Насосы / ПОСОБИЕ Насосы АЭС

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

–––––––––––––––––––––––––––––

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

А.Ф. Медников, А.И. Лебедева

НАСОСЫ АЭС

Практикум

для студентов, обучающихся по направлению 14.03.01 «Ядерная энергетика и теплофизика»

Москва Издательство МЭИ

2022

1

УДК 621.6 ББК 31.56 М 424

Утверждено учебным управлением НИУ «МЭИ» в качестве учебного издания

Подготовлено на кафедре паровых и газовых турбин

Рецензенты:А.В.Волков,докт.техн.наук,зав.каф.ГГМНИУ«МЭИ»; Г.В. Томаров, докт. техн. наук, проф., генеральный директор ООО «Геотерм-М»

Медников, А.Ф.

М424 Насосы АЭС: практикум / А.Ф. Медников, А.И. Лебедева – М.: Издательство МЭИ, 2022. – 88 с.

ISBN 978-5-7046-2637-4

В практикуме приведены примеры расчета КПД и мощности насосов, характеристик отдельных насосов и группы насосов, работающих в сети, рассмотрены задачи по регулированию подачи насосов и оценке запаса по кавитации. Приведены конструктивные особенности насосов, работающих на АЭС. Расположение разделов соответствует методике изложения материала лекций по курсу «Турбомашины АЭС», который изучают студенты, обучающиеся по направлению подготовки 14.03.01 «Ядерная энергетика и теплофизика» и профилю подготовки «Атомные электрические станции и установки», института тепловой и атомной энергетики (ИТАЭ).

УДК 621.6 ББК 31.56

2

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ…………………………………………...... 4 ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………..… 5

1.НАЗНАЧЕНИЕ НАСОСОВ В ТЕПЛОВЫХ СХЕМАХ АЭС…..… 6

1.1.Применение насосов в двухконтурной схеме АЭС

среактором ВВР-1000……………………………………….…. 10

1.2.Применение насосов в одноконтурной схеме АЭС

среактором РБМК-1000…………………………………….….. 12

2.КОНСТРУКЦИЯ НАСОСОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ НА АЭС…..… 14

2.1.Питательные насосы………………………………..................... 14

2.2.Главные циркуляционные насосы……....................................... 26

2.3.Конденсатные насосы……………............................................... 32

3.ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАСОСОВ………………………………………………………………. 40

3.1.Расчет потерь давления в трубопроводах……........................... 40

3.2.Расчет основных параметров одноступенчатого

центробежного насоса. Уравнение Бернулли………….……… 46

3.3.Кинематика потока в центробежном насосе….......................... 51

3.4.Определение напора насоса по показаниям приборов……….. 61

3.5.Применение теории подобия в расчетах

ипроектировании насосов. Пересчет характеристик насосов 64

3.6.Работа насоса в системе. Рабочая точка.

Способы регулирования производительности насосов………. 71

3.7.Совместная работа нескольких насосов на общую сеть…...… 81

3.8.Допустимая высота всасывания и кавитационный запас….…. 83 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………...................... 86

3

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ГЦН – главный циркуляционный насос ПН – питательный насос КН – конденсатный насос

КПД – коэффициент полезного действия ПВД – подогреватель высокого давления ПНД – подогреватель низкого давления ЦВД – цилиндр высокого давления ЦНД – цилиндр низкого давления С – сепаратор

ПП – промежуточный пароперегреватель ПГ – парогенератор Д – деаэратор

Индексы

1 – перед рабочими лопастями

2 – за рабочими лопастями

u – к окружной проекции скорости a – к осевой проекции скорости r– к радиальной проекции скорости

Обозначения величин

Q – расход, подача насоса, кг/с H – напор, м

P – давление, МПа

L – удельная энергия, Дж/кг

N – мощность, кВт, МВт u – окружная скорость, м/с

c – абсолютная скорость, м/с w – относительная скорость, м/с

α – угол направления абсолютной скорости, град β - угол направления относительной скорости, град ξ – относительные потери ɳ – КПД ρ –плотность, кг/м3

θ – степень реакции d – диаметр, м

l – высота лопастей, м b – хорда профиля, м

t – температура, °С, шаг решетки, м v – удельный объем, м3/кг

n – частота вращения, с-1 Re – число Рейнольдса

υ – кинематическая вязкость, м2/с μ – динамическая вязкость, Н·с/м2; коэффициент расхода δ – зазор, м

4

ВВЕДЕНИЕ

Практикум служит методическим руководством при подготовке к практическим занятиям по курсу «Турбомашины АЭС» в разделе «Насосы АЭС», и состоит из трех разделов в соответствии с построением семинарских занятий по читаемому курсу.

В первом разделе дано краткое описание тепловой схемы энергоблока и рассмотрены виды и конструкции насосов, используемых на АЭС.

Во втором разделе приведены конструктивные решения, используемые отечественными и зарубежными фирмами для насосов АЭС.

Третий раздел посвящен оценке эксплуатационных характеристик насосов. Рассмотрены основные закономерности кинематики потока жидкости и алгоритмы расчета напора, мощности и КПД. Наряду с задачами для насосов приведены задачи для вентиляторов, поскольку на АЭС широко используются и вентиляционные установки. Также следует отметить, что методы расчета вентиляторов аналогичны методам расчета насосов. Рассмотрены задачи по пересчету характеристик насосов с использованием теории подобия и построению характеристик при совместной работе насосов в сети, а также различные способы регулирования производительности насосов. Проведена оценка допустимой высоты всасывания, обеспечивающей режимы работы насоса без кавитации.

По объему и содержанию настоящий практикум соответствует учебным планам и программе занятий бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 14.03.01 «Ядерная энергетика и теплофизика» и профилю подготовки «Атомные электрические станции и установки», института тепловой и атомной энергетики (ИТАЭ). Пособие может быть полезно студентам других институтов университета, изучающих насосы ТЭС и АЭС.

Авторы выражают признательность коллегам по кафедре паровых и газовых турбин МЭИ, принявшим участие в обсуждении рукописи данной работы.

5

1. НАЗНАЧЕНИЕ НАСОСОВ В ТЕПЛОВЫХ СХЕМАХ АЭС

В энергетических установках с реакторами с водяным теплоносителем важнейшую роль в технологическом цикле преобразования внутриядерной энергии в электрическую играют процессы теплопередачи, тепло- и массопереноса, осуществляемые с помощью циркулирующих потоков воды. О масштабах этих потоков можно судить по таким цифрам: общий объем контура многократной принудительной циркуляции энергоблока с реактором РБМК-1000 составляет около 1 200 м3; расход воды, циркулирующей в первом контуре ВВЭР-1000, составляет 80 000 м3/ч, а расход воды в системе технического водоснабжения 200 000 м3/ч.

Движение таких больших потоков воды по многочисленным, в основном замкнутым, контурам со сравнительно большими скоростями осуществляется с помощью насосного оборудования, установленная мощность которого достигает 12% от мощности энергоблока, а потребляемая энергия составляет от 70 до 90% энергии, расходуемой на собственные нужды АЭС. В энергоблоке с реактором РБМК-1000 установлено 480 единиц насосного оборудования 111 типоразмеров. Удельные расходы технической воды на АЭС в 1,5–2 раза больше, чем на ТЭС. Те или иные нарушения потоков, или отклонения их параметров от требуемых значений приводят в лучшем случае к снижению экономичности блока, а чаще создают аварийные ситуации. Внеплановые простои АЭС мощностью 1 000 МВт в течение одного дня обходятся государству в сотни тысяч рублей, а ущерб, связанный с недодачей в сеть 1% электроэнергии из-за неоптимальных режимов работы агрегатов АЭС, составляет около 3 млн руб. в год.

Однако как бы ни были впечатляющи экономические оценки, главное внимание при строительстве и эксплуатации АЭС уделяется проблеме ядерной и радиационной безопасности. Это вызвано тем, что ядерная энергия – потенциально наиболее опасный вид энергии из всех известных человечеству. Насосное оборудование АЭС выполняет технологические функции, непосредственно связанные с обеспечением ядерной и радиационной безопасности: с одной стороны, отказы некоторых насосов могут вызвать крупные аварии, а с другой – насосы являются важнейшими элементами различных систем безопасности.

6

Таким образом, при создании насосного оборудования для АЭС на первый план выдвигаются требования надежности как на расчетных, так и на переходных режимах, включая аварийные. Эти требования в сочетании с особенностями эксплуатации, а также с другими требованиями, накладываемыми радиоактивностью первого контура, выделяют насосы АЭС в самостоятельную отрасль насосостроения.

С точки зрения надежности насосы относятся к оборудованию с активным принципом действия, т.е. к оборудованию, сложному по конструкции и взаимосвязанному с другими устройствами, от которых зависит его работоспособность. Проблемы обеспечения надежности такого оборудования особенно сложны и актуальны.

Успешное развитие насосостроения для ядерной энергетики невозможно без привлечения специалистов, владеющих не только методами гидравлических, прочностных и вибрационных расчетов, но и знакомых с основами ядерной энергетики. От специалистов, разрабатывающих насосное оборудование для АЭС, требуется понимание роли и назначения каждого типа насосов в общей системе атомной электростанции, их взаимосвязи и взаимодействия с другими агрегатами. Это необходимое условие создания надежных насосов, удовлетворяющих высоким требованиям, предъявляемым к оборудованию в ядерной энергетике.

Насосные агрегаты, обеспечивающие нормальный пуск, длительную эксплуатацию, плановый и аварийный останов энергоблока, принято называть основными насосами АЭС. К конструкциям этих насосов предъявляется ряд дополнительных требований:

–обеспечивать надежность и долговечность при заданных энергетических и кавитационных характеристиках;

–обеспечивать полную герметичность неподвижных стыков и минимальные протечки через уплотнения;

–сохранять удовлетворительное вибрационное состояние при всех режимах работы;

–обеспечивать свободное температурное расширение отдельных узлов и деталей без нарушения их взаимной центровки;

–обладать минимальным количеством деталей при обеспечении их быстрой замены, т. е. обладать высокой ремонтопригодностью;

–быть удобными в монтаже, демонтаже и обслуживании;

–обеспечивать периодический контроль качества металла корпусных деталей в процессе эксплуатации;

7

–материалы проточной части должны быть стойкими в радиоактивных жидкостях и допускать дезактивацию щелочными и кислотными растворами;

–обеспечивать высокую степень автоматизации и дистанционного управления;

–обеспечивать безопасную эксплуатацию при всех режимах работы. Далее будут рассматриваться конструкции и назначение основных

насосов для отечественных одно- и двухконтурных АЭС с реакторами типа РБМК и ВВЭР.

Насос предназначен для преобразования механической энергии привода в энергию перекачиваемой жидкости. Насос и приводной двигатель, соединенные между собой муфтой, представляют собой насосный агрегат. В отдельных насосных агрегатах между насосом и приводным двигателем устанавливается гидравлическая муфта с мультипликатором, обеспечивающая плавное регулирование частоты вращения вала насоса. Другим вариантом изменения частоты вращения вала насоса является частотно-регулируемый привод (ЧРП). Это система управления частотой вращения ротора асинхронного (или синхронного) электродвигателя. Изменение частоты вращения ротора насоса позволяет регулировать производительность насоса.

Некоторые типы насосных агрегатов комплектуются индивидуальной маслоустановкой, обратным клапаном, устанавливаемым на напорном патрубке, защитной сеткой на входе в насос, системами рециркуляции, контроля и автоматического управления. Система рециркуляции предназначена для обеспечения длительной работы насоса при закрытой задвижке на напорной линии насоса; она состоит из дросселирующего устройства, регулирующего вентиля с электроприводом и трубопроводов.

Кроме того, в пределах фундаментной плиты насосы могут комплектоваться трубопроводами, теплообменниками и арматурой, объединенными в отдельные внешние специальные системы, обеспечивающие нормальную работу концевых уплотнений вала, упорно-опорных подшипников и разгрузочных устройств.

В каждой конструкции центробежных насосов можно выделить основные элементы, которые определяют экономичность и надежность их работы в системах АЭС: проточные части, разгрузочные устройства, концевые уплотнения и опоры ротора.

8

Проточные части насосов предназначены для преобразования механической энергии вращения ротора в энергию перекачиваемой жидкости таким образом, чтобы гидравлические потери, радиальные и осевые силы, подпор на входе в насос и пульсации давления были минимальными. В состав проточных частей входят подводы, рабочие колеса и отводящие устройства.

Подводы предназначены для создания перед рабочим колесом первой ступени равномерного и осесимметричного поля скоростей жидкости. Подводы выполняются в виде конфузорного осевого патрубка, изогнутого колена, кольцевой или полуспиральной камеры.

Рабочие колеса предназначены для увеличения энергии жидкости. Кроме того, рабочие колеса первой ступени, например, должны обладать высокой всасывающей способностью. Рабочие колеса выполняются центробежными с односторонним или двусторонним входом, диагональными и осевыми.

Отводящие устройства частично преобразуют кинетическую энергию потока жидкости, выходящего из колеса, в потенциальную энергию давления. В многоступенчатых насосах отводящие устройства выполняют функции подводов к последующим рабочим колесам; в основном, именно они определяют конструкцию проточной части и насоса в целом. В качестве отводящих устройств применяются спиральные двухзавитковые улитки, направляющие (выправляющие) аппараты, запрессованные в секции, и составные отводы, включающие направляющие аппараты и кольцевые камеры различных форм.

Между неподвижными элементами и вращающимися рабочими колесами проточных частей устанавливаются передние и задние щелевые уплотнения, предназначенные для уменьшения внутренних перетоков.

Разгрузочные устройства предназначены для уравновешивания осевой силы. В многоступенчатых насосах с односторонним расположением рабочих колес осевое усилие уравновешивается с помощью

гидравлической пяты или разгрузочного поршня.

Назначение концевых уплотнений – уменьшение внешних протечек по валу насоса. В насосах АЭС применяются сальниковые, щелевые, плавающие, торцовые механические и гидростатические уплотнения. Выбор типа уплотнения определяется условиями работы насоса в системах АЭС.

9

Опоры ротора воспринимают радиальные и осевые силы. В насосах АЭС применяются радиальные подшипники скольжения, смазывающиеся маслом или водой, и радиальные подшипники качения. Упорные подшипники, воспринимающие осевые силы, выполняются в виде сегментных гидродинамических подшипников скольжения или упорных шарикоподшипников.

По назначению центробежные насосы АЭС с водным теплоносителем можно разделить на несколько групп, первого и второго контуров, продувки-подпитки и расхолаживания, систем аварийного охлаждения и локализации аварий, водоснабжения, маслообеспечения и насосы общестанционных установок и цехов.

Наряду с центробежными лопастными насосами на АЭС используются струйные насосы. Эжекторы подсоединены к последним камерам концевых уплотнений турбин для отсоса паровоздушной смеси. В конденсаторах эжекторы используются для отсоса неконденсирующихся газов.

В зависимости от конструкции насосы АЭС можно разделить на два класса. Первый класс – специальные насосы первого и второго контуров и их основных систем. Ко второму классу относится насосное оборудование общепромышленного исполнения. Принадлежность насосов к тому или иному классу определяется генеральным проектировщиком АЭС при выдаче задания на проектирование насосов.

1.1.Применение насосов в двухконтурной схеме АЭС

среактором ВВР-1000

На рисунке 1.1 приведена принципиальная тепловая схема двухконтурной АЭС с водо-водяным реактором типа ВВЭР и расположение главного циркуляционного насоса (ГЦН) и питательного насоса (ПН) в тепловой схеме. Несколько большая группа насосов показана на рис.1.2.

Кроме ГЦН и ПН здесь приведены насос низкого давления, насос высокого давления и подпиточный насос.

10