6 - 9 сентября 2011, СумГУ, г. Сумы, Украина XIII Международная научно-техническая конференция “ГЕРВИКОН-2011”

Международный форум “НАСОСЫ-2011” Семинар “ЭККОН-11”

Шлемензон К.Т., Павлов П.Г.

АННОТАЦИЯ

Представлены обоснования применения насосов с гидротурбинным приводом на энергоблоках АЭС. Приведены особенности конструкции гидротурбонасосных агрегатов, схема включения.

При эксплуатации турбоустановок АЭС одной из проблем является транспорт жидкости, находящейся в условиях, близких к вскипанию (конденсат греющего пара, сепарат и т.д.). Захолаживание таких потоков приводит к термодинамическим потерям, а использование расширителей к тому же усложняет схему, поэтому наиболее рациональный путь – применение таких схемных решений, которые позволяют максимально использовать тепло высокотемпературных потоков, обеспечивая при этом “уход” от линии насыщения.

Проведенный анализ тепловых схем АЭС показал, что достаточно перспективным является использование насосов с гидротурбинным приводом, органично включаемых в тепловую схему. Основание для указанного вывода следующие:

• в составе энергоблоков АЭС постоянно присутствует источник гидравлической энергии высокого потенциала (питательная вода после питательного насоса, конденсат после конденсатных насосов);
• применение гидротурбинного привода позволяет создать герметичные насосные агрегаты с минимальными габаритами (металлоемкостью), с оптимальной частотой вращения, с низким уровнем шума и вибрации;
• применение гидротурбинного привода существенно упрощает конструкцию уплотнений между собственно насосом и приводом, так как перекачиваемая среда насоса и рабочая среда гидропривода имеют достаточно близкие параметры, что позволяет минимизировать перетоки внутри агрегата;
• применение гидротурбинного привода позволяет осуществлять регулирование насоса наиболее рациональным способом – изменением частоты вращения;
• при использовании гидротурбинного привода осуществляется утилизация потерь энергии в приводе благодаря возврату в цикл энергетической установки рабочей воды, нагреваемой в гидротурбине за счет потерь.

Это решение подтвердило высокую надежность и значительное повышение экономичности, обусловленные использованием указанных агрегатов при откачке конденсата греющего пара (КГП) в системе промежуточной сепарации и перегрева пара (ПСПП) и закачки его в напорную линию ПН после последнего ПВД на ряде энергоблоков с реакторами ВВЭР, взамен следующих вариантов использования наиболее высокотемпературного потока:

• слив самотеком в подогреватель высокого давления (ПВД);
• слив самотеком в ПВД через охладитель (ОД ПП).

Данные два варианта являются традиционными решениями и нашли широкое применение в мировой практике. Из них термодинамическими и технико- экономическими преимуществами обладает вариант слива самотеком в ПВД через ОД ПП, который лишен недостатков первого варианта – трудности поддержания постоянного уровня в конденсатосборнике (КС) СПП, а также вибрации и эрозии трубопроводов сброса КГП. Но и в этом варианте есть следующие недостатки:

• возможность заброса воды в турбину при разрыве трубок;
• высокая металлоемкость ОД ПП.

Закачка конденсата греющего пара сепаратора-пароперегревателя (СПП) в напорную линию питательных насосов (ПН) турбоустановок АЭС является новой технологической операцией в системе регенеративного подогрева питательной воды. Применение закачки конденсата греющего пара СПП в напорную линию ПН приводит к повышению температуры питательной воды приблизительно на 10 оС за последним по ходу воды подогревателем высокого давления, что обеспечивает, например, повышение экономичности энергоблока с турбоустановкой К-1000-60/3000 на ~ 0,7%. Достигаемое увеличение мощности энергоблока с реактором ВВЭР-1000 на ~ 7 МВт подтверждено опытом эксплуатации Ровенской, Хмельницкой, Южноукраинской, Калининской и Тяньваньской АЭС.

Одновременно закачка конденсата греющего пара в тракт питательной воды обеспечивает на всех режимах работы энергоблока меньшие разности температур в корпусных деталях парогенератора и повышение КПД турбоустановки по сравнению с вариантом установки дополнительных ПВД для обеспечения заданной температуры питательной воды.

Принципиальная схема включения конденсатного насоса с гидротурбинным приводом (КГТН) показана на рисунке 1.

Конденсат греющего пара СПП из конденсатосборника подается на вход насоса, выход насоса соединен с питательным трубопроводом энергоблока (после последнего ПВД); приводная гидротурбина соединена напорным патрубком с трубопроводом питательной воды (до первого ПВД), сливным патрубком – с деаэратором. На сливном трубопроводе гидротурбины установлен регулирующий клапан, обеспечивающей изменение частоты вращения гидротурбины и, следовательно, подачи насоса. Напорный трубопровод гидротурбины соединен со всасыванием насоса, что обеспечивает захолаживание конденсата греющего пара и требуемый подпор на входе в насос.

Применение в конденсатном насосе СПП ступени с высокими кавитационными качествами или снижение частоты вращения агрегата для обеспечения требуемых кавитационных свойств не является целесообразным, так как приводит к существенному увеличению массогабаритных характеристик насоса. Вместе с тем подвод рабочей среды гидротурбины, захолаживания и питания подшипников от единого источника существенно упрощает схему включения турбонасоса, автоматически исключает аварийные ситуации, связанные с отсутствием захолаживания и питания подшипников при включении рабочей воды, обеспечивает захолаживание конденсата греющего пара и подъем ротора при подаче рабочей воды на привод.

Таким образом, использование гидротурбинного привода исключает дополнительные системы электроснабжения привода, охлаждения и отвода проточек в уплотнениях, необходимые в случае применения электропривода, внешнюю систему смазки подшипников.

С учетом параметров конденсата греющего пара СПП и питательной воды (соотношение подачи и напора, высокая температура и давление), использование электропривода в конструкции влечет за собой применение многоступенчатого насоса низкой быстроходности с повышенными габаритными размерами и пониженной экономичностью в сравнении с гидротурбонасосом.

При использовании гидротурбинного привода может быть реализована любая удельная быстроходность (гидротурбинный привод не имеет ограничения по частоте вращения), что определяет повышенное (по сравнению с вариантом с электроприводом) возможное значение КПД. При сравнении типов насосов закачки КГП следует учитывать суще- ственные преимущества насоса с гидротурбинным приводом по металлоем- кости, габаритам, условиям монтажа и обслуживания в эксплуатации. Так насос типа КГТН 850-400 (подача 850 м3/ч, напор 400м) для турбоустановки К-1000-60/3000 ОАО ЛМЗ имеет массу менее 3т, диаметр 780 мм, высоту 1200 мм, монтируется непосредственно на трубопроводах без дополни- тельного фундамента и опор, не требует обслуживания в период эксплуатации, не имеет внешних утечек перекачиваемой среды и имеет переменную производительность и напор за счет изменения частоты вращения. Предварительные проработки насоса с электроприводом аналогичных параметров показывают, что масса такого агрегата составляет около 10 т.

Конструкция гидротурбонасоса типа КГТН представлена на рисунке 2. Турбонасос объединяет насос и приводную гидравлическую турбину в едином корпусе. Насос центробежный, одноступенчатый с осевым подводом воды. Турбина радиально-осевая, одноступенчатая.

Рабочие колеса насоса 1 и турбины 2 имеют общий вал 3, фиксирующийся в радиальном и осевом направлениях радиально-упорными гидростатическими подшипниками 4 и 5. Статорные детали (корпус турбины 6, секция 7, направляющий аппарат насоса 8, водорез 9 и крышка 10 с установленными в них корпусами подшипников 11 и 12, уплотнительными кольцами 13 и 14 и ротором) образуют самостоятельную монтажную единицу - внутренний корпус 15, который крепится в корпусе 16 посредством нажимного кольца 17. Основной разъем уплотняется клиновой самоуплотняющейся прокладкой 18.

Корпус 16 и внутренний корпус 15 образуют камеры подвода и отвода воды к насосу и турбине, которые посредством штуцеров (патрубков), приваренных к корпусу, соединяются с соответствующими трубопроводами. Подвод воды к подшипнику 11 осуществляется через штуцер в корпусе 16, а к подшипнику 12 – через трубку 19, крепящуюся к корпусу турбины 6 и снабженную фланцевыми разъемами, что упрощает и сокращает время монтажа внутреннего корпуса по сравнению со сварным вариантом. Питание гидростатических подшипников осуществляется от напорного трубопровода турбины через блоки фильтров 6 (см. рисунок 1), входящих в комплект поставки агрегата.

Простота и надежность конструкции позволяет вести монтаж агрегата без непосредственного участия представителя разработчика (шеф-монтаж). Общий вид смонтированного агрегата насосного КГТН 850-400А представлен на рисунке 3.

Насосы типа КГТН, разработанные и поставленные ОАО «НПО ЦКТИ» на АЭС, успешно работают на атомных электростанциях Украины (Ровенская АЭС, Хмельницкая АЭС, Южно-Украинская АЭС), России (Калининская АЭС), Китая (Тяньваньская АЭС). В настоящее время идет монтаж и освоение нового типоразмера насоса КГТН 415-305А в России (Нововоронежская АЭС-2, Ленинградская АЭС-2), Иране (АЭС «Бушер», насос типа КГТН 280-450А) и Индии (АЭС «Куданкулам»). Головной насос типа КГТН 850-400 находится в постоянной эксплуатации на Ровенской АЭС с декабря 1987 г.

Более чем двадцатилетний опыт эксплуатации насосов типа КГТН полностью подтверждает правильность выбранного решения по использованию гидротурбонасосов в турбоустановках АЭС и их высокую эксплуатационную надежность, которая обусловлена выбором его конструктивной схемы и качеством изготовления.

Агрегаты зарекомендовали себя в условиях длительной эксплуатации как надежное эффективное оборудование. За период работы капитальных ремонтов не проводилось, отказов непосредственно турбонасоса не наблюдалось. Турбонасосы эксплуатируются в автоматическом режиме, обеспечивая поддержание заданного уровня в КС.

По опыту эксплуатации головного агрегата на Ровенской АЭС было принято решение об отказе в установке резервного насоса. Резерв обеспечивается поставкой в комплекте с агрегатом резервного внутреннего корпуса, замена которого занимает не больше одной рабочей смены, при этом сброс конденсата греющего пара осуществляется в деаэратор. Для представления рабочих характеристик насосного агрегата типа КГТН разработана форма универсальной характеристики, совмещающая параметры собственно насоса и гидротурбинного привода. В основу характеристики положены экспериментальные характеристики ступеней насоса и приводной гидротурбины. Типовая характеристика насосного агрегата типа КГТН представлена на рисунке 4.

Изложенная область применения насосов с гидротурбинным приводом не является единственной. В ОАО «НПО ЦКТИ» разработаны и успешно освоены на тепловых электростанциях циркуляционные насосы для котлов как сверхкритических, так и докритических параметров.