12.1. Сепарация пара в паровом объеме

Поток пара, отделившийся от водяного объема в месте зеркала испарения, захватывает капли влаги и увлекает их в паровое пространство. В каплях уносимой влаги содержатся различные примеси парогенераторной воды, загрязняющие пар. Вынос таких капель с паром из барабана является крайне нежелательным явлением, поскольку отложение примесей в трубопроводе и в проточной части турбины нарушает нормальный режим их работы. В АЭС с каплей влаги из активной зоны возможен вынос радио-активных частиц, отложение которых в трубопроводе и турбине увеличивает радиоактивный фон и затрудняет об-служивание оборудования.

С каплями влаги в пар поступают также и растворенные в воде вещества. Примеси, находящиеся в парогенераторной воде в виде грубой взвеси, с водяными каплями не уносятся. Парогенераторные растворы характеризуются равномерностью концентраций веществ в верхней части се-парационных барабанов. Поэтому в уносимых каплях на-ходятся все растворенные в парогенераторной воде вещества в тех же концентрациях.

На основании изложенного можно записать

с/М=с_вл/М_вл, (12.1)

где с и с_вл — соответственно суммарная масса всех примесей в парогенераторной воде и во влаге, уносимой из се-парационного барабана насыщенным паром, мг; Μ и М_вл— соответственно масса парогенераторной воды и воды, уно-симой паром, кг.

Концентрация всех примесей в паре

S_п=с_вл/(М_п+М_вл), (12.2)

где М_п — масса пара. Если подставим в (12.2) значение с_вл из (12.1), то получим

S_п=М_влс/[(М_п + М_вл)М], (12.3)

где М_вл/(M_п+М_вл)=ω — отношение массы влаги, содер-жащейся в насыщенном паре, к суммарной массе влажного пара, называемое влажностью пара. Иногда влаж-

ность пара выражают в процентах:

(12.4)

c/M=S_в — общая концентрация примесей в парогенератор-ной воде, мг/кг.

С учетом введенных обозначений запишем (12.3) в виде, мг/кг,

S_п=ωS_в. (12.5)

Зависимость (12.5) показывает, что концентрация всех примесей в паре (без учета растворимости солей в паре при р<6 МПа) определяется влажностью пара и общей концентрацией примесей в парогенераторной воде.

С уменьшением ω и S_в снижается концентрация примесей в паре. Уменьшить влажность пара можно сепарацией капель влаги. Под действием динамической силы парового потока возможен выброс капель влаги различных размеров с зеркала испарения в паровое пространство. Крупные капли, сила тяжести которых превышает динамический напор пара, возвращаются обратно на поверхность жидкости. В отдельных случаях высота выброса капель настолько велика, что при недостаточной высоте парового объема происходит захват их и вынос из барабана в паропровод. Сравнительно небольшие капли выносятся паровым потоком при превышении динамического напора пара над силой тяжести этих капель.

Капли жидкости свободно транспортируются потоком пара, когда скорость его w"₀ выше скорости витания w_вит, соответствующей равенству силы трения и весу капли:

(πd_к³/6)(ρ' — ρ")g = ζ(πd_к²/4)(ρ''w²_вит/2). (12.6)

Отсюда

(12.7)

Если w_вит>w"₀, а высота, на которую забрасывается капля, меньше высоты парового пространства, то капля упадет обратно на зеркало испарения.

Следовательно, влажность пара определяется числом капель, забрасываемых на высоту, где расположены паро-отводящие каналы, и транспортируемых паровым потоком из парового пространства. При больших высотах парового пространства исключается заброс капель и влажность оп-ределяется в основном каплями, транспортируемыми пото-ком. При малых высотах парового пространства заброс пара характеризует влажность.

Соотношение между транспортируемой и забрасываемой влагой зависит от скорости пара (паровой нагрузки). С ростом паропроизводительности растут нагрузки зеркала испарения и увеличивается скорость пара в паровом объеме сепарационного барабана. В общем случае зависимость влажности пара ω от приведенной скорости пара w"₀ и нагрузки зеркала испарения R_s может быть записана в виде

(128)

где w"₀=Dv"/F_s; R_s=D/F_s; D — паровая нагрузка, кг/с; F_s — площадь, зеркала испарения, м².

На рис. 12.1 представлен типовой график зависимости влажности пара от его скорости. В основу построения этого графика было положено большое число экспериментальных и эксплуатационных данных.

Рис. 12.1. Зависимость Рис. 12.2. Зависимость влаж- влажности пара от приве- ности пара от общей концент- денной скорости рации примесей в воде

Для нагрузок, при которых ω=0÷0,03 % (очень малая влажность), m=l÷2,5; для нагрузок, при которых ω=0,03÷0,2%, m=2,5÷4; при ω>0,2% m=8÷10. Современные парогенераторы АЭС и ядерные реакторы с кипением теплоносителя в активной зоне работают в режимах паровых нагрузок, при которых влажность пара на выходе из барабана не превышает 0,10%. Увеличение высоты парового пространства смещает на графике кривую ω=f(w''₀) вниз, т. е. с увеличением высоты парового пространства при одной и той же приведенной скорости пара влажность уменьшается. Это явление объясняется тем, что с ростом высоты парового пространства увеличивается число подбрасываемых капель, которые не попадают в пароотводящие трубопроводы, а возвращаются на зеркало испарения. Опыты показывают, что при достижении определенной вы-

соты парового пространства дальнейшее ее увеличение не приводит к заметному снижению влажности пара. С уве-личением давления кривая ω=f(w''₀) смещается вверх, т. е. с увеличением Ρ возрастает влажность.

Условия сепарации сильно зависят от состава пароге-нераторной воды. Многочисленные экспериментальные ис-следования показали, что влажность пара в зависимости от общей концентрации примесей в парогенераторной воде ω=f(S_в) имеет три области. Типичные графики изменения ω в зависимости от S_в приведены на рис. 12.2.

При изменении солесодержания от нуля (полностью обессоленная вода) до некоторого значения S_в^кр, называемого критическим солесодержанием, влажность пара не зависит от S_в. Дальнейшее увеличение солесодержания в воде приводит к значительному росту влажности, обусловленному уменьшением диаметра водяных капель и вспениванием поверхности зеркала испарения, приводящим к росту действительного уровня водяного объема и уменьшению высоты парового пространства.

Для парогенерирующих установок АЭС критическое со-лесодержание воды уменьшается при увеличении нагрузки на зеркало испарения (рис. 12.2): при R_s2>R_s1 S_в2^кр<S_в1^кр. С уменьшением высоты паровых объемов сепарационных барабанов критическое солесодержание также уменьшается. В области солесодержаний воды 0—S_в^кр имеет место пропорциональное изменение солесодержания пара ω=const. Область работы парогенераторных установок АЭС ограничивается значениями S_в<S_в^кр.

Количественная зависимость по капельному уносу в па-ровом пространстве, определяющая влажность пара, уста-новлена в [40] для солесодержаний в парогенераторной воде S_в<S_в^кр. Эта зависимость имеет вид

(12.9)

где Η — высота парового пространства, определяемая по формуле

Н=h_ур+h_пр—h_yp/(l—φ)=h_пр—h_ур [φ/(1—φ)]; (12.10);

здесь h_ур — весовой уровень воды в барабане, составляющий высоту жидкости над погруженным дырчатым щитом; h_пр — высота парового пространства (без учета набухания).

Зависимость (12.9), показывающая, что с увеличением приведенной скорости пара и уменьшением высоты парового пространства влажность пара возрастает, справедлива при малых и умеренных значениях w"₀, т. е. в условиях, когда имеет место следующее неравенство:

[w₀''²/(φgH)] ≤ 4,2^. 10^-6 [g (σ/gρ")^3/2 /v²]^0,55 [ρ"/(ρ' — ρ")]^0,35_.

(12.11)

При больших приведенных скоростях пара влажность пара резко возрастает. В этих условиях зависимость (12.9) неприменима.

Действительное значение приведенной скорости пара в паровом пространстве барабана-сепаратора должно удов-летворять неравенству (12.11). При расчете влажности пара по (12.9) следует учитывать то обстоятельство, что высота парового пространства оказывает существенное влияние до Н≈0,8÷1,0 м. При Н>0,8 м в (12.9) следует вводить значение Н=0,8. В этом случае действительное значение влажности будет меньше расчетного.