Улучшение конструкции самоочищающихся фильтров насосных агрегатов для особо ответственных технологических процессов

Введение, цель

Последние исследования в области фильтрации в первом контуре атомной электростанции (АЭС) сосредоточились на совершенствовании технологий очистки теплоносителя, снижении радиационного фона и разработке инновационных решений. Основные работы касаются высокотемпературной фильтрации, магнитной очистки, водно-химического режима и дезактивации оборудования [1–5].

Разработка эффективных систем фильтрации сталкивается с комплексом серьезных технических и технологических проблем, таких как [1; 2; 6]:

– экстремальные условия эксплуатации;

– сложность прогнозирования поведения примесей;

– проблемы с материалами;

– гидравлические ограничения;

– радиационные аспекты;

– технологические сложности очистки;

– проблемы моделирования и испытаний;

– нормативно-правовые и экономические ограничения;

– специфические проблемы для разных типов реакторов.

Разработка фильтров для АЭС требует комплексного подхода, учитывающего не только физико-химические процессы в теплоносителе, но и рассмотрение вопросов надежности оборудования, радиационных и коррозионных эффектов, гидравлических характеристик системы, нормативных требований [1–9].

Преодоление этих трудностей возможно только через междисциплинарные исследования, сочетающие материаловедение, химию, теплофизику и ядерную инженерию.

Фильтры для ответственных технологических процессов (промышленные фильтры) – это устройства, предназначенные для очистки различных технологических сред от механических загрязнений [8]. Они используются в процессах, где требуется поддержание определенного качества продукции, защита оборудования и соблюдение экологических норм, при этом предъявляются очень высокие требования к надежности и отказоустойчивости оборудования.

Данные исследования были проведены на примере систем с высокими требованиями к отказоустойчивости оборудования. В качестве первой системы взят первый контур атомной электростанции – его фильтрация критически важный процесс для безопасной эксплуатации реактора. Первый контур АЭС – это замкнутая система, содержащая теплоноситель (обычно воду под высоким давлением или жидкий металл в некоторых реакторах). В его основные функции входит отвод тепла от активной зоны реактора, транспортировка тепла к парогенераторам (в двухконтурных схемах), защита оборудования от коррозии и накопления радионуклидов, которые образуются в процессе эксплуатации атомной станции и впоследствии при смене температурного режима или массового расхода отслаиваются и перемещаются по внутреннему контуру [10].

Фильтрация необходима для удаления механических примесей (продукты коррозии, частицы конструкционных материалов), контроля химического состава теплоносителя и снижения радиоактивного загрязнения (удаление продуктов деления, активированных коррозионных частиц). Сетчатые фильтры грубой очистки задерживают крупные частицы (≥ 50...100 мкм). Основные проблемы и риски, возникающие в первом контуре АЭС, связаны с засорением фильтров, что влечет за собой снижение про- изводительности; радиоактивным загрязнением фильтрующих материалов, что подразумевает необходимость их утилизации как радиоактивных отходов; с коррозией оборудования при нарушении химического режима [11; 12].

Фильтры должны обеспечивать улавливание взвесей, присутствующих в теплоносителе первого контура, с размером более 0,2 мм и обеспечивать заданный расход жидкости через фильтрующий узел с предельной потерей давления 0,03 МПа при его загрязнении.

Цель статьи – описание возможности улучшения конструкции фильтрующих элементов для повышения производительности самоочищающегося фильтра сетчатого типа насосных агрегатов повышенной надежности для особо ответственных технологических процессов.

Методы исследования

В настоящей статье рассмотрены три типа сетчатых фильтров (далее – фильтры):

• 1)    фильтр системы продувки-подпитки;

• 2)    фильтр системы дренажей и организованных протечек первого контура;

• 3)    фильтр системы сбора борсодержащих вод.

Основные параметры и характеристики фильтров соответствуют значениям, приведенным в табл. 1.

Табл. 1. Основные параметры и характеристики фильтров

Tab. 1. Main parameters and characteristics of filters

Параметр	Значение
	Фильтр системы
	продувки-подпитки	дренажей и организованных протечек первого контура	сбора борсодержащих вод
Рабочая среда, тип/среда	Вода/теплоноситель первого контура
Производительность, м3/ч	80	57,5	11
Гидравлическое сопротивление чистого фильтра (изб.), кПа	30	12,28	9,36
Минимальный размер твердых частиц, мм	0,2
Рабочее давление, МПа	1	0,1	0,02
Температура рабочей среды, °С	20...150	20...70	20...60
Срок службы, лет	60
Масса (нетто), кг	223,5
Габаритные размеры (длина × ширина × высота), мм	583 × 768 × 998

Рис. 1. Распределение скоростей внутри фильтра в безразмерном виде

Fig. 1. Velocity distribution inside the filter in dimensionless form

Каждый фильтр представляет собой вертикальный сварной цилиндрический сосуд с плоским днищем, плоской крышкой и внутренним фильтрующим элементом в виде сетки. Фильтр имеет штуцеры подачи и отвода рабочей среды.

Для обеспечения опорожнения фильтров в днище предусмотрен штуцер для дренирования остатков рабочей среды. Для удаления воздуха при первом заполнении фильтра в крышке предусмотрен штуцер сдувки. Для промывки фильтров в крышке предусмотрен штуцер подачи дистиллята. Каждый фильтр имеет съемную плоскую крышку на фланцевом соединении для обеспечения доступа к фильтрующему элементу. Фильтрующий элемент является съемным.

Сортамент стыкуемых труб и типы разделки кромок патрубков обеспечивают:

• – свободный слив и полное опорожнение;

  – полное удаление воздуха при заполнении средой;

  – отсутствие мест, способствующих накоплению загрязнений;

  – безопасность обслуживающего персонала при монтаже, подготовке к эксплуатации, эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте;

  – возможность проведения эксплуатационных проверок (осмотра мест закрепления труб, внутреннего осмотра, осмотра поверхностей, контроля сварных швов), технического обслуживания;

  – проведение гидравлических испытаний.

Отличительной особенностью фильтров является организация противотока для большей турбулизации жидкости в объеме филь-троэлемента для обеспечения равномерного распределения потока фильтруемых частиц (рис. 1).

Расчет производительности и гидравлического сопротивления выполнен для трех фильтров с диаметром на входе и выходе теплоносителя 57, 89, 108 мм (в соответствии с табл. 2).

Для получения характеристик сопротивления фильтра при различных расходах была создана инверсивная геометрическая модель,

Табл. 2. Перечень конечных присоединений фильтров

Tab. 2 . List of filter end connections

Штуцер Сортамент стыкуемых труб DнхS, мм Фильтр системы продувки-подпитки дренажей и организованных протечек первого контура сбора борсодержащих вод Вход теплоносителя 108 × 5 89 × 5 57 × 3 Выход теплоносителя 108 × 5 89 × 5 57 × 3 Штуцер дренажа 57 × 3 57 × 3 57 × 3 Штуцер подачи дистиллята для промывки фильтра 32 × 2,5 32 × 2,5 32 × 2,5 Штуцер воздушника 18 × 2,5 18 × 2,5 18 × 2,5 в которой построена вся внутренняя часть фильтра, где будет протекать вода.

Дополнительно геометрия прошла упрощение и приняты допущения:

– отсутствуют герметизирующие элементы в виде резиновых уплотнителей;

– полости и пазы для герметизирующих элементов отсутствуют и не моделируются;

– все стыки элементов считаются абсолютно герметичными;

– исключены неровности, вызванные технологической сборкой конструкции, сварочные швы, фаски и т. д.;

– геометрия фильтрующей сетки построена сплошной без элементов ее крепления и фиксации.

В геометрии отсутствуют крепежные элементы, а отдельные сборочные части объединены в один объект.

Для расчета течения внутри фильтра построена полигексальная сеточная модель [4] с первичной конвертацией из тетраэдральной (рис. 2).

Основными сопротивлениями в модели считаются потери на гидродинамическое сопротивление самого фильтра и фильтрующего сеточного элемента. В связи с этим был построен дополнительный призматический слой вблизи всех твердых поверхностей для разрешения ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое, что особенно важно при разрешении сопротивления течения на границах с твердыми поверхностями.

Характеристики течения вязкой жидкости внутри каналов фильтра находятся из решения уравнений Навье–Стокса, осредненных по Рейнольдсу [13] и замкнутых k-ω SST моделью турбулентности Ментера [14; 15].

В качестве фильтрующего элемента задано пористое тело с характеристиками используемого фильтрующего сеточного элемента.

Распределение массопереноса в пористой среде с многофазной фильтрацией описывается дифференциальными уравнениями второго порядка. Основой математического описания процесса многофазной фильтрации являются классические уравнения механики сплошной среды. Задача является квазилинейной системой уравнений математической физики смешанного типа. Уравнения фильтрации двухфазной жидкости, записанные в дивергентной форме, имеют вид

^o} _{+ V} ( _Po , o ) = 0;      (1)

d t

^w S w ) + ^ ( P w V w ) = 0,      (2)

d t

Рис. 2. Сеточная модель фильтрующего элемента

Fig. 2. Mesh model of the filter element

Рис. 3. Векторное распределение скорости жидкости в фильтре системы сбора боросодержащих вод при расходе: 11 м³/ч в отсутствие твердых частиц, область выходного патрубка

Fig. 3. Vector distribution of liquid velocity in the filter of the boron-containing water collection system at a flow rate of 11 m³/h in the absence of solid particles, outlet pipe area

где φ – пористость; ρ _i – плотность, кг/м³ ( i = = o, w; o – скопление частиц; w – вода); S_i – насыщенность; v_i – скорость фильтрации, м/с; t – время, с.

Для определения скоростей фильтрации применяется обобщенный закон Дарси. Скорости фильтрации для частиц и воды, соответственно, равны:

kk r.w ( ^ ) )

V o =---—-grad P o;           (3)

Цо kkr.w (S) vw =-------grad Pw,         (4)

^w где k – абсолютная проницаемость, м2; kr – относительная проницаемость; μ – вязкость, Па·с; p – давление, Па; So – насыщенность частиц; Sw – водонасыщенность.

Результаты расчета производительности и гидравлического сопротивления фильтров системы продувки-подпитки, системы дренажей и организованных протечек первого контура и системы сбора борсодержащих вод получены при различном расходе для каждого типа фильтра: 80; 57,5; 11 м3/ч, соответственно, для двух случаев: при наличии и отсутствии загрязнения. Некоторые результаты расчета (1)–(4) представлены на рис. 3–5.

Результаты расчета потери давления в фильтрах за счет трения жидкости о стенку и фильтрующую сетку, а также продолжительность работы фильтров при максимальном уровне загрязнения жидкости с учетом заданной конфигурации и технических характеристик представлены в табл. 3–6.

Зависимость потери давления от массы частиц (загрязнения) представлена на рис. 6.

Зависимость продолжительности работы фильтров от концентрации частиц представлена на рис. 7.

Результаты, дискуссия

В результате проведенного расчета сетчатых фильтров системы продувки-подпитки, системы дренажей и организованных протечек первого контура и системы сбора борсодержащих вод для энергоблоков АЭС были получены следующие показатели:

– максимальные потери давления в фильтре при незагрязненной рабочей среде с чистым фильтрующим элементом составили:

Рис. 4. Концентрация загрязнения фильтра системы дренажей и организованных протечек первого контура при расходе 57,5м³/ч при наличии твердых частиц

Fig. 4. Contamination concentration of the drainage system filter and organized leaks of the first circuit at a flow rate of 57,5 m³/h in the presence of solid particles

Рис. 5. Распределение давления жидкости в фильтре системы продувки при расходе 80 м³/ч, при наличии твердых частиц

Fig. 5. Distribution of liquid pressure in the purge system filter at a flow rate of 80 m³/h, in the presence of solid particles

Рис. 6. Зависимость потери давления от массы частиц

Fig. 6. Dependence of pressure loss on the mass of particles

Рис. 7. Зависимость продолжительности работы фильтров от концентрации частиц

Fig. 7. Dependence of filter operating time on particle concentration

Табл. 3. Потери давления при отсутствии твердых частиц на входе в фильтр Tab. 3. Pressure loss in the absence of solid particles at the filter inlet

Потери давления для чистого фильтра	Расход, м3/ч
	11	57,5	80
Перепад давления, Па	1712	9231	9479

Табл. 4. Зависимость предела перепада давления 0,03 МПа от массы отфильтрованных частиц

Tab. 4. Dependence of the differential pressure limit of 0,03 MPa on the mass of filtered particles

Параметр	Загрязнение
Расход, м3/ч	11	57,5	80
Масса отфильтрованных частиц, кг	92,842	46,704	30,176
Объем отфильтрованных частиц, м3	0,0387	0,0195	0,0126

Табл. 5. Зависимость перепада давления от массы отфильтрованных частиц

Tab. 5. Dependence of pressure drop on the mass of filtered particles

Расход 11 м3/ч		Расход 57,5 м3/ч		Расход 80 м3/ч
Масса	Потери давления, Па	Масса	Потери давления, Па	Масса	Потери давления, Па
0	1712	0	9231	0	9479
22,22222	2300	13,33333	12 500	8,888889	12 500
44,44444	5000	26,66667	19 000	17,77778	17 500
71,11111	15 000	35,55556	25 000	22,22222	21 000
92,84	30 000	46,70376	30 000	30,17616	30 000
101,7778	35 000	56,88889	35 000	36,44444	35 000

Табл. 6. Временная зависимость продолжительности работы фильтра от загрязнения

Tab. 6. Time dependence of filter operating time on contamination

Потери давления, Па
Расход 11 м3/ч		Расход 57,5 м3/ч		Расход 80 м3/ч
Время, мес.	Концентрация, мг/м3	Время, мес.	Концентрация, мг/м3	Время, мес.	Концентрация, мг/м3
0,416667	322,3675	5	162,165833	5	104,778333
1,666667	80,591875	20	40,5414583	20	26,1945833
3,333333	40,295938	40	20,2707292	40	13,0972917
5,833333	23,02625	70	11,5832738	70	7,48416667
8	16,789974	96	8,44613715	96	5,45720486
10	13,431979	120	6,75690972	120	4,36576389

Рис. 8. Фильтр с увеличенным пространством в нижней части для сбора отфильтрованных частиц

Fig. 8. A filter with an enlarged space at the bottom for collecting filtered particles

выходе из фильтра были получены оптимальные конструкции сетчатого фильтра, обеспечивающие высокое качество очистки. Основным фактором, влияющим на срок службы такого фильтра, является объемная доля частиц, которые он сможет отфильтровать до достижения предельного перепада давления на входе и выходе из фильтра. Поскольку отложение частиц происходит в нижнем отделе фильтра, то его объем напрямую влияет на срок службы либо при использовании более загрязненных фильтрующих сред. Пример увеличенной камеры фильтра по сравнению со стандартной представлен на рис. 8.

Заключение. Таким образом, на примере трех систем фильтрации, использующихся в атомной энергетике, как на системах с очень высокой степенью требований к надежности и отказоустойчивости, фильтр показал отличную степень качества, эффективности и достаточно долгий срок службы до отказа, особенно с увеличенной емкостью для накопления частиц в условиях повышенного загрязнения. Данные фильтры могут использоваться в любом промышленном оборудовании и иметь достаточный объем накопления частиц, который обладает высокой степенью надежности и качества при минимальных потерях на гидродинамическое давление.