Разработка систем измерения расхода жидкого металла в каналах металлургических и ядерных энергетических установок

Россия занимает одну из лидирующих позиций по производству цветного металла, а металлургическая промышленность играет важную роль в формировании макроэкономических показателей экономики страны. На долю металлургии приходится 95% всех производимых в стране конструкционных материалов, т.е. металлургический комплекс страны определяет в значительной мере уровень загрузки производственных мощностей большинства базовых отраслей экономики России. На территории Пермского края, Урала и России в целом действует большое количество предприятий магниевой (СМЗ, АВИСМА), титановой (ВСМПО-АВИСМА), алюминиевой (КУМЗ, КРАЗ, и др.) металлургии. Также жидкий металл рассматривается как наилучший теплоноситель для систем охлаждения атомных реакторов на быстрых нейтронах (БН) и разрабатываемых термоядерных энергетических установок. Россия занимает лидирующие позиции по разработке и эксплуатации реакторов БН. В соседней с Пермским краем Свердловской области действует единственная в мире электростанция с двумя реакторами БН - Белоярская АЭС. Возможность применения жидкометаллического теплоносителя в термоядерных реакторах типа ТОКАМАК (Т15, ITER) активно прорабатывается в МЭИ и ОИВТ. Преимущества использования жидкого металла в качестве теплоносителя обусловлены теплофизическими свойствами. Во всех этих отраслях необходимо наиболее точно знать текущие характеристики потока жидкого металла, т.к. они определяют режимы работы металлургических и энергетических установок. Высокая электрическая проводимость жидких металлов дает возможность эффективного управления его потоками с помощью электромагнитных сил. В большинстве случаев это реализуется с помощью индукционных электромагнитных насосов, которые создают транзитное течение расплавленных жидких металлов в технологических каналах. Электромагнитные силы генерируются в расплавах с помощью индукционных аппаратов, расположенных от них на некотором удалении, т.е. бесконтактно. Поэтому, основное преимущество дает отсутствие прямого контакта жидких металлов с аппаратами - они контактируют только со стенкой канала. Используемые в металлургической промышленности и энергетике жидкие металлы имеют высокую температуру плавления, к тому же некоторые из них, например алюминий, в жидком состоянии чрезвычайно агрессивны. Поэтому, специалисты, эксплуатирующие металлургические и энергетические установки, стремятся упростить и удешевить все технологические каналы как из-за снижения области контакта и упрощения поддержки температурных режимов, так и из-за возможности периодической замены этих каналов. Таким образом, наиболее востребованными являются простые технологические каналы с отсутствием внутри них перегородок, датчиков, нагревательных элементов и т.д. Этот факт усложняет конструкции как систем генерации транзитного течения, так и, в не меньшей степени, систем контроля характеристик транзитного течения. Наиболее рациональным является вовлечение электродинамических процессов в системы измерения расхода, что и осуществляется в используемых электромагнитных расходомерах. Однако, существует ряд взаимосвязанных проблем, преодоление которых и мотивирует участников проекта к разработке и изготовлению аппаратов своей конструкции. Проблема 1 - повышение надежности аппарата. Как указывалось выше, расходомеры должны работать при высоких температурах в каналах, не имеющих внутренних перегородок. Высокие температуры подразумевают существенную толщину стенок канала, дополнительную теплозащиту и, возможно, систему обогрева. При этом, например, в используемых в атомной промышленности расходомерах внутренние перегородки имеются. Эксплуатационный опыт показывает, что со временем они размываются и частично разрушаются потоком натрия, что существенно снижает точность показаний. Эксплуатация при более высоких температурах с жидким магнием, цинком, оловом, свинцом и алюминием подразумевает дополнительные системы охлаждения электромагнитных частей аппарата и тяжелые рамы для стабилизации формы сердечников, что существенно увеличивает его габариты, массу и стоимость. Проблема 2 - разработка аппаратов под большие расходы и диаметры трубопроводов. Появление этой проблемы обусловлено техническим прогрессом, что приводит к увеличению производительности установок. При этом возникает необходимость измерения электромагнитных характеристик в области жидкого металла, размеры которой существенно больше, чем на аппаратах предыдущих поколений. Это усложняет задачу, т.к. для электромагнитных измерений желательно иметь локализованный измерительный объем. Более того, существенные трудности вызывает повышение скорости течения жидкого металла относительно измерительной электромагнитной системы, в которой генерируется магнитное поле. Это приводит к магнитогидродинамическому (МГД) эффекту переноса магнитного поля вдоль турбулентного потока, что нарушает общепринятые линейные подходы к описанию процесса и существенно усложняет математическое описание процесса. Проблема 3 - повышение точности измерений. Следует отметить, что достижение требуемой погрешности измерений является одной из основных характеристик, влияющей на конкурентные преимущества аппарата. На точность, помимо описанных выше проблем, влияет как сильная турбулизованность потока при больших расходах, так и влияние системы, генерирующей необходимое для измерений магнитное поле, на систему измерений. Также нужно упомянуть, что и в металлургических цехах, и в атомных реакторах параллельно с расходомерами работает большое количество других электромагнитных аппаратов, таких как насосы, перемешиватели, печи, создающих электромагнитные помехи. Все это требует вовлечение дополнительных алгоритмов обработки сигналов, работающих в режиме реального времени. Причем алгоритмы должны отделять полезный сигнал, вызванный гидродинамическим процессом, от помех, вызванных электромагнитными шумами. Это требует реализации быстрых версий алгоритмов ресурсоемкого кросс-корреляционного Фурье- либо вейвлет-анализа и их прошивки в измерительной системе. Проблема 4 - калибровка. Эта процедура необходима для периодической поверки и возможной корректировки градуировочных характеристик расходомеров для обеспечения точности в условиях многолетней эксплуатации и амортизации. Расходомеры для жидких металлов требуется калибровать только на потоках этих же жидких металлов с известными характеристиками. Калибровка должна происходить в заданном диапазоне расходов и температур потока. Для этого нужны специальные сертифицированные масштабные жидкометаллические калибровочные стенды, требующие регулярного финансирования для поддержания их в рабочем состоянии и доработки. Без калибровки расходомер не представляет ценности. Проблема заключается в том, что, например, расходомеры для натрия до недавнего времени можно было калибровать только в одной организации - ФЭИ. Эта процедура занимала очень долгое время и была крайне затратна - настолько, что у производителей не было возможности успеть в заданные в договорах сроки изготовить и откалибровать аппарат. В 2019 году в России появился еще один сертифицированный натриевый стенд, созданный, в том числе, участниками проекта, что, тем не менее, не снимает проблемы его поддержания в рабочем состоянии. Проблема 5 - утрата компетенций современной промышленности, которая традиционно производила расходомеры. Приходится констатировать, что российские организации, производящие расходомеры для жидких металлов, давно не развивают линейки своей продукции, которая перестала устраивать потребителей в свете описанных выше проблем. Следует отметить, что, например, в атомной отрасли предпочтение отдается продукции отечественного производства, а для аппаратов, работающих непосредственно с реакторами, это требуется. К тому же, направление на импортозамещение, заданное правительством страны, диктует необходимость развития аппаратов для нужд и металлургической, и атомной промышленности. Отсутствие предложения по современным расходомерам на рынке тормозит наукоемкое развитие этих отраслей. Преодоление указанных выше проблем возможно только с применением глубокого изучения и моделирования всех происходящих процессов, которые рассматриваются в рамках неизотермической магнитной гидродинамики. Фундаментальные исследования в этой области должны опираться на достоверные экспериментальные данные. Высокая температура и непрозрачность жидких металлов создает трудности при использовании традиционных измерительных методик, хорошо работающих, например, на воде. С другой стороны, высокая электропроводность открывает возможность применения методик, основанных на электродинамических процессах. Поэтому, актуальным является разработка и изучение методов исследования неизотермических потоков жидких металлов, и получение с их помощью экспериментальных данных. Эти данные остро востребованы как для выяснения природы исследуемых явлений, так и для верификации численных кодов, используемых при расчетах элементов конструкции токамаков и атомных реакторов с жидкометаллическим теплоносителем. Таким образом, научная цель проекта является более общей, чем практическая. Она заключается в разработке и совершенствовании методик контактного и бесконтактного измерения характеристик процессов в расплавленных металлах. Основное внимание будет уделено повышению их чувствительности и надежности. Помимо этого, будут проведены численные и экспериментальные исследования течений жидкого металла, вызванных электромагнитными силами, либо перепадом температур. Экспериментальная часть исследования будет реализована с применением этих методик. Численные исследования процессов будут производиться с помощью математической модели, сформулированной в рамках магнитной гидродинамики (МГД) с учетом движения электропроводной среды. Электродинамическая часть задачи будет описываться системой уравнений Максвелла. Гидродинамическая часть задачи будет описываться уравнением Навье-Стокса и неразрывности поля скорости, при этом для описания турбулентности будет использована полуэмпирическая модель. С помощью сопоставления расчетов и экспериментов будет осуществлен выбор между k-epsilon, k-omega и LES моделями. Трехмерные расчеты на мелких сетках на многопроцессорной технике позволяют получить детальную информацию о процессах. В модели все объемы разбиваются на конечные элементы и производится расчет. При этом, в электродинамической части задачи участвуют почти все объемы, в гидродинамической – только жидкость в цилиндрической области, а остальные объемы не учитываются. Все расчеты будут выполнены в пакете Ansys. Экспериментальные исследования будут проводиться на жидких металлах. Также будут использованы твердые объемы металлов для т.н. «сухого» теста исследуемых процессов. Для регистрации температуры будут использованы малоинерционные термопары, подключенные к платам сбора данных National Instruments. Для регистрации скорости течения жидкого металла может быть использован Ультразвуковой доплеровский анемометр. Для регистрации магнитные полей будут использоваться измерительные катушки, также подключенные к платам сбора данных National Instruments, а также магнитометры LakeShore. Для усиления и фильтрации малых сигналов будут применены малошумящие предварительные усилители Stanford Research Systems. Управление сбором данных будет реализовано в программной среде LabView. В научной части проекта существенно важным является сотрудничество с одним из ведущих в мире специалистом в области изучения вихревых течений и турбулентности Ефимом Голбрайхом [1,2,3]. Его выдающиеся компетенции необходимы для решения связанных проблем 2 и 3 по повышению точности измерений при увеличении интенсивности возникающих в канале течений. Его опыт и знания потребуются при математическом описании возникающих вихревых течений и турбулентности на этапе формирования математической модели, а также при анализе сигналов, которые характеризуют турбулентный процесс. Одной из важнейших частей проекта является анализ турбулентных спектров в МГД-каналах, что необходимо для корректного моделирования гидродинамических процессов, и является одной из специализаций Ефима Голбрайха. Также важным является его участие в образовательной части проекта. В рамках проекта планируются не только узкоспециализированные семинары для специалистов, посвященные особенностям изучения и моделирования турбулентных течений жидких металлов, но и циклы лекций, которые будут прочитаны для аспирантов и магистров ИМСС и ПНИПУ. Следует отметить имеющийся опыт совместных исследований участников проекта с Ефимом Голбрайхом именно при измерении характеристик турбулентного течения в условиях действия внешних сильных переменных электромагнитных полей [4]. Данные методики измерений и анализа сигналов получат свое существенное развитие в рамках представляемого проекта. Практическая цель проекта заключается в создании пилотных образцов расходомеров на основе полученных в научной части проекта знаний. Таким образом, содержание работы заключается в изучении электромагнитного способа регистрации характеристик течения жидкого металла. Данный способ, в случае индукционного механизма, подразумевает наличие начального изменяющегося во времени магнитного поля, созданного обмоткой, и катушками или датчиками, регистрирующими это магнитное поле, искаженное набегающим потоком жидкого металла. В случае кондукционного механизма, электрические контакты регистрируют э.д.с., порожденную взаимодействием потока электропроводной жидкости и магнитного поля. Основной вопрос в данном исследовании состоит в выяснении влияния количества измерительных модулей, несимметричности их расположения, характеристик исходного поля на чувствительность методики. Результаты предполагается получить с помощью анализа численных и экспериментальных данных. После получения результатов исследования, будут выполнены разработка, конструирование, изготовление и испытание пилотных образцов расходомеров. По результатам испытаний пилотных образцов будет верифицирована математическая модель, описывающая процессы в цифровых двойниках расходомеров. Подобный подход к разработкам был уже реализован в рамках нескольких научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по заказу Росатома в области заявленного научного проекта, в которых участники выполняли существенную часть. В рамках договора с ОКБМ им. Африкантова были проведены экспериментальные исследования конвективного течения жидкого натрия в цилиндрических ячейках с разным аспектным соотношением, установленными под разными углами наклона к горизонту, что моделировало процесс теплообмена в каналах второго контура реактора БН. Также выполнен цикл договоров с ОКБМ им. Африкантова по изучению процесса смешения разнотемпературных потоков жидкого натрия в трех разных тройниковых соединениях. Эти работы потребовали создания первой площадки для работы с натрием, первого двухтемпературного натриевого контура с электромагнитными насосами, системами контроля с применением тепловизионной камеры. Недавно выполнен цикл договоров по заказу Белоярской АЭС на разработку, изготовление, испытание и поставку электромагнитных насосов для реактора БН. Эти работы потребовали создание второй площадки для работы с натрием, второго уже испытательного натриевого контура, сертифицированного участка тарировки расходомеров. Эти работы потребовали комплексного подхода, включающего как атематическое моделирование теплофизических и МГД-процессов, так и разработку, конструирование, изготовление, наладку аппаратов и проведения испытаний. В данный момент разработку и испытание аппаратуры для атомных станций БН наиболее выгодно и быстро проводить на описанном выше оборудовании. Поэтому, данный проект предоставляет уникальную возможность для Пермского края сохранить и развивать как базу для разработок оборудования для металлургии и АЭС, так и испытательную площадку для атомной промышленности. В данный момент в России больше нигде не ведется разработка расходомеров для жидких металлов, отвечающих возрастающим требованиям промышленности, что обуславливает уникальность предлагаемого проекта. Те организации, где производятся текущие версии расходомеров (НПП "Флоу-Спектр", г.Обнинск и АО «НИИТеплоприбор», Москва), имеют определенные трудности с развитием продукции и стоимость этой продукции и ее калибровка неоправданно высока из-за отсутствия конкуренции. В конце выполнения проекта мы будем иметь надежную математическую модель и трехмерные цифровые двойники расходомеров и пилотные образцы расходомеров. С помощью этого набора мы сможем быстро спроектировать конструкцию расходомера по заданным заказчиком требованиям. Это даст возможность изготовления, калибровки и продажи либо имеющихся, либо быстро сконструированных аналогов аппаратов. Потребителем расходомеров будет являться металлургическая промышленность, связанная с производством и переработкой цветных металлов (из предприятий нашего региона - СМЗ и АВИСМА). Существенное количество заказов ожидается от атомной промышленности. В данный момент происходит регулярная плановая замена оборудования для функционирующих реакторов БН-600 и БН-800. Также происходит развитие испытательно-исследовательской базы на НИИАР, где существует потребность в расходомерах для жидкого металла. Принято решение о подготовке строительства новейших атомных станций со свинцовым БРЕСТ и натриевым БН-1200 теплоносителями. Это обеспечивает устойчивый спрос на предлагаемые в проекте расходомеры.