WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Обложка автореферата,

Общая характеристика работы

, Основное содержание работы, Заключение, Основные публикации по теме диссертации

На правах рукописи

Андреев Александр Георгиевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПАРОВОДЯНЫХ СТРУЙНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.08.05 – Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

Научный консультант: Шаманов Николай Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Энергетики СПбГМТУ

Официальные оппоненты: Медведев Валерий Викторович, доктор технических наук, доцент кафедры Двигателей внутреннего сгорания СПбГМТУ Корнеев Борис Сергеевич, кандидат технических наук, заведующий лабораторией НИЦ «Курчатовский институт»

Ведущая организация: ФГУП ГНЦ РФ «Центральный научноисследовательский институт имени академика А.Н.Крылова», г. Санкт-Петербург

Защита состоится « 20 » июня 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.228.03 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу:

190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д.3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ.

Автореферат разослан « » 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор А.П.Сеньков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность.

В настоящее время одним из основных путей повышения надежности и безопасности ядерных энергетических реакторов является сокращение числа обеспечивающих систем и регулирующих воздействий, совмещение функций систем, разукрупнение агрегатов, использовании блочных принципов.

Особенно чувствительны традиционные ядерные энергетические установки к исчезновению электропитания, поскольку при этом становится проблематичным отвод тепла от активной зоны и частично или полностью пропадает информация о состоянии реактора. Поскольку 100% управление критичностью реактора во всех возможных случаях внешними органами регулирования связано с большими трудностями, а иногда практически невозможно, наиболее перспективным и безопасным является использование внутренних регулирующих свойств реактора. Для обеспечения надежного охлаждения активной зоны необходимо использовать физические явления, обусловленные самой природой происходящих в реакторных установках процессов, а именно – использовать силу гравитации для обеспечения естественной циркуляции в контурах с теплообменом.

Но в реакторах с естественной циркуляцией неизбежны ограничения по мощности и габаритам и поэтому весьма желательно интенсифицировать циркуляцию до уровня принудительной.

Возникшее противоречие устраняется одновременным применением кипящего реактора, работающего по двухконтурной схеме, и струйных устройств, предназначенных для интенсификации циркуляции, использующих термодинамическую разность потенциалов насыщенного пара, получаемого в активной зоне и используемого в паровом компенсаторе объема, и охлажденной в парогенераторе воды. В процессе конденсации пара в струйных аппаратах его внутренняя энергия преобразуется в гидродинамический напор, достаточный для преодоления сопротивления первого контура. Производительность струйных аппаратов определяется недогревом воды до состояния насыщения и давлением, что дает возможность использовать преимущества регулирования мощности реактора методом вариации расхода теплоносителя первого контура широко применяемым в мире для регулирования кипящих реакторов. Для изменения мощности реактора в установке достаточно изменить мощность теплоотвода в парогенераторе и реактор соответствующим образом изменяет свою мощность в режиме саморегулирования, без вмешательства внешних органов управления и оператора.

Таким образом, совокупность кипящей активной зоны, охваченной сильной обратной связью по реактивности, и пароводяных струйных аппаратов, регулируемых только изменением параметров теплоносителя первого контура, придает новые качества всей установке, делая ее практически независимой от внешних регулирующих воздействий, то есть автономной. При этом, с целью для обеспечения необходимых параметров работы контура циркуляции во всем диапазоне работы установки, запуска струйного аппарата при низких параметрах теплоносителя, для обеспечения устойчивой работы установки в целом и получения лучшей маневренности установки требуется одновременное применение нескольких параллельно работающих пароводяных струйных аппаратов (ПВСА). При параллельной работе пароводяных струйных аппаратов возникает комплекс вопросов касающихся их поочередного запуска и остановки при разогреве установки.

переходах на долевые режимы и расхолаживании. До настоящего времени эти вопросы не были исследованы.

Учитывая вышесказанное, исследование параллельной работы пароводяных струйных аппаратов в первом контуре ядерной паропроизводящей установки является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы и задачи исследования.

Целью работы является разработка методики расчета условий запуска пароводяных струйных аппаратов, выполняющих роль циркуляционных средств в первом контуре ядерной моноблочной паропроизводящей установки при их параллельной работе. В работе поставлены и решены задачи:

- исследование условий, определяющих запуск неработающего ПВСА, как одиночного, так и параллельно включенного;

- оценка влияния теплофизических параметров на работу ПВСА в режимах запуска;

- оценка потерь энергии в ПВСА, вызванных расходом через соединительную перемычку.

- разработка конструкции проточной части, позволяющей минимизировать потери;

- исследование различных схем соединения проточных частей ПВСА.

Объект исследований.

Объектом исследований являются пароводяные струйные аппараты, используемые в качестве средства циркуляции в первом контуре ядерной паропроизводящей установки и теплофизические процессы, проходящие в них при их параллельной работе.

Методы исследований и достоверности результатов.

В работе применены общие методы научного познания – методы теоретического и эмпирического исследования, абстрагирование, моделирование. Достоверность теоретических выводов подтверждена методом математического моделирования, экспериментальными данными.

Научная новизна результатов работы заключается в том, что:

- изучено влияние параметров циркуляционного контура и величины движущего напора естественной циркуляции на запуск одиночного ПВСА;

- исследовано влияние недогрева воды на входе на потери в ПВСА;

- рассмотрены особенности запуска при наличии в контуре нескольких аппаратов работающих параллельно;

- дана оценка влияния расхода через соединительную перемычку на потери энергии в ПВСА;

- определено влияние сопротивления всасывающей ветви на коэффициент инжекции неработающего ПВСА;

- на основании анализа потерь определены условия запуска неработающего ПВСА при нескольких работающих ПВСА.

- на основании изучения особенностей запуска ПВСА при большом числе ПВСА обоснована и разработана схема их соединения;

- исследовано влияние схемы соединения проточных частей камер смешения на условия запуска;

- рассмотрено влияние числа параллельно работающих ПВСА на пусковые характеристики циркуляционного контура;

- обоснована и разработана конструкция проточной части ПВСА позволяющая уменьшить потери при подводе дополнительного потока через соединяющую перемычку;

- определено понятие области возможной работы ПВСА и исследованы факторы, определяющие ее граничные условия.

Практическая значимость и реализация.

Выполненные научно-технические разработки позволяют решить практическую задачу применения пароводяных струйных аппаратов в качестве средства циркуляции в первом контуре ядерной моноблочной паропроизводящей установки с целью повышения её конструктивной безопасности.

На защиту выносится методика расчета условий запуска пароводяных струйных аппаратов, выполняющих роль циркуляционных средств в первом контуре ядерной моноблочной паропроизводящей установки при их параллельной работе.

Апробация работы.

Диссертационная работа заслушана и одобрена « 22 » марта 2012 г. на расширенном заседании кафедры Энергетики СПбГМТУ.

Основные результаты докладывались на заседаниях научно-технической комиссии СПбГМТУ в 2009-2012 годах.

Публикации.

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 9 научных работах, все по теме диссертации. Из них статьи, 6 научно-технических отчетов. Авторская доля от 17% до 50%. В рецензируемых научных журналах, определяемых Перечнем ВАК РФ опубликовано 3 работы. Авторкая доля 17%, 33% и 50%.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы. Общий объем работы составляет 1страниц основного текста, содержащего 59 рисунков и 4 таблицы.

Библиография включает 176 наименований отечественной и зарубежной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и определены основные задачи, которые необходимо решить для ее достижения.

В первой главе выполнен анализ современного состояния проблемы.

Проанализированы работы отечественных и зарубежных ученых и научных коллективов, связанные с исследованием процессов в струйных аппаратах и применением струйных аппаратов в различных конструкциях, а именно: работы, выполненные К.К. Баулиным, Л.Д. Берманом, Г.И.

Ефимочкиным, А.Н. Ложкиным, С.А. Христиановичем, Г.А. Аронсом, С.Ю.

Келлером, В.П. Шидловским, Г.Н. Абрамовичем, Е.Л. Соколовым, Н.М.

Зингером и другими исследователями.

Струйные аппараты - это устройства, в которых происходит процесс инжекции, представляющий собой обмен энергией между активным потоком и пассивным потоком путем непосредственного их контакта (смешения) с образованием в результате смешанного потока. Возможность повышения давления инжектируемого потока до значения, превышающего давления исходных сред является основным, принципиальным качеством пароводяных струйных аппаратов. Двухфазные струйные аппараты, в основном пароводяные, широко применяют в различных областях техники. Этому способствуют простота схем включения в различные установки, сравнительно простое их устройство, несложная технология изготовления, отсутствие движущихся частей, возможность эффективной работы в качестве циркуляционных устройств в разнообразных системах.

Струйный аппарат может быть использован в качестве устройства для обеспечения циркуляции (циркуляционного насоса) в циркуляционном контуре различных установок. Например, Б.Ф. Лямаевым исследуется использование струйного аппарата совместно с лопастным насосом в установке для откачки жидкости с большой глубины центробежным насосом, расположенным на поверхности земли.

Другими словами, струйный аппарат используется в качестве устройства, изменяющего рабочие характеристики насоса другого типа.





Таким образом, струйный аппарат в установке выполняет роль бустера, который увеличивает напор и приводится в движение струей рабочей жидкости, создаваемой центробежным насосом. То есть в данной конструкции струйный аппарат не является полноценным циркуляционным насосом. В работах Н.П.Шаманова описывается применение струйного аппарата в качестве циркуляционного насоса в контуре циркуляции судовой ядерной паропроизводящей установки. В работе показано, что для увеличения давления за диффузором необходимо использовать входную скорость инжектируемого потока, что требует специального профилирования проточной части приемной камеры. При этом автозапуск струйного аппарата возможен при некотором значении напора естественной циркуляции, а далее, по мере увеличения производительности струйного аппарата, происходит переход на принудительную циркуляцию. Рассмотрен случай, когда в циркуляционном контуре применяется один струйный аппарат, обеспечивающий необходимые параметры установки.

Очевидно, что применение в циркуляционном контуре только одного струйного аппарата, приводит к увеличению его размеров и не может обеспечить необходимые параметры во всем диапазоне работы установки.

Возникают также проблемы с запуском такого струйного аппарата, так как его запуск происходит при повышенных расходах теплоносителя, то есть необходимо обеспечить большой напор естественной циркуляции, что, в свою очередь, приводит к увеличению размеров всей установки. Кроме того, при нестационарных режимах установки работы установки, возможен вариант, когда при переходе на долевой режим происходит отключение струйного аппарата и обратный переход на естественную циркуляцию, что сопровождается резкими колебаниями параметров теплоносителя, приводит к нестабильной работе установки и продолжительному набору мощности в случае необходимости полной нагрузки.

Таким образом, для обеспечения необходимых параметров работы контура циркуляции во всем диапазоне работы установки, запуска струйного аппарата при низких расходах теплоносителя, для обеспечения устойчивой работы установки в целом и получения лучшей маневренности установки следует использовать в циркуляционном контуре нескольких параллельно включенных струйных аппаратов. В связи с этим, в диссертационной работе исследованы условия и процессы, определяющие запуск и работу нескольких параллельно включенных струйных аппаратов в составе первого контура ядерного паропроизводящего агрегата.

Во второй главе работы дано описание экспериментальной установки БЕТА-К, предназначенной для моделирования теплофизических процессов, протекающих в ядерных моноблочных энергетических установках, со следующими техническими характеристиками :

мощность проектная...................................................................... 500 кВт мощность используемая................................................................. 120 кВт давление первого контура............................................................ 10 МПа средняя температура первого контура......................................... 300 С давление второго контура............................................................. 2,5 МПа Схема установки БЕТА-К изображена на рис. 1.

Контроль параметров установки осуществляется при помощи датчиков и устройств, места установки которых показаны на схеме установки (рис. 1). На схеме обозначены следующие параметры:

G - расход теплоносителя первого контура в одной петле. Измеряется при помощи измерительного сопла, установленного на напорном трубопроводе пароводяного инжектора, и дифференциального манометра.

P - перепад давления на инжекторе. Измеряется при помощи дифференциального манометра, подключённого к напорному и всасывающему трубопроводам инжектора.

Tсм - температура воды на выходе из инжектора. Измеряется при помощи Рисунок 1 - Схема установки Бета-К I – бак-«море»; II – винтовой питательный насос второго контура;

III – дозаторный насос подпитки первого контура; IV– измерительная диафрагма; V– измерительное сопло; VI – кассета забортного теплообменника; VII – корпус; VIII – манометр; IX – нагреватель электродного типа; X – струйный аппарат; XI – тёплый ящик; XII – фильтр;

XIII – центробежный циркуляционный насос третьего контура.

термопары, подключённой на напорном участке трубопровода первого контура.

Tв - температура воды на входе в инжектор. Измеряется при помощи термопары, подключённой на всасывающем трубопроводе инжектора.

Tп - температура пара первого контура, подаваемого в инжекторы.

Измеряется при помощи термопары, подключённой на паровом трубопроводе инжектора правого борта №1.

Gпв - расход питательной воды второго контура. Измеряется при помощи измерительной диафрагмы, установленной на напорном участке трубопровода второго контура после фильтра, и дифференциального манометра.

Тпв - температура питательной воды. Измеряется при помощи термопары, подключённой к напорному участку трубопровода второго контура после измерительной диафрагмы.

Тпп - температура перегретого пара. Измеряется при помощи термопары, подключённой к паропроводу второго контура после цапфы корпуса.

Gпп - расход перегретого пара. Измеряется при помощи измерительной диафрагмы, установленной на паропроводе второго контура перед тройником и после термопары, и дифференциального манометра.

Давление первого контура измеряется манометром, подключаемым к напорному трубопроводу инжектора левого борта № 2.

Давление во втором контуре измеряется манометром, подключаемым к паропроводу второго контура перед измерительной диафрагмой.

Уровень жидкости в корпусе установки определяется при помощи прибора "Измеритель уровня", датчик которого установлен внутри корпуса установки.

Уровень мощности, выделяемой нагревателем электродного типа, контролируется при помощи прибора "Регулятор мощности".

Третья глава работы посвящена исследованию условий, определяющих запуск неработающего ПВСА. Процесс запуска струйного аппарата является наиболее характерным процессом из числа нестационарных процессов для циркуляционного контура со струйными аппаратами. Если в контуре установлено несколько ПВСА, работающих параллельно, то запуск каждого следующего ПВСА будет отличаться от запуска предыдущего из-за изменения перепада давления между его входным и выходным патрубками.

Необходимым условием запуска неработающего ПВСА является поступление в его приемную камеру пара и воды. Однако, выполнение этого условия недостаточно. Необходимо еще, чтобы при поступлении и конденсации пара создавался избыточный напор, приводящий к увеличению производительности ПВСА. Осевое распределение давления в проточной части ПВСА показано на рис. 2. В приемной камере ПВСА давление среды падает на величину , определяемую разгоном жидкости и потерями на трение о стенки. В срезе парового сопла пар конденсируется в воде и давление увеличивается на величину Pск. Затем в камере смешения давление воды снова уменьшается до Pmin вследствие разгона и потерь на трение и, наконец, из-за торможения в диффузоре, возрастает до величины Pd. Напор ПВСА, равный = может быть как положительным, так и отрицательным. В первом случае запуск ПВСА возможен, если нс (1) где нс- сопротивление напорной ветви сети = - = - - + (2) Рисунок 2 - Распределение давления по длине ПВСА при запуске или, выразив давление через расход среды, получим:

2Gnvn + Gbvb - Gcmvb - Gbvb fnb Pin = (1+ )2 fn fnb 2 fb fnb fb 2 fnb 2 fnb (3) Gcmvb fnb ' fnb (1+ )+ Gcmvb fcm d + Gcmvb 2 fcm 2 fnb b 2 fnb 2 fnb где – расход пассивной среды, кг/с; – удельный объем пассивной среды, м3 кг; – площадь сечения камеры, м2; – коэффициент сопротивления приемной камеры; – расход смеси, кг/с; – площадь сечения конденсации, м2; – коэффициент сопротивления камеры смешения; п – расход активной среды, кг/с; п – удельный объем активной среды, м3 кг; п – площадь сечения сопла, м2; – сечение камеры смешения, м2; – сечение пароводяной смеси, м2; – КПД диффузора.

В итоге, после ряда преобразований, получим:

2 -2 - -2b ( ) b t ' Pd fcm -b -(1-d )- Ek -Hdv (4) fпс n fпв (1-) fпв0 где – динамический напор на входе в диффузор, Па; Hdv – движущий напор естественной циркуляции, Па; – истинное объемное паросодержание; пс – сечение парового сопла, м2; – параметр; пв – сечение полной конденсации пара, м2; в0– сечение камеры смешения в срезе парового сопла, м2.

Эта формула позволяет оценить расход естественной циркуляции, достаточный для запуска ПВСА. Анализ позволяет выявить влияние отдельных параметров на запуск ПВСА. Прежде всего, очевидно влияние отношения сечения парового сопла к сечению камеры смешения в срезе сопла /( + ). Чем это отношение больше, тем запуск легче. Это значит, что с уменьшением коэффициента инжекции запуск осуществляется легче. Заметное положительное влияние на запуск оказывает коэффициент полезного действия диффузора. Сопротивление контура циркуляции влияет отрицательно.

Для изучения влияния отдельных параметров на пусковые характеристики ПВСА принята следующая схема проточной части (рисунок 2) и исходные данные давление в контуре – 20-100 бар; недогрев смеси до насыщения – 5-20°С; коэффициент инжекции – 8-16; КПД диффузора – 0,80,9; угол 1 – 12,5-17,5 °С; расстояние L1 – 1…20 мм; диаметр камеры смешения – 13 мм; диаметр парового сопла – 11 мм.

Расчетная схема проточной части приведена на рис. 3.

Рисунок 3 - Схема проточной части ПВСА На рис. 4 приведена зависимость сопротивления ПВСА от относительного расхода ЕЦ при давлении 20 бар и недогреве 5 °С.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,-0,-0,-0,-0,-0,-0,-0,Относительный расход ЕЦ Сопротивление ПВСА1 Сопротивление ПВСАСопротивление ПВСАРисунок 4 - Зависимость сопротивления ПВСА от относительного расхода ЕЦ при давлении 20 бар, недогрев 5 °С, при различных Аналогичные зависимости получены при различных давлениях и недогревах. Из графика следует, что, при уменьшении угла конусности камеры смешения ПВСА 2, запуск ПВСА существенно усложняется из-за увеличения сопротивления. Таким образом, для запуска струйного аппарата под действием естественной циркуляции необходимо, чтобы движущий напор превышал сопротивление ПВСА в точке экстремума.

При наличии в контуре циркуляции более двух параллельно работающих ПВСА появляются некоторые особенности запуска, не имеющие места при двух аппаратах. Прежде всего, появляется неоднозначность в схеме соединения проточных частей ПВСА перепускными каналами - перемычкам для обеспечения запуска Сопротивление ПВСА, бар неработающих струйных аппаратов. При числе ПВСА большем двух схема соединения может быть параллельной и последовательной (рис. 5).

Рисунок 5 – Последовательная и параллельная схемы соединения ПВСА При последовательной схеме соединения работающий струйный аппарат, вследствие малого проходного сечения перепускных каналов влияет практически только на два соседних, в то время как при параллельной схеме работающий аппарат связан со всеми остальными, что не обеспечивает условий их запуска. При параллельной схеме соединения один запустившийся ПВСА прокачивает воду сразу через все остальные неработающие аппараты и, таким образом, не в состоянии обеспечить расход, достаточный для их запуска.

Расчеты, выполненные с целью определить зависимость расходов через работающий и неработающие ПВСА, показали слабое влияние работающего ПВСА на удаленно подключенные ПВСА. Результаты расчетов представлены на графиках (рис. 6).

Рисунок 6 – Зависимость расходов G1, G2, G3, G4 ПВСА от недогрева при подключении 4-х и12-ти ПВСА Также были рассчитаны зависимости расхода от недогрева при подключении 6-ти, 8-ми,16-ти, 32-х ПВСА.

На рис. 7 представлены Параметры системы параллельно работающих ПВСА. По мере увеличения числа запустившихся ПВСА коэффициент инжекции аппарата падает, температура смеси растет, расход уменьшается.

Рисунок 7 – Параметры системы параллельно работающих ПВСА при давлении 20 ата Также рассчитаны параметры системы параллельно работающих ПВСА при давлениях 20, 40, 80, 100 ата.

При уменьшении недогрева питательной воды до насыщения температура смеси за неработающими ПВСА становится равной температуре насыщения при меньшем количестве работающих аппаратов и запуск остальных ПВСА становится невозможен.

Поскольку ПВСА и корпус установки образуют систему сообщающихся сосудов, запуск ПВСА определяется также положением парового сопла относительно уровня воды в компенсаторе объема (КО).

Схема расположения ПВСА на экспериментальном стенде «Бета-К» представлена на рис. 8.

Рисунок 8 - Схема расположения ПВСА на экспериментальном стенде Кроме того, необходимо учитывать совместное геометрическое расположение сопла ПВСА относительно камеры смешения, а также различные сопротивления участков трубопроводов ПВСА, обусловленные разным конструктивным положением.

Исходя из выше перечисленных особенностей запуска и работы ПВСА, экспериментальные исследования влияния уровня в КО на запуск ПВСА, разделены на два этапа.

На первом этапе исследовалась очередность запуска струйных аппаратов, сопла которых имеют одинаковое взаимное расположение (13 мм от «упора»). При данном исследовании начальный уровень в КО соответствует предельно высокому (~110 см). Установка предварительно была прогрета на рабочих режимах. Открыта вся арматура управления состоянием ПВСА. Парогенератор отключен по воде второго контура.

Мощность подавалась «броском» от 0 % до 98 % (~130 кВт). Данное условие было необходимо для уменьшения фактора «разгона» включившегося ПВСА, на пусковые характеристики остальных ПВСА. Регистрировались следующие величины:

- Тсм-Тв (°С) – перепад температур на напоре и всасе ПВСА – основной критерий запуска, т.к. поступление пара в ПВСА характеризуется увеличением перепада температур;

- уровень в КО (см), относительно нижней кромки корпуса (см.

рисунок 3.29);

- G11..14 (т/ч) – расход теплоносителя через струйные аппараты;

- мощность, %;

- время, с.

Время опроса датчиков установки 1сек (минимальное). Определялись:

- уровень ЕЦ Gец1..4, необходимый для запуска каждого струйного аппарата, (в качестве Gец1..4 были приняты величины расходов G11..14, до момента увеличения перепада температур Тсм-Тв);

- уровень hк0, соответствующий моменту запуска каждого аппарата;

- очередность запуска ПВСА.

Индивидуальные динамические характеристики ПВСА не рассматривались.

На втором этапе испытаний производился анализ влияния уровня КО на запуск ПВСА, применительно к конкретному ПВСА. Для исследования был выбран ПВСА1- как имеющий геометрический запас, как по верхнему, так и по нижнему положению уровня в КО. Арматура управления ПВСА2..находилась в закрытом состоянии, кольцевые перемычки ПВСА разобщены отсечными вентилями. Парогенератор отключен по воде второго контура.

Мощность плавно поднималась от 20 % до 50 %. Регистрировалось увеличение ЕЦ, порог запуска ПВСА и соответствующий уровень КО. Перед каждым последующим циклом исследований, установка приводится к начальным параметрам - путем расхолаживания водой второго контура.

Изменение первоначального уровня КО производилось путем сброса некоторого количества пара из КО через клапан вентиляции в бак «море».

Регистрировались следующие величины:

- Тсм1-Тв1 (°С) – перепад температур на напоре и всасе ПВСА – основной критерий запуска, т.к. поступление пара в ПВСА характеризуется увеличением перепада температур;

- уровень в КО (см), относительно нижней кромки корпуса (рисунок 3.29);

- G11 (т/ч) – расход теплоносителя через струйный аппарат;

- мощность, %;

- время, с.

График запуска ПВСА приведен на рис. 9.

Рисунок 9 - Совместный запуск ПВСА По результатам экспериментов был построен график зависимости пускового расхода естественной циркуляции от уровня воды в КО (рис. 10).

Рисунок 10 - График экспериментальной зависимости пускового расхода ЕЦ от уровня КО При большом числе ПВСА запуск первого аппарата происходит под действием расхода естественной циркуляции, однако наличие других ПВСА оказывает влияние на характер запуска из-за соединений камер смешения перепускной трубой. Запуск каждого следующего аппарата осуществляется уже под действием работающих аппаратов с помощью перепускной трубы.

Естественно, что расход через перепускную трубу в этом случае имеет такое же решающее значение, как и расход естественной циркуляции при запуске первого ПВСА. При уменьшении коэффициента инжекции вследствие увеличенного сопротивления всасывающей магистрали увеличивается температура смеси за неработающим ПВСА. Это может вызвать запирание перепускной трубы из-за вскипания в ней воды. Если запирание происходит, то расход через перепускную трубу будет определяться уже не перепадом давления между камерами смешения работающего и неработающего аппаратов, а недогревом смеси до состояния насыщения. Это явление играет отрицательную роль, поэтому нежелательно иметь большую разницу между коэффициентами инжекции работающего и неработающего ПВСА.

В четвертой главе рассмотрены потери механической энергии в работающем ПВСА, вызванные расходом через соединительную перемычку, при одном или нескольких работающих ПВСА. Эти потери могут быть определены исходя из повышения давления в скачке конденсации работающего аппарата.

см см (5) ск = в - 1 см в где см - скорость смеси, в - скорость воды в камере смешения. Изменение приращения давления в скачке, вызванное расходом через перемычку, будет см см 2 см ск = 2g - 1 - 2g - 1 (6) в в см где см = см + п - суммарный поток жидкости перед диффузором; g - динамический напор перед диффузором. Изменение напора ПВСА, вызванное изменением величины скачка и повышением перепада давления в диффузоре, составит см ин (7) g ум = g - 1 2 - g см Уменьшение относительного напора будет равно см = 2 - g - 1 (8) см График, построенный по этому уравнению приведен на рисунке 10. Из графика следует, что потери в работающем ПВСА, связанные с расходом через перепускную трубу, сильно зависят от величины относительного расхода Y=Gnm/Gсм и от КПД диффузора g.

На рис. 11 представлена зависимость потерь относительного напора E от относительного расхода через перемычку Y при разных углах входа потока .

1,0,0,0,0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,Относительный расход через перемычку, Y 15° 30° 45° 60° 90° Рисунок 11 - Зависимость потерь относительного напора E от относительного расхода через перемычку Y при разных углах входа потока С целью снижения дополнительных потерь рассмотрены три системы подвода дополнительного потока:

1. Подвод через конические отверстия;

2. Подвод через кольцевые щели;

3. Подвод через кольцевые щели с внезапным расширением сечения.

На рис. 12 представлены результаты экспериментов по потерям в камере смешения ПВСА.

0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,Относительный расход, Y Камера смешения с отверстиями Камера смешения с одной щелью Рисунок 12 - Результаты экспериментов по потерям в камере смешения ПВСА E Потери относительного напора, Общие потери ПВСА, E Зависимость изменения относительных потерь Е от относительных сечений Х перепускной трубы и камеры смешения представлена на рис. 13.

0,0,0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 -0,Относительное сечение перепускной трубы и камеры смешения, Х Относительные потери, Е Рисунок 13 - Зависимость изменения относительных потерь Е от относительных сечений Х перепускной трубы и камеры смешения На основании анализа потерь разработана конструкция ПВСА с минимальными потерями за счет максимального использования скорости подводимого потока представленная на рис. 14.

Рисунок 14 - ПВСА с осевым подводом дополнительного потока.

В пятой главе работы рассмотрено определение области возможной работы ПВСА в циркуляционном контуре и особенности работы ПВСА на различных режимах и, в частности переход с правой на левую ветку зависимости Gсм= Gсм(Ts).

На основании изложенного в предыдущих разделах можно сформулировать следующие условия запуска остановленного ПВСА с помощью естественной циркуляции:

1. Температура смеси неработающего ПВСА должна быть ниже температуры смеси при давлении в контуре;

2. Для работающего ПВСА должно выполняться условие:

Относительные потери, Е 2 -2 - -2b ( ) b t ' Pd fcm -b -(1-d )- Ek -Hdv 2 (9) fпс n fпв (1-) fпв0 3. Для работающего ПВСА должно выполняться условие:

пр ин = ин - к пр где ин- потеря относительного напора; ин - относительный напор ПВСА;

к - относительное сопротивление контура.

Одновременное выполнение всех трех условий возможно только в некоторой области параметров, как это следует из графика на рис. 15. Если провести на этом графике горизонтальную прямую параллельно оси абсцисс, при некотором значении Рпр, то, двигаясь по этой прямой слева направо, можно последовательно пройти три области параметра недогрева воды до насыщения на входе в ПВСА Ts.

Область 1 – работа невозможна из-за ограничения по горячей воде;

Область 2 – работа возможна;

Область 3 – работа невозможна из-за слишком холодной воды.

Рисунок 15 - Область возможной работы ПВСА При изменении характеристик контура и ПВСА область возможной работы может увеличивается или уменьшается. Для каждого конкретного сочетания параметров контура, используя приведенные в предыдущих главах формулы, можно построить кривые, аналогичные изображенным на рис.15 и выявить влияние характеристик ПВСА и контура на область возможной работы для каждого конкретного случая.

Рассмотрим процессы, происходящие в ПВСА в зависимости от недогрева воды до насыщения на входе в ПВСА при фиксированных значениях теплофизических параметров, и фиксированном расходе пара через паровое сопло.

Правая часть графика. При больших значениях недогрева воды до насыщения на входе в ПВСА Ts, пар, поступающий в сопло, конденсируется практически в срезе парового сопла, в связи с тем, что расход воды через инжектор слишком велик для перемещения скачка конденсации пара в цилиндрическую часть камеры смешения. Как следствие, запуск ПВСА в данной области невозможен из-за явления, которое можно обозначить как «затапливание» ПВСА. Согласно графику ограничения запуска по предельному напору, ПВСА, при этом, находится в условиях превышения предельного напора.

По мере уменьшения недогрева воды до насыщения на входе в ПВСА Ts создаются все более благоприятные условия для запуска ПВСА. И, вследствие этого, скачок конденсации пара происходит уже не на срезе парового сопла, а сдвигается относительно среза парового сопла в сторону камеры смешения. Однако, запуск ПВСА все еще невозможен из-за большой площади скачка конденсации, поскольку он все еще происходит в приемной камере. ПВСА все еще находится в условиях превышения предельного напора.

Центральная часть графика. Далее, по мере уменьшения недогрева воды до насыщения на входе в ПВСА Ts, пар уже способен преодолеть участок приемной камеры без конденсации, даже при дальнейшем уменьшении площади приемной камеры, по мере приближения к камере смешения. Таким образом, скачок конденсации происходит уже непосредственно в камере смешения, и запуск ПВСА становится возможен.

Однако, существует такая область комбинации параметров теплоносителя и геометрических параметров ПВСА, в которой запуск по прежнему невозможен из-за ограничения по холодной воде. Причем, при достижении некоторого значения недогрева воды до насыщения на входе в ПВСА Ts, график ограничения по предельному напору проходит точку экстремума, что говорит о стабилизации процессов в ПВСА. Можно, сказать, что именно в этой области располагаются режимы оптимальной работы ПВСА. При увеличении сопротивления контура, и, как следствие, уменьшения расхода ПВСА, изменения напора не происходит до достижения контуром некоторого сопротивления, при котором происходит срыв работы ПВСА. По мере возрастания сопротивления контура происходит смещение скачка конденсации из зоны начала диффузора сначала в конец камеры смешения и, далее, в начало камеры смешения, то есть по направлению к паровому соплу.

Поскольку, площадь сечения камеры смешения является константой, скачок конденсации обеспечивает повышение давления на выходе из ПВСА на всем протяжении своего перемещения. При дальнейшем смещении скачка, он премещается в приемную камеру, которая имеет конический участок, и площадь сечения скачка увеличивается. Энергии скачка уже недостаточно для удержания давления на выходе из ПВСА и происходит срыв его работы.

Левая часть графика. При дальнейшем уменьшении недогрева воды до насыщения на входе в ПВСА Ts, количество пара постепенно превышает возможности пассивной среды по его конденсации. Таким образом, происходит явление, называемое «запариванием» ПВСА. В данных условиях запуск ПВСА невозможен из-за недостатка расхода пассивной среды через ПВСА. То есть, напор не может быть обеспечен при существующих комбинациях теплофизических параметрах теплоносителей.

Это соответствует левой части графика, постепенно загибающейся к оси абсцисс.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что при запуске ПВСА при помощи естественной циркуляции, считая фиксированными параметры теплоносителей, определяющее значение имеет собственно недогрев воды до насыщения на входе в ПВСА Ts, при уменьшении которого происходит перемещение скачка конденсации по направлению от среза парового сопла к диффузору что и приводит, собственно, к запуску ПВСА.

Очевидно, что запуск ПВСА возможен при достижении питательной водой некоторой температуры, которую можно назвать температурой запуска по воде, подаваемой на вход ПВСА. В зависимости от геометрических параметров ПВСА, а также других параметров установки (температур, давлений, сопротивлений), температура воды, при которой ПВСА запустится может быть различной. Рассмотрим изменение температуры запуска ПВСА по холодной воде в зависимости от расхода естественной циркуляции.

При незначительном расходе естественной циркуляции для запуска ПВСА, то есть, формирования скачка конденсации в цилиндрической части камеры смешения, возможно увеличение недогрева воды до насыщения на входе в ПВСА Ts. По мере увеличения расхода естественной циркуляции, запуск ПВСА возможен при уменьшении недогрева воды до насыщения на входе в ПВСА.

Из графика ограничения по холодной воде (кривая «Х») следует, что, наиболее выгодные условия, с точки зрения температуры холодной воды, для запуска ПВСА возникают при наименьшем коэффициенте инжекции. В этом случае ПВСА может обеспечивать минимальный подогрев воды при работе.

Однако, существующие ограничения по предельному напору, рассмотренные в предыдущем параграфе, и ограничения по горячей воде, которые будут рассмотрены ниже, сужают область запуска ПВСА по холодной воде, то есть, при увеличении коэффициента инжекции необходимо уменьшать недогрев до насыщения на входе в ПВСА.

Для практического использования указанной зависимости необходимо представлять себе, что, при фиксированном расходе естественной циркуляции, чтобы ПВСА запустился, требуется недогрев воды до насыщения на входе в ПВСА снижать, например, изменяя давление в контуре.

Ограничение по горячей воде (кривая «Г») определяется таким состоянием процесса работы ПВСА, когда температура смеси на выходе из ПВСА достигает температуры насыщения и ПВСА прекращает работу независимо от коэффициента инжекции. ПВСА «запаривается». Вода, в данном случае, неспособна сконденсировать паровой факел и он заполняет все пространство ПВСА.

Аналогично процессам, рассмотренным в предыдущем параграфе, можно отметить, что запуск ПВСА произойдет только в случае, если, при фиксированном расходе естественной циркуляции, температура этого теплоносителя не будет превышать некоторого максимально возможного значения температуры запуска.

Очевидно, что при увеличении расхода естественной циркуляции, для получения скачка конденсации в цилиндрической части камеры смешения ПВСА необходимо уменьшать недогрев воды до насыщения на входе в ПВСА.

По мере снижения расхода естественной циркуляции, возможно и увеличение недогрева воды до насыщения на входе в ПВСА Ts.

Кривая ограничения по горячей воде «Г» является границей области, когда, даже при любом изменении расхода естественной циркуляции, ПВСА не может быть запущен при недогреве воды до насыщения, меньшем некоторого значения.

С точки зрения физических процессов происходящих в ПВСА, смысл кривой ограничения по горячей воде «Г» состоит в том, чтобы получить при данной температуре воды и удержать скачок конденсации в некотором сечении цилиндрической части камеры смешения для запуска ПВСА.

Запуск каждого последующего ПВСА в установке представляет собой физический процесс достижения требуемых для преодоления ограничений запуска теплофизических параметров (кривые ограничений).

Определение области возможной работы ПВСА позволяет прогнозировать работу ПВСА при нестационарных процессах запуска, остановки, перехода на долевые режимы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета условий запуска ПВСА, выполняющих роль циркуляционных средств в первом контуре ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата при их параллельной работе. В работе получены следующие результаты:

1. Изучено влияние параметров циркуляционного контура и величины движущего напора естественной циркуляции на запуск одиночного ПВСА.

Исследовано влияние недогрева воды на входе на потери энергии в ПВСА.

2. Исследован запуск ПВСА при помощи естественной циркуляции.

3. Дана оценка влияния расхода через соединительную перемычку на потери энергии в ПВСА. Определено влияние сопротивления всасывающей ветви на коэффициент инжекции неработающего ПВСА.

4. На основании анализа потерь определены условия запуска неработающего ПВСА при нескольких работающих ПВСА.

5. Обоснована и разработана схема соединения ПВСА. Исследовано влияние схемы соединения ПВСА на запуск. Рассмотрено влияние числа параллельно работающих ПВСА на пусковые характеристики циркуляционного контура.

6. Обоснована и разработана конструкция проточной части ПВСА позволяющая снизить потери при подводе дополнительного потока.

7. Определено понятие области возможной работы ПВСА и исследованы факторы, определяющие граничные условия возможной работы.

Рассмотрены граничные условия области возможной работы.

8. Выполненные исследования являются решением проблемы запуска ПВСА при параллельной работе в первом контуре моноблочной ядерной энергетической установки и позволяют реализовать принцип конструктивной безопасности за счет отказа от циркуляционного насоса первого контура.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

I. В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ:

1. Шаманов Н.П., Шаманов Д.Н., Андреев А.Г. Особенности запуска струйного аппарата в первом контуре ядерной паропроизводящей установки.

– Морской вестник №2, 2011 г., стр. 49 – 51. (автор – 33%) 2. Шаманов Н.П., Андреев А.Г. Определение области возможного запуска неработающего пароводяного струйного аппарата в случае двух параллельно работающих аппаратов. – Морские интеллектуальные технологии №3, 20г., стр. 37 – 39. (автор – 50%) 3. Шаманов Н.П., Кожемякин В.В., Шаманов Д.Н., Соломянский В.Б., Андреев А.Г., Коршунов А.И. Экспериментальные исследования на полунатурном стенде судового ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата «Бета-К» на Приморской учебно-научной базе СПбГМТУ. – Морские интеллектуальные технологии №4, 2011 г., стр.21–28. (автор – 17%) II. Прочие публикации:

4. Разработка научно-технологической базы для создания ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата для плавучих АЭС с высоким уровнем безопасности и энергосбережения за счет использования струйных технологий. Отчет о НИР. (промежуточ., этап № 1): Государственный контракт № П965/Х-237;СПбГМТУ; рук. Шаманов Н.П.; исполн.: Кожемякин В.В., Андреев А.Г.[и др.].- Санкт-Петербург, 2009.- 87 с.- № ГР 01200961489.

(автор – 20%) 5. Разработка научно-технологической базы для создания ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата для плавучих АЭС с высоким уровнем безопасности и энергосбережения за счет использования струйных технологий. Отчет о НИР. (промежуточ., этап № 2): Государственный контракт № П965/Х-237;СПбГМТУ; рук. Шаманов Н.П.; исполн.: Кожемякин В.В., Андреев А.Г.[и др.].- Санкт-Петербург, 2010.- 141с.- № ГР 01200961489.

(автор – 20%) 6. Разработка научно-технологической базы для создания энергосберегающей безбойлерной системы теплоснабжения со струйными средствами циркуляции не требующими затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя. Отчет о НИР. (промежуточ., этап № 1): Государственный контракт № 14.740.11.0106/Х-341;СПбГМТУ; рук. Шаманов Н.П.; исполн.:

Кожемякин В.В., Андреев А.Г.[и др.].- Санкт-Петербург, 2010.- 133с.- № ГР 01201064664. (автор –20%) 7. Разработка научно-технологической базы для создания ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата для плавучих АЭС с высоким уровнем безопасности и энергосбережения за счет использования струйных технологий. Отчет о НИР. (заключ.): Государственный контракт № П965/Х237;СПбГМТУ; рук. Шаманов Н.П.; исполн.: Кожемякин В.В., Андреев А.Г.[и др.].- Санкт-Петербург, 2011.- 141с.- № ГР 01200961489. (автор – 20%) 8. Разработка научно-технологической базы для создания энергосберегающей безбойлерной системы теплоснабжения со струйными средствами циркуляции не требующими затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя. Отчет о НИР. (промежуточ., этап № 2): Государственный контракт № 14.740.11.0106/Х-341;СПбГМТУ; рук. Шаманов Н.П.; исполн.:

Кожемякин В.В., Андреев А.Г.[и др.].- Санкт-Петербург, 2011.- 137с.- № ГР 01201064664. (автор – 20%) 9. Разработка научно-технологической базы для создания энергосберегающей безбойлерной системы теплоснабжения со струйными средствами циркуляции не требующими затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя. Отчет о НИР. (промежуточ., этап № 3): Государственный контракт № 14.740.11.0106/Х-341;СПбГМТУ; рук. Шаманов Н.П.; исполн.:

Кожемякин В.В., Андреев А.Г.[и др.].- Санкт-Петербург, 2011.- 78с.- № ГР 01201064664. (автор – 20%) _____________________________________________________________________________ Изд-во СПбГМТУ, Лоцманская, Подписано в печать 15.05. 2012. Зак. 4360. Тир. 80. 1,2 печ. л.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.