ДЕМЧЕНКО ВЛАДИСЛАВ ОЛЕКСІЙОВИЧ

УДК 621.181.6:62-5

СИСТЕМИ КОНТРОЛЮ ТА УПРАВЛІННЯ БАРАБАННИМИ ПАРОГЕНЕРАТОРАМИ АЕС З ВВЕР

05.13. 07 – автоматизація технологічних процесів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса-2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизації теплоенергетичних процесів Одеського національного політехнічного університету Міністерства освіти і науки.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор

Тодорцев Юрій Костянтинович,

Одеський національний політехнічний університет,

завідуючий кафедрою автоматизації

теплоенергетичних процесів.

Офіційні опоненти:

1.

2.

3. Доктор технічних наук, професор Коханський Анатолій Йосипович, Одеська державна морська академія, завідуючий кафедрою автоматизацїї суднових паропотужних установок.

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”.

Захист відбудеться 11.10.2001 р. о 13-30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеського національного політехнічного університету.

Автореферат розісланий 04.09.2001 р.

Вчений секретар

cпеціалізованої вченої ради ______________ Ямпольський Ю.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Основу енергетики України складають теплові (ТЕС), атомні (АЕС) і гідравлічні електростанції. Частка атомних електростанцій у загальній сумі встановлених потужностей України складає 24 %. Однак частка АЕС у загальному виробництві електроенергії в останні роки зростає. Так, у 1994 р. частка атомних станцій у виробництві електроенергії склала 34.2 %, в 1995 році - 36.6 %, а в 1999 - 46.7 %. В періоди зимового максимуму ці показники доходять до 46 %. Це пов'язано з економічними труднощами в Україні і обмеженими можливостями ТЕС в закупці енергоресурсів (вугілля, мазуту, газу). Незважаючи на нестачу коштів на закупку палива для атомних енергоблоків, АЕС продовжують нарощувати виробництво електроенергії. Саме ця галузь електроенергетики у пікові періоди є основою збереження енергосистеми країни.

Основу ядерної енергетики України складають двоконтурні енергоблоки потужністю 440 і 1000 МВт з водо-водяними реакторами типу ВВЕР. Експлуатація таких енергоблоків здійснюється за допомогою автоматизованих систем управління і застосуванням інформаційно-обчислювальних систем “Комплекс-Уран” і “Комплекс ТІТАН-2”. Вдосконалення автоматизованих систем управління технологічними процесами енергоблоків АЕС є найважливішим засобом підвищення ефективності і надійності АЕС. Нинішнім часом на всіх АЕС України у зв'язку з виробленням ресурсу у багатьох технічних засобах АСУ ТП проводиться їхня модернізація.

Досвід експлуатації сучасних АСУ ТП показав їх достатньо високу надійність, однак проблема підвищення точності, безпеки і надійності функціонування сучасних АСУ ТП ще досі залишається. Це може бути досягнуто, зокрема, за рахунок таких чинників:

- використання в системі промислових ПЕОМ на основі мережевих структур;

- розширення функціональних можливостей системи;

- вдосконалення технічної структури і програмного забезпечення;

- підвищення точності локальних систем контролю;

- вдосконалення алгоритмів управління і застосування сучасних засобів і принципів управління та ін.

Актуальність теми

Безпека ядерної енергетичної установки з реактором типу ВВЕР великою мірою визначається надійністю роботи та ефективністю управління барабанним парогенератором (ПГ), який повинен забезпечувати надійне відведення теплоти від першого контуру в нормальних і аварійних режимах, а також генерацію пари з заданою вологістю. Найважливіший параметр, від якого залежить виконання цих функцій, - рівень води в ПГ, що повинен підтримуватися на певному значенні. Підвищення рівня призводить до збільшення вологості пари, закидання води у турбіну і пошкодження лопаточного апарата, а зниження – до огоління трубчастого пучка, що гріє, зменшення аварійного запасу води в ПГ і небажаного підвищення температури води першого контура на вході в реактор.

Надійність і точність сучасних підсистем контролю та управління парогенератором ще недостатньо висока. Управління дільницею живлення ПГ здійснюється двома автоматичними системами керування: рівня води та витрати живильних турбонасосів (ЖТН). Робота цих систем взаємопов’язана через об’єкт управління, однак налагоджуються вони незалежно одна від одної. При глибоких внутрішніх та зовнішніх збуреннях ці системи керування не в змозі забезпечити підтримання технологічних параметрів у межах (кордонах) нормальної експлуатації, що призводить до розвантажування або повної зупинки енергоблока та економічних збитків, а також до зниження надійності ПГ.

Виявлені суттєві похибки і недоліки в методиці розрахунку гідростатичних рівнемірів малої і особливо великої бази на робочих навантаженнях, наприклад не враховується зміна густини пароводяної суміші при зміні навантаження, а для рівнемірів великої бази – ще і опіру трубчастої поверхні, що нагріває, а також зануреного дірчастого листа (ЗДЛ).

Неточне вимірювання рівня призводить до таких наслідків:

-

-

У зв'язку з цим виникає необхідність вдосконалення систем контролю і управління живленням барабанного парогенератора. Дисертаційна робота присвячена одному з напрямків вирішення цієї проблеми.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана згідно з госпдоговорами з ПУ АЕС № 1149-47 “Аналіз стану і дієздатності існуючої системи контролю рівня в ПГ і рекомендації щодо її вдосконаленняю” та № 1222-47 “Оцінка дієздатності системи виміру вологості пари на блоці №2 ЮУ АЕС конструкції НИЦ ВНИИАМТЕПЛОТЕХ” згідно з наказому № 1 від 4.01.1998 р. по ЮУ АЕС “Об итогах работы ПО “Южно-Украинская АЭС” в 1997 г. и основных задачах на 1998 г. Приложение №8 “Годовой план на 1998 г. на проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и опытно-технологических работ ПО Южно-Украинская АЭС”, п. 6.09 та 6.07. Автор даної роботи був відповідальним виконавцем означених госпдоговірних робіт.

Мета та задачі дослідження.

Основною метою роботи є підвищення якості управління дільницею живлення барабанного ПГ для підвищення безпеки та надійності енергоблока.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати такі задачі:

1. Застосувати для управління всією дільницею живлення парогенератора сучасні засоби управління, в тому числі оптимальне і багатовимірне, для чого:

- розробити математичні моделі динаміки ПГ за рівнем води та всієї дільниці живлення;

- синтезувати та дослідити цифрові та багатовимірні системи управління як парогенератором, так і всією дільницею живлення;

2. Підвищити точність систем вимірювання рівня води у ПГ на всіх навантаженнях, для чого

- виявити причини і джерела похибок штатних гідростатичних систем контролю;

- розробити математичну модель гідродинаміки парогенератора для аналітичного розрахунку характеристик, що беруть участь в розрахунку гідростатичних рівнемірів, а також експериментальні засоби оцінки густини пароводяної суміші;

- розробити методику розрахунку дифманометрів-рівнемірів та дійсного рівня води на всіх навантаженнях парогенератора.

Об'єкт дослідження – автоматизована технологічна дільниця живлення парогенератора енергоблока АЕС з ВВЕР, яка містить живильний тракт, парогенератор і паропроводи до турбіни з необхідними підсистемами контролю та управління.

Предмет дослідження - підсистеми контролю і управління парогенератором і пароводяним трактом у складі АСУ ТП енергоблока.

Засоби дослідження. Для розв'язання поставлених задач використовуються аналітичні і експериментальні засоби дослідження статики і динаміки парогенератора, систем контролю і управління, а також сучасні засоби синтезу алгоритмів та багатовимірного управління складними об'єктами.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Доказано, що штатні системи контролю рівня води у барабанних парогенераторах АЕС дають недостовірну інформацію про рівень води як для систем контролю, так і для автоматичних систем стабілізації рівня води.

2. Вперше показано, що перепад тиску дифманометра- рівнеміра загального рівня води з умов його підключення до ПГ залежить не тільки від рівня води, але і від змінної густини пароводяної суміші, гідравлічного опору трубчастої поверхні нагріву та зануреного дірчастого листа, причому вказані величини є функціями не тільки парового навантаження, але і рівня води, який вимірюється.

3. Вперше запропоновані і розроблені експериментальні засоби оцінки густини пароводяної суміші в ПГ в застосуванні до розрахунку гідростатичних рівнемірів, а також відносної відміни ціни поділки рівнемірів, розташованих у різноманітних зонах ПГ.

4. Розроблена модель гідродинамічних процесів у ПГ, яка дозволяє оцінити раніше невідомі залежності густини пароводяної суміши, опору трубчастого пучка та зануреного дірчастого листа від навантаження ПГ та рівня води, що вимірюється.

5. Розвинена теорія вимірювання рівня двофазних середовищ гідростатичними рівнемірами ПГ АЕС з ВВЕР. При цьому вперше розроблені аналітична і експериментально – аналітична методики розрахунку на робочих навантаженнях дифманометрів-рівнемірів, а також методика розрахунку дійсного рівня води як посереднього виміру по сигналах витратоміра пари (води) та штатного рівнеміра як для робочих навантажень, так і для режимів розігріву та розхолоджування реакторної установки.

6. Вперше показано, що верхня межа шкали і ціна поділки гідростатичних рівнемірів парогенераторів АЕС є змінними і залежать від навантаження ПГ. У зв’язку з цим запропонована концепція розробки універсальних шкал вторинних приладів, за допомогою яких можна знаходити дійсний рівень води у парогенераторі у всьому діапазоні робочих навантажень.

7. Розроблені математичні моделі динаміки парогенератора, двокамерної зрівняльної посудини за рівнем води та всього живильного тракту, які дозволяють дослідити перехідні процеси в об'єкті управління при внутрішніх та зовнішніх збуреннях, а також проводити синтез нових алгоритмів і засобів управління не тільки одним ПГ, але і всією дільницею живлення енергоблоку.

8. Вперше досліджена можливість застосування для ПГ АЕС та ТЕС цифрового оптимального зі спостерігачем стану одноімпульсного ПІ-регулятора рівня води.

9. Для управління всією дільницею живлення у складі чотирьох ПГ енергоблока вперше запропоновано багатовимірний цифровий регулятор рівня води та витрат живильних турбонасосів для трьох режимів роботи, який забезпечує підвищення якості управління. Застосування багатовимірного управління дільницею живлення повинно зменшити кількість аварійних розвантажень та відключень енергоблоку, що підвищить ефективність використання блоку та поліпшить його техніко-економічні показники.

Практична цінність отриманих результатів полягає в тому, що на основі проведених досліджень вперше вдалося за показаннями штатних рівнемірів оцінити дійсний рівень води, що підтримується в ПГ за допомогою системи автоматичного регулювання. Розроблена методика дозволяє аналітично неперервно розраховувати дійсний рівень води як на робочих навантаженнях, так і в режимах розігріву та розхолоджування реакторної установки, а також модернізувати штатні показові рівнеміри, розрахувавши для них універсальні шкали для декількох фіксованих навантажень з урахуванням конкретної зони ПГ, в якій встановлено рівнемір. Можливість розрахунку і вимірювань дійсного рівня води в ПГ на робочих навантаженнях дають в свою чергу можливість точно виставляти необхідні уставки блокувань та захисту, що підвищить надійність роботи ПГ. Розроблені нові алгоритми і засоби багатовимірного цифрового управління дозволяють підвищити якість автоматичної стабілізації рівня води в ПГ при внутрішніх і зовнішніх збуреннях в енергоблоці, що у свою чергу підвищить надійність та ефективність використання блоку. Дані практичні рекомендації щодо модернізації штатних систем.

Запропоновані розробки впроваджені на енергоблоках ПУ АЕС.

Особистий вклад автора в дисертаційну роботу полягає в такому:

-

-

-

-

-

-

-

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на 2-й українській конференції “Автоматика-95” (Львів, 1995 р.), 3-й українській конференції “Автоматика-96 (Севастополь, 1996 р.), 4-й українській конференції “Автоматика-97” (Черкаси, 1997 р.), 5-й українській конференції “Автоматика-98” (Київ, 1998 р.),

6-й українській конференції “Автоматика-99” (Харків, 1999 р.), 7-й українській конференції “Автоматика-2000” (Львів, 2000 р.), міжнародній конференції з проблем управління в Інституті проблем управління Російської академії наук (Москва, 1999 р.), 1-й міжнародній науково-технічній конференції “Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці” (Львів, 1995 р.), IХ міжнародній конференції “Удосконалення процесів та апаратів хімічних, харчових та нафтохімічних виробництв” (Одеса, 1996 р.), III міжнародній конференції “Молодежь-ядерной энергетике” (Одеса, 1996 р.), Міжнародній конференції Украиїнського ядерного суспільства “Безопасность и защита АЕС” (Одеса, 1997 р.), Міжнародній конференції украинського ядерного суспільства “Модернизация АЭС с реакторами ВВЭР” (Одеса, 1999 р.), міжнародній конференції з математичного моделювання “Фізико-технічні і технологічні додатки математичного моделювання” (Херсон, 1998 р.), а також на інших нарадах і конференціях.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 47 роботах, у тому числі -один навчальний посібник. Деякі з цих робіт написані особисто автором (11 статей), інші - з співавторами. Окремі питання, які розглядаються в дисертаційній роботі, досліджені спільно з аспірантами В. Ф. Ложечниковим і А. Л. Яцишиним, а також інженером Л.Д. Лянко

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку літературних джерел, що були використані, і додатків.

Загальний обсяг роботи складає 380 сторінок, у тому числі на 271 сторінці викладений основний зміст дисертації, 10 сторінок займають рисунки і таблиці, на 16 сторінках вказаний список 144 літературних джерел, а на 91 сторінці подані матеріали додатку .

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність проведених досліджень, звязок роботи з науковими планами та темами, мета та задачі роботи, її наукова та практична цінність.

У першому розділі дисертації показано, що барабанний парогенератор АЕС з ВВЕР є складним об'єктом управління з багатьма контрольованими і регульованими величинами, від його надійної роботи залежить надійність та безпека всієї ядерної енергетичної установки. Основним регульованим параметром ПГ є рівень живильної води, до стабілізації якого ставляться жорсткі вимоги. Для виміру рівня води використовуються гідростатичні рівнеміри малої бази (1 або 0.63 м) з двокамерними зрівняльними посудинами і великої бази (близько 4 м) з однокамерними зрівняльними посудинами. Кількість зрівняльних посудин у ПГ серійного енергоблока становить 7, а дифманометрів - 23, що пов'язано з використанням сигналу за рівнем води в системах контролю, регулювання та багатоканального захисту.

Аналіз систем контролю та управління показав таке. Методика розрахунку рівнемірів як малої, так і великої бази, що використовуються у теперішній час на АЕС України та інших країн з парогенераторами горизонтального типу, придатна лише для режиму мінімально контрольованого рівня потужності реактора (МКР). При розрахунку рівнемірів малої бази не враховується зміна з навантаженням густини пароводяної суміші, а для рівнемірів великої бази – не тільки зміна з навантаженням щільності суміші, але і специфіка підключення до ПГ імпульсних ліній зрівняльної посудини, а саме – опору пакета труб, що гріють, та зануреного дірчастого листа. Вологість насиченої пари, що генерується в ПГ, суттєво залежить від навантаження ПГ і рівня води. Тому неточні виміри та підтримання за допомогою автоматичного регулятора завищеного рівня води призводять до збільшеного зносу лопаточного апарата турбін та зниження потужності і економічності енергоблока.

Для управління дільницею живлення барабанних ПГ АЕС використовуються автоматичні регулятори рівня води та витрат живільних турбонасосів. Аналіз експлуатаційних порушень на автоматизованій дільниці живлення показує, що при деякіх порушеннях у роботі обладнання (позаштатних ситуаціях), а також при глибоких внутрішніх та зовнішніх збуреннях штатні автоматичні системи регулювання не здатні забезпечити підтримання технологічних параметрів у межах нормальної експлуатаціїї, що призводить до розвантажування або повної зупинки енергоблока.

Виявлені недоліки штатних систем контролю та управління парогенератором обумовили розв'язання таких задач:

-

-

-

-

-

У другому розділі дисертації наведені розроблені аналітичні і експериментальні засоби розрахунку густини пароводяної суміші і гідродинамічних характеристик ПГ стосовно до розрахунку гідростатичних рівнемірів малої та великої бази. На основі наявних експериментальних і аналітичних досліджень автором розроблена методика аналітичного розрахунку гідродинамічних характеристик ПГ. Стовп пароводяної суміші висотою h, тиск якого вимірюється дифманометром-рівнеміром, запропоновано представляти у вигляді суми трьох стовпів: стовпа суміші в межах пакета труб, що гріють, висотою h1, стовпа парової подушки висотою h2 і стовпа пароводяної суміші над ЗДЛ висотою h3. Середня густина пароводяної суміші по всій висоті ПГ визначається шляхом усереднення за середньогармонічним законом:

(1)

де 1, 2, 3 – середня густина суміші на відповідній дільниці.

Густина пароводяної суміші над ЗДЛ визначається за відомими залежностями.

Висота парової подушки h2 під ЗДЛ була прийнята такою, що залежить від навантаження. Паровміст цього шару задавався постійним.

Опір ЗДЛ при проході пароводяної суміші визначався за відомою формулою, але додатково був введений коефіцієнт, який враховував вплив рівня води.

На першій дільниці висотою h1 були виділені низхідні між пучками та підйомні в межах пучка дільниці. Для спрощення було прийнято, що низхідний та підйомний потоки аналогічні звичайному циркуляційному контуру. Такий підхід дещо спрощує фактичну картину, однак дозволяє використати для розрахунку вже існуючі узагальнені експериментальні дані.

Тепловий потік було прийнято пропорційним температурному напору.

Поточне значення густини теплового потоку вздовж змієвикової трубки пучка

, (2)

де q,q - тепловий потік біля гарячого та холодного колекторів; L, L0 – поточна та загальна длина трубки.

У низхідному потоці пар з’являється як результат захоплення парових бульбашок низхідним потоком при його зливанні з ЗДЛ, а також внаслідок неповного відділення пари від води у верхній частині циркуляційного контуру.

Розрахунок масового паровмісту у підйомному каналі проводився за виразом

, (3)

де Sпов – площа поверхні теплообміну; r – тепло фазового переходу; 0 – швидкість циркуляції; Sэкв – еквівалентна площа щілини між трубками для проходу пароводяної суміші, – масовий паровміст низхідного потоку.

Швидкість циркуляції 0 визначається як результат ітераційного розрахунку гідродинаміки ПГ. Величина Sэкв визначається на моделі гідродинаміки з урахуванням експериментальних і аналітичних досліджень.

Рушійний напір

(4)

Сумарний опір всього циркуляційного контуру ,

де Pоп – гідравлічний опір низхідного каналу; Pпод – гідравлічний опір підйомного каналу.

Гідравлічний опір опускного та підйомного каналів розраховувався за відомими залежностями з урахуванням експериментальних даних для ПГВ-1000.

Швидкість циркуляції 0 є невідомою величиною. Критерієм для її знаходження є рівність сумарного гідравлічного опору циркуляційного контуру P рушійному

напору Sдв.

Для розрахунку та аналізу гідродинамічних характеристик ПГ розроблена спеціальна програма “Gidrodinamika”. Основна кінцева мета розрахунку гідродинаміки ПГ – визначення функціональних залежностей середньої густини пароводяної суміші ?см = f1 (D, h), гідравлічного опору пучка ?Рг = f2 (D, h) та зануреного дірчастого листа ?Рл = f3 (D, h) для розрахунку характеристик дифманометра – рівнеміра великої бази. До задачі розрахунку входило також виявлення впливу деяких коефіцієнтів і параметрів на характеристики дифманометрів з метою спрощення математичного опису та оцінки похибки розрахунку.

Розрахунок гідродинамічних характеристик для різноманітних навантажень і рівня води показав, що при збільшенні парового навантаження середня густина пароводяної суміші зменшується монотонно від значення =753.3 до 470 кг/м3 при h=2.45 м (рис. 1).

Рис. 1. Залежність середньої густини суміші від навантаження при різних рівнях

Зміна рівня води не змінює характер цієї залежності. Ці дані добре узгоджуються з аналітичними розрахунками ВТІ на математичній моделі середньої по ПГ густини пароводяної суміші для ПГ ПГВ-4 і ПГВ-1000. Зміна густини пароводяної суміші при зміні рівня води та постійній потужності не монотонна (рис. 2). Це пояснюється перерозподілом відносного впливу густини окремих дільниць на сумарну густину. Зміна густини пароводяної суміші при зміні рівня води від 1.5 до 2.2 м характеризує вплив площі поверхні теплообміну на величину паровмісту. Опір трубного пучка г при збільшенні навантаження та постійному рівні води монотонно зростає (до 3800 Па при Н=2.5 м та N=100 %). Опір зростає також при збільшенні рівня води.

У зв'язку зі складнощами аналітичного розрахунку густини пароводяної суміші був розроблений експериментальний засіб визначення густини пароводяної суміші по динамічних (перехідних) процесах за рівнем води.

Рис. 2. Залежність середньої густини суміші від рівня води при різних навантаженнях

Суть його полягає в обробці кривої розгону ПГ за рівнем при стрибкоподібній зміні витрати живильної води. Крива розгону на початку має ємкісне запізнювання, а після цього встановлюється постійна швидкість зміни рівня води. Ця частина кривої розгону описується рівнянням типової ланки, що інтегрує,

, (5)

де h – зміна рівня води, м; Gпв – стрибкоподібна зміна витрати живильної води, кг/с;

– коефіцієнт передачі, м/кг .Фізичний зміст коефіцієнта – швидкість зміни рівня на одиницю збурення. З аналітичного способу виводу рівнянь динаміки об'єктів управління відомо, що коефіцієнт визначається виразом

, (6)

де F3 – площа дзеркала випарювання, м2; см – густина пароводяної суміші у ПГ, кг/м3.

У такому випадку засіб оцінки густини пароводяної суміші у ПГ полягає в розрахунку. коефіцієнта шляхом обробки експериментальної кривої розгону за виразом

,

де h та t – відповідні відрізки на осях рівня та часу для лінійної частини кривої розгону. Визначивши , розраховують з (6) см= 1/(Fз), де площа Fз відома з конструктивних розмірів ПГ.

Розрахунки для ПГВ-1000 такі: см = 591 кг/м3, що добре узгоджується з аналітичними та експериментальними дослідженнями (609 кг/м3).

У роботі запропоновано спосіб оцінки ціни поділки та верхньої межі вимірювання шкали рівнеміра малої та великої бази. Суть методу полягає у такому. Враховуючи суть гідростатичного засобу виміру рівня рідини, коли тиск стовпа рідини визначається його висотою і густиною, тобто hg, випливає, що ціна поділки та верхня межа вимірювань рівнемірів, розташованих в зонах з різноманітною густиною рідини, повинні бути різноманітними. Якщо рівень води у ПГ змінити на певну висоту h, однакову для "великого" і "малого" рівнемірів, то й тиск стовпа рідини з різноманітною густиною буде також різноманітним. Якщо рівнеміри розраховані на однакову густину рідини, то відмінність створюваних перепадів тиску повинна привести до відмінності відрахованих на різних рівнемірах змін рівня води.

Експерименти на ПГ № 2 третього енергоблока ПУ АЕС показали, що ціна поділки і верхня межа вимірювань рівнеміра великої бази на навантаженні 956 МВт в 1,54, а на навантаженні 734 МВт – в 1,2 рази більше, ніж у розрахунковому режимі. Це добре узгоджується з аналітичними розрахунками (див. 3 розд. ).

Оцінити верхню межу можливого значення густини пароводяної суміші можна також за перехідними процесам при скиданні навантаження турбогенератора. При повному скиданні навантаження блока видаток пари з ПГ знижується до нуля, що призводить до різкого підвищення тиску пари у ПГ та зменшенню рівня пароводяної суміші. Знаючи функціональну залежність об’єму води у ПГ від рівня води, можна за зміною об’єму пароводяної суміші при зменшенні рівня та початковому об’єму суміші визначити середній по ПГ об'ємний паровміст та середню густину суміші. Отримана таким розрахунком оцінка густини є лише верхньою межею можливого значення густини суміші.

У третьому розділі розглянуті розроблені засоби і вирази для розрахунку гідростатичних рівнемірів малої та великої бази.

Сьогодні розрахунок штатних дифманометрів-рівнемірів малої бази проводиться так само як і для котлів ТЕС, виходячи з припущення, що вода у зоні підключення зрівняльної посудини (ЗП) знаходиться у стані насичення. Тоді перепад тиску на дифманометрі визначається виразом:

, (7)

де Нб – база рівнеміра; h – рівень води в ПГ; ’, ’’ – густина води і пари на лінії насичення; g – прискорення вільного падіння.

Вважається, що густина води при постійному тиску в ПГ залишається незмінною при будь-якому навантаженні, відповідно вважаються незмінними верхня межа шкали та ціна поділки рівнеміра. Однак численні дослідження динаміки ПГ ВТІ, ВНІІАМ, ОКБ Гідропрес показали, що у низхідному циркуляційному каналі, де підключений рівнемір, на номінальній потужності паровміст складає 0.15 - 0.2 і навіть 0.3, що пов'язано з виходом частини пари з верхньої частини пакета у низхідний канал. Таким чином, для точного виміру рівня рівнемірами малої бази необхідно знати середню густину пароводяної суміші у “холодному” торці ПГ між врізками імпульсних ліній двокамерної посудини для всіх навантажень ПГ від мінімально контрольованого рівня потужності реактора до номінального значення. Необхідно відзначити, що в серійних ПГ фактично відсутні засоби контролю (повірки) рівнемірів як малої, так і великої бази. Індикаторна колонка штатної системи контролю рівня води КУП-1000 розміщена на зануреному дірчастому листі біля “гарячого” колектора теплоносія, де паровміст суттєво більший, ніж в зоні “малого” рівнеміра, і тому не придатна для повірки рівнемірів.

Однак на ПГ перших двох енергоблоків ЮУ АЕС означена індикаторна колонка рішенням ВНІІАМ і ОКБ Гідропрес була перенесена на закраїну ЗДЛ у “холодний” торець ПГ, що дозволяє контролювати знаходження рівня пароводяної суміші на відмітці ЗДЛ

(320 мм по малому рівнеміру або 2450 мм від дна). Експерименти на 1ПГ-4 при номінальному навантаженні показали, що при знаходженні рівня води на відмітці ЗДЛ (320 мм) малий рівнемір мав показання 260 мм. Підстановка у (7) відомих значень рівня h і перепаду тиску дифманометра Р дозволяє визначити значення густини пароводяної суміші см, яке становить 609.1 кг/м3. Цьому значенню густини відповідає паровміст =0.2, що добре узгоджується з наведеними вище результатами досліджень. Подібні експерименти можна провести для кількох фіксованих потужностей. За відсутності таких експериментальних даних можна задатися очікуваним законом зміни см від навантаження на підставі вже наявних досліджень. Відомі аналітичні та експериментальні дослідження на ПГ та спеціальних стендах показують, що відношення см/ від відносного навантаження N=D/Dном має однаковий характер. Тому для 1ПГ-4 ПУ АЕС ця залежність описана так:

(8)

Знання см(N) дозволяє автоматично розраховувати дійсний рівень води у ПГ за допомогою АСУ ТП енергоблока і виводити його на дисплей оператора-технолога. Для збереження штатних показових рівнемірів блочного щита управління енергоблока можна розрахувати і побудувати універсальну шкалу для декількох фіксованих навантажень ПГ.

Характеристика дифманометра-рівнеміра розраховується за виразом

, (9)

де см є функцією навантаження. Розрахунок для ПГВ-1000М при Нб =1м і см відповідно до (8) дає значення верхньої межі шкали при навантаженні 100 % Ншк=1,25 м, тобто на 25 % більше, ніж для штатної шкали. При цьому ціна поділки шкали приладу змінюється відповідно. Похибка рівнеміра залежить від рівня води, що вимірюється, тобто є мультиплікативною і змінюється від 0 при нульовому показанні до 250 мм при підвищенні рівня на 1 м (для номінального навантаження). В окремому випадку, при показанні рівнеміра 320 мм дійсний рівень води становить 400 мм, тобто рівнемір занижує показання. Між тим відомо, що підтримання у ПГ підвищеного порівняно з номінальним рівня води приводить до підвищення вологості пари, що генерується. Для підтримання рівня води на відмітці ЗДЛ (320 мм) необхідно, щоб рівнемір мав показання 260 мм, що і виконується зараз на ПУ АЕС.

Універсальна шкала для потужностей МКР реактора, а також 25, 50, 75 і 100 % зображена на рис. 3. Жирна похила лінія показує необхідне положення покажчика рівнеміра при відповідному навантаженні ПГ для підтримання в ньому номінального рівня води, що дорівнює 320 мм (2450 мм від дна ПГ).

Рис. 3. Універсальна шкала рівнеміра малої бази

Розрахунок дійсного рівня води по сигналам витратоміра пари та рівнеміра на всіх поточних навантаженнях з виводом інформації на монітор оператора-технолога виконується

за виразом

(10)

Тут – поточний перепад тиску на дифманометрі-рівнемірі, що характеризує показання рівнеміра. В дисертації наведені розрахункові вирази, алгоритм і програма розрахунку.

Нині на АЕС штатні рівнеміри великої бази також розраховують за (7), тільки в першому доданку правої частині рівняння замість густини води на лінії насичення підставляється густина води при температурі 40 або 60 С. Однак це справедливо лише для режиму МКР потужності реактора. Для робочих навантажень в розрахунку рівнеміра необхідно враховувати опір пакета труб, що гріє, а також ЗДЛ. Таким чином, перепад тиску на дифманометрі-рівнемірі визначається виразом

, (11)

де h – дійсний рівень води у ПГ; х – густина води в “плюсовій” імпульсній лінії дифманометра; см - середня густина пароводяної суміші на вертикальній дільниці між верхнім та нижнім штуцерами відбірних приладів рівнеміра; л – гідравлічний опір ЗДЛ;

г – гідравлічний опір при русі двофазного потоку крізь трубчастий пучок.

У виразі (11) три змінні доданки см, л та г є функціями парового навантаження D парогенератора і рівня води h, що вимірюється, тобто . с м= f1 (D, h); Л = f2 (D, h);

Г= f3 (D,h). Знаючи означені функціональні залежності f1, f2 та f3, можна аналітично розраховувати дійсний рівень води у ПГ за допомогою штатної АСУ ТП енергоблока з виводом інформації на монітор БЩУ. Для використання штатних, що показують, рівнемірів можна побудувати для них універсальні шкали для декількох фіксованих навантажень, як це запропоновано для рівнемірів малої бази. При збільшенні парового навантаження і незмінному рівні води густина суміші см зменшується, а опори л та г збільшуються. Практика експлуатації рівнемірів показує, що як правило при збільшенні навантаження ПГ показання рівнемірів зменшуються (при незмінних показаннях рівнеміра малої бази), що при існуючій характеристиці дифманометра (залежність перепаду тиску від рівня води) свідчить про те, що зменшення тиску стовпа рідини при зменшенні густини суміші більше, ніж збільшення опору л та г. Якщо при збільшенні навантаження ПГ та незмінних показаннях рівнеміра малої бази показання будь-якого рівнеміра великої бази збільшуються, то це означає, що збільшення опору ЗДЛ та трубчастого пучка превалюють над зменшенням тиску стовпа пароводяної суміші при зменшенні густини суміші.

Відомо, що у “плюсовій” та “мінусовій” імпульсних лініях, що ідуть до дифманометра, є дільниці певної довжини з різноманітними температурами і відповідно густиною води. Це необхідно враховувати при розрахунку перепаду тиску дифманометра-рівнеміра. Тому вираз (11) для перепаду тиску дифманометра слід записати

, (12)

де Нi, i – висота окремих дільниць і відповідна густина води; Н1 – висота “мертвої” зони;

Таким чином, задача розрахунку дифманометра-рівнеміра великої бази розпадається на дві задачі: розрахунок характеристик дифманометра і універсальних шкал для штатних рівнемірів; розробка розрахункових виразів, алгоритму і програми розрахунку в АСУ ТП дійсного рівня води у ПГ за сигналами витратоміра пари (живильної води), що характеризує навантаження ПГ, і поточному сигналу рівнеміра, що характеризує рівень з певною похибкою. Ця задача повинна розв'язуватися ітераційним шляхом. Розглянемо розв'язання поставлених задач окремо. Скористуємось раніше розрахованими характеристиками

см (D, h), г (D, h) та л (D, h) для ПГ блока №2 ПУ АЕС. Розрахунок перепаду тиску на дифманометрі проведений за допомогою розробленої програми “Gidrodinamika” за (12) (рис. 4). На рисунку зображені: штатна градуювальна характеристика (h), придатна

Рис. 4. Статична характеристика дифманометра для різноманітних навантажень

для режиму МКР потужності реактора (пряма лінія); уточнена характеристика для МКР потужності з урахуванням дійсної температури в імпульсних лініях; характеристики (h) для навантажень 20, 40, 60, 80 та 100 % N ном.

Як видно, розрахункові характеристики є нелінійними і розташовуються зверху від штатної градуювальної, тобто зміщуються у бік більшого перепаду тиску. Із зменшенням величини рівня h всі характеристики зближуються. З рисунку також видно, що діапазон вимірів, а точніше – верхня межа вимірів рівнеміра зі збільшенням навантаження зростає. Шкала повинна бути нелінійною.

Отримані характеристики дифманометра і наявність штатної шкали рівнеміра дозволяють побудувати універсальні шкали рівнеміра для фіксованих навантажень. В дисертації наведена методика побудови шкали.

Розрахунок універсальної шкали для рівнеміра ПГ блока №2 ПУ АЕС показав, що якщо на режимі МКР потужності верхня межа шкали складала 4.375 м, то на 60 % Nном – 5.14 м, на 80 % – 5.38 м і на 100 % Nном – 5.6 м (рис. 5).

Рис. 5. Універсальна шкала рівнеміра великої бази

При цьому суттєво змінюється ціна поділки рівнеміра, що викликає певні проблеми у питанні виставлення уставок блокувань та захисту на пониження і особливо на підвищення рівня води. Положення стрілки рівнеміра, відповідне номінальному значенню рівня, із збільшенням навантаження зміщується ліворуч по шкалі.

Розрахунок дійсного рівня води у ПГ на будь-яких робочих навантаженнях з виводом інформації на монітор оператора-технолога виконується за (12). При цьому змінні см, г та л повинні бути описані функціями двох змінних – рівня води h і навантаження N, яке визначається витратою пари D або живильної води Gпв. При цьому для конкретного парогенератора достатньо знати сумарний опір гл = г (D, h)+л (D, h).

В цьому випадку маємо

(13)

Тут – поточний перепад тиску на дифманометрі-рівнемірі, що характеризує показання рівнеміра.

Тоді дійсний рівень води у ПГ

(14)

Позначивши постійну величину

, (15)

одержуємо

(16)

Оскільки величини см (D, h) та гл (D, h) залежать не тільки від навантаження N, але і від рівня h, який треба знайти, розрахунок дійсного рівня води слід вести послідовними наближеннями. У дисертації наведені розрахункові вирази для конкретного ПГ.

У роботі наведені розрахунки похибок вимірювання рівня по шкалі та розрахунку дійсного рівня води як посереднього виміру.

У дисертації запропонований також експериментально-аналітичний засіб розрахунку сумарного опору та , що базується на знанні залежності , а також конкретної для кожного ПГ експериментальної залежності показань рівнемірів загального рівня води (великої бази) при зміні навантаження ПГ і при стабілізації рівня води в ПГ автоматичним регулятором за сигналами рівнеміра малої бази. Якщо для конкретного навантаження ПГ

відомі дійсний рівень води, середня густина води і показання рівнеміра, то можна з (14) знайти сумарний опір . Подальший розрахунок рівнеміра проводиться по методикоюі, що описана вище.

При розігріві та розхолоджуванні реакторної установки (РУ) з ВВЕР рівень води у ПГ повинен підтримуватися на певному значенні. Підтримання необхідного рівня води для цих режимів за допомогою штатних рівнемірів, градуйованих на номінальні параметри пари, призводить до великої похибки стабілізації рівня води. Так, при незмінних показаннях рівнеміра на відмітці Н=380 см дійсний рівень води при зменшенні температури насичення зменшується і при температурі 70 С похибка виміру складає плюс 87 см або 23 % (рівнемір завищує показання). Для підтримання дійсного рівня води 380 см необхідно, щоб рівнемір показував 498 cм (для ВВЕР-1000).

У дисертації розроблено методику, алгоритм та програму розрахунку дійсного рівня води з використанням сигналу дифманометра-рівнеміра з урахуванням дійсного тиску середовища ПГ.

У четвертому розділі розроблені математичні моделі парогенератора за рівнем води, дільниці живлення та двокамерної зрівняльної посудини.

Відомі аналітичні методи розрахунку динаміки ПГ за рівнем води достатньо складні і не дають відповідної точності розрахунку. Окрім того, при використанні цифрових оптимальних зі спостерігачем стану та багатовимірних регуляторів не бажані складні математичні описи об’єктів керування. Тому в дисертації запропонована математична модель ПГ за рівнем води на основі знання експериментальних динамічних характеристик ПГ. Відомо, що в результаті аналітичного виводу рівнянь динаміки барабанних ПГ ТЕС передаточна функція по всіх збурюючих каналах (видатки пари і води, температура живильної води та теплосприймання екранів) має вигляд

, (17)

тобто являє собою добуток інтегральної та інтегро-диференціальної ланок. При цьому знаменник дробу за видатками пари і води є, як правило, однаковим.

Функцію (17) можна уявити сумою передаточних функцій інерційної та інтегральної ланок:

, де ; ;

Маючи експериментальну криву розгону, можна на моделі підібрати коефіцієнти передаточних функцій. Для підвищення точності апроксимації замість однієї інерційної ланки можна використати дві і більше паралельно включених ланок. Оскільки ПГ за рівнем