ID: 66034

Название работы: Разработка и оптимизация конструкции регулирующего клапана (РК) DN125 для системы САОЗ ВД энергоблока АЭС с ВВЭР-1000 малой серии

Категория: Курсовая

Предметная область: Энергетика

Описание: Цель работы: обеспечение безопасности работы реакторных установок В-320 и В-338 при речах 1 контура, компенсируемых работой САОЗ ВД на основе подхода управляемого снижения давления 1 контура с регулированием расхода впрыска борного расхода...

Язык: Русский

Дата добавления: 2014-08-12

Размер файла: 7.73 MB

Работу скачали: 16 чел.

УДК: 621.03

Разработка и оптимизация конструкции регулирующего клапана (РК) DN125 для системы САОЗ ВД энергоблока АЭС с ВВЭР-1000 малой серии

У. Курцифер Sempell, Д.В.Добрынин Sempell, О.Ю.Тхоржевский ГНИЦ СКАР,
П. Шаллер Sempell

Работа по разработке, оптимизации конструкции и изготовлению РК проводилась специалистами завода Sempell, Германия. Необходимость проведения работ определена программой модернизации системы аварийного охлаждения активной зоны реактора высокого давления на энергоблоках №1,2 ЮУАЭС, целью которой явилась установка на байпасных трубопроводах напорной части системы регулирующих устройств, удовлетворяющих перечню технических требований эксплуатирующей организации.

Основание для работы:

1.  Концептуальное техническое решение №ТР.0.3801.1656 «О регулировании расхода впрыска в первый контур от насосов САОЗ ВД при компенсируемых течах теплоносителя первого контура на РУ типа В-302 и В-338 энергоблоков №1 и 2 Южно-Украинской АЭС».
2.  Концептуальное техническое решение №ТР.1.3801.1980 «О разработке алгоритма по предотвращению переопрессовки и термоудара на корпус реактора энергоблоков №1, 2 с РУ типа В-302 и В-338».
3.  Концептуальное техническое решение №ТР.1.3801.0670 «О реконструкции системы аварийного охлаждения активной зоны высокого давления на  энергоблоках  №1 и 2 Южно-Украинской АЭС».
4.  Отчет о выполнении мероприятия «Установка дросселирующего устройства на напоре САОЗ ВД для обеспечения работы САОЗ ВД при Р1к менее 40 кгс/см2.
5.  Тендерные технические требования «Поставка регулирующих клапанов для напорных трубопроводов насосов САОЗ ВД энергоблоков №1 и №2 Южно-Украинской АЭС.

Цель работы: обеспечение безопасности работы реакторных установок В-320 и В-338 при речах 1 контура, компенсируемых работой САОЗ ВД на основе подхода управляемого снижения давления 1 контура с регулированием расхода впрыска борного расхода через регулирующий клапан САОЗ ВД с расхолаживанием реакторной установки, без кипения теплоносителя.

При этом согласно технических требований эксплуатирующей организации конструкция РК должна выполнять следующие принципиальные условия для управляемого снижения давления:

- обеспечение управлением расходом в течь;

- устранение и/или смягчение условий термошока на корпус реактора;

- переход к расхолаживанию от системы САОЗ НД и/или системы подпики-продувки 1 контура;

- контроль за допустимым уровнем в компенсаторе давления при расхолаживании;

- обеспечение теплоотвода от 1 контура через систему 2 контура;

- обеспечение выполнения условий по запасу температуры теплоносителя на выходе из активной зоны и горячих ниток 1 контура до вскипания;

- обеспечение герметичности в закрытом положении РК САОЗ ВД при выводе канала в ремонт;

- обеспечение ручного и дистанционного (автоматического управления) регулятором клапана согласно алгоритмов, определенных проектной организацией;

- линейная характеристика регулирования с ограничением скорости регулируемой среды в минимальном сечении клапана и на его выходе скоростью потока не более 5 м/с во всех режимах регулирования и перепадах давления (кратковременно – не боле 7,5 м/с);

Основными функциональными требованиями к регулирующему клапану САОЗ ВД согласно ТТ определены:

- плавное регулирование расхода среды от насоса САОЗ ВД на 1 контур согласно проектного алгоритма;

- характеристика гидравлического сопротивления РК DN125 должна быть такой, чтобы в открытом положении РК в системе «напорный трубопровод САОЗ ВД- первый контур» обеспечивал давление на напоре насоса САОЗ ВД не менее 40 кгс/см2 вплоть до атмосферного давления 1 контура при условии обеспечения расхода не более 240 т/ч;

- время полного открытия-закрытия клапана – не более 20 сек.;

- протечка через запорный орган при максимальном перепаде- не более 0,5% Кv;

- обеспечение сейсмостойкости для оборудования I класса согласно ПНАЭ Г-5-006-87.

- безкавитационное регулирование расхода от насоса САОЗ ВД на 1 контур во всех режимах его работы при следующих граничных условиях, определенных эксплуатирующей организацией (давление приведены в абс.значении):

Режим 1:  

ΔP=dPmax САОЗ ВД=1,44 кгс/см2 для G max РК САОЗ ВД=235 т/ч при полностью открытом РК и давлении в системе первого контура Р1к=19,96 кгс/см2

P1=P напор перед клапаном=48,1 кгс/см2

Тmax среды САОЗ ВД=60 гр.С

Рнас. =0,203 кгс/см2

Режим 2:

ΔP=dPmax САОЗ ВД=21,5 кгс/см2 для G max РК САОЗ ВД=235 т/ч при промежуточном положении клапана и давлении в системе первого контура Р1к=1 кгс/см2

P1=P напор перед клапаном=48,1 кгс/см2

Тmax среды САОЗ ВД=60 гр.С

Рнас. =0,203 кгс/см2

Режим 3:

ΔP=dPmax САОЗ ВД=98,0 кгс/см2 при промежуточном положении клапана и давлении в системе первого контура Р1к=8 кгс/см2

P1=P напор перед клапаном=110 кгс/см2

G min РК САОЗ ВД=55 т/ч (максимальный расход от одного подпиточного насоса системы ТК, которым можно заменить работу САОЗ ВД на 1 контур)

Тmax среды САОЗ ВД=60 гр.С

Рнас. =0,203 кгс/см2

Режим 4:

ΔP=dPmax САОЗ ВД=80,6 кгс/см2 при промежуточном положении клапана и давлении в системе первого контура Р1к=1 кгс/см2

P1=P напор перед клапаном=96,2 кгс/см2

G min РК САОЗ ВД=165 т/ч (максимальный расход от САОЗ ВД, выше которого гарантированно обеспечивается устойчивая работа насоса САОЗ ВД на 1 контур при минимальном давлении в системе 1 контура Р1к=1 кгс/см2, а также обеспечиваются условия восстановления охлаждения после плавления активной зоны реактора без повреждения корпуса реактора).

Тmax среды САОЗ ВД=60 гр.С

Рнас. =0,203 кгс/см2

Таким образом, проектируемая конструкция должна обеспечивать безкавитационную работу во всех указанных режимах.

Расчетные данные для проектирования:

1.  Рабочее давление          10,7 МПa,
   1.  Расчётное давление           14,3 MПa
   2.  Расчётный перепад давления          10,8 MПa
   3.  Расчётная температура          150 °C
   4.  Давление перед клапаном при макс. расходе 235 т/ч и открытом положении клапана  не менее чем                        3,9 MПa 

5.   Макс. протечка, т/ч           0,5% Kv

6.   Диапазон регулирования              3-100%

7.   Характеристика регулирования линейная

8.   Макс. конструктивная длина              710 мм

Цели оптимизации при разработке конструкции:

1. Подтверждение требуемой величины Kv - 235 м³/ч при условии соблюдения безопасного  уровня 5-10%,  а также улучшения проточной характеристики.

2. Отсутствие кавитации при условиях режимов 1 и 2 эксплуатации, оговоренных спецификацией, а также дополнительно в режимах эксплуатации, рассматриваемых как режим 3 и 4.

3. Подтверждение линейной характеристики регулирования в диапазоне 3-100 %.

4. Обеспечение полной функциональности клапана при максимальном значении перепада давления Delta-P – независимо от источника подачи давления (насос или первый контур) в размере 110 кгс/см³

5. Подтверждение выполнения условий спецификации в части допустимой скорости на выходе с арматуры.

6. Обеспечение максимально высокой плотности седла, наряду с упрощением обслуживания благодаря конструкции, предусматривающей возможность замены седла и золотника с сильфоном.

Улучшение проточных характеристик:

Цель:

Подтверждение требуемой величины Kv - 235 м³/ч при условии соблюдения требований безопасности.

Условия, заданные спецификацией:

Ограничение конструктивной длины арматуры до 710 мм при минимально возможном весе.

Результат:

Значительное улучшение геометрии проточной части благодаря конструкции, предусматривающей наклон седла на 45 ° и оптимизацию внутренней геометрии проточной части.

Предыдущий вариант конструкции: визуализация потока с помощью цветных нитей, окрашенных в зависимости от скорости потока.

Оптимизированный вариант конструкции:

•  Поток после седла более равномерный
•  Конструкция седла способствует улучшению проточной характеристики
•  Величина Kv - 235 м3/ч выполняется с соблюдением требований безопасности >5%

 

Отсутствие кавитации во всех режимах эксплуатации:

Цель: для подтвержденного отсутствия кавитации в режимах работы 1 и 2, дополнительное исключение кавитационных явлений в режимах эксплуатации, рассматриваемых как режим 3 и 4.

Условия, заданные спецификацией:

а) линейная характеристика регулирования,

б) необходимость учета возможных загрязнений рабочей среды теплоизоляционным материалом. Учитывая данное требование предусмотрена параболическая форма золотника.

Результат: подтверждение отсутствия кавитационных явлений в эксплуатационных режимах 3 и 4 путем оптимизации конструкции параболического золотника

Таб. 1: Расчётные варианты нагрузки

	Случай 1	Случай 2	Случай 3
Расход на входе [т/ч]	235	130	100
Давление на входе [кгс/cм²]	47	95,4	104,8
Давление на выходе [кгс/cм²]	45,56	94,96	104,53
Температура на входе [°C]	до 50	до 50	до 50
Подъем [мм]	30	30	30

Таб. 2: Расчётные варианты нагрузки

	РВН Кав.1	РВН Кав.2	РВН Кав.3	РВН Кав.4
Расход на входе [т/ч]	235	235	55	165
Давление на входе [кгс/cм²]	48,1	48,1	110,0	96,2
Давление на выходе [кгс/cм²]	46,66	26,6	12,0	15,6
Температура на входе [°C]	60	60	60	60
Подъем [мм]	30,0	7,5	2,0	4,0

Предыдущий вариант конструкции: одноступенчатая конструкция, параболический золотник:

Оптимизированный вариант конструкции: одно-трехступенчатая конструкция арматуры, параболический золотник:

РВН „Кав.3“, предыдущая конструкция - „наихудший случай“

•  Появление кавитации
•  Отсутствие эрозии, вызываемой кавитацией
•  Макс.скорость до 290 м/с в щелевой зоне
•  Ограничение кавитационных явлений

Эпюра зон давления, 0,2 бар < p < 1 бар

РВН „Кав.3“, оптимизированная конструкция

•  Избежание кавитации с помощью 3-ступенчатого седла
•  Отсутствие эрозии, вызываемой кавитацией
•  Макс.скорость < 150 м/с в щелевой зоне
•  Оснащение седла наплавкой
•  Избежание кавитационных явлений
•  

Эпюра зон давления, 0,2 бар < p < 1 бар

Подтверждение линейной характеристики регулирования в диапазоне 3-100 %:

Цель: линейная характеристика регулирования

Условия, заданные спецификацией:

а) отсутствие кавитации

б) параболический золотник

Результат: с помощью улучшенной конструкции параболического золотника обеспечивается линейность характеристики регулирования.

Обеспечение полной функциональности клапана  при максимальном значении перепада давления Delta-P:

- обеспечение запорной функции от первого контура при 0-110 кгс/см³ и при 0 кгс/ см³ давления насоса,

- обеспечение регулирующей функции при этих условиях при давлении насоса до 110 кгс/ см³

Условия, заданные спецификацией:

- плотность седла;

- самотормозящий привод;

- ограничение ручного усилия до 200 N.

Результат: обеспечение требуемой функциональности.

Подтверждение выполнения условий спецификации в части допустимой скорости на выходе с арматуры:

Определение скорости с помощью гидродинамического анализа:

•  При равномерном потоке внутри трубы диаметром 120 мм средняя скорость составит не более 5,0 м/с при 235 т/ч.
•  Гидродинамический анализ: макс. скорость на выходе составляет не более 7,5 м/с.

Эпюра зон давления. Вид из входного патрубка в клапан.

Плотность седла и упрощение обслуживания благодаря конструкции, предусматривающей возможность замены седла и золотника с сильфоном.

Материал золотника/ направляющие части золотника с наплавкой из материала:

•  1.4533 / SKWAM (HRC 45)

Материал сменного седла:

•  1.4122 (закалённый материал) (HRC 43).

Рис. Седло/золотник в разрезе

Итогом данной работы после последовательных итераций расчетов различных вариантов предполагаемой конструкции при помощи вычислительной техники стала разработка оптимизированной конструкция регулирующего клапана с параболическим золотником сложной геометрии для системы САОЗ ВД с полным выполнением условий согласно технических требований заказчика – эксплуатирующей организации НАЭК «Энергоатом», Южно-Украинской АЭС и Ген.проектанта ЮУАЭС.

Список литературы:

1.  Д.Ф. Гуревич, В.В. Ширяев, И.Х. Пайкин Арматура атомных станций. Справочное пособие.- М. – Энергоиздат, 1982г.
2.  Благов Э.Е, Ивницкий Б.Я. Дроссельно-регулирующая арматура в энергетике.-М.: Энергия, 1974г.
3.  Овчинников Ф.Я, Семенов В.В, Эксплуатационные режимы водо-водяных энергетических реакторов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988г.
4.  "Концепция повышения безопасности действующих энергоблоков атомных электростанций", одобренная распоряжением Кабинета Министров Украины №515-р от 13.12.2005г.
5.  "Южно-Украинская АЭС. Энергоблок № 1. Теплогидравлический анализ обоснования безопасности технических решений по реконструктивным мероприятиям Плана-графика реализации мероприятий "Комплексной программы модернизации и повышения безопасности энергоблоков АЭС Украины" для площадки ЮУ АЭС (на период 2003-2006 г.г.). ГР.03808.97". Этап 9. Обоснование концептуальных мероприятий по п. 5.5.2 "Установка байпасного трубопровода с регулирующим устройством расхода на напорной арматуре насоса САОЗ ВД", п. 5.5.1 "Анализ безопасности по управлению давлением 1 контура от САОЗ ВД", п. 5.6.2 "Установка байпасного трубопровода с регулирующим устройством расхода на напорной арматуре насоса САОЗ НД" и п. 5.6.1 "Анализ безопасности по управлению давлением 1 контура от САОЗ НД"" 57-502.203.011.ОТ.00
6.  ИЭ.1.0001.0027. Система аварийного охлаждения активной зоны высокого давления. Блок №1. Инструкция по эксплуатации.
7.  "Регулирующий клапан VBS5 DN 125. Техническая спецификация. Sempell 80 2125 86".
8.   РК.221.01-03 "Руководство по качеству при проектировании в соответствии с ИСО 9001:2000".
9.  ГОСТ 23866-87 "Клапаны регулирующие односедельные, двухседельные и клеточные".
10.  NS-G-2.3 IAEA Safety standarts. Modifications to nuclear power plants: safety guide. – Vienna. International Atomic Energy Agency, 2001.
11.  NS-G-1.10 IAEA Safety standarts. Design of Reactor Containment Systems for Nuclear Power Plants: safety guide. – Vienna. International Atomic Energy Agency, 2004.
12.  ASME QME-1. Qualification of active mechanical equipment used in nuclear power plants. – ASME, 2007.