Файл: Козырев, А. П. Теория тепловых и гидродинамических процессов в атомных энергетических установках учеб. пособие.pdf

Уплпвир надежности естественной циркуляции

Естественная циркуляция считается надежной, если отсутствует застой и опрокидывание циркуляции, вскипа­ ние воды в опускной системе, воронкообразование и захват пара ведой в онускные каналы, явление кавитации.

ее гидродинамическая характеристика пойдет круче, при этом полезный напор увеличится (за счет увеличения паросодержа.чил и сиияения скорости), а расходы в ка­ налах и контура уменьшатся. В слабо обогреваемых каналах расход может быть близким к нулю, к возникает так называемый застой циркуляции. В отдельных каналах расход может стать отрицательным, и тогда возникает опрокидывание циркуляции. Застой и опрокидывание циркуляции в котлах и ядерных реакторах резко ухуд­ шают теплосъем и являются опасными, так как приводят к ухудшению температурного режима поверхности на­ грева.

Причинами роста гидравлического сопротивления опуска могут быть: завышенное против расчетного сопротивление опускной системы и появление пара на опуске. Применительно к кипящим реакторам появление пара на опуске может произойти в результате возник­ новения кавитации на входе в опускной участок, рез­ кого снижения давления в циркуляционном контуре и уноса пара из паровой камеры с рециркулирующей водой на опуск. Для предупреждения застоя и опрокидывания

330

циркуляции гидравлическое сопротивление опускной системы контура с естественной циркуляцией нри лю­ бом режиме эксплуатации не должно превышать расчет­ ного значения. В процессе проектирования проверка на застой и опрокидывание циркуляции производится по

следовательно, уменьшается расход в контуре. Скоро­ сти движения теплоносителя в подъемных каналах могут стать недопустимо малыми, и теплоотдача резко ухуд­

в аварийном режиме. В этом случае температура воды на опуске может стать больше температуры насыщения при данном давлении, в результате чего произойдет самоиспарение воды, запаривание опуска и расстрой­ ство циркуляции.

Указанное явление было одной из частых причин по­ вреждения котлов с естественной циркуляцией. По этой же причине парогенераторы с естественной циркуляцией считаются менее маневренными и весьма чувствительными

ничивающие маневренные характеристики кипящих аппаратов.

331

Причиной парообразования в опускной системе может

при движении теплоносителя с достаточно большой ско­ ростью. Кавитация нарушает нормальное поступление воды на опуск, увеличивает сопротивление опуска и мо­ жет вызвать застой и опрокидывание циркуляции. Для предотвращения явления кавитации необходимо обеспечи­ вать допустимые скорости на входе в опускной участок

иподдерживать необходимый уровень воды в верхнем па­ роводяном коллекторе.

Появление паровой фазы в опускной системе может вызываться механическим захватом пара вихревыми ворон­ ками в результате засасывания пара с поверхности зер­ кала испарения. Для предотвращения воронкообразования

изахвата пара принимаются специальные конструктивные меры, исключающие встречу потоков пароводяной смеси из подъемного участка и воды, поступающий в опускную систему. Кроме того, в процессе эксплуатации необхо­

димо следить за уровнем воды в пароводяном объеме, так как вероятность образования воронок увеличивается с уменьшением столба жидкости над входными отверстиями опускных каналов.

§ 43. Гидродинамическая .неустойчивость пяпп- генерируюших аппаратов

Классификация неустойчивых режимов работы

К атомным энергетическим установкам, в том числе и к парогенерирупщим аппаратам, предъявляются высокие

332

требования по надежности. Для обеспечения надежности необходимо, в частности, обеспечить устойчивость рабо­ ты аппаратов. Устойчивость аппарата или системы есть способность сохранять значения параметров рабочего про­ цесса в допустимых пределах при воздействии внешних возмущений. В теплообменных аппаратах при наличии кипе­ ния рабочего тела в определенных условиях может возник­ нуть неустойчивость, которая проявляется в виде неустой­ чивости теплотехнических параметров: расхода, давления температуры и т .д . Неустойчивость обычно недопустима, так как она приводит к резкому снижению работоспособно­ сти аппарата или к аварийной ситуации.Например,в пароге­ нераторе пульсационные режимы движения пароводяной сме­ си могут вызвать периодические колебания температуры стенок трубной системы, приводящие к коррозионно-уста­ лостным повреждениям металла, гидравлические удары, перегрев металла трубок в парогенераторе с высокотем­ пературным теплоносителем вследствие уменьшения или полного прекращения расхода. Б кипящих реакторах пуль­ сации расхода вызывают снижение критической плотности теплового потока , колебание мощности из-за связи паросодержания и нейтронно-физических характеристик раз­ множающей среды. Апериодическая неустойчивость, связан­ ная с перераспределением расходов по каналам, может быть причиной пережога тепловыделяющих элементов.

Различают следующие виды неустойчивости.

I . Локальная неустойчивость, или неустойчивость оди­ ночного парогенерирующего канала. Возникает в отдельных параллельно включенных каналах,при этом перепад давле­ ния на неустойчивом канале и энтальпия на входе в канал остаются постоянными, а расход и паросодержание неустой­ чивы.

333

2. Межвитковая, или межканальная, неустойчивость. Наблюдается в трубных системах, состоящих из несколь­ ких параллельно работающих каналов, и проявляется как результат гидродинамического и теплового влияния кана­ лов (витков) друг на друга. Периодическое колебание или апериодическое изменение параметров в одной или нескольких каналах вызывают противоположное по направ­ лению и величине изменение параметров в других кана­ лах. Если влияние одного неустойчивого канала на парал­ лельные каналы невелико, то имеем дело с локальной не­ устойчивостью. При математическом описании локальной и межканальной неустойчивости граничные условия перво­ го и второго вида неустойчивости принимаются постоян­ ными. Например, из-за постоянства давления в приемной и выходной камерах перепад давления по всем каналам принимается постоянным. Отсюда ясно, что деление на локальную и межканальную устойчивость в известной степени условно.

3. Общесистемная (общекотловая) неустойчивость. Проявляется в виде периодических или апериодических изменений параметров рабочего тела во всей гидравли­ ческой системе аппарата, при этом давление и расход рабочего тела на входе и выходе из аппарата изменяют­ ся во времени. При более сложной, параллельно-после­ довательной компоновке парогенерирующих устройств ко­ лебания параметров могут наблюдаться в отдельных па­ раллельно включенных аппаратах, например при межкамерной пульсации расхода в парогенераторах.

4. Структурная неустойчивость. Вызывается структу­ рой двухфазного рабочего тела, например при снарядном режиме движения двухфазного потока. Амплитуды колеба­ ний режимных параметров при структурной неустойчивос­

334

ти невелики, не превышают 5-6% от средних параметров и потому считаются неопасными.

Общесистемную устойчивость можно обеспечить с по­ мощью системы автоматического регулирования с учетом динамических свойств аппарата как объекта регулирования, а также других элементов установки. Наиболее опасной считается локальная и межвитковая неустойчивость, воз­ никновение которых в процессе работы аппарата невоз­ можно проконтролировать.

Гидродинамические характеристики парогенеоируюших каналов

Апериодическая неустойчивость парогенерирующего ка­ нала может возникнуть при неустойчивости его гидроди­ намической характеристики. Гидродинамическая характе­ ристика определяет связь гидродинамического сопротив­ ления рабочего канала с расходом рабочего тела при постоянной тепловой нагрузке (&Ррк -^((?))> Обогре­ ваемые каналы с движением однофазного рабочего тела имеют однозначную гидродинамическую характеристику, т .е . каждому расходу соответствует свое гидравличес­ кое сопротивление. Такие характеристики будут устой­

чивыми. Однако если на вход обогреваемого канала пода­ ется рабочая среда, недогретая до температуры насы­ щения, а на выходе получается пароводяная смесь или перегретый пар, то такой канал может иметь многознач­ ную гидродинамическую характеристику. Объясняется это следующим.

Рассмотрим зависимость потерь давления на трение

335

Для каждого участка отдельно определим перепад давле­ ния, используя коэффициент гидравлического сопротив­ ления гомогенного двухфазного пароводяного потока

Длина экономайзерного участка определяется из уравне­ ния теплового баланса:

Для испарительного участка тогда получим:

Подставим полученные значения в (7 .95). После преобра­ зований уравнение гидродинамической характеристики ка­ нала имеет вид

336