Моделирование режима работы реконструированного вакуумного деаэратора

Леонтьев С. А., Шкондин И. А., инженеры

Волгодонская ТЭЦ-2

Многолетний опыт эксплуатации горизонтальных вакуумных деаэраторов ДВ-800 и ДВ-800м в схеме подпитки теплосети Волгодонской ТЭЦ-2 показал, что при нагрузках более 600 – 700 т ч серийный вакуумный деаэратор не обеспечивает стабильного выполнения норм ПТЭ по остаточной концентрации кислорода в деаэрированной воде. Кроме того, для большинства режимов характерен повышенный расход греющей воды на деаэрацию.

Для улучшения технических характеристик ДВ-800 (ДВ-800м) и снижения удельного расхода греющей воды была проведена поэтапная реконструкция [1] внутренних элементов деаэраторов ст. ¹ 3, 5:

организация дополнительного (верхнего) барботажного листа на третьей тарелке деаэратора;

частичное изменение числа отверстий тарелок деаэратора;

отвод неиспарившейся греющей воды деаэратора на вход нижнего (основного) барботажного листа.

В результате достигнута стабильная и экономичная работа деаэраторов при нагрузках более 600 т ч, в том числе сверх расчетного диапазона (более 960 т ч).

В настоящей статье рассматриваются результаты математического моделирования работы реконструированных вакуумных деаэраторов, предусматривающего достижение следующих целей:

расчет и прогнозирование экономичных режимов работы схемы подпитки теплосети;

разработка компьютерной режимной карты реконструированных деаэраторов;

анализ влияния режимных параметров на эффективность деаэрации в реконструированных ДВ-800;

сопоставление характеристик реконструированного и серийного деаэраторов.

Для построения модели использовались результаты испытаний деаэраторов после реконструкции и накопленные эксплуатационные данные в следующем диапазоне изменения режимных параметров:

нагрузка деаэратора (расход исходной воды) 390 – 1045 т ч;

температура исходной воды 26 – 44°С; расход греющей воды 40 – 385 т ч; температура греющей воды 95 – 111°С;

нагрев воды в деаэраторе (разность температур деаэрированной и исходной воды) 12 – 22°С.

Обработка результатов эксперимента выполнялась путем построения многофакторного полиноминального уравнения регрессии. В качестве целевой функции уравнения (функции отклика) принималась остаточная концентрация растворенного кислорода в деаэрированной воде. Выбор режимных параметров, участвующих в уравнении регрессии, выполнялся из условия их максимальной корреляции с целевой функцией и наименьшего взаимного влияния. Было принято во внимание справедливое замечание [2] о нецелесообразности использования величины нагрева в деаэраторе, так как она коррелирована по отношению к расходу и температурам исходной и греющей воды.

С учетом приведенных ранее рассуждений режим работы реконструированного деаэратора ДВ-800 в рассмотренном диапазоне эксплуатационных параметров описывается уравнением

C 47,06 313,gèñõ 101,gèñõ2 2,87gãð 0,022 gãð2

1939, èñõ 4,124 èñõ2 4,306 ãð 0,209 ãð2 ,

ãäå C – концентрация растворенного кислорода в деаэрированной воде, мкг дм3; gèñõ = (Gèñõ –

– 600) 200 – нормированное значение расхода исходной воды; gãð = (Gãð – 250) 150 – нормированное значение расхода греющей воды; èñõ = (tèñõ –

– 48) 18 – нормированное значение температуры исходной воды; ãð = (tãð – 100) 25 – нормированное значение температуры греющей воды; Gèñõ – расход исходной воды (нагрузка деаэратора), т ч; Gãð – расход греющей воды, т ч; tèñõ – температура исходной воды, °С; tãð – температура греющей воды, °С.

Способ нормирования независимых переменных уравнения регрессии был принят аналогично зависимостям [2], полученным при испытании серийного ДВ-800.

Наглядное графическое сравнение массива экспериментальных данных с математической моделью невозможно, так как пятифакторная зависимость не может быть полностью представлена в двух или трехмерном изображении. По этой при- чине выполнялось сравнение экспериментальных значений, полученных для различных диапазонов

нагрузки деаэраторов при небольших изменениях температур исходной и греющей воды, с сопоставимыми расчетными значениями. В целом, представленная математическая модель удовлетворительно описывает массив экспериментальных и эксплуатационных данных (пример показан на ðèñ. 1).

Íà ðèñ. 2, 3 показаны характеристики реконструированного (рассмотренная ранее математиче- ская модель) и серийного (математическая модель, разработанная В. И. Шараповым [2]) деаэраторов ДВ-800, построенные для различных сочетаний режимных параметров.

Увеличение нагрузки (расхода исходной воды) негативно сказывается на качестве деаэрированной воды серийного деаэратора. У реконструированного деаэратора наоборот минимальное остаточное содержание кислорода соответствует нагрузке от номинальной и выше, в том числе более 960 т ч. Режим работы реконструированного деаэратора не зависит от нагрузки при ее значении более 800 т ч. Необходимо отметить, что для серийного деаэратора, по сравнению с реконструиро-

. # ; ! # #

# "+ # +8 = 00> ? = 5> 9:

1, 1 – соответственно реконструированный и серийный деаэратор при Gãð = 150 ò ÷; 2, 2 – соответственно реконструированный серийный деаэратор при Gãð = 250 ò ÷; 3, 3 – соответственно реконструированный серийный деаэратор при Gãð = 350 ò ÷

. # ; ! # /

+ # "+ # +8 = 00> 9:

1 ,1 – соответственно реконструированный и серийный деаэратор при Gãð = 150 ò ÷, Gèñõ = 400 ò ÷; 2 – серийный деаэратор при Gãð = 150 ò ÷, Gèñõ = 800 ò ÷; 3 ,3 – соответственно реконструированный и серийный деаэратор при Gãð = 350 ò ÷, Gèñõ = 400 ò ÷; 4 ,4 – соответственно реконструированный и серийный деаэратор при Gãð = 350 ò ÷, Gèñõ = 800 ò ÷

ванным, свойственно значительно большее изменение содержания кислорода при изменении расхода исходной воды.

В рассмотренном массиве увеличение расхода греющей воды в реконструированном деаэраторе повышает остаточное содержание кислорода. Аналогичная зависимость и для температуры греющей воды (на графиках не показана). У серийного деаэратора увеличение количества теплоносителя повышает эффективность деаэрации при нагрузках более 500 т ч и практически не сказывается при меньших расходах исходной воды. Повышение температуры греющей воды серийного деаэратора различным образом действует на его режим:

при малых расходах греющей воды либо практически не влияет на эффективность деаэрации (нагрузки менее 500 т ч), либо несколько снижает содержание кислорода (нагрузки 800 т ч и выше); при больших расходах греющей воды снижает

эффективность удаления кислорода.

В целом изменение содержания кислорода, соответствующее изменению расхода греющей воды, для реконструированного деаэратора меньше, чем у серийного. Повышение температуры исходной воды в серийном деаэраторе способствует более полному удалению кислорода, причем степень ее влияния тем больше, чем ниже расход греющей воды и выше нагрузка. У реконструированных деаэраторов повышение температуры исходной воды снижает эффективность работы.

Обобщая полученные закономерности работы реконструированного вакуумного деаэратора необходимо отметить, что в пределах исследованного диапазона изменения режимных параметров

эффективность деаэрации тем выше, чем меньшее количество тепла вводится в деаэратор с исходной и греющей водой. Это связано с улучшением перемешивания контактирующих потоков и выравниванием тепломассообмена по всему объему аппарата за счет организации дополнительного барботажного листа, а также полного использования тепла невскипевшей греющей воды на нижнем барботажном листе.

Увеличение расхода греющей воды сверх оптимального, по-видимому, снижает эффективность барботажных процессов на нижнем листе, так как избыточное количество вытесненной из парового отсека воды препятствует качественной обработке воды, стекающей с верхнего барботажного листа воды, особенно при нагрузках от номинальной и выше. Кроме того, повышение нагрева, а значит увеличение количества подводимого тепла, приводит к неравномерности температуры отводимой на нижний барботажный лист воды [1], что негативно сказывается на эффективности деаэрации.

Выводы

1. Полученная математическая модель работы реконструированного вакуумного деаэратора типа ДВ-800 удовлетворительно описывает массив экспериментальных и эксплуатационных данных.

2.В пределах исследованного диапазона изменения режимных параметров остаточное содержание кислорода в деаэрированной воде снижается с уменьшением количества тепла, внесенного в деаэратор с исходной и греющей водой, что обеспечи- вает максимальную экономичность деаэрации.

3.Эффективность удаления кислорода в реконструированном деаэраторе практически не зависит от нагрузки при ее значении более 800 т ч.

4.Степень влияния расходов исходной и греющей воды на эффективность деаэрации для реконструированного деаэратора меньше, чем для серийного.

5.Разработанная математическая модель может быть использована для программной реализации режимной карты с автоматическим расчетом оптимального режима по заданным значениям расхода и температуры исходной воды.

Список литературы

1.Шкондин И. А., Леонтьев С. А., Пономарев П. С. Результаты реконструкции вакуумных деаэраторов на Волгодонской ÒÝÖ-2. – Энергетик, 2004, ¹ 4.

2.Шарапов В. И. Подготовка подпиточной воды систем теплоснабжения с применением вакуумных деаэраторов. М.: Энергоатомиздат, 1996

Основные требования к организации водно-хи- мического режима (ВХР) АЭС с ВВЭР сводятся к обеспечению целостности защитных барьеров за счет снижения коррозионного воздействия теплоносителя с химическими добавками на конструкционные материалы [1]. Но не менее важной и все более значимой становится задача снижения радиационных полей от оборудования первого контура и накопления продуктов коррозии (шламовой составляющей и радиоактивных продуктов коррозии) в технологическом контуре.

Установленные и сложившиеся нормы показателей качества ВХР теплоносителя первого контура для выбранных конструкционных материалов в принципе обоснованы и удовлетворяют требованиям выполнения первой задачи, но для решения второй задачи необходимы новые подходы [2].

Скорость коррозионных процессов, проходящих в технологическом потоке теплоносителя

первого контура, несмотря на корректный подход к нормированию химических параметров и даже при соблюдении норм ВХР в отдельные периоды топливного цикла достаточно высока и не позволяет достичь приемлемого уровня радиационных полей от оборудования первого контура.

Различные теории механизма образования и массопереноса радиоактивных продуктов коррозии в принципе так и не обозначили конкретную концепцию ведения ВХР в течение топливной кампании. Однако очевидно, что только понимание влияния совокупности всех составляющих параметров ВХР теплоносителя первого контура на рост продуктов коррозии, а также формирование радиационных полей особенно во взаимосвязи с другими параметрами работы реакторной установки могут дать возможность управлять технологией ВХР [3].

Определяющими химическими параметрами существующего ВХР теплоносителя первого контура являются: оптимальная сумма щелочных компонентов на всех этапах топливного цикла, содержание водорода и кислорода.

Поддержание корреляционно-стабильной концентрации щелочных компонентов как раз и является сложновыполнимой задачей. На данном этапе прямое измерение щелочных компонентов, непосредственно определяющих оптимизацию взаимодействия теплоносителя с конструкционными материалами, затруднительно.

Как известно, основные химические параметры первого контура “щелочные компоненты”, “аммиак”, “водород” связаны между собой. Роль аммиака при этом двойная: поддержание необходимого рН теплоносителя на определенных этапах топливного цикла и обеспечение необходимой концентрации водорода в технологическом контуре. Водород в группе этих химических параметров можно выделить как интегральный, влияющий на два других химических параметра и более других отражающий параметры работы реакторной установки.

Таким образом, параметр “водород” может быть использован для управления ВХР теплоносителя первого контура АЭС с ВВЭР. Этому способствует и тот факт, что водород, как химический параметр, имеет широкий диапазон нормируемого значения, что и позволяет оптимизировать режим на различных уровнях мощности.

Коррозионно-активный химический параметр “кислород” также играет существенную роль в активном взаимодействии теплоносителя с конструкционными материалами. Попадание его сверх допустимой нормы (а она очень мала) с подпиточ- ной водой не может быть исключено. При этом для его связывания необходимо достаточное время, за которое уже могут пройти процессы негативного характера.

Путь, препятствующий попаданию кислорода в теплоноситель, только один: возможность его автоматического измерения. Это единственно возможный в настоящее время постоянно действующий барьер поступления кислорода в технологи- ческий контур, позволяющий вовремя откорректировать дозировку реагента (гидразина) либо восстановить параметры работы деаэратора (в случае его работы).

На Кольской АЭС для блоков с ВВЭР-213 осуществляется постоянная дозировка гидразина в теплоноситель. Данные химического мониторинга реализуемых на этих блоках технологий поддержания ВХР позволяют сделать определенные выводы как по возможности снижения поступления кислорода в теплоноситель, так и установить пути корреляции ведения режима в целом.

В течение топливной кампании мощность реакторной установки изменяется в довольно широ-

ком диапазоне. Изменение химических параметров при этом также достаточно велико. Это как раз и является одной из основных причин, негативно влияющих на процессы взаимодействия теплоносителя с конструкционными материалами. Изменение нагрузки всего лишь на 20% не позволяет корреляционно-стабильно сохранить химические параметры в теплоносителе. Поэтому очевидно, что без корректировки дозируемых реагентов стабильность важных параметров ВХР невозможно выдержать. Путь поддержания более стабильного ВХР – это автоматическое измерение хотя бы двух химических показателей.

График изменения некоторых химических параметров (рисунок) показывает взаимозависимость их друг от друга и от уровня мощности реакторной установки на Кольской АЭС, блок ¹ 3. При сравнительно стабильной нагрузке наблюдается достаточно стабильное значение и химиче- ских параметров. Это как раз и важно, кроме, естественно, содержания химических компонентов в нормируемых пределах для эффективного ведения ВХР. Постоянное дозирование гидразина в теплоноситель позволяет в более короткие сроки вести корректировку содержания аммиака и водорода в теплоносителе, а также предупреждать поступление кислорода в контур. Естественно, что автоматическое измерение химических параметров повышает возможность поддерживать корреляцион- но-стабильную концетрацию химических компонентов в теплоносителе первого контура.

В принципе взаимозависимость параметров ВХР указывает на возможность корреляции основных химических параметров через поддержание необходимой концентрации водорода в теплоносителе. Контроль водорода в автоматическом режиме абсолютно необходим и при реализации альтернативного режима с возвратом водорода в теплоноситель.

На Кольской АЭС с 1998 г. эксплуатируются отечественные автоматические водородомеры разработки Всероссийского теплотехнического института [4, 5]. Сейчас эти водородомеры работают на четырех энергоблоках. Несмотря на то, что приборы несерийного производства, они показали достаточную надежность в работе, удобны и дешевы в эксплуатации и, самое главное, имеют высокую чувствительность ко всем внутриконтурным возмущениям, влияющим на содержание водорода в теплоносителе. В ближайшее время приборы будут усовершенствованы таким образом, что появится возможность подключить водородомеры к АСУ ТП энергоблока, что позволит эксплуатировать их на более высоком уровне.

Автоматический контроль содержания кислорода в настоящее время осуществлять труднее, так как нет ни одной отечественной разработки такого кислородомера, прошедшего проверку работой в условиях первого контура. Важность измерения

кислорода неоспорима, так как его нормируемое значение в теплоносителе очень низкое (5 мкг/дм3), а погрешность существующего метода контроля на этом уровне – 90%. Обнадеживает датчик ОАО “Взор”, который специально разработан для измерения кислорода в потоках, имеющих большие концентрации водорода.

В заключение можно еще раз отметить два момента:

1.Осуществление связи коррелированных параметров – “водород” в теплоносителе и “гидразин” в подпиточной воде – через автоматическое измерение водорода позволит иметь реальную возможность управления ВХР первого контура.

2.Автоматическое измерение водорода и кислорода даст возможность установить более определенные взаимосвязи параметров химического

режима между собой и их влияние на формирование Y-полей на оборудовании первого контура.

Список литературы

1.ÐÁ-002-97 (РБГ-12-43-97). Водно-химический режим атомных станций. Основные требования безопасности.

2.Временные нормы на ведение ВХР первого контура АЭС с реакторами типа ВВЭР, имеющими корпус с коррозионностойкой наплавкой. М.: ИАЭ им. И. В. Курчатова, 1992.

3.Тяпков В. Ф., Шарафутдинов Р. Б. Состояние, основные проблемы и направления совершенствования водно-хими- ческого режима АЭС. – Вестник Госатомнадзора России, 2003, ¹ 4 (28).

4.Ïàò. 36742 (РФ). Устройство для контроля состава газовой фазы газожидкостной среды.

5.Ïàò. 2054204 (РФ). Способ контроля газовой фазы газожидкостной среды.