Г л а в a 4
РАСЧЕТ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
ТИПЫ РАСЧЕТОВ, ИХ НАЗНАЧЕНИЕ
На всех этапах жизненного цикла ПГ (от разработки технических предложений до принятия решения о прекращении эксплуатации) требуется проведение большого количества разнообразных по назначению, степени сложности и физическому содержанию расчетов. Наибольший объем расчетов приходится, естественно, на этап проектирования, особенно на стадию выбора оптимального по технико-экономическим показателям технического решения. Объединим эту большую группу расчетов общим названием проектные. В задачу проектных расчетов входит:
определение геометрических характеристик теплообменников, обеспечивающих заданные параметры цикла и прочность;
определение гидравлических сопротивлений по трактам обоих теплоносителей с учетом требований по гидравлической устойчивости и пространственной равномерности;
проверка на работоспособность при пониженных нагрузках и при отключении части теплопередающей поверхности;
определение ресурса теплообменников;
расчеты на «живучесть» в условиях течи воды в натрий с определением требований к системам контроля и защиты;
компоновочные расчеты с обеспечением компенсации температурных удлинений трубопроводов обвязки и равномерной раздачи теплоносителей;
расчеты на вибро- и сейсмопрочность;
расчеты систем предварительного разогрева и аварийного расхолаживания;
расчеты водного режима и периодичности химпромывок и др.
Особое место в проектировании занимают оптимизационные расчеты, включающие в себя расчет технико-экономических показателей (функции цели) и поиск геометрических, . режимных и компоновочных характеристик, обеспечивающих оптимальность по технико-экономическим показателям. В силу особенностей ПГ с жидкометаллическим обогревом большое значение для правильной оценки конструкций имеет учет показателей надежности парогенератора в целом и его элементов.
Некоторые из перечисленных расчетов слабо зависят от конкретного конструктивного исполнения парогенераторов, другие слабо влияют на результирующие характеристики принятого конструктивного решения. Например, расчет водно-химического режима практически не зависит от конструктивного исполнения и определяется лишь теплопередающей поверхностью и конструкционными материалами. Обеспечение вибро- и сейсмопрочности, равномерности потоков по сечению ПГ, живучести при течи воды в натрий может быть реализовано частными (локальными) конструктивными решениями, не затрагивающими существенно конструкцию в целом,— установкой выравнивающих решеток, выбором места установки и диаметра разрывной мембраны, оптимальным дистанционированием и т. п. Подобные расчеты слабо влияют на решение глобальной оптимизационной задачи и могут рассматриваться отдельно. Иногда результаты этих расчетов могут привести к глобальным ограничениям, например, по единичной мощности теплообменника. Следует оговориться, что при оптимизации парогенератора, как и при анализе любого другого объекта, определение того, что важно, а что нет — дело рискованное. Такой, на первый взгляд, частный вопрос, как компенсация температурных удлинений трубопроводов обвязки, может оказаться, как показывает пример модернизации проекта АЭС «Супер-Феникс-2» [6], весьма важным в экономическом отношении.
Главными необходимыми, но, к сожалению, не всегда достаточными элементами парогенератора являются теплообменники. Именно в них выполняется основная функция — производство пара. Все остальное вспомогательно и служит одной цели — обеспечить нормальную работу теплообменников, защитить их от аварийных процессов или защитить от аварийных процессов в них другое основное оборудование АЭС. Соответственно этому, центральное положение в проектных расчетах принадлежит расчету характеристик теплообменников. Только после определения геометрии теплообменников, их тепловых и гидравлических характеристик появляется смысл в проведении остальных расчетов и необходимая для них исходная информация.
Геометрия теплообменников, их тепловые и гидравлические характеристики определяются теплогидравлическими прочностями и компоновочными расчетами. Различные этапы проектирования требуют проведения расчетов разной степени сложности и точности.
На стадии технических предложений не выдвигается высоких требований к точности расчетов, нет необходимости в детальной информации о распределении величин. При эскизном проектировании повышаются требования к точности расчета и объему информации, возникает необходимость в проведении оптимизационных расчетов, проверок работоспособности в неноминальных и аварийных режимах. В большинстве случаев на этом этапе можно ограничиться одномерными расчетами.
При рабочем проектировании необходима расчетная проверка принятых технических решений не только в части обеспечения требуемой теплопередачи, но и отсутствия нежелательных явлений типа разверток расходов и температур по пучку, появления застойных зон, недопустимых температурных напряжений и т. п. На этом этапе проектирования необходимы наиболее сложные и трудоемкие двух-, трехмерные расчеты, учитывающие особенности подвода теплоносителей и геометрию трубного пучка. Определение регламента разогрева, пуска и останова ПГ, а также проверка живучести аппарата в аварийных режимах требуют проведения динамических расчетов.
По цели проектные расчеты можно разделить на две группы — конструкторские и поверочные. Целью конструкторского расчета является получение геометрических характеристик теплообменника, обеспечивающего заданные параметры. Цель поверочных расчетов — определение фактических параметров заданного теплообменника. Такое разделение не является простой формальностью, несет в себе вполне определенную смысловую нагрузку. Конструкторские расчеты имеют большое количество «степеней свободы», т. е. параметров, задаваемых конструктором по своему усмотрению (например, диаметр труб и конструкционный материал, геометрическая форма теплопередающей поверхности, диаметр навивки змеевика и число слоев). Кроме того, конструкторские расчеты «зажаты» целым рядом технологических требований: число труб не может быть произвольным, они должны полностью заполнять выделенное цилиндрическое пространство; толщина стенки труб должна быть округлена до стандартной и т. п. Поверочные расчеты лишены указанных особенностей, и это накладывает свой отпечаток на организацию конструкторских и поверочных расчетов.
Поверочные расчеты нужны не только в процессе проектирования. Необходимость их проведения возникает и при эксплуатации парогенератора. Это, например, непроектные режимы работы установки, определение степени зашлакованности поверхностей по изменению теплогидравлических параметров, определение неизмеряемых параметров парогенераторв, определение работоспособности парогенератора после ремонта глушением труб.
Достаточная полнота и точность анализа не могут быть достигнуты без применения современной вычислительной техники и создания соответствующих математических моделей. Современная вычислительная техника, совершенствование методик расчета позволяют в настоящее время оперативно проводить проектные расчеты самых разнообразных конструкций. Развитие расчетных методик идет в направлении все большей универсализации, в объединении разных по физической сущности, но связанных параметрически, расчетов, интеграции физических и технико-экономических расчетов.
Математические модели, обеспечивающие расчет физических, технических и экономических характеристик ПГ, имеют как самостоятельное значение, например, для анализа работы действующих парогенераторов, так и служат основой для создания систем автоматизированного проектирования. В последнем случае с учетом упоминавшегося большого числа степеней свободы в конструкторских расчетах целесообразна организация диалогового режима эксплуатации математических моделей и реализующих их программ для ЭВМ.
Для абсолютного большинства ПГ с жидкометаллическим обогревом характерно антипараллельное (или параллельное) движение теплоносителей или эквивалентное ему взаимно перпендикулярное многоходовое движение теплоносителей. В этом случае теплогидравлический расчет ПГ может быть сведен к расчету одиночного парогенерирующего канала. Требованию сводимости расчета ПГ к расчету одиночного парогенерирующего канала с параллельным или антипараллельным движением теплоносителей удовлетворяет большинство применяемых конструкций. Это прямотрубные парогенераторы типа парогенераторов БН-600, змеевиковые типа используемых на АЭС «Супер-Феникс», микромодульные парогенераторы АЭС «Феникс» и парогенераторы «Надежность» АЭС БН-350. Именно о расчетах таких конструкций пойдет речь в данной главе.
Однако существуют конструкции, требующие применения специфичных методов расчетного анализа. К таким конструкциям относятся, в частности, парогенератор с трубками Фильда и парогенератор, теплообменная поверхность которых выполнена в виде параллельных винтовых змеевиков малого диаметра, помещенных в общий корпус. Методы расчета таких аппаратов представлены в гл. 5 и 6.
