Учет естественной циркуляции двухфазного теплоносителя

Схема контура циркуляции теплоносителя в кипящем водо-водяном реакторе с естественной циркуляцией приведена на рисунке 4.

В замкнутом циркуляционном контуре естественная циркуляция возникает в том случае, если сумма нивелирных напоров на опускных участках контура превышает сумму нивелирных напоров на подъемных участках контура. Разность этих сумм, которую называют движущим напором естественной циркуляции , можно представить в виде

, (47)

где , - участки (по высоте) опускной и подъемной частей контура; , - средние плотности теплоносителя на участках соответственно опускной и подъемной частей контура.

Рисунок 4 – Схема циркуляции теплоносителя в кипящем-водо-водяном реакторе с естественной циркуляцией.

Условием установившегося режима естественной циркуляции с расходом теплоносителя является равенство движущего напора гидравлическому сопротивлению контура циркуляции (потери на трение, местные потери, потери на ускорение):

. (48)

При постоянной тепловой мощности активной зоны изменение расхода теплоносителя приводит к изменению как движущего напора вследствие изменения разности нивелирных напоров из-за изменения паросодержания и плотности пароводяной смеси на подъемном участке, так и к изменению гидравлического сопротивления первого контура в части с однофазным и двухфазным теплоносителем. Характер зависимости и иллюстрируется риснком 5. Точка пересечения зависимостей дает значение установившегося расхода естественной циркуляции .

Рисунок 5 – Зависимость движущего напора естественной циркуляции и гидравлического сопротивления контура от расхода теплоносителя

Режимы естественной циркуляции могут быть реализованы в качестве основного средства циркуляции теплоносителя первого контура при работе реактора на любом уровне мощности, вплоть до номинального. При использовании насосов для организации циркуляции в первом контуре напор естественной циркуляции уменьшает затраты мощности на циркуляцию теплоносителя. Этот напор может быть использован для организации циркуляции на частичных уровнях мощности, в том числе при аварийных ситуациях с отказами главных циркуляционных насосов.

Можно выделить два основных типа задач, решаемых при расчете естественной циркуляции. Первая – нахождение мощности (паропроизводительности), которую можно отвести от активной зоны за счет естественной циркуляции теплоносителя; вторая – определение конструктивных характеристик установки (размеры подъемного и опускного каналов, высота тягового участка и др.), обеспечивающих требуемый расход теплоносителя через активную зону.

Расчет движущего напора и гидравлического сопротивления контура циркуляции производится с использованием известных соотношений (распределение истинного объемного паросодержания по длине парогенерирующего канала, для определения нивелирных напоров подъемного участка; расчет гидравлического сопротивления первого контура: потери давления на трение, на местных сопротивлениях, на ускорение).

Активная зона, набранная из тепловыделяющих сборок, и индивидуальные тяговые трубы в водо-водяных кипящих реакторах представляют собой систему параллельных каналов с общей входной камерой (раздающий коллектор) и общей выходной камерой (сборный коллектор). При достаточных размерах коллекторов давления по их сечению постоянны и перепады давлений между входом и выходом () для всех каналов одинаковы. Это имеет место и для различной тепловой мощности, выделяемой в каждом из каналов. Разности давлений определяются перепадами давлений в активной зоне и тяговых трубах. Сумма расходов по всем каналам равна расходу теплоносителя в опускном участке.

Гидравлическое сопротивление контура известной геометрии можно представить в виде суммы гидравлических сопротивлений подъемного и опускного участков. Условие установившегося режима естественной циркуляции имеет вид

. (49)

Удобно ввести понятие полезного напора

, (50)

т.е. считать, что полезный напор, создаваемый в циркуляционном контуре, расходуется на преодоление гидравлического сопротивления в опускном участке. Полезный напор так же, как и движущий, определяется в основном тепловой мощностью отдельных каналов, имеющих, как правило, одинаковые геометрические характеристики.

Рассмотрим последовательность расчета естественной циркуляции теплоносителя в кипящем реакторе с учетом нераномерности тепловыделения по радиусу активной зоны с использованием графоаналитического метода. Для упрощения процедуры расчета разобъем поперечное сечение активной зоны на ряд гидравлических подзон из условия приблизительного равенства мощности ТВС в каждой из подзон.

Прежде всего, задаваясь разными значениями расхода теплоносителя в первом контуре, строим зависимость гидравлического сопротивления опускного участка от расхода (см. график на рисунке 6). Затем при известной мощности ТВС для каждой из гидравлических подзон строим зависимость полезного напора, создаваемого в них, от расхода через подзону , определяя для каждого из заданных значений расхода движущий напор и гидравлическое сопротивление подъемного участка. На рисунке 6 приведены данные зависимости для случая разбиения активной зоны на четыре гидравлические подзоны.

Рисунок 6 – Гидравлические характеристики кипящего реактора

Для построения результирующей циркуляционной характеристики просуммируем расходы в подзонах при одинаковых значениях : .

Точка пересечения характеристик и определяет значение суммарного расхода по первому контуру и значение общего полезного напора в контуре . Точки пересечения общего полезного напора с циркуляционными характеристиками гидравлических подзон определяют значения расходов воды через соответствующие подзоны (, , , для рассматриваемого примера), а следовательно, и значения расходов (и скорости) в каждой ТВС. По найденным значениям расхода и заданной мощности можно определить паросодержание на выходе из каждой ТВС.

В верхней части кипящего реактора за выходом из тягового участка (см. рисунок 4) вода с энтальпией насыщения разворачивается и поступает в опускной участок. При этом неизбежно некоторое количество пара будет захватываться этой водой и направляться в опускной участок. С одной стороны, этот процесс требует генерации в активной зоне несколько большего количества пара, чтобы скомпенсировать эту потерю и направить на турбину требуемое его количество, с другой стороны, наличие пара в опускном участке ухудшает циркуляционную характеристику контура. Для конденсации этого пара питательную воду целесообразно подавать в верхнюю часть опускного участка.