60000

напор H, м

90

частота вращения РК n, об/мин

1500

кавитационный коэффициент быстроходности C_кр

1000

Температура перекачиваемой жидкости t, єС

294

P_изб, МПа

16

высота всасывания H_вс, м

-20

2.2 Подготовка исходных данных для расчёта обтекания

По полученным геометрическим характеристикам рабочего колеса с помощью комплекса ROBON был произведён расчёт обтекания. Методика расчета предусматривает последовательное решение следующих задач:

- определение параметров осесимметричного потенциального потока в зоне расположения лопастной системы, т.е. в пространстве между втулкой и камерой рабочего колеса;

- интерполирование геометрических характеристик лопасти и задание параметров профиля на 5 расчетных радиусах от втулки до периферии;

- определение сечения лопасти осесимметричной поверхностью тока потенциального потока;

- решение прямой задачи обтекания полученной решетки профилей на осесимметричных поверхностях тока в слое переменной толщины;

- расчет значения теоретического напора и режим экспресс-графики.

Для подготовки данных, которые будут использованы в программе, была построена проточная часть в зоне лопастной системы и рассечена 16-ю плоскостями (рисунок 6).

Рисунок 6 - Проточная часть насоса

******************************************************************* Исходные данные для расчета плоского и осесимметричного потенциального потока методом элементов (файл «idp.dat») ******************************************************************* Целое число заканчивается в 60 позиции ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Ключ, определяющий геометрию области Kluch=1 (1-область осесиммертричная; 2-область плоская) ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Число глобальных узлов расчетной области =32 (не может быть больше 32) ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Число линий тока Nlt=5 (не может быть больше 9) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Густота расчетной сетки поперек потока Ny=5 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- Густота сетки вдоль потока для каждой глобальной подобласти (целое число в строке «0» заканчивается под «!» шаблона) ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -Координаты глобальных узлов 1…..N построчно (реальные числа по формату f7.1 в строках «0» десятичная точка располагается под «!» шаблона) ____________________ «Х» («Z»), mm___________________________ ! ! ! ! ! ! ! ! 521.2 521.2 445.4 445.4 386.8 386.8 323.1 323.1 266.4 266.4 201.8 201.8 137.9 137.9 60.8 60.8 0.0 0.0 -67.4 -67.4 -132.1 -132.1 -195.1 -195.1 -250.8 -250.8 -310.5 -310.5 -375.0 -375.0 -438.3 -438.3 ____________________ «Х» («Z»), mm___________________________ ! ! ! ! ! ! ! ! 545.0 0.0 545.0 47.8 545.0 140.0 545.0 193.4 545.0 225.2 545.0 244.1 545.0 255.3 545.0 259.9 545.0 260.0 545.0 260.0 545.0 260.0 545.0 260.0 545.0 260.0 545.0 260.0 545.0 260.0 545.0 260.0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Скорость на входе в расчетную область реальное число по формату f8.3 (десятичная точка в 60 позиции) Vml=-17.9 m/c *******************************************************************

Таблица 4. Исходные данные для расчета плоского и осесимметричного потенциального потока методом элементов (файл «idp.dat»)

******************************************************************** Файл «par.dat» - исходные данные для расчета лопастной системы осевого насоса - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - !!! программа использует файл «potout.dat» и «resdon.bas» ! ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: целое число (15) - заканчивается в 50 позиции реальное число (f10.5) - точка в 50 позиции ключ для расчета точки схода число лопастей рабочего кол. угловая скорость осевые координаты: - входной кромки л.с. - оси поворота л.с. - выходной кромки л.с. Расчетные радиусы цилиндрических сечений: окружные скорости на входе: окружная скорость на входе в НА, для РК Ga(i)=0.0: М=0, ММ=0 Np1=56, Np2=56 Zp.к=4.0 Omega =157/0, 1/c Yb=0.305, m Ym=0.0, m Ye= -0.390, m Rc(1)=0.260, m Rc(2)=0.353, m Rc(3)=0.427, m Rc(4)=0.490, m Rc(5)=0.545, m Vul(1)=0.0, m/c Vul(2)=0.0, m/c Vul(3)=0.0, m/c Vul(4)=0.0, m/c Vul(5)=0.0, m/c Vul(6)=0.0, m/c Vul(7)=0.0, m/c Vul(8)=0.0, m/c Vul(9)=0.0, m/c Ga(1)=0.0, m Ga(2)=0.0, m Ga(3)=0.0, m Ga(4)=0.0, m Ga(5)=0.0, m Ga(6)=0.0, m Ga(7)=0.0, m Ga(8)=0.0, m Ga(9)=0.0, m Таблица 5. Файл исходных данных для расчёта РК осевого насоса (par.dat)
******************************************************************** N ! NS ! C ! D ! DO ! U ! KQ ! KH ! ND ******************************************************************** 1500 765 1309 1.090 0.499 85.6 0.515 0.121 1635 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА **************************** ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО КОЛЕСА НАПОР - Р=90.00 м.вод.ст. ПОДАЧА - Q=16.670 м.куб./сек. ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ - N=1500 об./мин. КОЭФФИЦЕНТ БЫСТРОХОДНОСТИ Ns=765 КАВИТАЦИОННЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ БЫСТРОХОДНОСТИ - С=1309 ДИАМЕТР РАБОЧЕГО КОЛЕСА - D=1.090 м ДИАМЕТР ВТУЛКИ - Dвт=0.520 м ЦИРКУЛЯЦИЯ СКОРОСТИ ВОКРУГ ЛОПАСТИ - Gл=9.328 мюкв./сек. ЧИСЛО ЛОПАСТЕЙ - Z=4 ОКРУЖНАЯ СОСТАВЛ. СКОРОСТИ НА ВХОДЕ - Vul м/с ГЕОМЕТРИЯ РЕШЕТКИ ТОНКИХ ДУЖЕК ******************************************************************** Х ! R ! 1i ! T ! Rд ! Dmax/L ! K ! Vz ! W8 ******************************************************************** 1 0.260 0.817 0.500 1.285 0.100 1.275 29.49 47.72 2 0.353 0.780 0.712 1.667 0.077 1.190 27.51 60.79 3 0.427 0.698 0.962 1.959 0.059 1.125 26.02 70.65 4 0.490 0.645 1.192 2.234 0.044 1.084 25.06 79.38 5 0.545 0.634 1.351 2.723 0.030 1.056 24.42 87.42 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ УГЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕШЕТКИ ДУЖЕК = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = == = = = = = = = I ! Beta L ! BETA D ! B8 ! B2 ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = == = = = = = = = 1 47.1 13.2 45.1 52.1 2 31.8 8.3 31.1 33.0 3 24.4 6.9 24.0 25.0 4 20.0 6.4 19.8 20.4 5 17.1 5.6 17.1 17.5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Таблица 6. Результирующий файл программы расчёта геометрических характеристик DON Rezdon.bas

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОПАСТИ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = == = = = = = = = I ! R ! 1i ! Rд ! Zвх ! BETA ! Dmax/2 ! Uвх = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = == = = = = = = = 1 0.260 0.817 1.285 0.254 47.1 0.041 0.327 2 0.353 0.780 1.667 0.166 31.8 0.030 0.356 3 0.427 0.698 1.959 0.116 24.4 0.021 0.331 4 0.490 0.645 2.234 0.088 20.0 0.014 0.311 5 0.545 0.634 2.723 0.076 17.1 0.010 0.308 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Минимальный радиус проточной части - 0.190 м Угол поворота лопасти - 3.0 град //////////////////////////////////////////////////// // Создан: 29.04.2014 17:02:03// /////////////////////////////////////////////////// = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = Дополнительная информация для чтения программой ДОН: Температура перекачиваемой жидкости [град. С] - 294 Избыточное давление в контуре [МПа] - 16 Допускаемый кавитационный запас [м] - 78.2 Гидравлический КПД густоты решетки на переферии = 0.3 [%] - 78 Гидравлический КПД густоты решетки на переферии = 1.0 [%] - 83.7 Максимальная относительная толщина лопасти в корневом сечении - 0.1 Максимальная относительная толщина лопасти в переферийном сечении - 0.03 Примятый гидравлический КПД [%] - 81.58

2.3 Результаты расчёта обтекания

Расчёт выполняется в автоматическом режиме. Предварительная визуализация расчёта выполняется в программе «Lab Windows».

Результаты расчета обтекания берём из файла RRO.dat. По этим данным строятся графики, следующие ниже (рисунок 7-8).

Рисунок 7 - График относительной скорости для сечений с 1-го по 5-ое



Рисунок 8 - График избыточного давления для сечений с 1-го по 5-ое

По результатам в файле RRP.dat строим линии тока (рисунок 9).

Рисунок 9 - Линии тока

Также в результате расчёта обтекания были получено действительное значения теоретического напора. Оно составило 131,37 м. Это несколько больше требуемого значения (110,6 м), поэтому необходимо предпринять меры для его уменьшения.

2.4 Прогнозирование кавитации режимов ГЦН

2.4.1 Профильная кавитация

Профильная кавитация (или кавитация формы) возникает при отрыве потока от обтекаемой им поверхности с образованием кавитационных пузырей. Этот вид кавитации зависит от условий подвода и входа потока в лопасть. У осевых насосов влияние оказывает профиль лопасти, форма обтекателя, конструкция ребра, поддерживающего обтекатель, и т. д. /7/

Под прогнозированием профильной кавитации понимают расчётное определение геометрической высоты всасывания, соответствующее появлению профильной кавитации:

,	(1)

где - абсолютное давление на свободной поверхности в заборном резервуаре; - давление парообразования; - величина кавитационного запаса, соответствующего началу профильной кавитации (взята из полученных ранее характеристик):

м,	(2)

Для отсутствия профильной кавитации необходимо выполнение условия:

.	(3)
,	(4)

- высота всасывания установки,

- давление на входе в РК, - потери на входе:

, (5)

где , - местные потери по длине и при повороте на 90є.

Общая формула для расчёта потерь:

,	(6)

где - скорость в трубопроводе;- коэффициент местных потерь.

;	(7)

Коэффициент местных потерь:

,	(8)

где - коэффициент сопротивления трения, который рассчитывается по формуле Дарси-Вейсбаха:

,	(9)

где - число Рейнольдса:

,	(10)

где - диаметр трубопровода, - коэффициент кинематической вязкости.

Коэффициент сопротивления трения:

;	(11)

Коэффициент местных потерь:

;	(12)

Тогда местные потери:

	(13)

Коэффициент местных потерь при повороте на 90є:

,	(14)

где , , - коэффициенты, которые берутся из справочника, тогда местные потери при повороте на 90є:

;	(15)

Тогда потери на входе:

.	(16)

Определим фактическое значение высоты всасывания, соответствующее началу профильной кавитации:

.	(17)

Определим фактическое значение высоты всасывания установки:

	(18)

	(19)

Условие бескавитационной работы выполнено.

2.5 Щелевая кавитация

Щелевая кавитация возникает вследствие резкого повышения скорости потока в щелях различного рода и зазорах. Она возникает также в зазорах между торцами лопастей и стенками камеры рабочего колеса. Наиболее типичным примером эрозии, вызванной щелевой кавитацией, является разрушение стенок колесных камер и периферийных торцов лопастей рабочих колес осевых насосов.

Течение, порождающее щелевую кавитацию, характеризуется средней скоростью щелевого потока.

Определим среднюю скорость щелевого потока:

,	(20)

где - коэффициент расхода при острой кромке, - динамический напор, определённый по графику давлений.

Коэффициент расхода примем равным 0,8.

Тогда:

(21)

2.5.1 Торцевая кавитация

Торцевая кавитация возникает вследствие повышения относительной скорости течения в зоне отрыва потока на входе в щелевой зазор при острой кромке на входе.

Определим длину области отрыва с использованием эмпирической формулы:

;	(22)

В соответствии с рекомендациями, величина нормального радиального зазора осевого рабочего колеса принимается равной:

м.	(23)

Число Рейнольдса можно определить как:

	(24)

Тогда:

.	(25)

Т.к. , условия для возникновения торцевой кавитации отсутствуют.

2.5.2 Струйная кавитация

После выхода потока из щелевого канала образуется плоская пристенная турбулентная струя, распространяющаяся вдоль внутренней поверхности камеры РК в условиях её относительного смещения. Взаимодействуя с пограничным слоем на камере, эта струя образует вихревую пелену с повышенными скоростями в центральной области этих вихрей. Струйная кавитация - это кавитация в центральной области каждого вихря в отдельности.

Для отсутствия струйной кавитации необходимо выполнение условия:

,	(26)

где

	(27)
	(28)

Определим величину кавитационного запаса, соответствующего возникновению струйной кавитации:

.	(29)

Тогда

.	(30)
,	(31)

следовательно, условие отсутствия струйной кавитации выполнено.

2.5.3 Вихревая кавитация

После выхода потока из щели возникает не только струйная, но и вихревая кавитация. Вихревая кавитация - это кавитация в центральной области линейного вихря с повышенными скоростями, который образуется в результате взаимодействия струи после выхода из щели с потоком, обтекающим профиль лопасти в периферийном сечении./8/ Подход к прогнозированию вихревой кавитации основывается на том, что скорость в центральной области вихря определяется относительной скоростью обтекания всасывающей поверхности лопасти на периферии. Для отсутствия вихревой кавитации необходимо выполнение условия:

,	(32)

Где

,	(33)

Где

	(34)

Значение м/с - определяется из графика скоростей, полученного в результате расчёта обтекания.

Определим величину кавитационного запаса, соответствующего возникновению вихревой кавитации:



2.6 Конструирование насоса

Насос состоит из корпуса и вынимаемой части. Для обеспечения герметичности вынимаемая часть уплотнятся медной прокладкой 19 трапецеидального сечения.

Корпус насоса сварной конструкции, из теплоустойчивой стали. Он крепится к опорному кольцу насоса. К нему приварены опорные лапы, которыми он опирается на фундамент.

Вынимаемая часть состоит из крышки главного разъема 2, выполненной в одно целое с выправляющим аппаратом, крышки с горловиной 3, в которой расположены ГСП и уплотнение вала насоса (см. Рис.8), рабочего колеса 7. Вал насоса - цельнокованый. Рабочее колесо осевого типа. Колесо и выправляющий аппарат выполнены из нержавеющей стали./9/

Внутренние поверхности крышки защищены нержавеющей наплавкой. Конструкция ГЦН допускает агрегатный ремонт или полную замену вынимаемой части. Размещение ГЦН в специальном помещении дает возможность обслуживать главный разъем и всю механическую часть насоса.

Для обеспечения нормального температурного режима деталей насоса и его крепления, а также для удобства обслуживания в области нажимного фланца главного разъема насоса предусмотрена тепловая защита.

2.6.1 Форма проточной части

Для обеспечения требуемой подачи Q=60000 при напоре H=90 м был принято осевой тип рабочего колеса. Быстроходность выбранного варианта РК равна n_S=765. В соответствии с этим проточная часть имеет следующий вид:

Рисунок 10 - Вид проточной части

Для равномерности течения потока перед РК устанавливается обтекатель эллиптической формы.

Зазор между лопастью рабочего колеса и ободом (внешней границей проточной части) должен быть не более , поэтому камера рабочего колеса 9 обрабатывается с повышенным качеством.

Отвод жидкости является сферическим. Он выполняется сварным и изготавливается из теплоустойчивой стали.

Сферическая фора отвода выбрана из-за того, что

· сфера - наиболее прочная форма корпуса (давление внутри более 16 МПа);

· наиболее низкие потери из всех возможных для условий ГЦН вариантов форм корпусов.

2.6.2 Выбор минимального диаметра вала

Минимальный диаметр вала выбирается из условия допустимого напряжения кручения. Вал изготавливается из легированной стали, для которой допустимое напряжение кручения равно .

Минимальный диаметр вала равен:

	(38)

Где:

	(39)

Тогда:

	(40)

.

С учётом запаса выбираем минимальный диаметр вала из стандартных размеров:

.

Приблизительно рассчитать критическую частоту вращения вала можно по следующей формуле:

	(41)

где у - статический прогиб.

	(42)

,

где - длина вала насоса.

Тогда:

	(43)

2.7 Система герметизации

Т.к. ГЦН предназначены для поддержания надежной устойчивой циркуляции теплоносителя через реактор, теплоноситель имеет наведенную радиоактивность и большую температуру, что является опасным для жизни и здоровья обслуживающего персонала. В связи с этим в насосе предусмотрена надежная система герметизации, состоящая из следующих элементов:

- уплотнения с плавающими кольцами 13, 14, 15;

- система подачи запирающей воды (одновременно смазывающей гидростатический подшипник);

- медные уплотнения фланца главного разъема 19;

- крышка 20.

Для полного устранения утечек в местах соединения корпуса насоса с трубопроводами главного контура АЭС предусмотрено сварное соединение.



Рисунок 11 -Уплотнение вала насоса

(1 - вал, 2 - корпус уплотнения, 3 - крышка уплотнения, 4 - рубашка вала, 5 - уплотнительное кольцо, 6 - упругий элемент, 7 - плавающее кольцо, 8 - штифт)

Принцип действия уплотнения: в стоячем режиме плавающее кольцо 7 лежит на рубашке вала 4 и поджимается к уплотнительному кольцу 5 упругим элементом 6. При вращении вала под действием сил вязкости плавающее кольцо 7 самоцентрируется и удерживается от проворачивания штифтами 8. Давление прижимает плавающее кольцо к уплотнительному кольцу, поясок которого работает как торцевое уплотнение без вращающихся элементов. Утечки жидкости проходят в кольцевой зазор между всплывшим плавающим кольцом и рубашкой вала.

2.8 Подшипниковые опоры

Подшипниковые опоры предназначены для восприятия радиальных и осевых усилий. Они являются неотъемлемой частью любых вращающихся деталей. В нашем случае это вал насоса. Выбор конструкции подшипниковой опоры для ГЦН определяется следующими требованиями:

- высокая надежность на всех режимах работы, включая пуски и остановки;

-работоспособность в среде с высокой температурой, давлением и возможным наличием мелких твёрдых частиц;

-отсутствие склонности материалов, применяемых для трущихся пар подшипников, к «самосвариванию» и «схватыванию» при аварийном прекращении подачи питающей жидкости, к деформациям и фазовым превращениям при температуре до 400єС;

-хорошая ремонтопригодность, позволяющая проводить не только замену подшипникового узла в кратчайшие сроки, но и ремонт отдельных деталей (втулки вала, вкладышей и т.п.);

- сохранение работоспособности при возможном обратном вращении вала (реверсе);

-относительно малая чувствительность к изменению нагрузки, к нарушению заданной соосности опор в процессе работы, достаточная вибростойкость.

В большинстве случаев при проектировании ГЦН предпочтение отдаётся подшипникам скольжения, поскольку они наиболее отвечают указанным выше требованиям. В насосном агрегате имеется один радиальный подшипник, установленный в непосредственной близости к рабочему колесу, и радиально-осевой подшипник. Обычно радиально-осевой подшипник является составной частью электродвигателя, поэтому в данном курсовом проекте мы его не рассматриваем.

Выбираем гидростатический радиальный подшипник, так как ГСП в ГЦН имеют ряд преимуществ перед ГДП:

- использование в качестве смазки перекачиваемой жидкости при рабочей температуре, что позволяет встраивать ГСП непосредственно за рабочим колесом;

- высокая несущая способность при любой частоте вращения вала;

- небольшие потери на трение благодаря очень низкому коэффициенту трения (4,0*10^-6-7,5*10^-6);

- практически неограниченный ресурс из-за отсутствия контакта между рабочими поверхностями подшипника;

- отсутствие необходимости теплоотвода от подшипникового узла.

2.9 Система смазки

Выбор системы маслоснабжения подшипников - важный этап проектирования опор скольжения, так как надёжность маслоснабжения в большой степени определяет надёжность насоса, а, следовательно, и всей установки в целом.

Для обеспечения длительной надежной работы насосного агрегата в нем предусмотрена система смазки, которая является одновременно и системой подачи запирающей воды в уплотнение вала, т. е. частью системы герметизации.

Для работы ГСП и уплотнения с плавающими кольцами, а также для надежного запирания утечек необходимо, чтобы давление в системе превышало давление в главном контуре АЭС (16 МПа). Подача системы смазки и герметизации равна расходу ГСП .

Смазка основных трущихся подшипниковых узлов радиального подшипника осуществляется с помощью чистой запирающей жидкости, которая подводится через специальные каналы. Осевой подшипник смазывается маслом под давлением. Применяемые для подшипников смазочно-охлаждающие жидкости должны быть огнестойкими и нетоксичными.

Маслосистема располагается в специальном обслуживаемом помещении. Всё оборудование и трубопроводы выполняются из нержавеющей стали.

Прочностные расчеты

Расчет шпоночного соединения



Рисунок12 Шпоночное соединение

Выбрана призматическая форма шпонка, т.к. в этом случае в деталях не возникает предварительных напряжений. Конструкция соединения показана на Рис.9. Рабочими поверхностями являются боковые, более узкие, грани шпонок высотой h. Размеры сечения шпонки и глубина пазов выбираются в соответствии с диаметром вала d. Соединения призматическими шпонками проверяют по условию прочности на смятие.

Определим напряжение смятия по следующей формуле:

	(44)

где l - длина шпонки, мм; -глубина паза вала, мм.

Вращающий момент на валу определим по формуле:

,	(45)

Тогда:

	(46)

опускаемое напряжение смятия при стальной ступице . Полученный нами результат меньше удовлетворяет условию прочности на смятие.

Проверим условие прочности на срез:

,	(47)

Тогда напряжение среза:

.	(48)

Так как допускаемое напряжение среза для шпонки , условие прочности на срез выполняется.

Для соединения вала с муфтой используются аналогичные шпонки.

2.10 Водно-химический режим первого контура

Водно-химический режим (ВХР) первого контура ВБЭР-300 является коррекционным. В качестве корректирующих добавок в теплоноситель вводят борную кислоту H₃BO₃, гидроокись калия КОН либо гидроксид лития LiOH (на зарубежных реакторах PWR), аммиак, гидразин-гидрат N₂H4-2H₂O.

Бор, введенный в виде борной кислоты, используется при мягком регулировании реактивности реактора.

Борная кислота устойчива в радиационных полях, не разлагается при высоких температурах, хорошо растворима в воде, не образует шлама и накипи, в присутствие щелочей является ингибитором коррозии. Концентрация борной кислоты устанавливается в зависимости от запаса реактивности активной зоны. Введение непосредственно в теплоноситель борной кислоты приводит к резкому снижению величины рН и к необходимости коррекции водного режима путем подщелачивания. Для нейтрализации борной кислоты в контур циркуляции теплоносителя вводится раствор едкого калия.

Под действием ионизирующего излучения в воде первого контура происходят различные радиационно-химические реакции, что заметно меняет состав воды и растворов, используемых в качестве теплоносителя. Специфические условия, которые существуют в первом контуре реактора ВБЭР-300, способствуют протеканию радиолиза воды с образованием коррозионноактивных промежуточных радикалов Н', ОН', e_aq и других, а также коррозионно-активных молекулярных продуктов Н₂, О₂ и Н₂О₂.

Радиолиз воды замедляется в присутствии водорода (более 5 нмл/дм³), поэтому для подавления радиолиза в теплоносителе необходимо поддерживать повышенную концентрацию водорода. Для поддержания необходимой концентрации водорода в теплоноситель вводится аммиак, который в реакторе разлагается с образованием водорода и азота по реакции:

2NH₂>3H2 + N₂.

При работе реактора на мощности под действием нейтронов в теплоносителе происходит ряд ядерных реакций, в результате которых образуются изотопы кислорода, азота, натрия, лития, влияющие на ведение ВХР первого контура.

Наиболее значительное влияние на ведение ВХР первого контура оказывает изотоп лития ⁷Li, образующийся в результате реакции:

¹⁰В(п, a)⁷Li.

При длительной эксплуатации реактора на мощности содержание лития в теплоносителе повышается до высоких (до 1,0 мг/дм³) концентраций, которые необходимо учитывать при ведении ВХР.

Содержание продуктов коррозии в первом контуре определяется скоростью коррозионных процессов. Продукты коррозии при многократном облучении в активной зоне в процессе циркуляции теплоносителя активируются и откладываются на внутренних поверхностях оборудования, влияя на технические характеристики теплообменного оборудования, и ухудшают радиационную обстановку, усложняя проведение ремонтных работ и вызывая необходимость проведения дезактивации оборудования. Основными радиоактивными изотопами коррозионного происхождения являются ⁵¹Cr, ⁵⁴Mn, ⁵⁸Co, ⁶⁰Co, ⁵⁹Fe. Особенно опасны отложения продуктов коррозии на поверхностях ТВЭЛов, так как эти отложения могут привести к повышению температуры металла оболочки и в предельных случаях - к пережогу оболочек ТВЭЛов и повышению активности теплоносителя вследствие повышенного перехода в него продуктов деления ядерного топлива./9/

Основным конструкционным материалом оборудования первого контура является аустенитная хромникелевая стабилизированная титаном сталь 08Х18Н10Т. Корпус реактора ВБЭР-300 изготавливается из углеродистой стали марки 15Х2НМФА с коррозионно-стойкой двухслойной наплавкой из сталей аустенитного класса (Св-07Х25Н13 и Св-04Х20Н10Г2Б соответственно, для первого и второго слоя). Использование нержавеющих сталей обусловлено их высокой коррозионной стойкостью и способностью к пассивации в условиях эксплуатации ядерных реакторов. Факторами, определяющими скорость коррозии нержавеющих сталей, является содержание в теплоносителе хлорид-ионов и кислорода. Особую опасность для аустенитных (нержавеющих) сталей представляет коррозия под напряжением, коррозионное растрескивание. Это явление протекает при наличии коррозионно-агрессивной среды, содержащей активаторы и окислители. Активатором процесса коррозии нержавеющих сталей является хлорид-ион, окислителем является кислород.

Величина рН в широком диапазоне своих значений (при отсутствии активирующих коррозию агентов) на скорость коррозии хромникелевых сталей не влияет. Только при снижении величины рН до 3,0 и менее скорость коррозии хромникелевых сталей, из которых выполнено оборудование первого контура, значительно возрастает.

Нормирование показателей качества теплоносителя обусловлено следующими причинами:

1 Поддержание рН в пределах норм позволяет снизить скорость коррозии конструкционных материалов и уменьшить поступление продуктов коррозии в теплоноситель. Регламентирование значения рН по нижнему (5,9) пределу обуславливается увеличением сверх допустимых величин скорости коррозии металла основного оборудования и по верхнему (10,3) пределу - опасностью коррозионного растрескивания циркониевых сплавов оболочек ТВЭЛов;

2 Хлористые и фтористые соединения поступают в первый контур в основном с подпиточной водой и оказывают отрицательное коррозионное воздействие на конструкционные материалы реакторной установки. Поддержание концентрации хлоридов и фторидов в нормированных пределах (не более 0,1 мг/дм³) достигается использованием реагентов высокой степени чистоты и очисткой теплоносителя на фильтрах СВО-2;

3 Накопление свободного кислорода в теплоносителе первого контура происходит в результате радиолиза воды и за счет его поступления с подпиточной водой. Поддержание концентрации кислорода в теплоносителе в пределах норм (не более 0,005 мг/дм³) обеспечивается работой деаэраторов или же связыванием избыточного кислорода вводимым в подпиточную воду гидразингидратом;

4 Водород необходим в теплоносителе первого контура для подавления радиолиза воды. Содержание водорода в теплоносителе в пределах 2,7-5,4 мг/дм³ (30-60 нмл/дм³) практически полностью подавляет радиолиз контурной воды (верхний предел содержания водорода ограничен величиной 5,4 мг/дм³ из-за водородного охрупчивания циркониевых сплавов);

5 Борная кислота в теплоносителе первого контура используется в качестве поглотителя нейтронов, ее концентрация зависит от состояния активной зоны и устанавливается в зависимости от запаса реактивности активной зоны;

6 Суммарная концентрация ионов щелочных металлов устанавливается путем введения в контур гидроокиси калия в зависимости от концентрации борной кислоты в теплоносителе;

7 Аммиак является источником водорода в теплоносителе первого контура, поэтому равновесная концентрация аммиака в теплоносителе поддерживается на уровне, обеспечивающем безопасную концентрацию водорода, т.е. в пределах 2,2-4,5 мг/дм³ (25-30 нмл/дм³). При этом верхний предел равновесной концентрации аммиака должен определяться верхним пределом концентрации водорода в теплоносителе.

Нормы качества теплоносителя в «горячем» состоянии энергоблока ВБЭР-300 или в состоянии реактор на минимально контролируемом уровне мощности приведены в таблицу 7.

Таблица 7. Нормы качества теплоносителя

НОРМИРУЕМЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ
Наименование показателя	Диапазон допустимых значений	Отклонения от допустимых значений
		1 уровень	2 уровень
Массовая концентрация хлорид-иона, мг/дм	Не более 0,1	Свыше 0,1 до 0,2	Свыше 0,2
Массовая концентрация растворенного кислорода, мг/дм3	Не более 0,02	Свыше 0,02 до 0,1	Свыше 0,1
Суммарная концентрация щелочных металлов (K+Li+Na)	Зоны А, Б и В на рис. П1	Зоны Г, Д на рис. П1	Зона Е на рис. П1
ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
Наименование показателя	Контрольные уровни
Водородный показатель рН	5,8 - 10,3
Массовая концентрация аммиака, мг/дм3, не менее	3,0
Массовая концентрация меди, мг/дм3, не более	0,02
Массовая концентрация железа, мг/дм3, не более	0,1
Массовая концентрация нитрат-иона, мг/дм3, не более	0,2
Массовая концентрация фторид-иона, мг/дм3, не более	0,1
Массовая концентрация нефтепродуктов, мг/дм3, не более	0,5

Примечание: а) Допустимая продолжительность работы энергоблока в «горячем» состоянии при отклонении одного или нескольких нормируемых показателей в пределах 1 уровня не должна превышать 24 часов с момента обнаружения отклонений. Если в течение 24 часов отклонения не устранены, то энергоблок плавно переводится в «холодное» состояние. б) При достижении нормируемыми показателями второго уровня отклонений энергоблок плавно переводится в «холодное» состояние.

2.10.1 Водородный показатель рН. Общие сведенья

Одним из важных нормируемых и контролируемых показателей качества водного теплоносителя АЭС является водородный показатель. Изучено, что при повышенных, а также при пониженных значениях рН возрастает скорость коррозионных процессов конструкционных материалов, что приводит к уменьшению надежности и безопасности АЭС.

Так, в стандарте предприятия по нормам качества рабочей среды водно-химических режимов энергоблоков типа ВБЭР предписывается перевод реактора в «холодное» состояние в случае отклонений рН от нормируемых значений и невозможности в указанное время привести его значение в нормируемые пределы.

Такие жесткие меры обусловлены многолетней отечественной и зарубежной практикой эксплуатации АЭС.

Что представляет собой водородный показатель рН? В каких пределах он варьируется? Служит ли он только характеристикой ионов водорода или же с его помощью можно характеризовать содержание гидроксильных ионов? На эти и другие вопросы можно ответить, принимая во внимание электролитическую диссоциацию воды.

Чистая вода состоит из молекул Н₂О, которые в большинстве своем находятся в недиссоциированном виде. Совсем малая часть молекул Н₂О диссоциирует на ионы Н⁺ и ОН^-:

Н₂О-Н⁺ + ОН^-.

Свидетельством сказанному выше служит тот факт, что вода плохо проводит электрический ток и обладает небольшой измеримой электропроводностью.

Применяя закон действия масс к слабому электролиту, которым является вода, можно написать выражение константы диссоциации воды:

где К_д - константа диссоциации, [H⁺], [OH^-], [H₂O] - концентрация ионов Н^- и ОН^- и молекул воды Н₂О.

Поскольку концентрация недиссоциированных молекул Н₂О в воде практически является величиной постоянной, то уравнение можно переписать следующим образом:

Кд *[H₂O]=[H⁺]*[OH^-].

Заменив в последнем уравнении произведение К * [Н₂О] константой К_w будем иметь:

Кw = [н+]* [OН- ]	(49)

Эта постоянная величина называется ионным произведением воды и на основе экспериментальных данных при температуре 25°С К_w = 1 * 10^-14. А поскольку образовавшиеся при диссоциации молекул воды ионы Н⁺ и ОН^- равны между собой, то нетрудно заметить, что в нейтральной воде концентрации Н⁺ и ОН^- равны 1 * 10^-7 моль/л. В кислой среде содержание ионов водорода возрастает с одновременным уменьшением ОН^-, а в щелочной среде увеличивается содержание гидроксид-ионов с одновременным уменьшением Н⁺. Однако произведение концентраций ионов Н⁺ и ОН^- в соответствии с уравнением остается постоянным:

[н +]-[0Н ] = 1 * 10-14.	(50)

Это уравнение имеет важное значение, так как с его помощью можно рассчитать концентрацию гидроксид-ионов при известном значении концентрации ионов водорода, и наоборот. Так,например, при [н⁺]=1 * 10^-3 моль/л концентрация гидроксид-ионов составит [OH^- ]=1-10^-11 моль/л.

Кислотность и щелочность раствора можно выразить другим, более удобным способом: вместо концентрации ионов водорода указывают ее десятичный логарифм, взятый с обратным знаком. Эта величина называется водородным показателем. Она обозначается через рН:

рН =-lg[H+].	(51)

В случае щелочного раствора часто используют гидроксильный показатель:

рОН =-lg[0H ].	(52)

Буква «р» означает первую букву французского слова «puissance», что означает «сила»: рН - сила кислоты, рОН - сила щелочи.

Логарифмируя с обратным знаком уравнение (4.2) и принимая во внимание определения рН и рОН, можно сказать, что в воде сумма рН и рОН всегда равна 14:

рН + рОН = 14.	(53)

Для того чтобы ответить на другие поставленные в начале главы вопросы, можно воспользоваться следующим рассуждением. Предположим, что мы поэтапно увеличиваем концентрацию раствора соляной кислоты и доводим ее от 0 до 1 моль/л. Поскольку соляная кислота является сильным электролитом и, как всякий сильный электролит, нацело диссоциирует на ионы, то концентрация ионов водорода, образовавшихся в результате диссоциации HCl -H⁺+ Cl^-, будет численно равна концентрации HCl. Зная концентрацию ионов водорода, нетрудно рассчитать рН раствора HCl. Данные расчета представлены в таблице 8.

Таблица 8. Численные значения pH в зависимости от концентрации водного раствора HCl

Концентрация HCl, моль/л	Концентрация Н+, моль/л	рН =-1в[н+]
0 (чистая вода)	1-10-7	7
1-10-6	1-10-6	6
1-10-5	1-10-5	5
1-10-4	1-10-4	4
1-10-3	1-10-3	3
1-10-2	1-10-2	2
1-10-1	1-10-1	1
1,0	1,0	0

Таблица 8 показывает, что с ростом концентрации HCl рН раствора уменьшается и становится равным 0 при концентрации HCl 1 моль/л.

Аналогично можно представить расчетные значения рОН в зависимости от изменения концентрации основания NaOH. Едкий натр так же, как и HCl, является сильным электролитом и для него остается справедливым равенство концентраций NaOH и ОН^-

Таблица 9 Численные значения рОН (рН) в зависимости от концентрации водного раствора NaOH

Концентрация NaOH, моль/л	Концентрация ОН-, моль/л	рОН= -ig[oH ]	рН = -1в[н +]
0 (чистая вода)	1-10-7	7	7
1-10-6	1-10-6	6	8
1-10-5	1-10-5	5	9
1-10-4	1-10-4	4	10
1-10-3	1-10-3	3	11
1-10-2	1-10-2	2	12
1-10-1	1-10-1	1	13
1,0	1,0	0	14

Рисунок 13 - Область рН водных сред соляной кислоты и едкого натра при изменении их концентрации от 0 до 1 моль/л.

Из таблицы 9 видно, что гидроксильный показатель рОН так же, как и водородный показатель для растворов HCl, уменьшается от 7 до 0 при изменении концентрации NaOH от 0 до 1 моль/л.

Если полученные результаты таблиц 8 и 9 изобразить графически, то необходимо пользоваться двумя шкалами измерения. Одна из них будет соответствовать изменению рН, а другая - изменению рОН.

Пользоваться в повседневной практике двумя шкалами рН и рОН крайне неудобно, поэтому, используя уравнение, значение рОН можно выразить через значение рН:

рН=14-рОН.

В этом случае область рОН, характеризующая щелочность среды, будет представлена областью рН в интервале от 7 до 14, что наглядно изображено на рисунке 13.

Пунктирные линии шкалы рН означают, что рН водного раствора кислоты либо щелочи может варьироваться в большем интервале рН, чем 0ч14. В самом деле, предположим, что максимальные значения концентрации HCl и NaOH имеют значение не 1 моль/л, а 3 моль/л, тогда рН таких растворов приобретут значения -0,5 и 14,5 соответственно, в чем легко убедиться.

В аналитической практике отрицательными значениями рН, так же как и значениями большими, чем 14, не пользуются по нескольким причинам. Во-первых, в концентрированном растворе измерять рН с помощью рН-метра не желательно, так как ошибка измерений в силу аппаратурных способностей рН-метра возрастает. Во-вторых, показания рН-метра будут характеризовать не концентрацию Н⁺ и ОН^_, а их активность.

2.10.2 Расчет рН водных растворов

Можно рассчитать рН водных растворов кислот и оснований, если известны концентрации и константы диссоциации в случае слабых электролитов и, наоборот, зная рН, измеренный с помощью рН-метра, можно рассчитать концентрацию исходных продуктов:

[Н⁺]= 10^-рН.

Для сильных кислот и оснований, в силу их полной диссоциации, рН растворов будет выражаться формулами:

pH=-1gC_{кислоты} и pOH=+1gC

2.10.3 Расчет рН слабых кислот и оснований

РН водных растворов слабых кислот и оснований нельзя рассчитать с помощью формул, полученных в конце предыдущего параграфа, поскольку они слабо диссоциируют на ионы, и концентрации Н⁺ и ОН⁺ в силу этого не равны концентрациям исходных продуктов. Тем не менее, используя закон действующих масс применительно к слабой кислоте и слабому основанию, можно выразить зависимость концентраций H⁺ и OH⁺ от констант диссоциации и концентраций исходных продуктов. А это означает, что можно найти формулы расчета рН. Первоначально получим формулу расчета рН слабой кислоты, например уксусной СН₃СООН.

В соответствии с законом действующих масс константа диссоциации СН₃СООН запишется следующим образом:

Учитывая тот факт, что при диссоциации СН₃СООН образуются равные количества ионов СН₃СОО^- и Н⁺, уравнение для константы диссоциации можно переписать следующим образом:

;

[=Кд·[С];

[]=Кд·[С];

Логарифмируя полученное уравнение с обратным знаком, имеем:

А поскольку

;

;

Применительно к другим слабым одноосновным кислотам последнюю формулу можно представить в общем виде:

рН=

где р кислоты - константа.

Аналогично можно получить формулу расчета рН для слабого основания:

рН=14-

где рК_осн - константа диссоциации основания.

2.10.4 Расчет гидролизующихся солей

Практика показывает, что рН водного раствора может изменяться не только в случае добавления к воде кислот либо оснований, но и в случае добавления гидролизующихся солей, которые образуются сильным основанием и слабой кислотой, слабым основанием и сильной кислотой, а также слабым основанием и слабой кислотой. Последние незначительно влияют на рН растворов и вследствие этого они опущены при дальнейшем рассмотрении.

Для объяснения влияния солей на рН растворов и вычисления рН необходимо воспользоваться уравнением гидролиза. Рассмотрим в качестве примера соль, образованную сильным основанием и слабой кислотой - ацетат натрия СН₃СОNa.

Ацетат натрия в воде гидролизуется и рН раствора вследствие высвобождающихся ионов гидроксила повышается.

В ионном виде:

рН такого раствора можно рассчитать, если воспользоваться формулой:

где К_{кислоты} и С_соли - константа диссоциации кислоты и концентрация соли.

При гидролизе соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой, например, NH₄Cl, возрастает концентрация ионов водорода и рН раствора понижается.

В ионном виде:

Формула нахождения рН:

где К_осн и С_соли - константа диссоциации кислоты и концентрация соли.

2.10.5 Буферные растворы

На практике очень часто имеют дело с растворами, содержащими одновременно слабую кислоту и ее соль или же слабое основание и его соль. Такие системы называются буферными. Их отличие от обычных систем заключается в том, что при добавлении к ним кислот либо оснований рН буферных систем практически не меняется. Не меняется рН и в том случае, если буферные системы развести чистой водой или же пропорционально увеличить концентрацию исходных продуктов.

Для объяснения вышеуказанного и нахождения рН рассмотрим буферную смесь, состоящую из слабого основания и его соли. Возьмем для примера аммиачную буферную смесь NH₄OH и NH₄CL Нетрудно заметить, что рН смеси будет определяться содержанием ионов ОН^-, образующихся за счет диссоциации NH₄OH, однако сам процесс диссоциации во многом зависит от присутствия соли NH₄Q (одноименного иона NH₄). Запишем уравнения диссоциации.



Для нахождения рН воспользуемся уравнением, для которого справедливо:

Kд=.

Это равенство говорит о том, что если бы концентрация [NH₄⁺] равнялась концентрации, полученной только за счет диссоциации NH₄OH, то рассматриваемый случай свелся бы к определению рН слабого основания. В случае, когда концентрация ионов NH₄⁺, в основном, определяется концентрацией ионов NH₄⁺, полученных за счет полной диссоциации соли, концентрацией ионов NH₄⁺ , полученных за счет диссоциации слабого основания NH₄OH, можно пренебречь в виду их малого количества. Принимая во внимание вышесказанное, уравнение для константы диссоциации можно представить в виде:

Kд=

откуда

В общем виде последнее выражение можно записать следующим образом:

При равенстве С_осн = С_соли выражение перепишется в виде:

pH=14 - рКосн.

Аналогичные рассуждения применимы и к буферным растворам, образованным слабой кислотой и ее солью. рН такой системы будет определяться выражением:

При равенстве С_кисл = С_соли имеем:

pH=рКкисл

Полученные формулы для определения рН показывают, что рН буферных систем не изменится, если концентрации исходных продуктов пропорционально увеличить либо уменьшить путем разбавления. Кроме того, рН мало изменится, если к ним добавить сильную кислоту либо сильную щелочь. В этом случае система нейтрализует сильную кислоту или щелочь, переводя их либо в слабые кислоту и щелочь, либо в их соли.

Представленные формулы расчета рН позволяют персоналу химлабораторий АЭС рассчитывать необходимые количества химических реагентов, которые требуются для приготовления больших количеств водных растворов кислот и щелочей для поддержания показателей рН при проведении кислотных и щелочных промывок реакторного оборудования, дезактивации и водно-химических режимов энергоблоков.

Вывод по второй части ДР:

В данном разделе было необходимо разработать главный циркуляционный насос (ГЦН), предназначенный для циркуляции теплоносителя в первом контуре. В связи с увеличением единичных мощностей блоков АЭС появляется необходимость в разработке ГЦН с рабочим колесом (РК) осевого типа.

Опыт эксплуатации АЭС с ВВЭР и PWR показывает, что основным фактором, влияющим на работоспособность теплообменных труб ПГ, является ВХР второго контура.

Для ПГ АЭС с ВБЭР-300 основным механизмом, ответственным за повреждение теплообменных труб, является процесс коррозионного растрескивания под напряжением в результате воздействия концентрированных растворов коррозионно-активных примесей, образующихся вследствие глубокого упаривания «котловой» воды в отложениях на теплообменных трубках ПГ. Отложения образуются в результате поступления продуктов коррозии железа в ПГ вследствие протекания процессов коррозии-эрозии оборудования и трубопроводов КПТ, изготовленных из углеродистых сталей (FAC проблема - Flow Assisted Corrosion).

С целью снижения поступления продуктов коррозии в ПГ на АЭС с PWR ведущих ядерных стран мира последние 10-20 лет во втором контуре

При наличии во втором контуре АЭС с ВБЭР-300 оборудования, трубныесистемы которого изготовлены из медьсодержащих сплавов (конденсаторы турбин, ПНД),необходимо с существующего низкощелочного гидразинно-аммиачного ВХР перейти наВХР с дозированием морфолина или этаноламина (ETA). При этом, даже не повышая величину рН питательной воды более 9.2, это позволит:

-выровнять величину рН в потоках второго контура, особенно, в двухфазовых средах, и устойчиво поддерживать величину рН питательной воды на уровне 9.2, а продувочной воды ПГ - на уровне 8.9-9.1 при дозировании морфолина и на уровне 9.6 при дозировании ETA;

-снизить процессы эрозии-коррозии оборудования и трубопроводов КПТ, выполненных из углеродистых сталей, тем самым, уменьшив концентрацию продуктов коррозии в питательной воде (до 1-5 мкг/кг), и, как следствие, значительно снизить скорость образования отложений продуктов коррозии на теплообменных трубках ПГ.

Это в свою очередь позволит существенно снизить повреждаемость теплообменных труб ПГ.

3. Охрана труда и экология

3.1 Эргономический анализ трудовой деятельности оператора АЭС

Важным моментом в комплексе мероприятий направленных на совершенствование условий труда являются мероприятия по охране труда. Этим вопросам с каждым годом уделяется все большее внимание, т.к. забота о здоровье человека стала не только делом государственной важности, но и элементом конкуренции работодателей в вопросе привлечения кадров. Для успешного воплощения в жизнь всех мероприятий по охране труда необходимы знания в области физиологии труда, которые позволяют правильно организовать процесс трудовой деятельности человека. /13/

Опасным называется производственный фактор, воздействие которого на работающего человека в определенных условиях приводит к травме или другому внезапному резкому ухудшению здоровья. Если же производственный фактор приводит к заболеванию или снижению трудоспособности, то его считают вредным. В зависимости от уровня и продолжительности воздействия вредный производственный фактор может стать опасным.

Состояние условий труда оператора и его безопасности, на сегодняшний день, еще не удовлетворяют современным требованиям. Операторы ПЭВМ сталкиваются с воздействием таких физически опасных и вредных производственных факторов, как повышенный уровень шума, повышенная температура внешней среды, отсутствие или недостаточная освещенность рабочей зоны, электрический ток, статическое электричество и другие.

3.2 Структура эргономики, основные понятия эргономики

В ходе своего исторического развития эргономика сформировалась и оформилась как наука. Эргономика, как и любая наука, характеризуется:

- объектом и предметом изучения;

- принципами, положенными в основу научных исследований;

- задачами, стоящими перед наукой;

- методами исследования и решения поставленных задач.

В то же время стала привычной основная терминология, используемая в эргономике, хотя в ней широко применяются термины смежных дисциплин: физиологии, психологии, анатомии, системотехники и др.

Хорошее знание языка дисциплины является основой для ее успешного изучения и применения.

Оператор - любой человек, управляющий машиной, связанный с оперативным управлением процессами, причем, главным образом, в механизированных и автоматизированных системах управления. Для целей эргономического анализа выделяют пять классов операторской деятельности.