1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплоэнергетика
  4. № 7, 2023

Теплоэнергетика, 2023, № 7, стр. 3-21

Анализ моделей явления “прятания солей” в парогенерирующем оборудовании АЭС и ТЭС (обзор)

В. С. Полонский a, И. И. Беляков b, Д. А. Горр c, *, М. А. Мироненко c

a ООО “Интерэнерго”
121096 Москва, ул. Василисы Кожиной, д. 1, Россия

b Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова (ЦКТИ)
191167 Санкт-Петербург, Атаманская ул., д. 3/6, Россия

c ООО “СКБ котельных установок”
656056 г. Барнаул, Комсомольский просп., д. 40, Россия

* E-mail: gorr_da@skb-ku.com

Поступила в редакцию 05.12.2022
После доработки 24.01.2023
Принята к публикации 01.03.2023

Аннотация

Явление “прятания солей” котловой воды привлекло пристальное внимание специалистов еще в 40–50-е годы прошлого столетия. К концу 80-х годов большинство исследователей пришли к заключению, что определяющую роль в “прятании солей” играют отложения продуктов коррозии конструкционных материалов на парогенерирующих поверхностях оборудования АЭС и ТЭС. Процесс парообразования происходит в стесненных условиях, что служит причиной ухудшения массообмена между ядром потока и поверхностью теплообмена. Это приводит к концентрированию примесей воды в порах отложений и даже к выпадению их в виде твердой фазы. При увеличении мощности парового котла/парогенератора концентрации определенных примесей и реагентов в котловой воде снижаются, такой эффект получил название – “прятание солей” (hideout), а при уменьшении нагрузки их концентрации возрастают (“возврат солей” – hideout return). В последние десятилетия было разработано несколько физических и математических моделей, в которых “прятание солей” рассматривается с позиций концентрирования примесей котловой воды не в слое проницаемых отложений, а в вязком подслое жидкости у парогенерирующей поверхности. Так, термодинамическая модель опирается на постулаты неравновесной термодинамики и носит описательный характер. В модели массообмена на основе законов сохранения массы и энергии в вязком подслое представлено аналитическое выражение для степени концентрирования примесей. Однако и в рамках этой модели дается, по существу, лишь качественное описание процесса “прятания солей” без детального сравнения с экспериментальными данными. В настоящей статье проведены анализ и сопоставление этих моделей с надежными сведениями, полученными отечественными и зарубежными исследователями, показана ошибочность ключевых положений моделей концентрирования примесей в вязком подслое жидкости. Соответствующие фундаментальные основы массообмена в условиях “прятания солей” имеют важное теоретическое и практическое значение для разработки регламентa эксплуатации и надежной работы установок с кипящим теплоносителем на АЭС и ТЭС.

Ключевые слова: “прятание солей”, “возврат солей”, водно-химический режим, парогенератор, котел-утилизатор, отложения, продукты коррозии конструкционных материалов, концентрирование примесей, подшламовая коррозия, тепломассообмен, реактор с водой под давлением, кипящий реактор, испаритель

Список литературы

  1. Hall R.E. A new approach to the problem of conditioning water for steam generation // Trans. ASME. 1944. V. 66. No. 5. P. 457–474. https://doi.org/10.1115/1.4018066

  2. Стырикович М.А. Материалы комиссии пара высоких параметров // Электрические станции. 1946. № 10.

  3. Стырикович М.А., Казакова Е.А. К вопросу о механизме отложений солей на поверхности нагрева при интенсивном парообразовании // Докл. АН СССР. 1949. Т. 68. № 5. С. 851–854.

  4. Straub F.G. Hide-out of sodium-phosphate in high pressure boilers // Trans. ASME. 1950. V. 72. P. 479–485.

  5. Холодовский Г.Е. Экспериментальное исследование двухфазного потока в каналах парогенерирующих устройств // Генерация пара сверхвысоких параметров: сб. М.: ЭНИН; МЭИ, 1950.

  6. Пацуков Н.Г., Нови Ю.О. Исследование условий, определяющих возможность отложения легкорастворимых солей на парообразующем участке горизонтальных труб. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1951. С. 55–71.

  7. Стырикович М.А., Миропольский З.Л., Аникин Н.М. О взаимодействии между гидродинамикой пароводяной смеси, температурным режимом металла и отложениями легкорастворимых солей в горизонтальных парогенерирующих трубах // Изв. АН СССР. 1953. № 3. С. 432–440.

  8. Хемиг Г. Физико-химические процессы в пограничном слое парообразующих труб // Водоподготовка и водный режим котлов на электростанциях: сб. статей. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1962. С. 109–118.

  9. Ноев Н. Хрупкие разрушения в соединениях котельных элементов. М.: Госэнергоиздат, 1947.

  10. Мамет А.П. Коррозия теплосилового оборудования электростанций. М.: Госэнергоиздат, 1952.

  11. Противоаварийный циркуляр № Т-3/54. О предупреждении подшламовой коррозии в экранных и кипятильных трубах котлов среднего и высокого давления / М-во электростанций СССР. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1954.

  12. Изюмский Н.А. Повреждения паровых и водогрейных котлов и способы их предупреждения. М.: М-во коммун. хоз-ва РСФСР, 1955.

  13. Акользин П.А. Коррозия металла паровых котлов. М.: Госэнергоиздат, 1957.

  14. Кондрашов А.М., Ласунов Н.А. Аварии на объектах котлонадзора и меры по их предупреждению / Госгортехнадзор РСФСР. М.: Госгортехиздат, 1962.

  15. Picone L.F., Whyte D.D., Taylor G.R. Radiotracer studies of hide-out at high temperatures and pressure. Westinghouse Electric Corporation, Atomic Power Division (WCAP-3731), Pennsylvania, 1963.

  16. Клайн Х.А., Райе Ж.К. Исследование коррозии внутренней поверхности котлов высокого давления // Тр. Амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. А: Энергетические машины и установки. 1966. № 3. С. 35–43.

  17. Гольдштейн П., Дик Н.Б., Райе Ж.К. Внутренняя коррозия котлов высокого давления // Тр. Амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. А: Энергетические машины и установки. 1967. № 3. С. 35–42.

  18. Гольдштейн П. Исследование внутренней коррозии котлов высокого давления // Тр. Амер. об-ва инженеров-механиков. Сер. А: Энергетические машины и установки. 1968. № 1. С. 26–35.

  19. Гольдштейн П., Бартон К.Л. Исследование внутренней коррозии котлов высокого давления // Тр. Амер. об-ва инженеров-механнков. Сер. А.: Энергетические машины н установки. 1969. № 2. С. 8–41.

  20. Macbeth R.V. Boiling on surface overlaid with a porous deposit: Heat transfer rates obtainable by capillary actions. Atomic Energy Establishment Winfrith Report (AEEW-R-711). Winfrith, 1971.

  21. Cohen P. Heat and mass transfer for boiling in porous deposits with chimneys // Am. Inst. Chem. Eng. Symp. Ser. 1974. V. 70. No. 138. P. 71–80.

  22. Collier I.G., Kennedy T.D.A. Solute concentration in highly rated high pressure steam generator: A model for the concentration of solute within the pores of a magnetite deposit. Atomic Energy Research Establishment (AERE-R-7203), UK, 1972.

  23. Стырикович М.А., Полонский В.С., Безруков Е.К. Экспериментальное исследование границы начала отложений сульфата кальция в парогенерирующей трубе // ТВТ. 1971. Т. 9. Вып. 1. С. 129–134.

  24. Стырикович М.А., Полонский В.С., Безруков Е.К. Исследование массообмена в парогенерирующих каналах “солевым методом” // ТВТ. 1971. Т. 9. Вып. 3. С. 583–590.

  25. Стырикович М.А., Миропольский З.Л., Полонский B.C. Влияние отложений окислов железа на массообмен в парогенерирующих каналах // Труды МЭИ. 1972. Вып. 128. С. 25–32.

  26. Романовский И.М., Стырикович М.А., Невструева Е.И. Некоторые критические явления в двухфазных потоках // ТВТ. 1973. Т. 11. Вып. 5. С. 1044–1051.

  27. Анализ влияния пористых отложений на концентрирование примесей в парогенерирующих каналах / М.А. Стырикович, О.И. Мартынова, З.Л. Миропольский, В.С. Полонский, Е.К. Безруков, В.Ф. Курмаз // ТВТ. 1977. Т. 15. Вып. 1. С. 109–114.

  28. Модель процесса концентрирования при кипении в капиллярно-пористых структурах / В.С. Полонский, А.С. Зуйков, А.И. Леонтьев, М.А. Стырикович // Докл. АН СССР. 1978. Т. 241. № 3. С. 579–582.

  29. Стырикович М.А., Полонский В.С., Дворецкий А.И. Экспериментальное исследование массообмена при кипении в толстых капиллярно-пористых структурах // Докл. АН СССР. 1979. Т. 245. № 1. С. 101–103.

  30. Современное состояние исследований процесса массообмена при кипении в капиллярно-пористых структурах / М.А. Стырикович, В.С. Полонский, А.С. Зуйков, Л.А. Шатенев // ТВТ. 1980. Т. 18. Вып. 3. С. 625–633.

  31. Рябов М.И. Содержание примесей воды в слое пористых отложений на парогенерирующей поверхности // Атомная энергия. 1980. Т. 49. Вып. 1. С. 55–56.

  32. Тевлин С.А., Юрьев В.С. Методика расчетной оценки массопереноса в пристенном слое при кипении // Труды МЭИ. 1981. Вып. 526. С. 26–32.

  33. Styrikovich M.A., Polonsky V.S., Tsiklauri G.V. Two-phase cooling and corrosion in nuclear power plants. Hemisphere: Springer cop. 1987.

  34. Pan C., Jones B.G., Machiels A.J. Wick boiling performance in porous deposits with chimneys // Am. Soc. Mech. Eng. Heat Transfer. Div. 1985. V. 47. P. 15–24.

  35. Balakrishnan P.V. Chemistry in nuclear steam generators // Proc. of the Water Chemistry and Material Performance Conf. Toronto, Canada, 21 Oct. 1986. P. CA9600691.

  36. Gonzales F., Spekkens P. Concentration process under tubesheet sludge piles in nuclear steam generators // Nucl. J. Canada. 1987. V. 1. No. 2. P. 129–140.

  37. Pan C., Jones B.G, Machiels A.J. Concentration levels of solutes in porous deposits with chimneys under wick boiling conditions // Nucl. Eng. Des. 1987. V. 99. P. 317–327. https://doi.org/10.1016/0029-5493(87)90130-0

  38. Green S.J. Thermal, hydraulic, and corrosion aspects of PWR steam generator problems // Heat Transfer Eng. 1988. V. 9. No. 1. P. 19–68.

  39. Titov V.F. Repairing and replacing SGs at Soviet 1000 MWe PWRs // Nucl. Eng. Int. 1991. V. 36. No. 438. P. 20–22.

  40. Стекольников В.В., Титов В.Ф. Причины повреждения коллекторов теплоносителя и меры повышения надежности парогенераторов ПГВ-1000 // Атомная энергия. 1991. Т. 71. Вып. 4. С. 312–320.

  41. Стырикович М.А., Полонский В.С., Орлов А.В. Массообмен при генерации пара в толстых капиллярно-пористых структурах // Тр. Международного семинара “Теплофизика-90”. “Теплофизические аспекты безопасности ВВЭР”. Обнинск, 25–28 сентября 1990 г. Т. 2. С. 126–130.

  42. Полонский В.С., Орлов А.В. Аналитическая модель процесса концентрирования при генерации пара в проницаемых капиллярно-пористых структурах // ТВТ. 1992. Т. 30. Вып. 6. С. 944–948.

  43. Полонский В.С., Орлов А.В. Расчет концентрирования агрессивных примесей при генерации пара в капиллярно-пористых структурах // Материалы II Минского междунар. форума “Тепломассообмен-ММФ-92”. Минск, 18–22 мая 1992 г. С. 143–147.

  44. Мамет В.А., Мартынова О.И. Процессы “хайд-аут” (местного концентрирования) примесей котловой воды парогенераторов АЭС и их влияние на надежность работы оборудования // Теплоэнергетика. 1993. № 7. С. 2–7.

  45. Кашинский В.И., Минаев А.И., Лысенко Л.В. Энерготехнологические процессы в минерализованных средах. М.: Инженер, 1994.

  46. Особенности концентрирования примесей воды второго контура при генерации пара в зоне прохода теплообменных труб через стенки коллекторов парогенераторов ПГВ-1000 / В.С. Полонский, А.В. Орлов, В.В. Рыбин, Е.Н.Литвинов // Материалы III Минского междунар. форума “Тепломассообмен-ММФ-96”. Минск, 20–24 мая 1996 г. Т. 4. С. 194–197.

  47. Dobrevsky I.D. Some aspects of LWR’s water chemistry // J. Nucl. Sci. Technol. 1997. V. 34. No. 10. P. 963–978. https://doi.org/10.1080/18811248.1997.9733772

  48. Balakrishnan P.V., Franklin K.J., Turner C.W. Hideout in steam generator tube deposits // Atomic Energy of Canada Limited (AECL-11885). Chalk River, 1998.

  49. Опыт проведения химических промывок парогенератов АЭС с ВВЭР-1000 в период планово-предупредительного ремонта / С.И. Брыков, О.П. Архипов, Л.А. Сиряпина, В.А. Мамет // Теплоэнергетика. 1999. № 6. С. 23–25.

  50. Primary water chemistry axial offset anomaly guidelines. Revision 1: Techn. Report 1003213. Electric Power Research Institute (EPRI), 2003.

  51. Hawkes J.M. The simulation and study of conditions leading to axial offset anomaly in pressurized water reactors: Thesis for the Degree Master Science in Nuclear Engineering. Georgia Institute of Technology, USA, 2004.

  52. A model of chemistry and thermal hydraulics in PWR fuel crud deposits / J. Henshaw, J.C. McGurk, H. E. Sims, A. Tuson, S. Dickinson J. Deshon // J. Nucl. Mater. 2006. V. 353. No. 1–2. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2005.01.028

  53. Богачев А.Ф., Радин Ю.А., Герасименко О.Б. Особенности эксплуатации и повреждаемость котлов-утилизаторов бинарных парогазовых установок. М.: Энергоатомиздат, 2008.

  54. Богачев А.Ф., Кириллина А.В., Козлов Ю.В. Особенности поведения фосфатов в барабанном котле высокого давления при частых разгрузках // Электрические станции. 2008. № 6. С. 29–33.

  55. Иванов С.В. Совершенствование регламента проведения продувки в режимах останова блока с РБМК на основе динамики распределения примесей: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: НИУ МЭИ, 2010.

  56. Иванов С.В., Горбуров В.И. Поведение примесей в объеме кипящей среды оборудования АЭС и ТЭС // Теплоэнергетика. 2010. № 5. С. 74–78.

  57. Pressurized water reactor fuel crud and corrosion modeling / J. Deshon, D. Hussey, B. Kendrick, J. Mcgurk, J. Secker, M. Short // JOM. 2011. V. 63. P. 64–72.

  58. Распределение примесей в парогенерирующем оборудовании с оценкой эффективности их удаления в процессе останова энергоблока / В.И. Горбуров, Ю.Ф. Курдюсов, И.О. Будько, А.Н. Макарцев, А.В. Уланов, М.В. Русакова, Р.П. Ануркин, А.А. Сальников, А.Г. Жуков, Е.И. Беклемишев, А.Н. Беляев, Н.Б. Трунов, С.А. Харченко // Теплоэнергетика. 2011. № 8. С. 19–26.

  59. Modelling heat transfer and dissolved species concentrations within PWR crud / I. Haq, N. Cinosi, M. Bluck, G. Hewitt, S. Walker // Nucl. Eng. Des. 2011. V. 241. No. 1. P. 155–162. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2010.10.018

  60. Ануркин Р.П. Повышение эксплуатационной надежности парогенератора ПГВ-1000М на основе теоретического и натурного исследований способов снижения повреждаемости в локальных зонах концентрирования примесей: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: НИУ МЭИ, 2014.

  61. Петрова Т.И., Воронов В.Н., Дяченко Ф.Е. Физико-химические процессы в водном теплоносителе электростанций. М.: Изд-во МЭИ, 2021.

  62. Jahanfarnia G., Tashakor S. Mathematical model of impurities hide out and return in nuclear power plant steam generator // Prog. Nucl. Energy. 2009. V. 51. No. 4. P. 644–648. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2009.01.004

  63. Pressurized water reactor hideout return sourcebook: prediction of crevice solution chemistry in PWR steam generators: Techn. Report 1014985. Electric Power Research Institute (EPRI), 2007.

  64. Riznic J. Steam generators for nuclear power plants. Woodhead Publishing, 2017.

  65. Water chemistry operation experience and steam generator maintenance measures in PWRs / A. Drexler, S.Weis, F. Roumiguiere, J. Fandrich // Труды 8-го Междунар. семинара по горизонтальным парогенераторам. Подольск: ОКБ “Гидропресс”, 2010.

  66. Experimental study of concentrated solutions containing sodium and chloride pollutants in SG flow restricted areas / D. You, S. Lefevre, D. Feron, F. Vaillant // Proc. Heated Crevice Seminar. Ilinois, USA, 7–11 Oct. 2002. P. 375–391.

  67. Присняков В.Ф. Кипение. Киев: Наукова-думка, 1988.

  68. Green D.W., Perry R.H. Parry’s chemical engineers handbook. 8th ed. McGraw-Hill Companies, Inc., 2007.

  69. Hewitt G.F., Shires G.L., Polezhaev Y.V. International encyclopedia of heat and mass transfer. CRC Press LLC, 1997.

  70. Комплексное исследование теплохимических условий работы наклонных труб подовой части фронтового экрана газоплотного котла ТГМЕ-464 / В.С. Полонский, В.В. Холщев, А.С. Криуля, К.А. Клевайчук, Т.И. Бородина, А.В. Орлов // Теплоэнергетика.1996. № 9. С. 35–39.

  71. Technical guidance document: HRSG high pressure evaporator sampling for internal deposit identification and determining the need to chemical clean / The International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS TGD7-16). Germany, Dresden, Sept. 2016.

  72. Кот А.А., Деева З.В. Водно-химический режим мощных энергоблоков ТЭС. М.: Энергия, 1978.

  73. Манькина Н.Н. Физико-химические процессы в пароводяном цикле электростанций. М.: Энергоатомиздат, 2008.

  74. Рассохин Н.Г., Кабанов Л.П., Тевлин С.А. Исследование процессов образования отложений магнетита в парогенераторах высокого давления при развитом поверхностном кипении // Водоподготовка, водный режим и химконтроль на паросиловых установках. М.: Энергия, 1978. Вып.6.

  75. Внутритрубные образования в паровых котлах сверхкритического давления / В.М. Глебов, И.Б. Эскин, В.М. Трубачев, В.А. Таратута, Х.А. Кяар. М.: Энергоатомиздат, 1983.

  76. Беляков И.И. Исследование температурного режима труб парогенераторов СКД при наличии внутренних железоокисных отложений // Теплоэнергетика. 1976. № 4. С. 64–66.

  77. Беляков И.И., Новиков И.И., Тарасов Б.А. О применении ступенчатого испарения в котлах высокого давления // Электрические станции. 2002. № 8. С. 18–21.

  78. Никитин В.И., Беляков И.И., Бреус В.И. Повреждение парообразующих труб контура низкого давления котла-утилизатора ПГУ-450 Северо-Западной ТЭЦ // Теплоэнергетика. 2009. № 2. С. 27–34.

  79. Беляков И.И., Бреус В.И., Попов М.С. Причины эрозионных повреждений элементов испарительных контуров низкого давления котлов-утилизаторов ПГУ // Электрические станции. 2018. № 11. С. 48–53.

  80. Чудновская И.И., Штерн З.Ю. Исследование теплофизических свойств ферритовых (магнетитовых) отложений на трубах парогенераторов // Труды ЦКТИ. 1976. № 139. С. 81–85.

  81. Маргулова Т.Х., Мартынова О.И. Водные режимы тепловых и атомных электростанций: учеб. для втузов. М.: Высшая школа, 1987.

  82. Мартынова О.И., Резников М.И., Меньшикова В.Л. Некоторые закономерности отложения продуктов коррозии железа на парогенерирующих поверхностях из нержавеющей стали // Труды МЭИ. 1974. Вып. 200. С. 133–140.

  83. Чудновская И.И., Штерн З.Ю., Брук М.Д. Результаты исследования структуры внутритрубных образований при четырех водно-химических режимах // Труды ЦКТИ. 1978. № 158. С. 55–59.

  84. Резников М.И., Меньшикова В.Л., Лысков М.Г. Фракционный состав частиц продуктов коррозии и его влияние на процесс образования железоокисных отложений на парогенерирующих поверхностях // Труды МЭИ. 1980. Вып. 466. С. 10–17.

  85. Мартынова О.И., Петрова Т.И., Харитонова Н.Л. О механизме образования защитного слоя на поверхности углеродистой стали в конденсатном тракте в условиях нейтрально-кислородного водного режима // Теплоэнергетика. 1982. № 9. С. 15–19.

  86. Петрова Т.И., Ермаков O.C., Ивин Б.Ф. О поведении органических примесей в тракте тепловых электростанций с барабанными котлами // Теплоэнергетика. 1995. № 7. С. 20–24.

  87. Петрова Т.И. Теоретический анализ и разработка рекомендаций для оптимизации водно-химических режимов тепловых электростанций: автореф. дис. … докт. техн. наук. М.: НИУ МЭИ, 2001.

  88. Влияние теплового потока на скорость образования отложений продуктов коррозии железа и меди в котлах / Т.И. Петрова, В.И. Кашинский, В.Н. Семенов, В.В. Макрушин, А.Е. Верховский, П.А. Николаев, Р.Б. Паули // Теплоэнергетика. 2008. № 7. С. 2–5.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Теплоэнергетика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал