Зорин В.М. Атомные электростанции

Р а з д е л IV

ОСНОВНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Способ организации основного технологического процесса (ОТП) на электростанции есть ее технологическая (тепловая) схема — совокупность установленного оборудования со всеми связями, включая некоторые внешние связи. Помимо оборудования ОТП в тепловую схему входит значительное число систем, необходимых для эксплуатации АЭС в определенных техническим проектом пределах и условиях, т.е. для нормальной эксплуатации, а также систем безопасности. Последние призваны обеспечить безопасность как персонала станции, так и близлежащей территории в случае нарушений нормальной эксплуатации и в аварийных ситуациях. И те, и другие системы здесь мы называем вспомогательными, играющими вспомогательную роль по отношению к ОТП.

С учетом вспомогательных систем, имеющих непосредственную связь с теплоносителем или рабочим телом основных технологических установок, тепловая схема АЭС становится более сложной. При этом следует иметь в виду, что число возможных решений по выбору состава и способа соединения оборудования в соответствии с задачами, поставленными перед вспомогательными системами, как правило, велико. Усложняется и анализ процессов, протекающих в тепловой схеме. Изменяются функциональные свойства АЭС: повышается ее надежность, но снижается экономичность, прежде всего в результате увеличения капитальных вложений и расхода энергии на собственные нужды в период нормальной эксплуатации.

Важную роль в основном технологическом процессе на электростанции исполняют насосы, трубопроводы и арматура. Изучение и проектирование тепловой схемы невозможно без понимания особенностей этого оборудования.

381

Глава 20

НАСОСЫ В ТЕПЛОВОЙ СХЕМЕ АЭС

Термодинамический цикл на электростанции реализуется посредством движения теплоносителей и рабочего тела. Энергия для их движения передается в основном насосами. Насосы — это машины, предназначенные для перемещения жидкостей и сообщения им энергии. На электростанциях используются насосы различных типов, но большая часть насосов — лопастные центробежные. В них энергия передается жидкости от вращающихся лопастей, специальным образом профилируемых.

Насосный агрегат — это устройство, в которое входят насос, приводной двигатель, соединительная муфта (или вариатор частоты вращения), контрольно-измерительные приборы. Насосный агрегат устанавливается на раме или фундаментной плите.

Всоответствии с ГОСТом* основные параметры насоса — подача

идавление.

Объемная (массовая) подача есть объем (масса) жидкости, подаваемой насосом в напорный трубопровод в единицу времени.

Давление насоса определяется зависимостью

входе и выходе; ρ — плотность подаваемой насосом жидкости; g —

расположения центров сечений выходного и входного патрубков насоса.

20.1. Основные уравнения

Смысл термина «давление насоса» позволяет установить термодинамический анализ.

Известно, что полная работа потока рабочего тела есть сумма технической работы и работы против сил гидравлического сопротивления (в первую очередь — против сил трения). В дифференци-

*

ГОСТ 17398—72. Насосы. Термины и определения. — М.: Госкомстандарт, 1979.

382

альной форме соответствующее уравнение записывается в виде [см. уравнение (5.7)]:

отводимой внешнему приемнику, и работы по изменению энергии потока, кинетической и потенциальной. Приняв, что потенциальная энергия потока определяется в поле гравитационных сил, запишем

где w — скорость потока; z — высотная координата в поле гравитационных сил.

Из приведенного следует выражение для полезной работы:

Если потоком не соверщается полезная работа, но к нему подво-

дится работа (энергия) в насосе, то в последнем уравнении –dl

пол

следует заменить на dlд , где верхний индекс «д» означает действи-

н

тельную работу насоса (процесс в насосе не идеальный):

Проинтегрируем уравнение (20.4) от начального состояния рабочего тела на всасывании насоса («вс») до конечного состояния в напорном патрубке (в точке нагнетания — «нагн»), считая жидкость несжимаемой (v = const). Получим выражение для удельной работы насоса в действительном процессе:

где q — выраженная в теплоте диссипации часть работы насоса.

дис.н

Эта часть работы расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе (прежде всего трения; принято учитывать гидрав-

лическим КПД насоса η ) и на вынужденную прокачку протечек

г

жидкости через зазоры в насосе (учитывается объемным КПД η ).

V

Минимально необходимая работа насоса

383

Введя обозначение р = l /v, с учетом (20.5) запишем:

нн

Все слагаемые (20.7) имеют единицу измерения давления (Па) и представляют собой отношение удельной работы или энергии к удельному объему жидкости. Равенство (20.7) тождественно (20.1), а давление насоса есть отношение минимально необходимой удельной работы насоса к удельному объему перекачиваемой жидкости.

Уравнение (20.4) позволяет также установить взаимосвязь между характеристиками насоса и характеристиками гидравлической сети. Гидравлическая сеть (или гидросистема) насоса — совокупность соединенных между собой каким-либо способом технологического оборудования, трубопроводов, арматуры, в которой насос обеспечивает движение жидкости.

Обозначим границы гидравлической сети насоса как 1 на входе и 2 на выходе. Проинтегрируем уравнение (20.4) от состояния жид-

в виду возможный ее учет с помощью (20.6). Так как в рассматриваемой гидравлической сети есть насос, в результате интегрирования получим

где q — выраженная в теплоте диссипации часть энергии потока,

дис

расходуемая на преодоление гидравлического сопротивления в тракте до насоса и после него.

Уравнение (20.8) означает, что работа, подводимая к потоку в насосе, расходуется на изменение давления жидкости, ее кинетической и потенциальной энергии и на преодоление гидравлического

сопротивления гидросети. Разделив q на v, получим (в единицах

дис

давления) гидравлическое сопротивление рассматриваемой сети

р. Уравнение (20.8) может быть переписано в виде

гидр

384

Подставив в (20.9) вместо р выражение в правой части (20.7),

н

ления на части рассматриваемого участка от напорного патрубка

насоса до выхода из сети; принято, что z пренебрежимо мало, т.е.

н

давления на части рассматриваемой сети от входа до всасывания насоса. Полные перепады давления включают в себя составляющие на изменение скорости потока, на изменение давления под действием

Обратим внимание на следующее: если на участке 1-2 насоса нет (р = 0), то,

н

пренебрегая теплотой диссипации (в единицах давления — гидравлическим

сопротивлением: р = 0), из (20.9) получаем уравнение, в точности повторя-

гидр

ющее уравнение Бернулли для установившегося движения несжимаемой жид-

кости:

22

p + ----- + ------- = p + ----- + ------- .

Работа насоса на гидравлическую сеть, описываемая уравнениями (20.8), (20.9) или (20.10), позволяет на основе заданных или требуемых характеристик сети рассчитывать необходимую работу насоса. Уравнение (20.8) отражает баланс (равенство) энергии, передаваемой жидкости в насосе и расходуемой в гидравлической сети. Уравнение (20.9) или (20.10) может быть названо гидравлическим балансом, поскольку определяющую роль здесь играют перепады давления, в отличие от тепловых (энергетических) балансов, записываемых с использованием температур или энтальпий. Уравнения материальных, энергетических и гидравлических балансов рабочего тела — основа расчета тепловой схемы.

Напор насоса есть давление насоса, выраженное в метрах столба перекачиваемой жидкости. Приведенные в этом параграфе уравнения могут быть переписаны в этой единице измерения. Разделив обе части

385

(20.8) на ускорение свободного падения g, получим уравнение для определения напора насоса по характеристикам гидравлической сети:

где Н — разность координат по вертикали центров тяжести потоков

г

на выходе и входе сети (высота расположения выхода по отношению к входу; может быть как положительной, так и отрицательной);

Н— сумма гидравлических потерь в сети; ρ = 1/v — плотность

гидр

жидкости; Н — полное сопротивление сети.

с

20.2. Определение основных параметров насоса

Подача конкретного насоса, установленного в технологической (тепловой) схеме, определяется на основе ее расчета. Чтобы такой расчет был возможен, необходимы термодинамические параметры рабочего тела на входе и выходе элементов оборудования — как правило, температуры и давления. Для расчета показателей тепловой экономичности нужны, в частности, расходные характеристики тепловой схемы и давления насосов. Здесь в основном рассмотрим требуемое давление насоса.

В насосах, подающих жидкости, значения двух последних слагаемых в правой части (20.7) сравнительно невелики, и обычно давление насоса оценивают по разности давлений жидкости в напорном и

ннагн вс

т.е. в этом случае давление насоса и перепад давлений на насосе оказываются одними и теми же.

На электростанции нашли применение две схемы включения насосов: 1) с разрывом потока перекачиваемой жидкости в напорном резервуаре, имеющем контролируемый уровень (рис. 20.1); для конденсатного насоса таким резервуаром может быть бак деаэратора системы регенерации ПТУ, для питательного насоса — парогенератор; 2) без разрыва потока жидкости, когда давление на всасывании последующего насоса создается работой предыдущего, установленного по потоку ранее; так включаются насосы первого подъема — конденсатные и питательные — при двухподъемной схеме повышения давления перекачиваемой среды.

Таким образом, границами гидравлической сети насоса обычно являются: входная (соответствующая состоянию жидкости в точке 1 в приведенных ранее уравнениях) — уровень жидкости в приемном резервуаре или всасывающий патрубок насоса; выходная (с состоя-

386

нием жидкости в точке 2) — уровень жидкости в напорном резервуаре или точка всасывания последующего по потоку насоса. Полные

перепады давления определяют отдельно для входной р и выход-

1

ной р частей гидросистемы с тем, чтобы можно было рассчитать

2

требуемое давление насоса и перепад давления, использовав уравнение (20.10) и следующие из него соотношения:

Для насоса, в котором давление на всасывании создается пред-

На начальных этапах проектирования изменением кинетической энергии потока, как правило, пренебрегают; высотными отметками установки оборудования (напорного и приемного баков, например) задаются, исходя из требований организации технологического процесса, включающих в себя обеспечение проектных условий работы оборудования в различных режимах; гидравлические сопротивления принимают на основе каталожных или справочных данных для аналогичных элементов оборудования, арматуры, предполагаемых к установке; гидравлические сопротивления протяженных участков трубопроводов определяют приближенно по рекомендуемым скоростям потоков (см. [11, 21], а также § 21.1).

тивления последовательно включенных элементов или участков сети.

Рис. 20.1. Схема насосной установки:

1 — подвод воды; 2 — приемный резервуар; 3 — задвижки; 4 — обратный клапан;

5 — подводящий трубопровод; 6 — насос; 7 — соединительная муфта; 8 — приводной электродвигатель; 9 — сужающее устройство расходомера (диафрагма); 10 —

напорный трубопровод; 11 — элементы гидравлической сети насоса; 12 — напорный резервуар; 13 — отвод воды; МВ — манометр на всасывающей стороне насоса; М — манометр на нагнетании

387

На электростанции на вход насоса нередко подается вода из приемного резервуара (см. рис. 20.1), в котором она находится в состоянии насыщения. Таким резервуаром может быть конденсатосборник в конденсаторе пара турбины, бак деаэратора, барабан-сепаратор паропроизводительной установки. Важным для длительной надежной работы насоса является обеспечение отсутствия явления кавитации, которое заключается в следующем.

Если давление жидкости на всасывании насоса оказывается меньше давления насыщения, то она вскипает. В насосе давление быстро повышается, и пузырьки пара оказываются в термодинамически неравновесных условиях, вызывающих их схлопывание. Давление при схлопывании полости, образовавшейся в результате быстрой конденсации пара, достигает очень больших значений (стремится к бесконечности, если не учитывать сжимаемость жидкости). Кавитационное схлопывание полости сопровождается образованием струек жидкости, обладающих огромной кинетической энергией. При схлопывании вблизи поверхности эти струйки вызывают эрозию внутренних подвижных и неподвижных частей насоса, результатом которой может быть их разрушение.

Для обеспечения бескавитационной работы насоса давление на всасывании должно быть больше давления насыщения на значение кавитационного запаса. Обычно кавитационный запас выражают в метрах столба перекачиваемой жидкости. Тогда кавитационный запас — это превышение напора на входе в насос над напором, опре-

деляемым давлением насыщенных паров p при данной температуре

s

жидкости:

зап

ρg

При минимально допустимом кавитационном запасе возникает так называемый первый критический режим кавитации, когда появляются первые пузырьки пара и начинают снижаться параметры насоса — его подача и давление. Минимально допустимый кавитационный запас на всасывании определяется по преобразованной формуле С.С. Руднева [29]:

где n — частота вращения, об/мин; V — объемная подача, м3/с; С — параметр, определяемый конструкцией насоса, обычно С = 800…1000; для конденсатных насосов типа КсВ и для некоторых других насосов, в которых применено предвключенное колесо в виде шнека (винтообразные выступы на цилиндрической поверхности — см. рис. 20.2),

388

Рис. 20.2. Насос КсВА 630-125 (сливной насос конденсата после ПНД3 в тепло-

3

вой схеме ПТУ К-1000-5,9/25 с максимальными подачей 630 м /ч и напором 125 м с частотой вращения 1480 об/мин):

а — продольный разрез; 1 — входной патрубок; 2, 7 — рабочее колесо; 3 —

направляющий аппарат; 4, 13 — секция; 5 — вал; 6 — внутренний корпус; 8 —

барабан (для разгрузки ротора от осевых сил); 9 — напорная крышка; 10 — сальниковое уплотнение; 11 — радиально-осевой подшипник; 12 — напорный патрубок;

14 — корпус подвода; 15 — наружный корпус; 16 — предвключенное колесо; 17 —

подшипник скольжения

389

доп

ность; η— КПД; H — допустимый кавитационный запас

кав

390