Исследование функционирования систем безопасности при установке сетчатого фильтра приямка гермозоны
реклама
Исследование функционирования систем безопасности при установке сетчатого фильтра приямка гермозоны А. М. Амирджанян, О. А. Оганесян, Ц. А. Малакян Центр ядерной и радиационной безопасности, Ереван, Республика Армения 1. Введение Программа повышения безопасности Армянской АЭС предусматриваетувеличение максимальной проектной аварии до разрыва трубопровода первого контура диаметром 2х209мм [1]. Для достижения даннойцелипланируется внедрение мероприятий по модернизации существующих систем безопасности, в том числе системы аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ) и спринклерной системы. После модернизации САОЗ, система сможет обеспечить долгосрочное охлаждение активной зоны в условиях низкого давления в первом контуре. Данный эффект будет достигнут установкой трехходовых клапанов с линиями рециркуляции. Планируемая модернизация спринклерной системы призвана увеличить резервирование и пропускную способность системы добавлением дополнительного насоса и разделением на два независимых канала. Однако для обеспечения должной работоспособности вышеупомянутых систем, прежде всего, необходимо обеспечить рециркуляцию через приямок гермозоны. Для решения данной задачи был установлен сетчатый фильтр приямка гермозоны, который должен обеспечить необходимый для рециркуляции расход, даже в условиях засорения мусором. В данной работе были рассмотрены вопросы, связанные с функционированием насосов САОЗ ВД и спринклерной системы Армянской АЭС, при новой проектной аварии с разрывом дыхательного трубопровода КД после внедрения сетчатого фильтра приямка гермозоны. 2. Методика расчетов Для проведения расчетов была разработана расчетная схема герметических помещений ААЭС для кода COCOSYS [2,3]. Помещения гермозоны были смоделированы при помощи 26-х узлов соединенных между собой 56-ю атмосферными и дренажными соединениями. Для моделирования облицовки стен помещений были использованы 53 тепловые структуры. Модель отражает состояние герметических помещений 2-го блока ААЭС после планируемых модернизаций, т.е. с улучшенной плотностью, модифицированной системой САОЗ и установленным фильтром приямка (Рис. 1). Основываясь на консервативном подходе, были выбраны начальные и граничные условия в герметических помещениях ААЭС. Начальная температура атмосферы была принята равной 70°С в шахте реактора, и 65°С во всех других герметических помещениях. Начальная температура в окружающей среде была принята равной 20°С. Степень насыщения во всех герметических помещениях была принята равной 90%, и 20% в окружающей среде. Давление было принято равным 100 кПа во всех герметических помещениях и в окружающей среде. Атмосфера состоитиз азота и кислорода в соответствии с природным составом (79% и 21%соответственно). Для расчетов была выбрана авария с двухсторонним разрывом дыхательного трубопроводакомпенсатора давления диаметром 2х209мм. Консервативно принято, что работоспособны 4 насоса системы АПН. Также принято, что работоспособны два насоса спринклерной системы, поскольку после планируемой модернизации системы при учете единичного отказа будет работоспособен один канал спринклерной системы. Выбросы энергии и массы для данной аварии были рассчитаны при помощи кода RELAP5 MOD3 [4]. HS-SP5-S A502 HS-A502-Wb HS-A502-Wa J501 SPRZ5 J209 HS-A502-F ENVIROMENT J211 HS-SP4-S J502 J410 J118 HS-SG25-S D331 D314 D315 D318 J206 SPRZ1 HS-SP1-Wb J203 HS-SP1-Wa SGBOX13 HS-SP1-F D310 D330 J109 SGBOX11 SGBOX21 D300 RCAVITY HS-SG11-F HS-CAV-Wa J104 SUMP FILTER HS-CAV-Wb D351 Clogging SUMPVOL D301 HS-SG21-F J107 SGBOX12 HS-SG12-W J101 J106 SGBOX22 D313 HS-SG12-F D302 J105 SASS1 HS-CAV-Fa J131 HPIP D316 HS-SP2-Wb J112 D321 D320 J110 J101 HS-SG22-F D350 J130 SPRZ2 D319 J113 D311 HS-SG13-W D334 HS-SG22-W HS-VLV-Wb HS-VLV-Wa HS-VLV-F J200 HS-SP3-Wb J204 D332 HS-SP2-Wa SGBOX14 SGBOX23 J108 SPRZ3 J207 J100 J201 HS-SP3-Wa J115 HS-VLV-S VLV-R J205 J117 HS-SG14-W HS-MCP-Fa HS-MCP-Fb SGBOX15 HS-SG15-W MCP HS-MCP- HS-MCP- HS-MCPWa3 Wa2 Wa1 D333 HS-SG23-W HS-AWT-F J480 J208 HS-MCPWc HS-SG24-W AWT-R SGBOX24 J111 HS-AWT-Wb HS-AWT-Wa HS-AWT-S D312 HS-MCP- HS-MCP- HS-MCPWb3 Wb2 Wb1 HS-SG25-W SASS2 J114 HS-A308-F HS-SG15-S HS-MCP-S SGBOX25 J116 A308 HS-A308-Wb SPRZ4 HS-A308-S J210 HS-A308-Wa ENVIROMENT1 HS-SP4-Wb D317 VHPI HS-SP5-Wb HS-A502-S D352 CASS2 J202 BAST PASS 2 VASS2 VASS1 PASS 1 CASS1 Рис. 1Расчетная схема гермозоны Армянской АЭС 3. Расчетная модель модернизированного приямка Для корректного моделирования эффектов рециркуляции, была внедрена модель модернизированного приямка бокса ПГ и ГЦН с сетчатым фильтром [5]. Для достижения большой фильтрационной площади были установлены фильтрационные модули с прямоугольным сечением, число и размер которых были определены основываясь на: количествегенерируемого мусора оценке эффектов потока расчетов гидравлического сопротивления фильтра и предварительных гидравлических тестов. Проект предусматривает 65м2 фильтрационной поверхности. Фильтрационная поверхность состоит из стальных перфорированных листов толщиной 4мм с отверстиями диаметром 10мм. Внешняя поверхность перфорированных листов покрывается сеткой с размером стороны ячейки0.7мм. Для корректного моделирования уровня воды на полу в боксе ПГ и ГЦН, зависимость объем-уровень была рассчитана и внедрена в модель COCOSYS (Рис. 2). Рис. 2 Соотношение объема и уровня водыв гермозоне Приямок и фильтры были смоделированы при помощи двух объемов. Первый объем представляет нефильтруемый объем приямка. Второй объем представляет объем внутри фильтрующих модулей. Эти два объема разделены сеткой (Рис. 3). HS-SG22-W SGBOX22 HS-SG22-F D350 J130 D351 Clogging SUMP FILTER SUMPVOL J131 D352 J202 BAST Рис. 3Нодализация приямка гермозоны Для моделирования эффекта засорения фильтра была использована специальная модель COCOSYS. Данная модель решает следующее уравнение для расчета гидравлического сопротивления вследствие накопления мусора. где – дополнительные потери давления, – коэффициент потерь, – плотность покрытия, – скорость потока. Как следует из уравнения, потери давления вследствие накопления мусора зависят от плотности покрытия мусора, и от коэффициента потерь. Данный коэффициент определяется экспериментальным путем. Для ААЭС данный коэффициент был определен на экспериментальной установке эксплуатируемой VUEZ и согласно полученным результатам для разрыва трубопровода эквивалентным диаметром 100мм плотность покрытия мусором составляет 1.05кг/м2, а потери давления составляют 3.3кПа. Исходя из этого значения,был рассчитан коэффициент потерь для расхода 1550м3/час (максимальный проектный поток), который равен 4.109.Также было учтено количество мусора генерируемого при разрыве дыхательного трубопровода. Согласно исследованию GRS[6] при разрыве 2х209мм плотность покрытия сетчатого фильтра мусором составляет 2.1кг/м2. 4. Результаты расчетов Во время расчетов были оценены возможности спринклерной системы и взрывных клапанов гермозоны поддерживать давление в гермозоне ниже атмосферного, для предотвращения выхода радионуклидов за пределы герметической оболочки. Кроме того на основе результатов расчета был оценен допустимый кавитационный запас (ДКЗ) насосов спринклерной системы и САОЗ. Вследствие разрыва и поступления пароводяной смеси в герметические помещение, давление начинает повышаться и на 5-ой секунде от начала аварии доходит до уставки открытия взрывных клапанов гермозоны. Однако из-за сопротивления клапанов их полное открытие происходит с задержкой, и давление продолжает повышаться, достигая на 8-ой секунде максимального значения – 1.95 бар. Начиная с этого момента и до 300-ой секунды клапаны периодически открываются, и давление в герметических помещениях не превышает значения 2 бар (проектный предел). После 300-ой секунды давление в герметических помещениях начинает снижаться по причине работающей спринклерной системы (система активируется на 48-ой секунде). Давление в герметических помещениях продолжает снижаться и на 940-ой секунде от начала аварии достигает атмосферного. Поскольку спринклерная система непрерывно конденсирует пар,давление продолжает снижаться и достигает значения 0.61 бар на 3260-ой секунде.Тут необходимо отметить, что на ААЭС отсутствует уставка автоматического отключения спринклерной системы и система продолжает работать, несмотря на сильное разрежение.Начиная с 3260-ой секунды давление в герметических помещениях медленно повышается, и достигает атмосферного давления на 37000-ой секунде (Рис. 4). Рис. 4 Давление в гермозоне В данных расчетах было учтено засорение сетчатого фильтра приямка бокса ПГ и ГЦН мусором, сгенерированным при разрыве дыхательного трубопровода, на 300-ой секунде с начала аварии. Как было указано выше, при засорении фильтра приямка создается дополнительное гидравлическое сопротивление, которое приводит к снижению расхода в приямок, и, следовательно, к уменьшению количества поступающей воды в бак аварийного запаса борной кислоты. После засорения фильтра начинается заполнение объема фильтра и на 2978-ой секунде уровень воды в приямке сравнивается с уровнем воды на полу бокса ПГ и ГЦН. Дальнейший рост уровня воды вбоксе ПГ и ГЦН продолжается до 10000-ой секунды. К этому времени гидростатическое давление,образующееся за счет уровня воды в боксе ПГ и ГЦН, компенсирует сопротивление создаваемое засорением поверхности фильтра, и расход воды в бак аварийного запаса борной кислоты сравнивается с количеством воды подаваемой на всас насосов АПН и спринклерной системы (Рис. 5).Начиная с этого момента и до конца расчетов, уровень воды в баке аварийного запаса борной кислоты остается на уровне 3.91м (Рис. 6). Рис. 5 Уровень воды в приямке Рис. 6 Уровень воды в баке Б-8/2 Для оценки кавитационного запаса (КЗ) насосов системы АПН и спринклерной системы использовалась следующая формула КЗ= Где – уровень воды в баке аварийного запаса борной кислоты, – высотная отметка всаса насоса, – давление в герметических помещениях, – давление насыщения на всасе насоса при заданной температуре, – потери напора на импеллере насоса, – плотность воды, – гравитационная константа. Согласно техническим характеристикам насосов САОЗ ВД и спринклерной системы, необходимый кавитационный запас должен составлять 6м и 8м соответственно. Как видно из результатов, кавитационный запас насосов САОЗ ВД ниже необходимого значения начиная с 2500-ой секунды и до 5000-ой секунды аварии включительно (Рис. 7). Рис. 7 Значение кавитационного запаса для насосов САОЗ ВД Для насосов спринклерной системы значение кавитационного запаса ниже допустимого в течение временного отрезка с 1600-ой секунды и до 13000-ой секунды включительно (Рис. 8). Рис. 8 Значение кавитационного запаса для насосов спринклерной системы Были проведены дополнительные исследования для определения условий при которых КЗ насосов был на допустимом уровне. Для оценок были выбраны консервативные условия в гермозоне. Поскольку в рамках программы комплексной модернизации ААЭС минимально допустимое значение давления в гермозоне было равно 0.85 бар, то для оценки ДКЗ было выбрано данное значение. Для насосов САОЗ ВД, при максимальной температуре в баке запаса борного раствора Б-8/2 790С, и давлении в гермозоне равном 0.85 бар, необходимый кавитационный запас будет достигнут при уровне в баке равном 2.71м. Уровень в Б-8/2 2 2.5 2.7 3 3.5 4 5.2 dH 1.600 2.100 2.300 2.600 3.100 3.600 4.800 Patm 8.673 8.673 8.673 8.673 8.673 8.673 8.673 Psat 4.617 4.617 4.617 4.617 4.617 4.617 4.617 Ploss 0.357 0.357 0.357 0.357 0.357 0.357 0.357 КЗ 5.299 5.799 6.000 6.299 6.799 7.299 8.499 Для насосов спринклерной системы, при тех же консервативных условиях, необходимый кавитационный запас будет достигнут при уровне в баке равном 3.98м. Отклонение от рассчитанного минимального уровня – 3.91м, составляет 1.8% Уровень dH Pata Psat Plos КЗ в Б-8/2 2 2.5 3 3.5 3.91 3.98 5.2 7 2.245 2.745 3.245 3.745 4.155 4.225 5.445 7.245 8.673 8.673 8.673 8.673 8.673 8.673 8.673 8.673 4.542 4.542 4.542 4.542 4.542 4.542 4.542 4.542 0.357 0.357 0.357 0.357 0.357 0.357 0.357 0.357 6.019 6.519 7.019 7.519 7.929 8.000 9.219 11.019 5. Заключение Основываясь на результатах анализов аварии с двухсторонним разрывом дыхательного трубопровода КД с диаметром 2х209мм, можно сделать следующие заключения Пиковое давление в гермозоне равно 1.95 бар, что не превышает максимально допустимое значение 2 бар Непрерывная работа спринклерной системы приводит к снижению давления в гермозоне ниже атмосферного давления. В частности в данных расчетах было достигнуто значение 0.61 бар, что ниже, минимально допустимого предела - 0.85 бар. Следовательно, необходимо внедрение защиты от сильного разрежения. Расчет кавитационного запаса для насосов САОЗ ВД и спринклерной системы показал, что во время аварии значение кавитационного запаса ниже, чем значение необходимого кавитационного запаса. Были проведены дополнительные исследования по выявлению минимального давления в гермозоне, при котором квитанционный запасбудет выше минимально допустимого значения. Из результатов расчетов следует, что значение кавитационного запасаостается в допустимых пределах если давлении в гермозоне выше 0.85 бар. Результаты анализов показали, что количество воды в баке аварийного запаса борной кислоты достаточно для обеспечения долгосрочного охлаждения активной зоны (несмотря на недостаточный кавитационный запас) Литература [1] [2] [3] [4] [5] [6] Comprehensive Modernization Program for Armenian NPP Unit 2 Prepared by Consortium - NRI Rez, VUJE a.s, Armatom and NRSC Under IAEA Contract No ARM9022-86943V Klein-Heßling W., et al. COCOSYS V1.2 User's Manual, Gesellschaftfür Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbHGRS-P-3/2, July 2000 Improvement of the COCOSYS input deck for ANPP-2 with the configuration after plant modernization and calculation of a DBA scenario, RT-GRS-01-12–A001, Ts. Malakyan, H. Hovhannisyan, NRSC, Yerevan, January 2013 Accident analysis of double ended break of pressurizer surge line accident, NRSC, RTIAEA-01/10-D3.5-004_rev05, 2011 Strainer Head Loss Calculation and Conceptual Design Report (CDP), No.2008/156-410 VUEZ, 2010 P. Kelm, S. Arndt, H. Wolff Screening of ANPP sump strainer's documentation with respect to extended DBA 2F DN200GRS-V-3611I01512 - 4/2012
