной работе модель и программный комплекс на ее основе позволяют рассчитать нестационарное распределение примесей во всех элементах установки, с учетом процессов концентрирования примесей. Сложность расчетной модели ограничена лишь временем счета и количеством доступной памяти компьютера, конфигурация расчетной модели может быть практически произвольной — любая установка, которую можно разбить на отдельные элементы и связи между ними, может быть рассчитана, причем, никаких изменений в самом коде программы не требуется. По сравнению с этим, ранее использовавшиеся программы позволяли проводить только расчет стационарного состояния и не учитывали процессы концентрирования примесей, а возможность варьирования модели без внесения изменений в исходный текст программы была сильно ограничена.

Создание модели процесса концентрирования примесей в пристенном слое позволило глубже понять взаимосвязь процессов выброса и прятания с образованием отложений и коррозией. Выяснено, что существует несколько различных механизмов образования отложений, проявляющихся в тех или иных условиях, определены наиболее опасные для надежности оборудования условия, при которых образование отложений и коррозия идут особенно быстро.

Установлено, что из-за концентрирования примесей вблизи теплооб-менных поверхностей, эти поверхности находятся в совершенно иных условиях, чем можно было бы предположить, руководствуясь лишь данными о воде в основном объеме. Так, вблизи поверхности теплообмена концентрация химически активных примесей, включая продукты коррозии и специально вводимые добавки, намного превышает их концентрации в воде основного объема, значительное отличие имеет и величина рН. Между тем, все измерения водно-химических показателей проводятся с водой основного объема, и, следовательно, не дают никаких непосредственных данных об истинных условиях, в которых находятся теплообменные поверхности.

Можно также утверждать, что результаты лабораторных исследований коррозионной стойкости, проводимых с образцами конструкционных материалов, не будут совпадать с данными о стойкости материалов, полученными на реальных установках, если среда, в которую помещаются образцы, имеет показатели (концентрацию примесей, рН), схожие с тем, что имеют пробы воды на электростанциях. В результате этого оценки стойкости конструкционных материалов окажутся весьма завышенными.

Для надежной работы парогенерирующего оборудования необходимы сведения о состоянии поверхностей теплообмена, в частности, о количестве и структуре отложений на них. В настоящее время эти сведения могут быть получены лишь по результатам исследования вырезок, что может быть сделано лишь в период ремонта, и, кроме того, дает сведения лишь о загрязненности локальных областей. В данной работе предложена новая методика оценки среднего уровня загрязненности поверхностей теплообмена по результатам измерений процесса выхода примесей. В отличие от традиционной, эта методика может быть применена на работающем оборудовании.

Моделирование процессов выброса и прятания позволило обосновать некоторые рекомендации по ведению водного режима. Предлагается проводить периодическую продувку в периоды разгрузки оборудования, что позволяет вывести наибольшее количество примесей. Предлагается также провести экспериментальные исследования работы барабанных котлов с высокой энергонапряженностью при уменьшенном вводе фосфатов, что предположительно должно снизить скорость коррозии.

Исследование взаимосвязи процесса концентрирования примесей на теплообменной поверхности ядерного реактора позволило выявить существование эффекта реактивности, связанного с изменением распределение примесей, сильно поглощающих нейтроны (например, борной кислоты). Установлено, что этот эффект имеет три составляющие, связанные с перераспределением примесей по ячейке, по активной зоне и между активной зоной и остальным объемом теплоносителя. Выяснены условия преобладания той или иной составляющей.