Введение к работе
Актуальность работы: Частные задачи, относящиеся к проблеме оптимизации условий эксплуатации оборудования и сооружений АЭС, решались и решаются различными авторами в течение многих лет. Однако комплексный подход к данной многоплановой научно-технической проблеме в целом не применялся, что приводило к упущениям в разработке ряда важных задач, относящихся к данной проблеме.
В зарубежной практике разработки и проектирования реакторных установок значительные преимущества отданы расчетным методам, когда расчет выполняется по данным гидродинамического и теплогидравлического анализа работы РУ. Прямые натурные исследования, проведенные на оборудовании РУ при пусконаладочных работах и эксплуатации, особенно при переходных и динамических режимах, показали, что расчётные методы могут давать значительные погрешности в определении величин амплитуд локальных напряжений и коэффициентов асимметрии. Это вызвано сложностью назначения граничных условий, высокой трехмерностью и сложным характером распределения напряжений, особенно в зонах конструктивных неоднородностей, и неоднородностью механических свойств в местах сварки и наплавки. При этом погрешности в определении величин напряжений в единицы и десятки процентов приводят к погрешностям оценки ресурса в десятки и сотни раз.
В отличие от зарубежных исследований, при создании отечественных РУ исключительно большое внимание уделяется комплексным экспериментально-аналитическим исследованиям, преимущественно на уменьшенных или фрагментарных моделях.
Ввиду сложного конструктивного исполнения многих узлов РУ и многообразия их напряженного состояния в различных режимах эксплуатации задачи обеспечения прочности и надежности оборудования требуют применения комплексных экспериментальных исследований процессов также и в натурных условиях на АЭС. Только эти исследования позволяют проверить, уточнить или подтвердить результаты, полученные расчетным путем и на уменьшенных моделях, определить особенности, связанные с реальной конструкцией и реальными условиями
эксплуатации, выявить несоответствия эксплуатации РУ проектным условиям, влияющие на прочность оборудования, а также провести анализ возможных недостатков принятой технологии эксплуатации и разработать практические рекомендации по их устранению.
Хорошо известны разработки ОКБ "Гидропресс" и Института машиноведения РАН по натурным исследованиям процессов на реакторных установках. Такие разработки по внутриреакторным экспериментальным исследованиям были и остаются уникальными в мировой практике. Однако из-за сложности и трудностей организации и выполнения комплексных экспериментальных исследований процессов в натурных условиях на АЭС известные результаты исследований не охватывают многие важные в практическом отношении задачи, либо носят приближенный характер.
При вводе в эксплуатацию отечественных энергоблоков, в отличие от зарубежных, выполняется значительный объем комплексных испытаний оборудования, однако возможности этих испытаний, как правило, в значительной мере не используются. Испытания в большинстве случаев сводятся к рутинной проверке соответствия работы оборудования проектным условиям эксплуатации, что необходимо для обеспечения готовности энергоблока к промышленной эксплуатации.
Автором показано, что натурные испытания оборудования обладают значительным потенциалом для экспериментального исследования технологических процессов с целью установления связей особенностей технологии эксплуатации оборудования и его ресурса и последующей оптимизации условий эксплуатации и ресурса этого оборудования.
Существующие системы локализации аварий с потерей теплоносителя полного давления (защитные оболочки) обладают существенной капитале- и материалоемкостью вследствие значительного избыточного давления пара, развивающегося в них при аварии. Существующие пассивные системы понижения давления для этих систем также обладают недостатками, связанными с необходимостью поддержания их рабочего агрегатного состояния (ледяные конденсаторы), либо с необходимостью преодоления значительного гидравлического
сопротивления, а также возможностью возникновения ударных нагрузок в начальный момент аварии (барботажные системы). Для преодоления этих недостатков систем понижения давления автором разработаны методы повышения эффективности систем понижения давления на основе применения в качестве теплопоглотителей эндотермически растворимых веществ и эндотермически плавящихся веществ, не требующих охлаждения при нормальной эксплуатации. Данные разработки не теряют своей актуальности в связи с необходимостью совершенствования проектов и повышения конкурентоспособности современных АЭС. Цепями работы являются:
-
Разработка комплексного подхода к решению задач оптимизации условий эксплуатации и ресурса оборудования и сооружений АЭС (реакторных установок, как наиболее специфической части конструкций АЭС).
-
На основе комплексного подхода обоснование и обеспечение ресурсоспособности элементов конструкций реакторных установок путем исследования и реализации ранее не использованных возможностей натурных экспериментальных исследований при вводе АЭС в эксплуатацию
-
Разработка обладающих существенными преимуществами методов оптимизации условий эксплуатации систем локализации аварий с потерей теплоносителя путем понижения давления пара в этих системах.
Научная новизна:
1. На основе комплексного подхода сформулирована и разработана
О актуальная научно-техническая проблема оптимизации условий эксплуатации в г
качестве важнейшей части общей проблемы обеспечения ресурсоспособности,
надежности и безопасности конструкций во время эксплуатации АС.
2. Процесс ввода в эксплуатацию энергоблока АЭС впервые рассмотрен как
специфический процесс оптимизации условий эксплуатации и управления
ресурсными характеристиками оборудования и сооружений.
3. Разработан и обоснован метод оптимизации условий эксплуатации и
ресурса оборудования при комплексных экспериментальных исследованиях
технологических процессов в натурных условиях на АЭС при вводе энергоблока в
эксплуатацию путем установления связей особенностей технологии эксплуатации оборудования и его ресурса.
-
С использованием разработанного автором метода выполнено натурное экспериментальное обоснование и оптимизация условий эксплуатации ряда наиболее напряженных узлов реакторных установок. Впервые в обобщенном виде продемонстрированы возможности процесса ввода в эксплуатацию для решения задач оптимизации ресурса и повышения безопасности оборудования и сооружений АЭС.
-
Разработаны новые методы оптимизации условий эксплуатации систем локализации аварий с потерей теплоносителя путем понижения давления пара в этих системах.
Достоверность и обоснованность исследований обусловливается использованием известных и апробированных теорий, решений и методик, примененных для измерений, обработки результатов и их анализа, воспроизводимостью данных, полученных автором. Характер процессов в контролируемых узлах уточнен на основании большого количества экспериментальных данных, полученных в различных режимах и состояниях. Практическая ценность состоит в следующем:
- методом комплексных экспериментальных исследований технологических
процессов в натурных условиях на АЭС установлены связи особенностей технологии
эксплуатации оборудования и его ресурса, что позволило получить практическое
обоснование оптимальных условий эксплуатации ряда наиболее напряженных узлов
реакторных установок и, таким образом, оптимизировать их ресурс;
разработан и реализован обобщенный алгоритм оптимизации эксплуатационных условий оборудования и сооружений при испытаниях;
- разработан и реализован обобщенный алгоритм управления ресурсными
характеристиками оборудования и сооружений АЭС после длительного простоя и
хранения;
- разработаны, обоснованы и реализованы технические решения по вопросам
выполнения компенсирующих мероприятий в случаях морального старения
оборудования;
- экспериментально обоснованы и рекомендованы оптимальные для
термонапряженного состояния узлов питательной воды условия эксплуатации
системы питательной воды в переходных режимах;
- обоснована возможность длительной работы РУ в ремонтном и пусковом
режиме на мощности 1-5% номинальной при переменном отборе пара на
собственные нужды;
- обоснованы новые уточненные требования к условиям эксплуатации
патрубков подпитки 1 контура реакторной установки В-320 в стационарных,
переходных и динамических режимах. Определены условия, при которых
температурный перепад на патрубках подпитки в некоторых динамических режимах
может превышать установленные проектные ограничения, даны рекомендации по
введению соответствующих проектных допущений;
- во вновь разработанной и экспериментально обоснованной методике оценки
тепловой эффективности РТО исключена возможность противоречий в оценке
результатов проверки эффективности, имеющаяся при проведении испытаний по
типовым методикам. Разработанная методика позволяет проводить как экспресс-
испытания в период ввода в эксплуатацию, так и периодический контроль тепловой
эффективности теплообменников в процессе эксплуатации;
установлена необходимость раздельного контроля и учета термоциклов каждого из узлов подпитки и продувки 1-го контура;
на основе результатов натурного экспериментального обоснования для исключения выявленных значительных отклонений от проектных условий эксплуатации разработаны рекомендации по оптимизации условий эксплуатации узлов подпитки и продувки 1-го контура реакторной установки В-428;
натурными экспериментами проверены и сравнены условия эксплуатации отличающихся по компоновке систем РУ В-428 и РУ В-320: соединительного трубопровода КД и трубопроводов пассивной части САОЗ, установлены преимущества компоновки в РУ В-428;
выявлены и оценены факторы, нарушающие проектное температурное состояние наиболее термонагруженных узлов РУ, даны и реализованы
рекомендации по минимизации отрицательного влияния этих факторов на ресурс узлов;
- экспериментально обоснованы изменения проектных критериев успешности
испытаний, учитывающие реальные процессы, неизбежные при проведении
режимов. Изменения обоснованы расчетами прочности, выполненными
разработчиком проекта РУ;
- выполненный анализ результатов температурного контроля патрубка
впрыска в КД позволил объяснить происходящие в патрубке теплогидравлические
процессы и исключить предположения о непроходимости дроссельной диафрагмы
байпаса впрыска;
натурными экспериментами показана возможность оптимизации параметров регулирования регуляторов БРУ-К и технологического конденсатора, определены оптимальные значения параметров настройки регуляторов, позволившие практически исключить колебания температуры в дыхательном патрубке КД в ряде режимов;
подтверждена необходимость контроля и уточнения величины постоянной протечки в КД для обеспечения проектных температурных условий патрубков КД, предложена методика уточнения расхода постоянной протечки;
экспериментально обоснована возможность смягчения проектных требований по допустимым перепадам температур по высоте КД в режимах разогрева и расхолаживания;
даны рекомендации по условиям протекания режима аварийного расхолаживания РУ при непосадке предохранительного клапана КД;
для исключения непроектного температурного повреждения корпуса реактора на основе результатов работы предложены способы обогрева гидроемкостей и баков САОЗ с организацией в них естественной циркуляции;
- разработаны не теряющие актуальности эффективные практические методы
понижения давления пара в системах локализации аварий с потерей теплоносителя.
Реализация и внедрение результатов исследований.
- реализованы экспериментально обоснованные технические решения и
изменения инструкций по эксплуатации, позволившие оптимизировать условия
эксплуатации наиболее теплонапряженных узлов РУ и снизить их повреждаемость вследствие температурных нагрузок;
при разработке новых версий Программы и методики испытаний с использованием системы пусконаладочных измерений введен ряд изменений в проектные критерии успешности испытаний, учитывающих результаты данной работы, откорректирован объем испытаний. Новые версии Программы использованы на вновь введенных энергоблоках в России, Украине и Китае;
для оптимизации температурных условий эксплуатации дыхательного трубопровода КД и патрубков питательной воды ПГ внедрены в эксплуатацию экспериментально обоснованные настройки технологических регуляторов;
в соответствии с разработанными алгоритмом, техническими решениями и изменениями «Общей программы обследования...» выполнены работы по управлению ресурсными характеристиками оборудования на энергоблоках №1 и №2 Ростовской АЭС;
реализован ремонтный и пусковой режим работы РУ на мощности 1-5% номинальной при переменном отборе пара на собственные нужды;
разработанная методика проверки эффективности РТО применена при вводе в эксплуатацию энергоблоков №1 Волгодонской и №3 Калининской АЭС;
- на блоках №6 АЭС «Козлодуй» и №1 Волгодонской АЭС система
термоконтроля специальных пусконаладочных измерений использована при
штатной эксплуатации РУ;
введены в инструкции по эксплуатации новые уточненные требования к условиям эксплуатации патрубков подпитки 1 контура серийной РУ В-320;
реализованы технические решения по оптимизации условий эксплуатации узлов подпитки и продувки реакторной установки В-428 Тяньваньской АЭС в Китае, экспериментально подтверждена их эффективность;
внедрена уточненная методика определения расхода постоянной протечки в КД, внесены соответствующие изменения в пусконаладочную документацию;
на основе результатов работы реализован обогрев гидроемкостей (на блоке №1 Балаковской АЭС) и баков САОЗ (проект на блоке №2 Ростовской АЭС) с организацией в них естественной циркуляции;
Автор защищает:
- разработку актуальной научно-технической проблемы оптимизации условий
эксплуатации в качестве важнейшей части общей проблемы обеспечения
ресурсоспособности, надежности и безопасности конструкций во время
эксплуатации АС;
разработку и реализацию метода оптимизации условий эксплуатации и ресурса оборудования реакторных установок путем установления связей особенностей технологии эксплуатации оборудования и его ресурса при комплексных экспериментальных исследованиях технологических процессов в натурных условиях на АЭС;
разработку и реализацию серии технических решений по оптимизации условий эксплуатации и ресурса оборудования реакторных установок;
- разработку методов оптимизации условий эксплуатации систем локализации
аварий с потерей теплоносителя путем понижения давления пара в этих системах.
Личный вклад автора. Все основные научные результаты диссертационной работы получены лично автором. Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоит в обосновании тематики и в постановке задач, руководстве и непосредственном участии на всех этапах ее выполнения, в анализе, интерпретации полученых результатов, формулировании выводов, заключений и предложений по внедрению.
Апробация работы. Отдельные результаты были защищены в кандидатской диссертации «Оптимизация эксплуатационных условий термонапряженных узлов реакторной установки ВВЭР-1000» (г. Москва, ВНИИАМ, 2002г.). Диссертационная работа была рассмотрена научно-техническим советом ВНИИАМ, материалы диссертации обсуждались на технических совещаниях на АЭС «Козлодуй», Южноукраинской АЭС, Тяньваньской АЭС, Волгодонской АЭС, в ОКБ «Гидропресс», ИМАШ РАН, ЗАО «Атомстройэкспорт», ВНИИАЭС, Атомтехэнерго. Основные результаты по отдельным разделам докторской диссертации докладывались и обсуждались на 4-й международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (г. Подольск, 2005г.), 5-й международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика
атомной энергетики» (г. Москва, 2006г.), 7-м международном семинаре по горизонтальным парогенераторам (г. Подольск, 2006г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 30 печатных работ, в том числе 18 публикаций в рецензируемых изданиях, 2 авторских свидетельства на изобретения и 1 монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы из 199 наименований. Общий объем диссертации 320 стр., включая 94 рисунка и 23 таблицы.
