Лекция 6. Тема 3. Особенности гидродинамики и поведения примесей в ПГ АЭС

Тема 3. Особенности гидродинамики и поведения примесей в ПГ АЭС

ВХР ПГ блоков АЭС с ВВЭР имеет много общего с ВХР барабанных котлов на органическом топливе, а также испарителей. Прежде всего- это концентрирование примесей в парогенераторной воде и организация процессов разделения жидкой и паровой фазы. В меньшей мере очевидным является наличие в парогенераторе внутренней циркуляции пароводяной смеси, точнее организованой, устойчивой формы этой циркуляции. В котлах (или испарителях, которые вы рассчитывали при выполнении курсовой работы по курсу ТМПиА) эта циркуляция осуществляется по контуру, который состоит из отдельных звеньев, имеющих четкое техническое оформление: опускные трубы, коллектора экранов,экранные трубы, барабан и.т.д.. В ПГ подобного четкого технического оформлення нет, поэтому циркуляционные контури более разнообразны и нечеткие: опускное звено обычно это коридор между пучками труб, а подъемное звено — сам пучек труб. Однако, предотвратить взаимодействие теплоносителя в этих звеньях невозможно, поэтому результатом этого взаимодействия может быть срыв циркуляции всего звена или ее части, появление промежуточных циркуляционных контуров, увеличение действительного объемного паросодержания в опускном звене и нарушение роста паросодержания в подъемном звене. Все это делает циркуляцию менее организованной и предсказуемой и как следствие - ведет к очень сложному характеру распределения концентрации примесей по объему жидкой фазы. ПГ [24].

Например, кратность циркуляции в ПГ [25] оценивается величинами 2…5, (сравните с тем, что вы получили в расчетах испарителей!) а это, как будет показано в дальнейшем и наглядно демонстрируется рис.3.2, ведет к значительной разнице между концентрацией продувочной воды ПГ и собственно концентрацией парогенераторной воды (под этим понятием следует понимать некоторую среднюю по объему концентрацию).Учитывая, что все локальные контура имеют разную кратность циркуляции, совершенно естественным является большой разброс, неравномерность распределения концентраций по объему водной среды в ПГ.

Если же рассматривать ПГ как “черный ящик” и руководствоваться только внешними потоками, то соотношения, которые используются для котлов, возможно использовать при условии, что качество очищенной продувочной воды после СВО-5 одинаково с качеством питательной воды.

Кроме того, в парогенераторной воде ведут себя по разному группы примесей, которые не испытывают изменений и те примеси, которые дают отложения, а также продукты коррозии. Накопленный опыт, выводы и методы влияния на состояние примесей, которые получены для барабанных котлов, целиком пригодны и для ПГ. В том числе и роль продувки, ступенчатого испарения, роль устройств для получения качественного пара и т.д.. Поэтому, используя опыт теплоэнергетики на обычном топливе, мы учтем различия в технической реализации этих процессов и устройств в ПГ АЭС.

3.1. Схема формирования состава жидкой фазы (воды) ПГ

Рассмотрим ПГ как ”черный ящик” и составим баланс примесей при условии, что качество очищенной продувочной воды после СВО-5 одинакова с качеством питательной воды (рис.3.1).

Рис.3.1.Схема потоков воды и пара ПГ

На схеме показано, что циркуляционных контуров в ПГ много. Причем они имеют место как по ширине ПГ так и по его длине. Поэтому условно будем полагать центральный контур за некоторый обобщенный циркуляционный контур с некоторой усредненной кратностью циркуляции К_ц. Под кратностью циркуляции понимают соотношение К_ц= m_ц / D_п, где m_ц - расход циркулирующей среды (воды), кг/с; D_п – производтельность парогенератора, кг/с. Это понятие уже использовалось нами в курсе ТМПиА, когда изучались испарители.(Его физич. смысл – число раз прохода по циклу 1 кг воды для его превращения в пар)

Еще раз отметим, что внутренние контура только уточняют процессы концентрирования примесей, но совершенно не влияют на балансы для парогенератора в целом, поскольку мы рассматриваем ПГ как «черный ящик»! Их учтем в дальнейшем при оценке этих процесов, например по высоте греющих секций.

Анализируя схему, следует выделить ту особенность, что понятие «парогенераторная вода» с точки зрения концентрации примесей, которые в ней содержатся, понятие достаточно неоднозначное и сложное. Это связано с тем, что в ПГ вода занимает большой объем, в пределах которого концентрация примесей распределяется очень неравномерно и в значительной степени случайно. Т.е. С_пгв = f (x,y,z,τ), причем распределение концентрации примеси по объему зависит от способа подачи питательной воды в ПГ, точки ее подачи (в этом месте концентрация минимальна), зависит от способа выведения пароводяной смеси, места и способа выведения продувочной воды. На эту концентрацию влияет также интенсивность (кратность) циркуляции воды через “локальные контуры”, а это зависит от многих факторов, в том числе и от величины нагрузки блока др.. Кратность циркуляции очень зависит от давления в ПГ. С ростом давления она уменьшается.

Считают, что концентрация ПГ воды и продувочной воды совпадают. Однако это не совсем так. На рис.3.2 наведены данные о связи концентрации примесей в парогенераторной воде и кратности циркуляции.

Рис.3.2. Зависимость концентрации примесей в парогенераторной воде от кратности циркуляции

Эта зависимость получена для барабанного котла, однако указаные параметры характерны и для ПГ, поэтому эти данные вполне пригодны для оценки ситуации и в парогенераторе АЕС.

В дальнейшем мы будем пренебрегать разницей между понятиями “концентрация ПГ воды” и “концентрация продувочной воды”, полагая, что кратность циркуляции достаточно высока.

Рассматривая баланс примесей в ПГ воде, следует выделить отдельные группы таких примесей. Есть твердые примеси, которые практически не изменяются. Это прежде всего Na, Cl (точнее концентрация ионов этих примесей), а также в значительной степени силикаты - SiO₂.

Вторую группу составляют твердые примеси, которые испытывают изменения:

- примеси, которые образуют кристаллическую фазу и откладываются на поверхности ПГ, главным образом, на трубных пучках - это относится к соединениям Са, Mg, Fe, Cu;

- примеси, которые под влиянием температуры распадаются: это бикарбонаты и частично карбонаты, аммиак, гидразин, органические примеси и т.д.;

-примеси, которые появляются в воде, это прежде всего железо вследствие его коррозии, а кроме того это могут быть примеси, которые в силу технологических причин ранее отложились, а потом смываются водой и снова возвращаются в воду (явление “уайт-хаут”, то есть “прятания“ солей).

Третью группу составляют газовые примеси.

3.2. Концентрирование примесей (не изменяющихся) в парогенераторной воде

Если пренебречь неравномерностью распределениея концентрации примеси в парогенераторной воде, точнее, используя некоторую усредненную концентрацию, то согласно из приведенной схемой (рис. 3.1) в условиях стационарного процесса возможно записать

D_пв C_пв = D_п C_п + D_пр C_пр, (а)

а также

D_пв = D_п + D_пр, (б)

где соответствующие обозначения потоков и концентраций примесей понятны из рис.3.1.

Если теперь разделить оба уравнения на расход пара D_п, то получим

D_пв/D_п = 1 + p, (в)

где р - доля продувки,

а также:

(1 + p) C_пв = C_п + p C_пр. (3.1)

Воспользуемся теперь понятием действительного коэффициента распределения примеси между паром и водой, согласно с которым концентрация примеси в паре

C_п = K_сдC_кв @ K_сд C_пр = (K_с + w) C_пр,

где K_сд –суммарный (действительный) коэффициент распределения примеси между паром и водой;

К_с- равновесный коэффициент распределения, который учитывает суммарную концентрацию примесей, как в ионной, так и в молекулярной формах;

w - влажность пара.

Подставляя это выражение для концентрации примеси в паре, получаем

(1 + p) C_пв = (K_с + w + p) C_{пр .} и

C_пр = C_пв(1 + p)/(K_с + w + p) (3.2)

В относительных величинах соотношение концентраций, показатель концентрирования

Z = C_пр / C_пв = (1 + p) / (К_с +w + p). (3.3)

Таким образом, в общем случае концентрирование примесей, которые не испытывают изменений в парогенераторной воде зависит: от выноса примесей с паром за счет растворения их в паре в равновесных условиях (K_с); от выноса примесей с влагой - w; а также от величины продувки – р.

Например, для ПГ, рассчитанного на давление 6,5 МПа (для Na - К_с = 1,18 10 ^-6, для силикатов - К_с = 2,75 10^-3), при влажности пара w = 0,0005 (0,05 %) и величине продувки р = 0,005 (0,5%) получаем: показатель концентрирования натрия Z_Na = 183; показатель концентрирования силикатов Z_SiO2 = 138.

Соотношение (3.3) возможно превратить относительно продувки, которая обеспечивает концентрирование примеси не более желаемого значения:

р = (1 – Z (К_с +w)) / (Z – 1). (3.4)

Наглядно зависимость (3.3) возможно представить в виде номограммы, рис.3.3.

Рис.3.3. Номограмма зависимости степени концентрирования примесей от параметров

Анализ этих соотношений и рисунка позволяет сделать такие выводы:

- концентрирование примесей первуй группы в ПГ воде очень значительное;

- для примесей, в которых значительна растворимость в паре, продувка, как способ коррекции концентрации в парогенераторной воде малоэффективна;

- малоэффективна продувка также в том случае, когда влажность пара велика.

3.3. Концентрирования примесей, которые испытывают изменения в парогенераторе

Для примесей, которые испытывают изменения, перепишем уравнение (3.2) в таком виде:

(1 + p) C_пв + j_k h_k A / D_п = C_п + p C_пр + j_o A/ D_п, (3.5)

где j_k - скорость коррозии, мг/(м² ч);

h_k - доля продуктов коррозии, которые переходят в раствор. Эта величина зависит от рН среды, скорости движения воды, температуры и других факторов. (за обычных условий в расчетах возможно принимать 0,5);

А – площадь поверхности, с которой контактирует вода в парогенераторе (площадь трубок), м²_;

D_п - производительность парогенератора, т/ч;

j_о - скорость отложений, мг/(м² ч);

С_пв, С_п, С_пр - концентрации примеси соответственно в питательной воде, паре и продувке, мкг/кг.

Уравнение (3.5) формальное, в связи с тем, что обобщает все примеси, которые изменяются, хотя часть из них только появляется, другая только исчезает, третья и исчезает и появляется. Например, часть из них (Са, Mg и др.) только отлагаются и для них следует учитывать только отложения (j_о), понятие «корозии» для них теряет смысл, поэтому в расчетах в формуле записывают, что j_к = 0, а для железа, которое и корродирует и дает отложения, при подробных расчетах следует учитывать изменение вдоль поверхности теплообмена j_о, которое зависит от общей концентрации железа, которая изменяется (увеличивается), что определяется j_к и η_к. Для упрощенных расчетов, полагая η_к = 0,5, или, что известно значение произведения j_kh_k, выполняя те же преобразования, которые сделаны в (3.2) с заменой концентрации примесей в паре, и, разрешая (3.5) относительно показателя концентрирования примесей, получаем

Z =C_пр / C_пв =(1+ p + A (j_k h_k – j _о)/(D_п С_пв))/(К_с +w + p), (3.7)

(Примечание: уравнение (3.6) должно расшифровать отношение А/D_п и здесь отсутствует)

Еще раз заметим, что при расчетах следует придерживаться единиц величин, которые указаны выше, т.е.: производительность ПГ, т/ч; скорость отложений, мг/(м² ч); концентрации примесей соответственно в питательной воде, паре и продувке, мкг/кг.

Решая уравнение относительно величины продувки, получаем

р = (1 + A (j_k h_k – j _о)/(D_п С_пв) - Z (К_с +w))/(Z – 1). (3.8)

Анализ соотношений (3.7) и (3.8) позволяет сделать вывод, что те примеси, которые дают отложения, имеют показатель концентрирования меньше. Например, Са может вообще не обнаруживаться в парогенераторной воде, он весь перейдет в отложения. Для железа концентрирование может даже увеличиваться. Это зависит от того, что преобладает: скорость коррозии (точнее j_kh_k) или скорость отложений j _о.

Следует отметить, что приведенные уравнения(3.3) и (3.7) возможно использовать при анализе эксплуатационных или экспериментальных данных для уточнения имеют ли место отложения, а также какая их интенсивность. Их возможно ввести также в программы прогнозирования развития ситуации с отложениями в соответствующих автоматизированных системах. Действительно, если учесть допущения, что для примесей влияние К_с незначительно в связи с небольшой их растворимостью в паре (для Са это настолько же справедливо, как для Na и Cl), то сопоставление показателей концентрирования Са и Na позволит утверждать: если Z_Na > Z_Ca, то отложения имеют место.

Для количественной оценки связи между показателями концентрирования разных примесей преобразуем (3.8) так:

Z=(1+p)/(К_с+w + p)+(A(j_k h_k – j_о)(1+ p))/(D_п С_пв(К_с+w+ p)(1+ p)).

Первая составляющая суммы (пренебрегая разницей в К_с) может рассматриваться как обобщенный показатель концентрирования всех примесей, которые не испытывают изменений. Прежде всего это характерно для ионов натрия и хлора. Этот показатель самый большой из возможных показателей концентрирования примесей (за исключением железа). Обозначим эту составляющую как Z_idem, кроме того учтем, что D_п (1+ p) = D_пв, то есть это расход питательной воды. Тогда уравнение перепишется в виде

Z = Z_idem + Z_idem A (j_k h_k – j _о)/ D_пв С_пв. (3.9)

Уравнение пригодно прежде всего к железу.

Из этого уравнения возможно получить для примесей, которые только могут давать отложения (j_k = 0)

Z = Z_idem (1 - А j _о / (D_пв С_пв)). (3.10)

Из чего возможно сделать вывод, что все примеси, которые откладываются, имеют меньшие значения показателя концентрирования, ежели Z_idem.

Кроме того (3.10), решенное относительно скорости отложений, дает возможность оперативно на основе эксплуатационных измерений оценивать среднюю скорость отложений

j _о = D_пв С_пв (1 – Z / Z_idem)/А. (3.11)

Это уравнение может быть преобразовано и к такому виду:

j _о = (Z - Z_idem) D_п С_пв(К_с +w + p)/ А. (3.12)

Для железа, как это следует из (3.9) показатель концентрирования может быть как больше так и меньше чем у примесей, которые практически не изменяются в парогенераторной воде. Это зависит от соотношения интенсивности коррозии железа и доли железа, что переходит в раствор, и интенсивности отложений железа.

Учитывая то, что для расчетов скорости отложений железа имеются обобщенные и экспериментальные и статистические зависимости (уравнение Манькиной), из (3.9) возможно получить расчетную формулу для средней скорости коррозии железа

j_k = (D_пв С_пв /(Аh_k))(Z / Z_idem – 1) + j _о /h_k. (3.13)

В случае наличия надежных данных о скорости коррозии, для скорости отложений окислов железа возможно также получить:

. (3.14)

Еще раз отметим, что уравнения (3.7), (3.9), (3.13), (3.14) справедливы при условии, что h_k = 0,5 или известно значение произведения j_kh_k. В противном случае необходимо преобразовать (3.5) и учесть фактические данные, какое количество продуктов коррозии переходит в раствор, а сколько остается на поверхности вместе с отложениями.

Подобные расчеты по скорости отложений возможно вести также для пучков труб парогенератора и рассчитывать их по высоте пучков и длине труб пучка. Т.е. отказавшись от рассмотрения ПГ как «черного ящика». Для этого видоизменим балансовую схему и представим её в виде усредненного «условного» контура циркуляции, как это показано на рис.3.4.

Рис.3.4. Схема локальной циркуляции в ПГ

Баланс примесей в парогенераторной воде позволяет записать:

(1 + р) С_пв + К_ц С_кв = К_ц С_кв^¢ + С_п + С_пр р.

После соответствующих преобразований

(1 + р) С_пв + К_ц (С_кв^' - С_кв) = С_пр(К_с + w + р).

Второе слагаемое в левой части уравнения по смыслу отражает изменения концентрации в растворе (пароводяной смеси в пучке трубок ПГ) по высоте пучка. Эти изменения могут проходить вследствие отложений и коррозии, что позволяет заменить разность концентраций на выражение А(j_k h_k – j _о) / D_кв, которое как раз и учитывает названные причины изменений концентраций.

Тогда уравнение, учитывая, что кратность циркуляции - это соотношение потоков К_ц = D_кв / D_п, где D_кв - расход теплоносителя в «обобщенном» контуре циркуляции в ПГ, а D_п - прозводительность ПГ по пару, приобретет вид:

(1 + р) С_пв + К_ц А(j_k h_k – j _о) / D_пв = С_пр(К_с + w + р),

Вопросы для самоконтроля:

1. Раскройте смысл понятия парогенераторная вода

1. Почему примеси концентрируются в парогенераторной воде?

2. В чём состоит подобие влияния К_с, влажности и продувки на концентрирования примесей в котле?

3. Какое влияние на концентрирование примесей имеет продувка?

4. Как влияет скорость отложений на концентрирования примесей?

5. Как влияет скорость коррозии на концентрирования примесей железа?

6. Как возможно определить скорость отложений по эксплуатационным замерам концентраций примесей?