Пособие АЭС Зорин

С = 1500…1700; несколько меньшие значения может дать уширенный вход насоса; для насосов специального (авиационного, например) назначения этот параметр может достигать бóльших значений.

Регламентируемый для каждого типа насосов допустимый кавитационный запас определяется по формуле

где А — коэффициент запаса, зависящий от типа и условий работы насоса, обычно принимают А = 1,1…1,3.

Если рассматриваемый насос включен в технологическую схему

без разрыва потока перекачиваемой жидкости, то pдоп должно обес-

вс

печиваться работой насоса, включенного по потоку ранее. В случае установки перед насосом приемного бака давление на входе рассчитывается по формуле

ческая высота уровня жидкости в баке, отсчитанная от оси насоса;

р— полное гидравлическое сопротивление трубопровода, подво-

вс

дящего жидкость от бака к насосу, с учетом установленных на нем арматуры и других каких-либо устройств.

формулу для расчета допустимой геометрической высоты установки приемного резервуара (высоты подпора — см. рис. 20.1):

Если жидкость в баке находится в состоянии насыщения, а ее температура в подводящем трубопроводе практически не изменяется, то

р= р , и в этих условиях формула для допустимой высоты подпора

бs

упрощается:

p

Из (20.18) видно, что для уменьшения высоты расположения при-

емного бака необходимо возможно меньшее сопротивление р . С этой

вс

391

целью скорость в подводящем трубопроводе на электростанциях ограничивают значениями 0,6—1,5 м/с.

Из приведенных формул, в частности, следует, что кавитационный запас насоса будет неизменным, если вода к нему поступает из бака, в котором поддерживаются постоянные температура и уровень (схема с разрывом потока), или если в процессе эксплуатации не изменяются гидравлические сопротивления элементов тепловой схемы между данным насосом и другим, обеспечивающим давление на всасе первого (схема без разрыва потока). Этому требованию не отвечают, например, фильтры БОУ, расположенные между конденсатными насосами первого и второго подъемов, сопротивление которых за период фильтроцикла может увеличиться в 2 раза и более.

При разработке тепловой схемы новой ПТУ необходимое давление на всасывании насоса оценивается по давлению насыщения при температуре жидкости и допускаемому кавитационному запасу. Значение последнего параметра может быть рассчитано по формулам (20.15) и (20.16) или оценено по характеристикам требуемого типа насоса (конденсатный, питательный или др.), которые приводятся в справочниках (например, [11]) или каталогах (см. также табл. 20.1—20.5).

20.3. Характеристики насоса

Насос есть элемент гидросистемы, в которой он обеспечивает требуемый расход жидкости. В соответствии с (20.11) напор, развиваемый насосом, должен быть равен полному сопротивлению сети:

Н= Н .

нс

Сопротивление сети можно представить как сумму двух составля-

(динамической), значение которой в основном определяют гидравлические сопротивления элементов и участков сети. Последние в соответствии с формулой Вейсбаха—Дарси пропорциональны квадрату скорости жидкости [см. формулу (21.1) на с. 409].

Рекомендуемые скорости в напорных (после насоса) трубопроводах АЭС для конденсата пара турбин равны 2,5—4 м/с, для питательной воды — 4 м/с.

392

Скорость в сети может быть на разных участках различной, поэтому сопротивление сети описывают зависимостью от объемного

расхода жидкости V, м3/с:

где а — коэффициент пропорциональности, мæс2/м6, оценивающий гидромеханическое качество сети.

Напор насоса также оказывается зависимым от объемной подачи жидкости. Зависимость напора от подачи есть основная характеристика насоса, которая обычно представляется в графической форме.

На рис. 20.3 показан график работы насоса на гидравлическую сеть: Н (V) — характеристика насоса; Н (V) — характеристика сети

[см. уравнение (20.19)]. Точка А пересечения характеристики насоса с характеристикой сети называется рабочей точкой системы «насос— сеть». Она определяет режим работы системы, ее рабочие параметры

Ни V . Изменить положение рабочей точки, т.е. получить другие

АА

значения напора и подачи, можно изменением либо характеристики сети, либо характеристики насоса.

Изменение характеристики сети может осуществляться дросселированием потока жидкости регулирующим устройством на напорной линии насосной установки. Это распространенный, простой, но экономически не лучший способ. Как видно из рис. 20.3, положение рабочей точки может быть любым в зависимости от величины дросселирования (степени закрытия устройства). По мере закрытия дросселя увеличивается сопротивление сети и характеристика сети изме-

VB VA V

Рис. 20.3. График работы насоса на гидравлическую сеть

393

няет свою форму (см. H ′ на рис. 20.3), смещая рабочую точку влево

c

(в точку В) с подачей V и напором Н .

ВВ

Другой распространенный способ регулирования режима работы насоса — изменение частоты его вращения. При уменьшении частоты вращения от n до n напор при той же подаче уменьшается и характе-

12

ристика насоса смещается вниз: см. Н (n ). В новой рабочей точке В′

н 2

параметры системы будут V и Н < Н . Меньшее сопротивление сети

ВВ′ В

при той же подаче V потребует меньшей мощности насоса.

В

Регулирование частоты вращения сравнительно просто осуществляется, если для привода насоса используется специальная паровая турбина (турбопривод).

В случае электропривода достаточно широко с этой целью используются гидромуфты, в которых часть энергии приводного двигателя расходуется на трение. При постоянной частоте вращения электродвигателя и в зависимости от давления жидкости между двумя частями гидромуфты изменяется частота вращения насоса. Регулирование поворотом лопастей рабочего колеса широко применяется в крупных осевых и диагональных насосах, используемых на АЭС в системах циркуляционного водоснабжения конденсаторов турбин.

Как правило, хотя и не всегда, напор насоса уменьшается с ростом подачи. В этом случае положение рабочей точки устойчиво: уменьшение (увеличение) подачи, происшедшее по какой-либо причине, будет иметь следствием увеличение (уменьшение) напора насоса, и положение рабочей точки восстановится.

Характеристики некоторых насосов могут иметь «западающую» левую ветвь (тихоходные центробежные насосы) или участок с седлообразной формой (осевые насосы). Работа насосов на таких участках (с положительным значением производной ∂H/∂V — см. точку Е на рис. 20.3) неустойчивая: резко изменяется подача насоса при значительных колебаниях напора, сопровождаемых увеличенными уровнями шума и вибрации насосного агрегата. Такая неустойчивая работа насоса называется помпажем. Во избежание помпажа рабочая точка системы «насос—сеть» не должна находиться на восходящей части напорной характеристики насоса, а регулирование его работы должно обеспечивать быстрое прохождение таких участков характеристики.

Характеристики насоса — это графически представленные зависимости основных его параметров: напора Н (или давления р), мощности (эффективной) N , КПД и допустимого кавитационного

ee

394

запаса H доп от подачи V при постоянных частоте вращения, вязкости

кав

и плотности перекачиваемой среды. На рис. 20.2, в и 20.4 в качестве примера приведены характеристики насосов различного назначения для энергоблоков АЭС [30].

Полезная мощность насоса N , Вт, — это мощность, полученная в

п

насосе жидкостью:

N = ρgHV.

п

Мощность, потребляемая насосом, — это мощность, подводимая от приводного двигателя к валу насоса:

e

η

e

Коэффициент полезного действия насоса (эффективный КПД) характеризует полные потери энергии и равен произведению трех коэффициентов:

η = η æη æη ,

e г V м

где η — гидравлический КПД, учитывающий потери энергии на

г

преодоление сопротивления трения в проточной части насоса, η =

г

= 0,9…0,95; η — объемный КПД, учитывающий затраты энергии на

V

перекачку жидкости, перетекающей в обратном направлении и теряе-

мой через уплотнения насоса; η = 0,95 …0,98; η — механический

V м

КПД, характеризующий потери энергии от трения в подшипниках и

уплотнениях вала насоса, η = 0,8 …0,95. Значения КПД современ-

м

ных лопастных насосов η = 0,6 …0,9.

e

При изменении режима работы насоса изменяется и его КПД, прежде всего за счет изменения профиля скорости в его проточной части. Конструирование насоса ведется таким образом, чтобы обеспечить максимальное значение эффективного КПД в режиме, в котором предполагается работа насоса в течение наибольшего времени. При проектировании тепловой схемы АЭС полагают, что наиболее длительное время электростанция будет работать на номинальной мощности. На номинальные расходы жидкости и соответствующие им напоры в этом случае конструируются и насосы.

Повышение энтальпии жидкости в насосе рассчитывают по формуле

н

ηη η

eг V

Коэффициент полезного действия приводных электродвигателей

η = 0,91…0,96, причем меньшее значение имеют, как правило, дви-

дв

395

396

Электродвигатель для привода насоса выбирают обычно так, чтобы номинальная мощность его была больше рассчитанной по (20.22) на коэффициент запаса, равный 1,1—1,5, причем большие значения берутся для двигателей с меньшей мощностью.

Пример. В системе регенерации ПТУ четыре конденсатных насоса второго

подъема, работающих параллельно, перекачивают основной конденсат турбины расходом G = 1075 кг/с из ПНС2 (подогревателя низкого давления смешиваю-

(см. рис. 15.9). Насос с частотой вращения 1480 об/мин имеет предвключенное колесо для повышения всасывающей способности. Определить необходимый

напор конденсатного насоса, высоту установки над ним ПНС2, подогрев конден-

сата в насосе и мощность, потребляемую электродвигателем, приводящим во вращение вал насоса через гидромуфту. Дополнительные исходные данные: раз-

ность высот оси патрубка, подводящего конденсат к деаэрационной колонке, и

оси насоса Н = 18,5 м; гидравлическое сопротивление всасывающего трубо-

г.н

вх

провода р = 5 кПа; температура конденсата перед деаэратором t = 152 °С;

вс д

гидравлическое сопротивление каждого из трех поверхностных ПНД, включен-

сопротивление участков трубопроводов и арматуры между КН2 и деаэратором

р= 0,4 МПа; эффективный КПД насоса η = 0,8; механический КПД насоса

тр е

Сначала рассчитаем минимально допустимый кавитационный запас. Для

этого определим объемную подачу одного насоса:

3

где v = 0,001034 м /кг — удельный объем воды в ПНС2 (определен по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара), и примем значение параметра С = 1600 с учетом конструктивной особенности насоса (дополнительное колесо). Тогда по формуле (20.15) рассчитаем:

кр1

H= 3,8 м.

кав

Приняв коэффициент запаса А = 1,15, получим [см. формулу (20.16)]

доп

H= 4,4 м.

кав

397

Разность высот установки ПНС2 и насоса определим по формуле (20.18):

Для расчета давления нагнетания насоса, использовав формулы (20.10) и

3

где v = 0,0010925 м /кг — удельный объем воды перед деаэратором; расчет

н

проведен по этому параметру, так как его изменение в конденсатном тракте от КН2 до деаэратора невелико, а основной подъем воды осуществляется после ПНД5 (см. рис. 15.9) перед деаэратором. Расчетом получено

Фактически в данном примере рассчитаны параметры работы насоса КсВА-1000-220, используемого в тепловой схеме ПТУ К-1000-5,9/60, и полученные значения могут быть сравнены с соответствующими данными, приведенными ниже (см. табл. 20.3). Номинальная мощность приводного электродвигателя равна 1000 кВт, т.е. он выбран с коэффициентом запаса 1,23, отвечающим рекомендациям.

20.4.Насосы АЭС

Втепловой схеме АЭС используется большое число насосов различного назначения [30]. Назовем лишь некоторые.

Главные циркуляционные насосы предназначены для прокачки теплоносителя в первом контуре реакторных установок. На первых АЭС мощностью до 440 МВт устанавливались бессальниковые агре-

398

гаты, насос и двигатель которых были заключены в единый герметичный корпус. Однако сложность конструкции, низкий КПД, незначительное время выбега явились причинами, по которым на современных АЭС такие насосы не применяются.

Требования к ГЦН обусловлены их назначением и условиями эксплуатации:

1)высокая надежность работы в стационарных и переходных режимах в течение длительного времени (не менее периода между планово-предупредительными ремонтами);

2)обеспечение достаточного времени выбега, что необходимо для охлаждения активной зоны реактора при авариях с потерей электроснабжения собственных нужд до начала работы системы надежного питания;

3)надежная герметизация ГЦН для предотвращения утечек радиоактивного теплоносителя, что обеспечивается специальной системой уплотнений насоса;

4)обеспечение ремонта насоса с минимальным временем нахождения ремонтного персонала в радиационно опасной зоне;

5)материалы проточной части ГЦН должны удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к материалам циркуляционного контура реактора (т.е. быть коррозионно-стойкими).

Технические характеристики ГЦН отечественных АЭС приведены в табл. 20.1.

Питательные насосы предназначены для подачи воды от паротурбинной в паропроизводительную установку, т.е., как правило, со значительным давлением нагнетания. Бескавитационная работа питательных насосов обеспечивается применением проточной части с расширенным входом, предвключенного колеса или бустерного насоса.

Основные требования к питательным насосам и их установке: состоят в следующем:

1)для устойчивой работы в системе, в том числе при параллельном включении в нее, питательные насосы должны иметь стабильную непрерывно падающую форму напорной характеристики в интервале подач от 30 %-ной до номинальной;

2)насосы должны снабжаться обратными клапанами во избежание обратного вращения ротора насоса и иметь линию рециркуляции;

3)вибрация на корпусах подшипников вала насоса должна быть возможно меньше и находиться в допустимых пределах;

4)конструкция насоса должна обеспечивать удобство монтажа, ремонта и обслуживания.

Технические характеристики питательных насосов приведены в табл. 20.2.

399

Таблица 20.1

Технические характеристики главных циркуляционных насосов первого контура АЭС

Конденсатные насосы применяются для подачи конденсата отработавшего пара турбины в систему регенерации ПТУ; сливные (дренажные) насосы — для подачи конденсата греющего пара из теплообменных аппаратов различного назначения. И те, и другие обычно работают с минимальным располагаемым кавитационным запасом. Поэтому первую ступень насоса, как правило, выполняют двухпоточной с расширенным входом или с предвключенным рабочим колесом. Дополнительным основным требованием по сравнению с питательными насосами здесь является отсутствие подсоса воздуха через работающий и неработающие насосы. Технические характеристики этой группы насосов приведены в табл. 20.3 и 20.4, а в табл. 20.5 даны технические характеристики насосов, используемых в некоторых вспомогательных системах реакторной установки (см. разд. V).

Заметную долю электроэнергии, расходуемой на собственные нужды электростанции, потребляют насосы систем технического водоснабжения.

В системах оборотного водоснабжения с градирнями, как правило, применяют насосы типа В — вертикальные центробежные. Такие

насосы с подачей 0,8—6,7 м3/с (3—24 тыс. м3/ч) имеют частоту враще-

400