Устройства для определения текущих параметров влажного пара в паропроводе парогенератора энергетического реактора

Устройства для определения текущих параметров влажного пара в паропроводе парогенератора энергетического реактора

В работе предлагаются два варианта реализации устройства для определения текущих параметров массового и теплового расходов, энтальпии и степени сухости потока влажного пара в паропроводе парогенератора энергетического реактора. Актуальность таких измерительных устройств определяется необходимостью повышения параметров эффективности и уровня безопасности использования промышленных источников тепловой энергии на АЭС, ТЭЦ и котельных [1].

Известен опыт использования сигнала измерительной диафрагмы в качестве измерителя расходного параметра потока влажного пара в паропроводе парогенератора энергетического реактора [2]. Использование такого измерителя расхода обеспечивает приемлемое качество регулирования уровня теплоносителя и материального баланса парогенератора. В то же время, вследствие увеличения гидравлического сопротивления из-за установки расходомерных диафрагм, возникают заметные потери энергии пара. В результате этого снижается экономичность работы реакторных блоков. Кроме того, установка расходомерных диафрагм требует использования крупногабаритных фланцевых разъёмов.

Обосновано и принято решение [2] по отказу от установки диафрагм в паропроводах парогенераторов энергетических реакторов, и показана актуальность устройств (измерительных систем) с измерителями сигналов непосредственно в паропроводе парогенератора, не оказывающих заметного сопротивления контролируемому потоку, и не требующих фланцевых разъемов паропроводов. Электрогорским Научно-исследовательским центром (ЭНИЦ) по безопасности атомных энергетических станций разработано такое устройство для измерения расходного параметра влажного пара в паропроводе парогенератора реакторного блока ВВЭР-1000 [3] на основе использования помещенного в паропровод зонда с двумя измерительными трубками. На рис. 1 показана схема этого известного устройства. Устройство содержит помещенный в паропровод 1 измерительный зонд 2 содержащий: измерительную трубку 3 с приёмником давления 4 открытым навстречу потоку пара и вторую измерительную трубку 7 с приёмником давления 8 открытым в сторону движения контролируемого потока пара. Также устройство содержит установленную в паропровод трубку 5 с приёмником статического давления 6 у стенки паропровода, преобразователь перепада давлений 9 к входам которого подключены выходы трубок 3 и 7; преобразователь статического давления 11 к входу которого подключена трубка 5; контроллер 12 с подключёнными выходами преобразователей. По сигналу преобразователей 9 и 11 контроллер 12 вычисляет расходный параметр контролируемого потока влажного пара.

Исследование устройства [3] выполнялось на стенде расходомерных устройств реакторного блока ВВЭР-1000 в диапазоне параметров влажности, и давления характерных для эксплуатации каждого парогенераторов этого реакторного блока. Испытания и опытная эксплуатация устройства выполнены на реакторном блоке № 3 Балаковской АЭС. По результатам этих испытаний устройство рекомендовано в качестве измерителя расходного параметра влажного пара для системы регулирования уровня и материального баланса парогенератора энергетического реактора [2].

Однако следует признать, что, как и измерительная диафрагма, такое устройство [3] не является измерителем расхода влажного пара [4]. В паропроводе же парогенератора энергетического блока ВВЭР-1000, при нормальных условиях его эксплуатации течет влажный пар со степенью сухости от 0,98 до 0,92 [2]. При этом перепад давления, измеряемый двумя напорными трубками устройства, формируется обеими фазами контролируемого потока. Связь этого измеряемого перепада давлений на двух напорных трубках устройства [3] с физическими параметрами потока, в том числе и с массовым расходом, приведена в работе [4]. В этой работе на примере известной системы (устройства) измерения [2, 3] показана суть ограничения ее применения для контроля расхода влажного пара. В частности, показано, что использование такого устройства в качестве расходомера физически обосновано только для перегретого пара. Для использования же этого устройства в качестве расходомера влажного пара его информационный базис необходимо дополнить от внешнего (стороннего) источника двумя другими независимыми параметрами, например, сигналом скорости движения паровой фазы и сигналом степени сухости контролируемого потока.

Использование этого устройства [3], без дополнения его информационного базиса двумя другими линейно независимыми физическими параметрами потока не обеспечивает корректного решения задачи определения массового расхода влажного пара. При этом следует также принимать во внимание то, что измеряемый преобразователем 9 перепад давления формируется суммой от составляющей динамического напора и от составляющей динамического разрежения. Составляющая динамического напора — это функция торможения обеих фаз контролируемого потока в приемнике давления 3 открытым навстречу потоку (эффективной динамической плотности и скоростей обеих фаз контролируемого потока, ~85% от общего перепада давления, измеряемого преобразователем 9). Составляющая динамического разрежения — это функция плотности и скорости паровой фазы контролируемого потока, обтекающего приемник давления 8 открытый в сторону движения потока, ~15% от общего измеряемого перепада давления. В этом устройстве [3] составляющая перепада давления от динамического разрежения, а также составляющая перепада давления от динамического напора отдельно не измеряются, а фактически растворяется в измеряемом общем перепаде давления от этих составляющих. Устройство [3] не обладает функцией определения теплового расхода и энтальпии контролируемого потока влажного пара. А определяемое им значение массового расхода влажного пара обладает большой погрешностью, так как в принятой расчетной процедуре не используются такие величины как «расходная плотность» и «расходная скорость» потока. Расчетной процедуре от информационного базиса устройства [3] доступны только плотность паровой и плотность жидкой фаз потока, а также перепад давления, являющийся функцией четырех не измеряемых параметров потока [4]. Устройство [3] реализует гомогенную однофазную расчетную модель определения массового расхода перегретого пара.

Результаты исследования тепловой производительности и эффективности парогенераторов влажного пара, представленные в работе [5], показывают, что без средств контроля параметров массового и теплового расходов, а также степени сухости и энтальпии влажного пара предопределяется низкая эффективность их эксплуатации. В частности, на основании имеющегося экспериментального материала по одному из парогенераторов влажного пара, за время его эксплуатации в период с 06.12.2007 г. по 09.05.2008 г., эффективность (КПД) парогенератора уменьшилась от значений, равных ~0,78 до значений, ~0,51. При паспортной производительности парогенератора 24 МВт, во время наладочных работ его рабочий диапазон производительности составлял от 12,2 МВт до 23,71 МВт, при КПД равном ~0,78. После же передачи парогенератора в эксплуатацию персоналу владельца парогенератора его диапазон производительности наблюдался в уменьшенных пределах: от 13,61 МВт до 19,14 МВт, при КПД, равном ~0,51. Представленный материал показывает реальный уровень потерь от эксплуатации парогенераторов энергетических реакторов без средств контроля параметров влажного пара.

Для повышения эффективности работы парогенераторов влажного пара необходима измерительная система, обеспечивающая определение массовых, тепловых и качественных параметров генерируемого потока пара. В такой измерительной системе могут быть использованы предлагаемые в настоящей работе два варианта устройства для определения текущих значений степени сухости, энтальпии, теплового и массового расхода потока влажного пара [7, 8].

На рис. 2 показана схема одного из таких устройств, определяющих текущие параметры влажного пара.

Это устройство [7] содержит помещенный в паропровод 1 зонд 2 с тремя измерительными трубками 3, 5, 7. Трубка 3 начинается приемником динамического напора 4, трубка 5 — приемником статического давления 6, трубка 7 — приемником динамического разрежения 8. В состав этого устройства входят так же преобразователь перепада давлений 9, второй преобразователь перепада давлений 10, преобразователь статического давления 11, и контроллер 12. Приемные окна трубок статического давления 6, динамического разрежения 8, динамического напора 4 расположены на несущественном удалении одно от другого, в зоне средних скоростей движения фаз потока. По сигналу преобразователя статического давления 11 определяют параметр скольжения фаз, а также: плотность паровой фазы, плотность жидкой фазы, энтальпию паровой фазы, энтальпию жидкой фазы.

По сигналу преобразователя перепада давления 9 (преобразователя динамического напора) и сигналу второго преобразователя перепада давления 10 (преобразователя динамического разрежения) определяют истинное объемное паросодержание, скорость движения паровой фазы влажного пара и скорость движения жидкой его фазы. По полученным таким образом значениям истинного объемного паросодержания и скоростей фаз потока используя представленную в работе [7] расчетную модель вычисляют другие физические параметры потока влажного пара. Например, массовый и тепловой расход, энтальпию и степень сухости контролируемого потока пара.

массовый тепловой влажный пар безопасность Существенные отличия предлагаемого устройства [7] от устройства разработанного на предприятии ЭНИЦ [3] состоят в следующем:

• 1. Перемещение трубки отбора статического давления 5 от стенки трубопровода 1 в зонд 2 (см. рис. 2) позволило получить источник двух новых сигналов — динамического напора (разность давления между трубками 3 и 5) и динамического разрежения (разность давления между трубками 5 и 7).
• 2. Измерение динамического напора осуществляется преобразователем перепада давления 9. При этом входы преобразователя подключены к выходам трубок 3 и 5. Устройством ЭНИЦ динамический напор не измеряется.
• 3. Измерение статического давления, осуществляется преобразователем статического давления 11 подключенным к выходу трубки 5 с приемником 7.
• 4. Измерение динамического разрежения осуществляется вторым преобразователем перепада давления 10 (В прототипе этого прибора нет). В состав устройства введен второй преобразователь давления. Входы этого преобразователя подключены к выходам трубок 5 и 7 (в прототипе динамическое разрежение не измеряется).
• 5. Изменения по пп. 1 — 4 обеспечили получение информационного базиса, позволившего предлагаемому устройству [7] реализовать физически обоснованную расчетную модель двухфазного потока влажного пара со скольжением фаз. Что, в свою очередь обеспечило возможность определения текущих значений теплового и массового расходов, энтальпии и степени сухости контролируемого потока влажного пара.

На ряде объектов, где, например, предъявляются требования интегрирования измерительного зонда с преобразователями перепада давления, и (или), возможен переход пара в перегретое состояние, может использоваться вариант измерителя [8] показанный на рис. 3.

Этот вариант измерителя параметров потока влажного пара содержит: паропровод 1, с установленными в нем двумя измерительными зондами 2 и 3. Трубку для измерения статического давления в паропроводе 2.4, датчик температуры 3.5, трубку для измерения динамического напора 2.1, трубку для измерения статического давления 2.2, трубку для измерения статического давления 3.1, трубку для измерения динамического разрежения 3.2. Преобразователь динамического напора (перепада давления между трубкой динамического напора и трубкой статического давления) 6; преобразователь статического давления 7; преобразователь температуры 8; преобразователь динамического разрежения (перепада давления между трубкой статического давления и трубкой динамического разрежения) 9; контроллер 10, подключенный к выходам всех преобразователей.

В устройстве трубка для измерения динамического напора 2.1 и трубка для измерения статического давления 2.2 расположены в измерительном зонде 2, трубка для измерения статического давления 3.1 и трубка для измерения динамического разрежения 3.2 расположены в измерительном зонде 3. Трубка 2.4 для измерения статического давления помещена в измерительный зонд 2. Датчик для измерения температуры 3.5 установлен в измерительный зонд 3.

По сигналам преобразователей статического давления 7 и температуры 8 определяют диапазон агрегатного состояния теплоносителя (недогретая до кипения вода; влажный пар; пар на «линии насыщения» или несущественно перегретый пар; перегретый пар); по полученному диапазону агрегатного состояния теплоносителя выбирают расчетную модель для вычисления параметров теплоносителя.

В описании источника [8] представлен пример реализации расчетной модели для влажного пара. По сигналу преобразователя статического давления 7 определяют параметр скольжения фаз, а также: плотность паровой фазы, плотность жидкой фазы, энтальпию паровой фазы, энтальпию жидкой фазы. По сигналу преобразователя динамического напора 6 и сигналу преобразователя динамического разрежения 9 определяют истинное объемное паросодержание, а также, значения скоростей движения паровой и жидкой фаз потока.

По текущим значениям истинного объемного паросодержания и скоростям фаз потока известным образом вычисляют массовый и тепловой расход, энтальпию и степень сухости потока влажного пара.

Следует обратить внимание на то, что этому устройству [8] доступна реализация двух дополнительных «аварийных» алгоритмов вычисления параметров пара: на элементах устройства без зонда 2 — селективный расходомер паровой фазы потока (функциональный аналог измерительной диафрагмы); и на элементах устройства без зонда 3 — функциональный аналог измерителя пара разработки ЭНИЦ [2, 3]. Этим может обеспечиваться возможность замены «на ходу» любого из двух зондов и (или) связанных с ними преобразователей без потери сигнала для регулятора уровня и материального баланса парогенератора.

Оба зонда устройства [8] могут изготавливаться в интегральном исполнении с преобразователем давления и преобразователем перепада давления. Так, например, аналогичная компоновка измерительного зонда с преобразователем перепада давления и преобразователем давления серийно выпускается компанией «Метран». Известен также ряд других компаний, производящих измерители пара на основе зонда с приемниками давления, помещаемыми в контролируемый поток, это, например, «Tobar», «Verabar», «Annubar».

Задачи детального стендового исследования элементов предлагаемых измерительных устройств [7, 8] актуальны. Для этих целей предлагается схема стенда [9] и способ исследования [10].

Вопрос автоматической настройки измерителей устройств [7, 8] непосредственно в паропроводе парогенератора энергетического реактора решен с использованием сигнала опорного значения расхода пара для ряда особых моментов или интервалов времени эксплуатации парогенератора. Общая схема реализации такой измерительной системы показана на рис. 4.

На схеме показаны: парогенератор 1 с теплообменными трубами 2, через которые тепловая энергия, выработанная в первом контуре реактора, передается теплоносителю второго контура (вода, поз. 3), с трубопроводом 4 питательной воды от конденсатора, с трубопроводом 5 подачи пара на турбину. А также: измеритель статического давления 6; измеритель динамического напора 7 и измеритель динамического разрежения 8 в трубопроводе подачи пара на турбину; измеритель расхода питательной воды 9 в трубопроводе питательной воды; измеритель уровня 10 в парогенераторе; регулирующий орган 11 в трубопроводе питательной воды; микропроцессорный программируемый блок 12. Группа измерителей 6, 7, 8 может осуществляться устройствами по патенту № 2 521 237 (RU) или устройства по патенту на изобретение № 2 564 451 (RU).

Предложенные варианты измерительного устройства для определения параметров влажного пара в паропроводе парогенератора, обеспечивают нормируемую точность определения теплового и массового расходов, энтальпии и степени сухости генерируемого парогенератором влажного пара, что существенно расширяет функциональные возможности, эффективность и качество работы всей системы управления энергетическим реактором. Реализуемость предлагаемых измерителей подтверждена используемой на Балаковской АЭС системой прямого измерения расхода пара в паропроводе парогенератора (прототипом предлагаемых устройств) разработанной научно-исследовательским центром ЭНИЦ, а так же выпускаемыми зондовыми измерителями расхода пара компании Метран.

• 1. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года.
• 2. Горбунов Ю. С. Разработка и применение на АЭС с ВВЭР-1000 системы прямого измерения расхода пара в паропроводах парогенераторов: диссертация канд. технических наук: 05.14.03. — М.: РГБ, 2007.
• 3. Нигматулин Б. И, Блинков В. Н., Агеев А. Г., Васильева Р. В., и др. Патент на изобретение № 2 243 508 (RU). Устройство для измерения расхода пара в паропроводе, 27.12.2003.
• 4. Коваленко А. В. Вопрос использования средств измерения перегретого пара для решения задач контроля тепла и массы в паропроводах влажного и насыщенного пара. Опубликовано на сайте «РосТепло», 28.12.2012 г.
• 5. Коваленко А. В. Контроль теплопроизводительности и эффективности прямоточных парогенераторов влажного пара. М., «Новости теплоснабжения», 2011 г., № 6, с. 28−32.
• 6. Коваленко А. В. Решение задач контроля степени сухости, теплового и массового расходов потока влажного пара. М., «Новости теплоснабжения», 2013 г., № 10, с. 49−51.
• 7. Коваленко А. В. Патент РФ на изобретение № 2 521 237 (RU) МПК G01N25/60 Устройство для контроля степени сухости, энтальпии, теплового и массового расходов потока влажного пара. Опубликовано 27.01.2014. Бюл. изобретений № 3.
• 8. Коваленко А. В. Патент РФ на изобретение № 2 564 451 (RU), МПК G01N25/60. Устройство для определения степени сухости, энтальпии, теплового и массового расходов потока влажного, насыщенного, и, перегретого пара. Опубликовано 10.10.2015. Бюл. изобретений № 28.
• 9. Коваленко А. В. Патент РФ на изобретение № 2 502 990 (RU), МПК G01N25/60. Устройство для исследования средств контроля потока влажного пара. Опубликовано 27.12.2013. Бюл. изобретений № 17.
• 10. Коваленко А. В. Патент РФ на изобретение № 2 551 386. G01N25/60, G01P5/00, G01F1/74. Способ определения истинного объёмного паросодержания и скоростей фаз потока влажного пара в паропроводе после узла смешения потоков перегретого пара и воды. Опубликовано 20.05.2015. Бюл. изобретений № 14.