ЭКСТРАОРДИНАРНЫЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЯЭУ И ЭНЕРГО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ АТТЕНЮАЦИИ

Деревянко О.В.¹, Королёв А.В.², Погосов А.Ю.³

¹Аспирант; ²доктор технических наук, профессор; ³доктор технических наук, профессор, Одесский национальный политехнический университет

ЭКСТРАОРДИНАРНЫЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЯЭУ И ЭНЕРГО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ АТТЕНЮАЦИИ

Аннотация

В статье рассмотрена возможность использования комбинированной конструкции турбинного привода насоса для осуществления подпитки парогенератора  АЭС, а также исследован вариант запуска комбинированной турбины по сигналам, вырабатываемым системой оперативной диагностики теплогидравлических процессов.

Ключевые слова: парогенератор, подпитка, АЭС, диагностика.

Derevjanko O.V.¹, Koroljov A.V.², Pogosov A.Yu.³

¹Postgraduate student, ²Dr.Sci.Tech, professor; ³Dr.Sci.Tech, professor, Odessa National Polytechnic University

EXTRAORDINARY HYDRAULIC PROCESSES IN NPS AND ENERGY INFORMATION FEATURES OF AUTOMATIC ATTENUATION

Abstract

The paper considers the possibility of using a combined structure of a turbine pump drive for the implementation of the nuclear steam generator feeding, as well the option of launching the combined turbine with signals generated by the operative diagnostics system of thermohydraulic processes.

Keywords: steam generator, feeding, NPP, diagnostics.

Оборудование ядерных энергетических установок представляет собой сложный комплекс элементов и систем, обеспечивающих технологически заданное циркуляционное движение теплоносителя через реактор для обеспечения отвода тепла, вырабатываемого в активной зоне в ходе цепной ядерной реакции деления тяжелых нуклидов. Исходя из этого, к циркуляции водного теплоносителя, используемого в первом контуре, предъявляются специфические требования в плане теплогидравлической устойчивости. Если энергоблок на базе ЯЭУ функционирует в соответствии с двухконтурной теплогидравлической схемой, предусматривающей во втором контуре фазовый переход рабочего тела, то к движению воды второго контура, поступающей в парогенераторы, также предъявляются требования, связанные с обеспечением надежного отвода энергии, полученной от теплоносителя. Нарушение устойчивости движения теплоносителя и нарушение циркуляции воды второго контура следует рассматривать как экстраординарные физические процессы, относящиеся к предаварийным режимам эксплуатации ЯЭУ на том основании, что такие процессы – если они становятся неуправляемыми или управляемыми недостаточно оперативно – могут привести к необратимому снижению эффективности утилизации тепловой энергии ЯЭУ. В результате становятся неизбежными процессы аварийного характера, подобные физическим процессам, уже наблюдавшимся в практике эксплуатации АЭС.

 Характерным поучительным прецедентом являются события на втором блоке АЭС «Три-Майл-Айленд» TMI-2 (США, 1979 г.), связанные с нарушением циркуляции воды второго контура – вплоть до осушения парогенераторов, – что повлекло прекращение теплоотвода  из первого контура. Прекращение отвода тепла из первого контура в этом случае вызвало перегрев теплоносителя и, соответственно, повышение давления, что повлекло открытие импульсного предохранительного клапана системы компенсации давления со сбросом пара в барботер и останов реактора с последующим понижением давления в первом контуре. Дальнейший сброс теплоносителя привел к неудовлетворительным эффектам циркуляции в первом контуре, помпажу циркуляционных насосов, их недопустимой вибрации – что, в результате, повлекло их отключение и полное прекращение принудительной циркуляции теплоносителя (устойчивость же естественной циркуляции оказалась нарушенной вследствие образования парогазового пространства в реакторе) – и в результате повреждения тепловыделяющих элементов оказались неизбежными [1].

Другой известный случай нарушения характеристик циркуляции теплоносителя связан с аварийными разрушениями ЯЭУ 4-го энергоблока на Чернобыльской АЭС (Украина, 1986 г.) – увеличение расхода теплоносителя через реактор за счет подключения дополнительных циркуляционных насосов (питание которых обеспечивалось «выбегом» турбины) привело к уменьшению парообразования, вслед за этим уменьшенный (для восстановления парообразования) расход воды вызвал повышение температуры теплоносителя на входе в активную зону с резким увеличением парообразования и запредельным ростом давления с учетом нейтронно-физических эффектов [2]. Еще одним показательным примером аварийного разрушения ЯЭУ, связанного с экстраординарными событиями из практики эксплуатации 1-го энергоблока АЭС Фукусима-1 (Япония, 2011 г.), также является нарушение циркуляции теплоносителя – вследствие электрообесточивания насосного оборудования – и проблемное отведение тепла от реактора [3].

Как показывает обобщение указанных выше (и многих других, менее значимых по разрушительным последствиям) событий, причиной нарушения циркуляции водных тел ЯЭУ может являться как теплогидравлическая неустойчивость, проявляющаяся в виде колебаний расхода, давления, температуры и др. режимных параметров, так и утечки, влекущие запредельную нехватку теплоносителя или рабочего тела. Утечки циркулирующей водной среды при этом могут провоцировать колебательную теплогидравлическую неустойчивость (влияя косвенно) или приводить к кризису теплоотдачи (влияя непосредственно), что так или иначе создает предаварийные или аварийные эксплуатационные условия.

Для аттенюации нарушения циркуляции может применяться либо оперативное увеличение запаса теплогидравлической устойчивости путем технически доступного изменения влияющих на нее параметров (недогрев до температуры насыщения, давление, расход, паросодержание), либо своевременная дополнительная подпитка циркулирующей жидкости (что является в любом случае абсолютно нелишней резервной возможностью). Для принятия решения о тех или иных оперативных действиях так или иначе необходим постоянный мониторинг текущих запасов теплогидравлической устойчивости циркуляции, технологически предусмотренной в контурных системах ЯЭУ. Этот мониторинг может быть обеспечен еще в ходе нормальной эксплуатации, в постоянном автоматическом режиме, применением методики определения запасов теплогидравлической устойчивости на основе измерения по шумам режимных параметров значений частотных передаточных функций, содержащих в неявном виде информацию о запасах устойчивости текущего физического процесса [4]. Получаемая в ходе мониторинга информация в такой системе используется для формирования командных (управляющих) сигналов, вызывающих срабатывание соответствующих исполнительных механизмов.

Важным обстоятельством является то, что к срабатыванию исполнительных механизмов в условиях функционирования ЯЭУ (особенно в предаварийных и аварийных режимах) предъявляются весьма жесткие требования в части быстродействия и высокой надежности их включения.   Примером оперативной возможности технического обеспечения эффективного включения резервного насосного оборудования подпитки циркулирующих водных сред – при поступлении соответствующего командного сигнала на запуск – может служить агрегат с комбинированным турбоприводом, характеризующийся сокращенным временем включения в работу. В таком турбоприводе может быть применена, например, конструкция, в которой на общем валу закреплены дисковая турбина Теслы и лопаточная турбина Лаваля. Техническое решение, предусматривающее предвключение  дисковой турбины по отношению к лопаточной, позволит упростить и ускорить решение задачи аварийного запуска насосов подпитки. Дело в том, что традиционный привод, выполненный только на основе лопаточной турбины, требует специальной подготовки пара (сепарации и дренажа конденсата), а дисковая турбина трения, предвключенная лопоточной, позволит использовать неподготовленный (несепарированный) двухфазный поток. Более того – повышенные значения коэффициентов трения, свойственные двухфазному потоку, обеспечат минимизацию постоянной времени (крутизну кривой разгона) и сокращение времени переходного процесса при запуске агрегата. Заманчивым техническим эффектом является также то, что такая конструкция позволяет совместить в одном корпусе турбину и сепаратор жидкой фазы двухфазного потока: это позволит  просто и надежно подавать на лопаточную турбину пар, практически лишенный водной фазы. Такое техническое решение,  гарантирующее пуск лопаточной турбины привода без предварительного разогрева, позволяет подключить питающий системы ЯЭУ турбонасосный агрегат непосредственно к паровому объему парогенератора через быстродействующий нормально-закрытый клапан.

Сигналом для автоматического открытия клапана паропровода будет служить в такой системе совпадение (по результатам сравнения в аппаратуре мониторинга, заметим – не требующей мощного электропитания)  текущего значения запаса теплогидравлической устойчивости с заранее заданным опорным (минимально допустимым) значением. Упрощенным вариантом мониторинга может служить простое сравнение осредненных значений режимных параметров с их аварийными уставками, но в таком случае срабатывание системы подпитки будет осуществляться с задержкой – уже по факту развития аварийного процесса, а не в режиме упреждения такового.

Предлагаемый комбинированный диско-лопаточный турбопривод насосного агрегата, работающий как исполнительный механизм в составе системы автоматического упреждения экстраординарных теплогидравлических процессов, позволит в случае необходимости оперативно подавать дополнительную котловую воду в парогенераторы или дополнительную воду в систему подпитки-продувки первого контура, используя энергию технологического пара ЯЭУ и информацию мониторингового характера по аналогии с решением [6].

Таким образом, предлагаемая энерго-информационный подход дает возможность, благодаря своевременной автоматической аттенюации нарушения циркуляции водных тел, снизить вероятность перехода предаварийных режимов работы ЯЭУ  – в аварийные.