Парогенератор представляет собой совокупность параллельных парогенерирующих каналов. В такой системе возможно появление межканальной неустойчивости различного типа. Явление это нежелательно, поскольку приводит к появлению пульсаций температуры конструктивных элементов парогенераторв и снижает его ресурс. Известны методы борьбы с межканальной неустойчивостью: установка дроссельных устройств на входе в теплопередающие трубки, промежуточное коллектирование и др. В ПГ с жидкометаллическим обогревом основным средством борьбы с межканальной неустойчивостью является установка дроссельных шайб на входе. Для правильного выбора сопротивления на входе в парогенерирующие каналы необходимо уметь рассчитывать границы устойчивой работы по режимным и геометрическим параметрам ПГ. Этому вопросу посвящено большое количество специальной литературы [44—46], поэтому на межканальной теплогидравлической неустойчивости остановимся лишь весьма кратко.
Развитие вычислительной техники и методов решения привело к тому, что в настоящее время возможно прямое решение уравнений энергии, движения и неразрывности для парогенерирующих каналов, обогреваемых жидкометаллическим теплоносителем [47, 48] при нестационарных условиях. Рекомендации для расчета коэффициентов трения и теплообмена, полученные в стационарных условиях, применимы к расчету динамики парогенератора при частотах, характерных для реальных аппаратов [47]. Подтверждена возможность применения рекомендаций по расчету условий перехода к ухудшенному теплообмену, конечно, при использовании динамических значений определяющих параметров pw, х, q. Объем вычислительной работы при решении нестационарной задачи сопоставим с трудоемкостью определения границ устойчивости широко используемым методом годографа. При этом прямой динамический расчет дает дополнительную информацию по характеристикам неустойчивых режимов — амплитуде и частоте пульсаций расхода, амплитуде пульсаций температуры в разных сечениях ПГ.
Самым простым методом оценки границ устойчивости является использование критерия Петрова
(3.155) где ΔΡ3 — потери напора на экономайзере от входного коллектора до начала кипения; ΔΡн — потери напора на испарительном участке от начала кипения до выходного коллектора. Этот критерий получен из более общего условия устойчивости
(3.156) введением упрощающих гипотез. Упрощения не способствовали хорошей работоспособности критерия (3.155). Практически для каждого конкретного аппарата необходимо экспериментально получить значение константы, разделяющей области устойчивости и неустойчивости. Автоматизация теплогидравлических расчетов позволяет воспользоваться условием устойчивости в форме (3.156). В [49] показано удовлетворительное согласие (3.156) с экспериментальными данными, полученными на электрообогревательных параллельных парогенерирующих каналах.
Значительно меньшее внимание уделено в литературе другим типам неустойчивости, в которых определяющую роль играют не закономерности гидравлики, а закономерности теплопередачи. Один тип подобной неустойчивости уже рассмотрен, когда обсуждалась теплопередача через двухслойные трубы. Остановимся еще на одном типе неустойчивости, который может иметь место в модульно-секционных парогенераторов и прямотрубных модулях.
При работе ПГ на частичных нагрузках значительная часть поверхности практически не работает, температуры греющего и нагреваемого теплоносителей в этой области практически равны, а тепловой поток близок к нулю. Такой режим работы ПГ называют работой с балластной зоной. Обычно «холостая» зона расположена на выходе парогенерирующих каналов с перегревом пара. При определенном сочетании расходов теплоносителей, температуры на входе и давлении возможна другая ситуация, когда холостая зона расположена в области перехода от конвекции к кипению, где температурный напор минимален. На рис. 3.25 показана Q — Т-диаграмма, соответствующая такому сочетанию параметров, при котором в двух точках (на выходе и в х=0) температурный напор обращается в нуль. Где же в этом случае будет находиться балластная зона?
Рис. 3.25. Q — T-диаграмма ПГ с неустойчивой балластной зоной:
1 — температура греющего теплоносителя.
2— температура воды/пара; 3— точка начала объемного кипения
Ответить на этот вопрос можно, только введя некоторые отклонения от предложенной идеальной ситуации, причем достаточно малейшего отклонения одного из температурных напоров Δt0 или ∆tвых для весьма существенного изменения распределения температуры по длине. Следовательно, при равенстве нулю температурного напора в двух точках Q — T-диаграммы мы имеем типичную неустойчивую систему, чувствительную к малым возмущениям параметров. Эта неустойчивость сугубо тепловая и не требует обратного влияния изменения температурного поля на входные параметры. Реально же такая обратная связь всегда присутствует в большей или в меньшей степени в зависимости от конкретного конструктивного исполнения парогенераторов и значений режимных параметров. ·
Рассмотрим п включенных параллельно секций ПГ, работающих на частичной нагрузке при условии равенства нулю двух температурных напоров для ПГ в целом:
(3.157)
В силу того что все секции не могут быть абсолютно идентичными, часть секций перейдет в режим с балластной зоной на выходе, часть — в режим с балластной зоной в начале испарения, т. е. практически на входе. Совершенно очевидно, что гидравлическое сопротивление секций, работающих с балластной зоной на выходе, выше, чем гидравлическое сопротивление секций с балластной зоной на входе. Это приводит к перераспределению расхода воды между секциями, причем направление изменения расхода направлено в сторону развития возмущения. В результате и мощность секций, и параметры пара на выходе оказываются различными. Различия будут тем существеннее, чем больше относительная доля потерь напора на теплообменнике в общем перепаде давления между коллекторами.
Рассмотренная неустойчивость режима работы секций ПГ имеет апериодический характер, т. е. не приводит к периодическим колебательным процессам. Тем не менее работа в таком режиме недопустима, поскольку приводит к подаче в общий коллектор потоков с существенно разной температурой, переводит модули пароперегревателя в испарительный режим работы, вызывает значительные динамические воздействия на элементы конструкций при входе в область неустойчивости и выходе из нее.
Для проявления тепловой неустойчивости не обязательно строгое равенство нулю температурных напоров в двух точках Q — Τ-диаграммы. Достаточно иметь высокую чувствительность температурного напора в точке начала объемного кипения при одновременном избытке поверхности, определяемую соотношением:
(3.158)
(3.159)
где Δt0— температурный напор в сечении х = 0.
При выполнении условия (3.157) оба эти выражения обращаются в бесконечность, что означает абсолютную неустойчивость. При положительном, отличном от нуля знаменателе в (3.158) и (3.159) возможность возникновения неустойчивости зависит от отклонений расходов теплоносителей от среднего и может быть оценена из условия
(3.160) где δG1 и δG2 — отклонения расходов греющего и нагреваемого теплоносителей от среднего значения.
Апериодическая неустойчивость рассмотренного типа наиболее вероятна в конструкциях с большим количеством параллельно включенных модулей, в частности в микромодульных конструкциях. С таким типом неустойчивости пришлось столкнуться, например, при эксплуатации микромодульных парогенераторов АЭС «Феникс». При некоторых конструктивных исполнениях теплообменных модулей возможно создание условий для возникновения тепловой неустойчивости в пределах модуля. При этом одни теплопередающие трубки работают с пониженным расходом воды и буферной зоной на выходе, другие — с повышенным расходом воды и буферной зоной на входе. Например, в прямотрубных модулях с боковым подводом теплоносителя по сечению трубного пучка устанавливается некоторое распределение расхода греющего теплоносителя, причем отклонения от среднего могут быть существенными [52]. В результате, если величина Δt0 в (3.160) недостаточно велика, возможно выполнение условий потери устойчивости. Средние температуры стенки теплопередающих труб, работающих в разных режимах, оказываются различными, а это приводит к появлению нескомпенсированных усилий в узлах заделки труб в трубные доски. Точный анализ условий возникновения неустойчивости в пределах модуля значительно сложнее, чем анализ невзаимодействующих друг с другом параллельных секций. В этом случае необходимы двух- и трехмерные расчеты, учитывающие сложный характер взаимодействия различных областей трубного пространства.
