Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тепловая мощность реактора ВВЭР-1000. Методы определения. обзор состояния вопроса и постановка задачи 15
1.1. Мощность реактора N1K по параметрам теплоносителя первого контура в петлях ГЦК 15
1.2. Мощность реактора N2K по параметрам пара и питательной воды ПГ 30
1.3. Основные факторы, влияющие на погрешность определения мощности реактора N2K по параметрам пара и питательной воды ПГ 35
1.4. Мощность реактора NПВД по параметрам пара в ПГ и питательной воды после ПВД 49
1.5. Мощность реактора NДПЗ по показаниям внутриреакторных нейтронных детекторов типа ДПЗ 54
1.6. Мощность реактора NАКНП по показаниям ионизационных камер 61
Выводы и задачи диссертационного исследования 66
Глава 2. STRONG Температурная стратификация теплоносителя в горячих нитках ГЦК
ВВЭР-1000 STRONG 70
2.1. Сравнительный анализ температурной стратификации при натурных измерениях и расчетах 70
2.2. Анализ зависимости температурной стратификации от энерговыделения 79
Выводы по главе 2 83
Глава 3. Метод теплового баланса РУ 86
3.1. Содержание метода теплового баланса РУ 86
3.2. Расчет тепловой мощности реактора по параметрам петель 1-го контура 88
3.3. Расчет тепловой мощности реактора по параметрам пара в ПГ и питательной воды на входе в ПГ 92
3.4. Расчет тепловой мощности реактора по параметрам пара в ПГ и питательной воды после ПВД 95
3.5. Расчет тепловой мощности реактора по параметрам пара в ПГ и питательной воды после ТПН 96
3.6. Расчет тепловой мощности реактора по параметрам на ТВС 97
Выводы по главе 3 101
Глава 4. Методика определения средневзвешенной мощности реактора для РУ ВВЭР-1000 102
4.1. Содержание методики определения средневзвешенной мощности реактора 102
4.2. Уточнение расхода теплоносителя в петлях первого контура 108
4.3. Определение поправок к показаниям температурных датчиков 113
4.4. Определение оптимальных весовых коэффициентов каждого способа расчета мощности 123
Выводы по главе 4 131
Заключение 133
Список использованных источников 138
- Основные факторы, влияющие на погрешность определения мощности реактора N2K по параметрам пара и питательной воды ПГ
- Мощность реактора NПВД по параметрам пара в ПГ и питательной воды после ПВД
- Анализ зависимости температурной стратификации от энерговыделения
- Определение поправок к показаниям температурных датчиков
Основные факторы, влияющие на погрешность определения мощности реактора N2K по параметрам пара и питательной воды ПГ
В действующих проектах СВРК напор ГЦН и частота его питания измеряется датчиками с погрешностями, не превышающими 1 % (приведенное значение), поэтому основной вклад в общую погрешность определения расхода дает методическая погрешность, связанная с использованием НРХ (для блока №3 Ростовской АЭС погрешность расхода составляет 3 %).
Плотность теплоносителя в холодных нитках петель ГЦК Плотность теплоносителя определяется как функция от его температуры и давления. Вода - слабо сжимаемая жидкость и поэтому погрешностью измерения давления можно пренебречь. В проектах СВРК для ВВЭР-1000 используется несколько датчиков температуры теплоносителя в холодных нитках петель ГЦК: от 3-х (две ТП и 1 ТС) до 7 (6 ТП и 1 ТС), причем в последних проектах все датчики имеют индивидуальные статические характеристики, позволяющие снизить аппаратурную погрешность каналов контроля температуры до 0,5 С для ТС и 1,0 С для ТП. Дополнительно к этому, на всех блоках ВВЭР-1000 проводится процедура тарировки датчиков температуры теплоносителя первого контура в СВРК [33, 34]; результатом выполнения такой процедуры является еще большее уменьшение (0,1-0,3 С) погрешности температурного контроля теплоносителя первого контура в петлях ГЦК [35]. Таким образом, погрешность плотности теплоносителя в холодных нитках петель ГЦК незначительная (0,1 %) и практически не оказывает влияния на мощность.
Энтальпия теплоносителя в холодных и горячих нитках петель ГЦК Что касается измерительной базы, то погрешность для энтальпии теплоносителя в холодных и горячих нитках петель ГЦК не отличается от плотности в холодных нитках петель ГЦК. Но и в этом случае, основываясь на формуле (1.2), уже даже такая высокая точность для датчиков температуры (0,1-0,3 С) дает вклад не менее 1 % (для номинальной мощности) при расчете разности энтальпии в горячей и холодной нитке ГЦК.
Однако, как показывает опыт эксплуатации, точность определения температуры в горячих нитках ГЦК в большей степени зависит не столько от того, какие средства измерения применяются, а от физических процессов, происходящих в трубопроводе, имеющем абсолютно неточечные размеры.
Результаты анализа эксплуатационных данных [36, 37] и результаты выполненных исследований в рамках представленной работы [38-41], других исследований в РФ [42] и за рубежом [43-45] показывают, что основным фактором образования существенной погрешности в определении среднемассовой температуры теплоносителя горячих ниток является температурная стратификация теплоносителя в горячих нитках петель первого контура. Это явление проявляется в разбросах показаний температуры, значительно превышающих предельные погрешности измерений, что говорит о разнородности потока теплоносителя, движущегося от реактора к ПГ. Более подробно явление стратификации рассмотрено в главе 2.
Поскольку стратификация теплоносителя определяется характером энерговыделения в активной зоне, а возможности ее учета зависят от размещения температурных датчиков по периметру трубопровода, погрешность определения энтальпии теплоносителя горячих ниток может сильно изменяться. Более того, до сего момента отсутствовали какие-либо рекомендации по ее определению. В рамках данной работы автором была разработана и утверждена методика расчета среднемассовой температуры теплоносителя в горячих нитках ГЦК, по которой величина этой погрешности для номинальной мощности составляет 0,5-0,7 С (или 2 % в разнице энтальпии).
В ранее применяемых оценках погрешности температуры в горячих нитках ГЦК использовались различные формулы для учета явления стратификации теплоносителя. Например, в документе [46] предлагалось оценивать погрешность как сумму аппаратурной погрешности и среднеквадратического отклонения среднего значения здесь Wt - вес датчика в M сомножестве, Т- - показания температуры по датчику в горячей нитке петли ГЦК.
Такая оценка давала погрешность около 1 С при разбросе показаний 3 С, что ведет к возрастанию погрешности разности энтальпии до 3,8 %. Из такой формулы видно, что чем больше датчиков расположить в горячей нитке, тем меньше будет погрешность. Однако их расположение может быть локальным (например, для блока №3 Калининской АЭС [34, 47] 7 датчиков температуры для СВРК размещены в двух сечениях при перекрытии горячего трубопровода сектором 90) и в этом случае значение среднемассовой температуры будет малопре дставительным.
Мощность реактора NПВД по параметрам пара в ПГ и питательной воды после ПВД
Рассмотрев влияние всех величин на погрешность расчета ЩДПЗ, можно выделить факторы, влияющие на погрешность ее определения, которые не учитываются при разработке СВРК.
Первый фактор относится к тому, что прикладное обеспечение СВРК не позволяет производить расчет коэффициентов КС1т каждый расчетный момент времени. Причина на данный момент связана с логикой, примененной в модуле расчета микрополей, который использует программный комплекс «ПЕРМАК-А» -решение одного состояния занимает до 10 минут машинного времени. В текущих версиях СВРК запуск модуля расчета микрополей проводится один раз в сутки при условии стационарности состояния блока в течение предыдущих 24 часов, т.о. если по какой-либо причине происходят незначительные изменения мощности реактора или положения ОР СУЗ больше уставки, то расчет КС1т может не обновляться длительное время. Однако такие процессы, как правило, не приводят к резкому ухудшению погрешности расчета мощности по показаниям ДПЗ вследствие плавного изменения КС1т в период топливной кампании. Наиболее неблагоприятной причиной может стать процесс с введением в активную зону ОР СУЗ. Причем указанное обстоятельство по-разному дает эффекты для различных проектов СВРК ВВЭР-1000. Для РУ В-338 и В-320, где СВРД размещаются в центральном направляющем канале ТВС, отсутствуют ДПЗ, которые могут перекрываться поглотителем. В новых же проектах РУ В-428, В-412, В-449 СВРД размещены не в центральном канале и могут находится в одной ТВС с ОР СУЗ, поэтому на их показания влияют погруженные ОР СУЗ.
Это особенно ярко проявилось для блока 1 АЭС «Тяньвань», когда расчет энерговыделения не предусматривал коррекцию коэффициента в процессе изменения положения ОР СУЗ. В результате были выполнены обосновывающие расчеты [95], которые показали, что при опускании ОР СУЗ в ТВС с СВРД изменение коэффициента происходит на 30 % для поглотителя из карбида бора и 15 % - для диспрозиевого поглотителя. В ТВС первого окружения от ТВС с опущенным ОР изменение достигает 5 %, второго окружения – 2 %, для остальных ТВС – не более 1 %. И если реализация коррекции коэффициента в ТВС с СВРД и ОР СУЗ была выполнена в алгоритмах СВРК, то учет изменения в других ТВС решено было не производить. Таким образом, при погружении ОР СУЗ возникает дополнительная погрешность в NДПЗ, ее значение будет варьироваться в зависимости от глубины погружения поглотителя и эффективности ОР. Если брать в расчет изменение положения ОР СУЗ 10-й группы на полную глубину, то наибольшая дополнительная погрешность может составить 0,9 %.
Для реакторов проекта В-320 и В-338 в области допустимых положений ОР СУЗ изменение величины незначительно ( 0,2 %), что практически не сказывается на дополнительной погрешности.
Второй фактор, влияющий на показания мощности NДПЗ, обусловлен знанием геометрических размеров ДПЗ. Однако, его, скорее, можно отнести к так называемому «человеческому фактору»: в поставочной документации отсутствует информация о точных размерах каждого ДПЗ. Решение вопроса лежит в разработке особых требований по представлению параметров ДПЗ в паспортах на изделия.
Третий фактор, влияющий на погрешность ВДПЗ, который в ПО СВРК до сих пор находится в зачаточном состоянии - это влияние температуры на входе ТВС на расчет энерговыделения в активной зоне, что опосредованно оказывает негативный вклад в расчет КдП3. В СВРК применяется алгоритм расчета температуры на входе ТВС в зависимости от температуры в холодной нитке ГЦК [23], который использует весовые коэффициенты каждой из холодных ниток петель при расчете температуры на входе ТВС. Данные весовые коэффициенты определяются опытным путем [96-97], что неоднократно делалось на блоках ВВЭР-1000, в том числе и автором. Однако использование алгоритма не распространяется до сих пор на нейтронно-физический расчет из-за наличия зависимости коэффициентов от комбинации используемых выемных частей ГЦН [98], что требует введения специальных эксплуатационных испытаний на блоке. Погрешностью данного фактора можно пренебречь, т.к. режимы, в которых она проявляется, достаточно экзотичны.
Измерение нейтронного потока в реакторе ВВЭР-1000 выполняется с помощью ионизационных камер различного типа, расположенных вне корпуса реактора в сухой защите (то есть регистрируются нейтроны утечки из активной зоны). Наибольшее распространение для измерений в энергетических диапазонах получили ИК типа «КНК» (камеры измерения нейтронного потока, скомпенсированные к влиянию -фона), в которых в качестве радиатора используют 10В. Использование данных материалов обусловлено слабым взаимодействием электрона и нейтрона, что практически не приводит к ионизации атомов при прохождении нейтронов через вещество детектора [99]. Как правило, ИК размещаются в виде устройств детектирования в шести специальных измерительных каналах, наиболее равномерно расположенных вокруг активной зоны (для проекта В-428 используется 4 канала в соответствие с количеством каналов систем безопасности). В каждом канале установлены сборки из верхней и нижней ИК для целей измерения нейтронного потока в составе АКНП, а также средней камеры (при условии наличия в проекте аппаратуры коррекции энергораспределения).
Значение нейтронной мощности в канале равно, в общем случае, среднему значению по показаниям верхней и нижней камер, которые, как видно из рисунка 19, имеют сильную корреляционную зависимость со значениями мощности отдельных периферийных ТВС, что подтверждается снижением корреляции между мощностью в девятой ТВС, где был опущен ОР СУЗ из девятой группы, и нейтронной мощностью по АКНП. Рассчитанные за время 24 часа коэффициенты корреляции даны в таблице 1.5.
Анализ зависимости температурной стратификации от энерговыделения
Погружение 9-й группы ОР СУЗ без передачи движения при освоении уровня мощности 75 %Nном приведено на рисунках П1.2.1-П.1.2.7 Приложения 1. По рисункам П1.2.1-П.1.2.7 можно отметить, что происходит разбегание показаний температур по разным датчикам: в петлях 1 и 3 рост в сторону «-60»-«-90» на 1-2 С, в сторону «-135»-«-180» - изменений нет; в петле 2 рост в сторону «-135»-«-180» на 1-3 С, в остальные стороны изменений нет; в петле 4 рост в сторону «-180»-«-60», в сторону «-45»-«45» - изменений нет. При этом усредненное показание температур изменяется в сторону уменьшения (в среднем по петлям 1, 3 на 0,8 С при пересчете на номинальную мощность для среднего значения и на 0,3 С для средневзвешенного значения) при уменьшении RO от 15 до -4 %; для петель 2, 4 при уменьшении RO температура уменьшается на 0,4 С для среднего и 0,1 С для средневзвешенного значений. Корреляция линейной функцией среднего значения от RO более значимая, чем у средневзвешенного значения для всех четырех петель.
Погружение 4-й группы ОР СУЗ без передачи движения при освоении уровня мощности 75 %Nном, представленное на рисунках П1.3.1-П1.3.7 Приложения 1, свидетельствует о незначительном разбегании показаний температур по разным датчикам: в петлях 1 и 3 небольшой рост в сторону «-45» на 0,5-1 С, в остальные стороны изменений нет; в петлях 2, 4 рост в сторону «-135»-«135» на 0,5-1 С, в сторону «-45» снижение на 0,5-1 С. При этом усредненное показание температур изменяется в сторону уменьшения (в среднем по петлях 1, 3 на 0,4 С при пересчете на номинальную мощность для среднего значения и на 0,3 С для средневзвешенного значения) при уменьшении RO от 0,5 до -1,5 %; для петли 2 при уменьшении RO температура уменьшается на 0,2 С для среднего и около 0,0 С для средневзвешенного значений; для петли 4 при уменьшении RO температура практически не изменяется. Из-за малых изменений радиального офсета значимость корреляции линейной функцией очень слабая, однако все же заметна небольшая зависимость в петле 2 для среднего значения.
Результаты при погружении 2-й группы ОР СУЗ без передачи движения при освоении уровня мощности 75 %Nном приведены на рисунках П1.4.1-П1.4.7 Приложения 1. Как видно из рисунков распределение показаний температур по разным датчикам остается практически без изменений. При этом усредненное показание температур по петлям 1, 3 изменяется в сторону уменьшения (в среднем на 1,0 С при пересчете на номинальную мощность для среднего значения и на 0,7 С для средневзвешенного значения) при уменьшении RO от 3 до -2 %; для петель 2 и 4 при уменьшении RO температура увеличивается на 0,1 С для среднего и 0,2 С для средневзвешенного значений. Корреляция линейной функцией от RO видна и для среднего значения и для средневзвешенного в петлях 1 и 3, а в петлях 2 и 4 ее практически нет.
Погружение 10-й группы ОР СУЗ без передачи движения при освоении уровня мощности 90 %Nном приведено на рисунках П1.5.1-П1.5.7 Приложения 1. Как видно из рисунков П1.5.1-П1.5.7, происходит сближение показаний температур по разным датчикам, при этом усредненное показание температур изменяется в сторону уменьшения (в среднем по петлям 1, 3, 4 на 0,5 С при пересчете на номинальную мощность для среднего значения и на 0,2 С для средневзвешенного значения) при уменьшении RO от 2 до -14 %. Для петли 2 ситуация координально другая – при уменьшении RO идет незначительное уменьшение температуры (около 0,0 С) для среднего и увеличения на 0,2 С для средневзвешенного значений. Корреляция линейной функцией среднего значения от RO более значимая, чем у средневзвешенного значения для петель 1, 2, 3 и, наоборот, для петли 2.
Результаты анализа данных при аксиальных ксеноновых колебаниях энерговыделения в активной зоне дают возможность сделать вывод об отсутствии влияния высотного распределения энерговыделения на показания температуры теплоносителя горячих ниток петель ГЦК. В свою очередь при радиальных колебаниях, а также диаметральных и азимутальных видна картина по изменению распределения в горячих нитках, что дает возможность сделать вывод о зависимости распределения температур по сечению ГЦТ от интегральной мощности различных частей активной зоны. На рисунках П1.6.1-П1.6.5 Приложения 1 приведено изменение температур в горячих нитках при радиальных ксеноновых колебаниях в активной зоне. Видно, что при уменьшении RO от 0 до -4 % в петлях 1, 2 идет увеличение показаний температуры при пересчете на номинальную мощность на 0,4 С для среднего и средневзвешенного значений, а в петлях 3 и 4 - уменьшение на 0,6 С для среднего и средневзвешенного значений. Ввиду малого изменения RO для такого режима говорить о правильности поведения температур нельзя. Корреляция линейной функцией среднего значения от RO практически одинаковая для средневзвешенного и среднего значения температуры.
Выполненный анализ позволяет сделать следующие заключения: 1) влияние энерговыделения на температурную стратификацию теплоносителя в горячих нитках петель ГЦК носит более сложный характер, чем линейный; 2) разделение областей влияния на «центр-периферия» недостаточно для описания данного физического явления; 3) при существующем размещении датчиков температуры в горячих нитках петель ГЦК применение средневзвешенного значения для температуры горячей нитки более представительно с точки зрения точности ее показаний во всех возможных режимах работы РУ.
Определение поправок к показаниям температурных датчиков
Тепловую мощность реактора по параметрам на ТВС iVTBC допустимо применять для исследования теплового баланса, если в активной зоне отсутствует ПЭЛ-эффект, влияющий на показания температуры на выходе ТВС [117, 118]. Значение ПЭЛ-эффекта резко снижается при использовании ТВС со специальными трубками термоконтроля в головках ТВСА [119, 120] или при размещении ТП в составе СВРД [121], или при использовании ТВС-2М с удлиненной топливной частью [59].
Расчет тепловой мощности проводится по формуле: где Ga3, м /ч - объемный расход теплоносителя через активную зону, рассчитывается следующим образом: Ga3 = 3,6-106-5P-/CnPT- f f (3.45) Sp, м2 - эффективное сечение активной зоны, прот – коэффициент, учитывающий долю протечек мимо активной зоны (та часть расхода, которая заведомо не оказывает влияние на показания ТП на выходе ТВС), ЛРР, МПа - измеренный перепад давления на реакторе («плюсовая» и «минусовая» линии отбора для данного замера находятся в одинаковых условия по плотности воды), Р - КГС реактора (определяется по результатам исследования теплогидравлических характеристик в режиме «без мощности»), из-за особенностей размещения импульсных трубок, выходящих в патрубок КИП, не является постоянной величиной; (Р;Х , кг/м3 - плотность теплоносителя в холодных нитках работающих петель ГЦК (опускном участке реактора); Ктп - нормировочный коэффициент, учитывающий мощность ТВС без ТП на выходе относительно средней мощности ТВС, определяется по данным восстановления поля энерговыделения; /гВЬ1Х, кДж/кг - энтальпия теплоносителя на выходе из активной зоны. Для расчета /гВЬ1Х используются только такие ТП, показания которых подчиняются условию: гтп_ твс lj5 С здесь Г - температура в i-ТВС с ТП, Т?вс - расчетная температура в і-ТВС по восстановленному полю.
Основные результаты применения данного способа расчета даны в Приложении 3 (приведены измерения, выполненные в процессе ПНР блоков, когда был выполнен достаточный объем исследований).
По результатам, приведенным в таблицах П3.1-П3.3 Приложения 3, можно дать следующие заключения: - показания мощности достаточно хорошо сходятся с реперным значением и не превышают 2 % Nном; - погрешность данного метода расчета для номинальной мощности реактора составляет приблизительно 4-5 % Nном, что при использовании в ПО СВРК даст вес 10 %, однако в режимах работы РУ на более низких мощностях, в том числе при отключенных ГЦН, его вес может подниматься до 30 %; - видно, что количество термопар, участвующих в расчете для Ростовской АЭС, значительно больше, чем для Калининской АЭС. Данный факт может являться следствием использования различных типов ТВС, а именно для Ростовской АЭС применяется ТВС-2М, а для Калининской АЭС - ТВСА с модернизированными головками, имеющими специальные трубки термоконтроля. Эти трубки применяются для исключения влияния так называемого «ПЭЛ-эффекта», однако их использование приводит к появлению другого эффекта, когда в зону размещения ТП попадают потоки теплоносителя с параметрами, близкими к параметрам теплоносителя, охлаждающего твэлы, над которыми расположена ТП. Фактически количество ТП, участвующих в расчете, является показателем равномерности нагруженности твэлов одной ТВС; - по значению перепада давления на реакторе можно сделать вывод о том, что импульсная трубка замера в выходной камере реактора омывается теплоносителем с параметрами близкими к параметрам холодной нитки работающих петель ГЦК за счет попадания на нее протечек мимо активной зоны. Данный фактор позволяет избегать необходимости введения дополнительных поправок к измерению перепада давления вследствие наличия различных плотностей воды в «плюсовой» и «минусовой» импульсных линиях.
Отрицательным фактором для использования данного метода может являться непостоянство КГС реактора при наличии механических примесей в теплоносителе первого контура, которые могут снижать проходное сечение активной зоны. Поэтому данный метод требует периодического контроля со стороны обслуживающего персонала АЭС.
Положительным фактором для использования данного метода можно назвать характер его поведения в режимах, связанных с выбегом или разворотом ГЦН, т.к. показания перепада давления на реакторе носят непрерывный характер в данном режиме и отсутствуют значительные инерционности (как для мощности N1K) по показаниям температурных датчиков. Пример такого поведения приведен на рисунке 27