Пристрій для визначення та контролю складу конденсованого розчину та осадів у конструкційних щілинах з тепловим потоком, розташованих у контурах водяного охолодження парогенераторів електростанцій ,таких як теп

1. Пристрій для визначення та контролю складу сконденсованого розчину та осадів у конструкційних щілинах з тепловим потоком, розташованих у контурах водяного охолодження парових генераторів електростанцій, таких як теплові або атомні електростанції, який відрізняється тим, що він складається з первинного резервуара тиску (1) з теплоносієм, що має своє власне регульоване джерело тепла (2), та вторинного резервуара тиску (3), під'єднаного своїми вхідним та вихідним патрубками до контуру водяного охолодження парогенератора, де між первинним та вторинним резервуарами тиску (1, 3) щільно встановлено змінний елемент (4), крізь тіло якого щільно проходить принаймні одна з теплознімних трубок (5), де вздовж частини її довжини, з боку вторинного резервуара тиску (3), між її зовнішньою стінкою та тілом змінного елемента (4) створено модельовану конструкційну щілину (6) і де теплознімна трубка (5) одним кінцем під'єднана до внутрішнього об'єму первинного резервуара тиску (1), а інший закритий кінець теплознімної трубки (5) занурений у внутрішній об'єм вторинного резервуара тиску (3) таким чином, що під час роботи пристрою цей інший кінець постійно омивається проточною водою парогенератора. 2 (19) 1 3 Винахід полягає в конструюванні приладу для визначення та контролю складу конденсованого розчину та осадів у конструкційних щілинах з тепловим потоком, розташованих у контурах водяного охолодження парогенераторів енергогенеруючих станцій, таких як теплові або атомні електростанції. Контроль процесів корозії та деградації, що відбуваються у вторинному контурі атомних електростанцій, є головним для будь-якого довготривалого планового контролю стану складових вторинного контуру, а також для визначення їх очікуваного ресурсу. Для цього своєчасно контролюють хімічні режими парового генератора, температуру, тиск, дані про деформацію, тощо. Інформація стосовно хімічного складу води на вході та виході контуру охолодження поступає у базу даних і використовується для визначення поточного стану парогенератора та подальшого аналізу можливих пошкоджень трубопроводів та інших частин. Процес старіння парогенератора залежить від характеристик хімічного режиму і йог.) довготривалої стабільності. Старіння частин парогенератора означає, зокрема, виникнення різних корозійних процесів. Для процесу загальної корозії та корозійного розтріскування, що виникає під впливом супутного ударного навантаження матеріалу, напруг та оточуючого середовища, саме хімічні умови є єдиним фактором, на який можна впливати під час роботи парогенератора. Підтримуючи на певному рівні решту характеристик, можна відстрочити появу щілин, а також запобігти їх подальшому розповсюдженню. З точки зору процесу старіння парогенератора вплив хімічних властивостей води у вторинному контурі спочатку є досить незначним. У процесі роботи вторинного контуру, на ділянках, де розташовані конструкційні щілини (між трубопроводом та його опорою, навколо трубопроводу всередині трубної решітки, тощо), відбувається лише обмежений перенос-речовини і може виникати так званий оклюдований розчин. Якість середовища в тих ділянках, що містять тверду, рідку та газоподібну фази, визначається, зокрема, тепловим потоком та вмістом іонів в оточуючому середовищі, а саме у вторинному контурі. Оклюдований розчин накопичується в конструкційних щілинах парогенератора внаслідок локальної конденсації домішок, які спочатку присутні у невеликій кількості у воді на вході контуру, до тих пір, поки його концентрація,не досягне у сумі кількості (у вагових процентах) домішок, розчинених у проточній воді. Тому локально досягається точка кипіння проточної води, відбувається випаровування рідкої фази поблизу щілин і випадають тверді інгредієнти. Для запобігання корозії в конструкціях і матеріалах, що використовуються, слід застосовувати оптимальні параметри водного режиму парогенератора. Ці параметри визначаються, зокрема, складом проточної води, збалансованим співвідношенням іонів і співвідношенням об'ємів конденсату і зливної води. 89378 4 В дев'яностих роках минулого століття було встановлено, що понад двадцять охолоджувальних колекторів парогенераторів (типу ВВЕР) виходили з ладу після 1-7 років експлуатації. Встановлено, що причиною цього було корозійне розтріскування, яке розпочиналось в щілинах вторинного контуру між колектором і трубопроводом в трубній решітці. Подальше руйнування відбувається у гарячому і холодному колекторах парогенератора, що розпочинається всередині нарізного отвору під головкою болта. Причиною знову ж таки було корозійне розтріскування, що розпочиналось в конструкційних щілинах. Найбільший ризик корозійного пошкодження парогенераторів атомних електростанцій (типу ВВЕР) виникає у щілинах, що формуються, зокрема, в таких конструкційних з'єднаннях: - трубка теплообмінника - колектор; - трубка теплообмінника - дистанційна опора; та - нарізний отвір колектора. Природа оточуючого середовища в конструкційних щілинах під час роботи парогенератора точно не відома. Її можна наближено оцінити шляхом термодинамічних розрахунків. На сьогоднішній день для розрахунків використовують програму MULTEQ, для якої потрібні такі основні вхідні дані: - тепловий потік у місці розташування щілини (температура стінки трубопроводу); - вміст домішок у зливній воді під час зупинки парогенератора (вимірювання Hide - Out Return, тут і надалі HOR, що означає повернення у воду забруднень, які до цього накопичувались у осадах). Вхідні дані розрахункової моделі містять суттєві невизначеності. Температуру в області розташування щілини неможливо виміряти, однак, про неї можна судити за температурою оточуючої води до тих пір, поки осади не починають діяти як бар'єр для передачі тепла, і температура трубопроводу починає залежати від їх товщини, яку неможливо точно виміряти без демонтажу трубопроводу. Вміст домішок у зливній воді (HOR) зростає під час зупинки парогенератора внаслідок вимивання домішок з щілин. Однак, аналітичні результати по вмісту домішок у зливній воді під час зупинки парогенератора вказують на вимивання солей з усіх "тіньових" областей парогенератора. З точки зору моделювання та розрахунків параметрів оточуючого середовища"в щілинах на стиках трубопровід - трубна решітка або трубопровід - опорна плита дані по складу зливної води не обов'язково забезпечують достатню інформацію відносно рівня рН, складу та концентрації домішок у щілинах. Предметом цього винаходу є пристрій для визначення та контролю вмісту сконденсованих розчинів і осадів в конструкційних щілинах з тепловим потоком, розташованих в контурах водяного охолодження парогенераторів енергогенеруючих станцій, таких як теплові або атомні електростанції. Точне визначення умов, що виникають в щілинах, є досить складною проблемою, яку не можна вирішити під час роботи парогенератора. Електрохі 5 мічні і хімічні вимірювання, виконані безпосередньо для модельованих щілин, що імітують реальні конструкційні з'єднання, як виявилося, є найбільш прийнятним шляхом вивчення хімічної поведінки розчинів у щілинах. Для цього був розроблений пристрій, що дозволяє моделювати фізичні умови, які виникають у діючих парогенераторах і відбирати рідкі проби безпосередньо з модельованих конструкційних щілин. Основою винаходу є пристрій, що включає первинний резервуар тиску з теплоносієм, який має своє власне регульоване джерело тепла, та вторинний резервуар тиску, під'єднаний своїми вхідним та вихідним отворами до контуру водяного охолодження парогенератора, в якому між первинним та вторинним резервуарами тиску щільно вставлений змінний елемент, крізь тіло якого щільно проходить принаймні одна трубка теплообмінника. Вздовж; частини його довжини з боку, що примикає до вторинного резервуару тиску, між його зовнішньою стінкою і тілом змінного елемента створюється модельована конструкційна щілина. Теплообмінний трубопровід приєднується одним кінцем до внутрішнього простору первинного резервуару тиску, а інший, закритий кінець занурений всередину вторинного резервуару тиску таким чином, що під час роботи пристрою цей інший кінець постійно омивається проточною водою з парогенератора. Конструктивно вторинний резервуар тиску може бути розміщений над первинним резервуаром тиску, так що теплообмінний трубопровід є відкритим в бік первинного резервуару тиску і закритим зі сторони, що входить у вторинний резервуар тиску. Теплоносій у первинному резервуарі тиску може являти собою воду або 2-12ваг.% водний розчин борної кислоти. Вторинний резервуар тиску обладнаний датчиком рівня, що регулює подачу води, а простір, заповнений водою у вторинному резервуарі тиску, має вихідний отвір для моделювання відводу води з вторинного контуру парогенератора. Над поверхнею проточної води у вторинному резервуарі тиску є простір, заповнений парою, який обладнаний вихідним регулюючим клапаном для керування швидкістю потоку проточної води. В трубопроводі, що підводить воду до вторинного резервуару тиску, може бути вмонтований елемент для попереднього її підігріву. Для зменшення пароутворення вторинний резервуар тиску може бути обладнаний реверсним охолоджувачем з примусовим повітряним охолодженням, з'єднаним з холодильником. Трубка теплообмінника може бути запресована у змінний елемент з нульовим допуском і з боку первинного резервуару тиску приварена по периметру до згаданого змінного елемента, так що модельована щілина, створена в цьому елементі, має товщину 0.1-0.15мм, і пристосована для безпосереднього відбору проб сконденсованого розчину, а також для проведення хімічних та електрохімічних вимірювань вмісту щілини. Суть винаходу можна пояснити більш наглядно за допомогою доданих ілюстрацій та детального опису їх головних конструктивних елементів. 89378 6 Приклад головного конструктивного елемента пристрою, запропонованого у винаході, схематично показаний на Фіг.1 і 2. Фіг.3 показує деталі змінного елемента цього пристрою, у якому створюються модельовані конструкційні щілини. Приклади головних конструктивних елементів Проточна вода при температурі, наприклад, 180°С (в залежності від певних модельованих робочих параметрів парогенератора) протікає через трубопровід парогенератора енергогенеруючого підприємства, такого як теплова чи атомна електростанція, до резервуару тиску, розміщеного в системі подачі проточної води парогенератора. Для регулювання температури проточної води на вході в резервуар тиску у допоміжному трубопроводі можна розмістити систему попереднього підігріву води у вигляді, наприклад, електричного нагрівального елементу. Пристрій, описуваний у цьому винаході, включає два резервуари тиску: первинний резервуар тиску 1, що служить для моделювання робочих параметрів у первинному колі парогенератора, тобто джерела нагріваючої пари, і вторинного резервуару тиску 3, що служить для моделювання робочих параметрів вторинного кола парогенератора, тобто джерела пари для турбіни. Первинний резервуар тиску 1 має своє власне регульоване джерело тепла 2, наприклад електричний нагрівальний елемент, яке підігріває первинний теплоносій. Первинним теплоносієм може бути вода, 2-12ваг.% (зазвичай 6%) водний розчин борної кислоти, тощо. Конкретний його склад змінюється в залежності, від типу атомної електростанції та ступеня вигорання палива у реакторі. Вхідний та вихідний патрубки системи подачі теплоносія під'єднані до закритого первинного резервуару тиску 1, де також розміщені елементи для вимірювання і регулювання температури і тиску теплоносія. До внутрішнього простору первинного резервуару тиску 1 під'єднані також нижні відкриті кінці трубок теплообмінника 5, наприклад, від однієї до семи трубок зовнішнім діаметром 16мм і внутрішнім діаметром 13мм. Трубки теплообмінника 5 щільно проходять крізь циліндричний змінний елемент 4 товщиною 80мм з модельованою конструкційною щілиною 6, а своїми верхніми закритими кінцями занурені у внутрішній простір закритого вторинного резервуару тиску 3, до якого підключений трубопровід проточної води. У робочому режимі пристрою закриті кінці теплообмінника 5 всередині вторинного резервуару тиску 3 завжди омиваються проточною водою. Це контролюється за допомогою датчика рівня 7 вторинного резервуару тиску 3. Водний простір вторинного резервуару тиску 3 оснащений вихідним патрубком для моделювання зливу з вторинного контуру парогенератора (під зливом розуміють постійну очистку води у вторинному контурі парогенератора). Простір, заповнений парою над поверхнею проточної води у вторинному резервуарі тиску 3, оснащений випускним регулюючим клапаном 8, за допомогою якого регулюють потік проточної води у вторинному резервуарі тиску 3. Подача проточної води регулюється відповідно до заданого рівня у внутрішньому просторі вторинного резе 7 рвуару тиску 3, таким чином, що вона знаходиться в потрібних межах (наприклад, від 100 до 200мл/год). Робочий об'єм проточної води у вторинному резервуарі тиску 3 складає біля 500мл у залежності від настройки датчика рівня 7. Метою винаходу є моделювання теплопередачі у конструкційних щілинах з тепловим потоком, що заходяться в,парогенераторі енергогенеруючих станцій. Для моделювання між окремими трубками теплообмінника 5 та тілом змінного елементу 4 створюється модельована конструкційна щілина 6 довжиною приблизно 40мм і товщиною біля 0.12мм. Кожна з трубок теплообмінника 5 запресована у тіло змінного елементу 4 з нульовим допуском і з боку первинного резервуару тиску 1 щільно приварена вздовж периметра до вищезгаданого тіла змінного елемента 4. Змінний елемент 4, що містить модельовану конструкційну щілину 6, щільно затиснутий між фланцями первинного та вторинного резервуарів тиску 1, 3. Пара, що виробляється шляхом нагрівання теплоносія у первинному резервуарі тиску 1, слугує джерелом тепла для підігріву проточної води у вторинному резервуарі тиску 3, де це тепло переноситься по трубках теплообмінника 5. Регулювання елементом підігріву базується на вимірюванні температури та тиску у цьому "первинному" контурі таким чином, що система працює в умовах насиченої пари. Вихід тепла змінюється шляхом зміни температури та тиску. Завдяки тому, що температура проточної води у вторинному резервуарі тиску 3 нижча за температуру пари в трубках теплообмінника 5, яка надходить з первинного резервуару тиску 3, в трубках теплообмінника 5 відбувається конденсація цієї пари з інтенсивною віддачею тепла проточній воді у вторинному резервуарі тиску 3. Для моделювання робочої температури вторинного контуру парогенератора, вторинний резервуар тиску 3 обладнаний реверсним охолоджувачем 9, що дозволяє регулювати кількість тепла, яке відводиться завдяки примусовому повітряному охолодженню. Регулювання зі зворотнім зв'язком виходу цього реверсного охолоджувача 9, або охолоджувального клапану відбувається в залежності від тиску у вторинному резервуарі тиску 3, оскільки вимірювання тиску більш точні, ніж вимірювання температури проточної води у вторинному резервуарі тиску 3 при кипінні приблизно при 260-270°С. Тиск у вторинному контурі парогенератора визначається аналогічним чином. Основною умовою для моделювання процесів у конструкційних щілинах є підтримування певних температур у конструкційних щілинах 6, оскільки тепловий потік може змінюватись в залежності від характеру осадів. Серед різних можливих способів нагрівання теплообмінника 5 було вибране нагрівання за рахунок виділення тепла в області модельованої конструкційної щілини 6 завдяки конденсації теплоносія. У цьому випадку первинний резервуар тиску 1, заповнений водою, утворює первинний контур, що працює при температурі насичення. У первинному контурі теплообмінника 5 відбувається конденсація пари і, отже, тепло переноситься до вторинного контуру. Конструкція, 89378 8 запропонована у цьому винаході, не потребує застосування потужних насосів або компенсаторів об'єму, що дозволяє використовувати прямі трубопроводи, її перевагою є те, що кількість переданого тепла може бути точно визначена, а нагрівання є однорідним по всій поверхні теплопередачі. Більш того, вона не залежить від осадів, що поступово утворюються у процесі функціонування вторинного контуру парогенератора або в модельованих конструкційних щілинах 6 у змінному елементі 4. Ці осади змінюють передачу теплоти в щілинах і, таким чином, моделюється згадане явище. З точки зору корозії, осади у конструкційних щілинах вторинного контуру парогенератора можуть у певний час спричинити появу щілин у теплообміннику вторинного контуру парогенератора. Процес моделювання цих змін у модельованих конструкційних щілинах 6, запропонований у цьому винаході, дозволяє виявити або передбачити утворення таких дефектів. Пристрій, запропонований у цьому винаході, можна під'єднати до контуру охолодження діючої електростанції паралельно з існуючими парогенераторами. Під'єднавши його до вторинного контуру, отримують нову наступну інформацію про: - склад речовини у конструкційних щілинах парогенератора, оскільки рідкі проби можна відбирати у будь-який час з конструкційних щілин 6. Така інформація дуже важлива, наприклад, під час раптового витікання хімічних речовин до вторинного контуру або протікання охолоджуючої води з холодильника; - шари осаду у трубах парогенератора, оскільки проби з труб можна відбирати під час певного періоду експлуатації, а проведений аналіз дає інформацію про склад, морфологію, товщину та ступінь впливу на поверхню; - формування осадів у часі, оскільки є можливість видалити з'єднання, що містить модельовані конструкційні щілини 6, та візуально спостерігати утворення осадів, наприклад у з'єднані трубопровід - трубна плита. Для спостереження за процесами, що стосуються осадження (НО) та вимивання осаджених (HOR) солей або умовами корозії парогенератора, можна, за допомогою пристрою, запропонованого у винаході, використати та порівняти два підходи: Моніторинг складу сконденсованого розчину за допомогою спеціального хімічного аналізу, та Безпосередній моніторинг за агресивністю сконденсованого розчину. Перший підхід передбачає використання результатів спеціального хімічного аналізу для моніторингу процесів, пов'язаних з "осадженням" (НО) та "вимиванням" (HOR) солей і для непрямого визначення агресивності оточуючого середовища. Для локального відборе проб (з оклюдованої речовини) необхідне спеціальне обладнання місць відбору проб (доступ крізь трубну плиту) або використання спеціальних аналітичних засобів іn situ для вимірювання з використанням спеціальних датчиків. Агресивність середовища встановленого хімічного складу оцінюють на основі інформації з місця забору проби, або, в екстремальних випад 9 ках, на основі інформації, одержаної у відповідним чином підібраних лабораторних умовах. Для безпосереднього моніторингу агресивності розчину, або для моніторингу значного впливу вмісту конструкційних щілин використовують підхід, що ґрунтується на класичних та вдосконалених електрохімічних методах. Ці методи основані або на безпосередньому моніторингу наявності локального корозійного пошкодження, або на виявлені критичного оклюдованого розчину. Результати спостереження за конструкційними щілинами, що виникають у парогенераторі, є важливими даними головним чином для догляду та технічному обслуговуванню парогенератора: - за даними попередніх проб з модельованої конструкційної щілини 6 можна перевірити ступінь застосовності процедури MULTEQ і, таким чином, більш точно встановити поточні результати і спрогнозувати їх на майбутнє. Можна відповідним чином підібрати хімічні режими у вторинному контурі атомної електростанції щоб зменшити агресивність речовини в щілинах і, отже, максимально подовжити інкубаційний період процесів руйнування; - можливе виготовлення і функціонування пристрою HOR, запропонованого у цьому винаході, незалежно від роботи реактора і, отже, уточнення поточного складу і невідкладне реагування на си 89378 10 туацію шляхом коригування хімічних режимів парогенератора; - регулярні дані, отримані з модельованих конструкційних щілин пристрою, що пропонується у цьому винаході, можна заносити у базу даних та забезпечити отримання інформації про історію роботи парогенератора, яка, в свою чергу, дає можливість оцінити ресурс його роботи. Промислове використання Винахід може бути використаний для визначення та контролю складу сконденсованого розчину та осадів у конструкційних щілинах з тепловим потоком, розташованих у контурах водяного охолодження парових генераторів енергогенеруючих станцій, таких як теплові або атомні електростанції. Перелік використаних позначень 1 - первинний резервуар тиску 2 - регульоване джерело тепла для підігріву теплоносія у первинному резервуарі тиску 1 3 - вторинний резервуар тиску 4 - змінний елемент 5 - трубка теплообмінника 6 - модельована конструкційна щілина 7 - датчик рівня 8 - вихідний регульований клапан 9 - реверсний охолоджувач 10 - холодильник 11 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 89378 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601