Modelo del Análisis de Golpes de Ariete por Condensación con RELAP5 y GOTHIC

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David Miguélez Aranda
hace 8 años
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1 Modelo del Análisis de Golpes de Ariete por Condensación con RELAP5 y GOTHIC Ramón Pérez Vara, Eusebio Huélamo Empresarios Agrupados rpv@empre.es Resumen Los golpes de ariete por condensación son un evento susceptible de ocurrir en Centrales Nucleares. Existen diversos tipos de golpe de ariete por condensación, uno de los cuales ocurre cuando se produce un flujo de vapor sobre agua estratificada en una tubería de un sistema de vapor insuficientemente drenado. La mejor forma de evitar los golpes de ariete por condensación del tipo descrito es mediante el diseño adecuado del sistemas de vapor (pendiente, disposición y dimensionado de los drenajes) y la correcta operación de los mismos, existiendo criterios que garantizan la no-aparición de estos fenómenos indeseables. De todas formas, una vez ocurrido un golpe de ariete de este tipo, interesa disponer de herramientas que permitan calcular las presiones y fuerzas experimentadas por los distintos tramos de tubería, y mejorar la comprensión de lo ocurrido en planta. En esta ponencia se presentan, los criterios que evitan la aparición de los golpes de ariete por condensación en sistemas de vapor y algunos análisis realizados con los códigos GOTHIC y RELAP 5 en una situación de un mal drenaje de una línea de vapor. 1. INTRODUCCIÓN La industria nuclear ha puesto el foco en los golpes de ariete de bala líquida sub-enfriada originados en sistemas de agua en los que se produce la entrada de vapor. Ahora bien, el transitorio de presión por bala de líquido sub-enfriado también puede ocurrir en sistemas vapor en los que se haya permitido la acumulación de condensado por un drenaje incorrecto. Este tipo de incidentes ha llegado incluso a causar desastres en la industria no nuclear, pero sin embargo ha sido mucho menos analizado por la comunidad nuclear. 2. OBJETIVO Y ALCANCE El objeto de los estudios aquí presentados fue mejorar la comprensión de los golpes de ariete en un sistema de vapor insuficientemente drenado tal como el que se muestra en la Figura 1, con una tubería horizontal conectada a un depósito de vapor y con una válvula de venteo o alivio al final de la misma, y en la que se supone se ha acumulado condensado debido a un drenaje insuficiente durante el calentamiento de la línea. La apertura de la válvula de venteo situada al final de la línea produce un flujo de vapor sobre el condensado y puede dar lugar a la formación de olas que atrapen una bolsa de vapor, y en caso de que el subenfriamiento del agua sea superior a 20ºC, condición determinada experimentalmente [3], puede ocurrir un golpe de ariete por bala de agua sub-enfriada.

Existen diversos tipos de golpe de ariete por condensación, uno de los cuales ocurre cuando se produce un flujo de vapor sobre agua estratificada en una tubería de un sistema de vapor

2 válvula venteo condensado Figura 1. Sistema de vapor insuficientemente drenado Se han realizado los siguientes análisis del sistema objeto del estudio. 1) Evaluar la temperatura del condensado acumulado en la línea y determinar si el subenfriamiento del mismo puede ser superior a 20ºC. 2) Analizar con el código GOTHIC el mecanismo de formación de la ola que inicia el evento 3) Predicción con el código RELAP5 del pico de presión producido por el choque de la bala de agua. 3. RESULTADOS 3.1 Análisis de la Temperatura Inicial del Condensado Un golpe de ariete por bala de agua sub-enfriada requiere como condición necesaria un subenfriamiento del agua de al menos 20ºC. Con el fin de estimar el grado de subenfriamiento del condensado, se ha construido con FLUENT un modelo térmico muy simple. El esquema del modelo se muestra e la Figura 2, es un modelo 2D y representa una sección de la tubería (material acero) con una capa de agua en el fondo de espesor variable habiéndose realizado un estudio paramétrico con niveles del agua entre el 10% y el 50% del diámetro interior. Las condiciones de contorno consideradas han sido: 1. En la línea marcada en rojo, se ha considerado la temperatura de saturación del vapor, pues dicha zona está en contacto directo con vapor saturado, y la transmisión de calor por condensación es muy eficiente. 2. En la línea marcada en morado, se ha considerado un flujo de calor hacia el exterior representativo de las pérdidas de calor de la tubería. Los valores de flujo de calor considerados han sido: primero W/m 2,, valor correspondiente a zonas bien aisladas, y luego se han considerado dos veces, tres veces y cuatro veces dicho valor para representar zonas de la línea de vapor en las que el aislamiento se comporte de forma no ideal debido a la existencia de ranuras, abolladuras, etc.

2) Analizar con el código GOTHIC el mecanismo de formación de la ola que inicia el evento 3) Predicción con el código RELAP5 del pico de presión producido por el choque de la bala de agua. 3. RESULTADOS 3.

3 Figura 2. Modelo térmico de la sección de tubería con condensado La tabla siguiente muestra el salto térmico entre los puntos superior e inferior de la tubería en función del nivel de agua y del valor de las pérdidas térmicas. Puede verse que para que se establezca una diferencia de temperatura y un subenfriamiento es necesario tener un cierto nivel de agua y unas pérdidas térmicas, sin pérdidas térmicas no hay gradiente de temperatura entre los puntos inferior y superior. Nivel del Agua (%) Tabla 1. Salto térmico entre puntos superior e inferior de la Sección (ºC) Q=123.6 W/m2 Q=247.3 W/m2 Q=370.9 W/m2 Q=494.6 W/m2 10% % % % % El subenfriamiento del agua fácilmente puede superar los 20ºC cuando el nivel del condensado es el 30% diámetro interior de la línea en caso de que el aislamiento funcione de forma idea y con niveles inferiores para un funcionamiento no ideal del aislamiento. En la Figura 3 se muestran los mapas de temperatura calculados en la tubería y en el agua para todos los casos de nivel y pérdida de calor analizados.

4 Figura 3. Mapas de temperatura calculados en la sección

5 3.2 Análisis de la formación de ola con el código GOTHIC Se desarrolló un modelo de GOTHIC del tramo de tubería horizontal con el objeto de intentar simular el golpe de ariete por condensación. GOTHIC fue capaz de capturar el mecanismo de formación de la ola, pero fue incapaz de calcular el pico de presión que se origina cuando colapsa la bolsa de vapor. En la Figura 4 se representa el modelo de GOTHIC del tramo horizontal de tubería. Figura 4. Modelo de GOTHIC del tramo horizontal de tubería En todos los casos el transitorio se ha iniciado abriendo la válvula de venteo situada al final del tramo horizontal. Los resultados de GOTHIC para uno de los casos analizados se muestran en la Figura 5, donde puede verse claramente la formación de la ola que acaba cerrando la sección y atrapando una bolsa de vapor.

En la Figura 4 se representa el modelo de GOTHIC del tramo horizontal de tubería. Figura 4. Modelo de GOTHIC del tramo horizontal de tubería En todos los casos el transitorio se ha iniciado abriendo la válvula de venteo situada al final del tramo horizontal.

6 T=0 s T=1 s T=2 s T=3 s T=4 s T=5 s T=6 s

7 T=7 s T=8 s T=9 s T=10 s T=11 s T=12 s T=13 s

8 T=14 s T=15 s Figura 5. Resultados del modelo con el código GOTHIC

9 3.3 Análisis del pico de presión con el código RELAP5. Un análisis con RELAP 5 del sistema considerado mostró la ocurrencia de un pico de presión relativamente moderado para niveles de condensado relativamente elevados, si bien los resultados sólo se pueden considerar cualitativos, debido a la complejidad de la interacción entre las fases líquido y vapor durante la ocurrencia del fenómeno. Figura 6. Presiones calculadas con RELAP5 para diferentes niveles iniciales del condensado 4. CONCLUSIONES El condensado acumulado durante el calentamiento de una línea de vapor en un sistema como el considerado puede experimentar un subenfriamiento superior a 20 ºC sobre todo en caso de aislamiento defectuoso. La apertura de un venteo o válvula de alivio en el extremo más alejado del depósito puede crear olas que acaben originando un golpe de ariete por condensación. La forma de evitar el riesgo de este tipo de golpe de ariete es mediante un drenaje adecuado de la línea de vapor. La líneas de vapor se diseñan con pendiente de bajada (típicamente del 2% para evitar la acumulación de bolsas de condensado) y los drenajes deben dimensionarse para evacuar el condensado formado durante el calentamiento de la línea.

pueden considerar cualitativos, debido a la complejidad de la interacción entre las fases líquido y vapor durante la ocurrencia del fenómeno. Figura 6.

10 5. REFERENCIAS [1] Water Hammer Handbook for Nuclear Plant Engineers and Operators, EPRI TR , , May 1996 [2] Izenson, M. G., Rothe, P. H. and Wallis, G. B., Diagnosis of Condensation-Induced WaterHammer. NUREG/CR-5220, Creare TM-1189, Volumes 1 and 2. [3] P. Griffith, Screening Reactor System/Water Piping Systems for Water Hammer Repaired for Division of Systems Technology Office of Nuclear Regulatory Commissions Washington DC, NRC Job Code J6008

NUREG/CR-5220, Creare TM-1189, Volumes 1 and 2. [3] P.

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