Насосы С11АЭ,11МТ,11ТС / 11-ТС / 2.Ксерокопии книг / 03.Книга.ГЦН_АЭС

-допускал реверс, если он не исключен схемными или конструкционными решениями;

-расходовал минимальное количество смазочно-охлаждающей или вывешивающей (для гидростатических подшипников) жидкости;

-допускал ремонт при минимальных затратах труда и времени.

Особо следует оговорить требование исключения попадания смазывающих и охлаждающих жидкостей (и даже их паров в случае реакторов с натриевым теплоносителем) в основной контур циркуляции, вытекающее из условия сохранения работоспособности активной зоны.

Конструкция ГЦН должна гарантировать отсутствие протечек наружу радиоактивного теплоносителя и газа из системы поддавливания (поскольку газ также «загрязнен»). Поэтому особое внимание уделяют неподвижным соединениям, например между выемной частью ГЦН и его баком (корпусом), и уплотнению вращающегося вала. В первом случае задача решается достаточно просто, поскольку в машиностроении известно большое разнообразие надежных прокладочных и беспрокладочных соединений. Более сложно и конструкционно, и технологически решается задача уплотнения вращающегося вала (см. гл. 3). Заметим, что уплотнения вала натриевых насосов должны допускать вакуумирование рабочей полости ГЦН.

Насосы должны допускать полный дренаж теплоносителя (свободным сливом или выдавливанием газом). Для этого в заполняемой теплоносителем части насоса необходимо исключать «карманы», в которых мог бы остаться теплоноситель, шлам и другие плотные отложения. Важность этого требования обусловливается тем, что даже следы радиоактивного теплоносителя на оборудовании требуют достаточно громоздких защитных устройств при проведении ремонтных работ, а наличие полостей с плохо удаляемым теплоносителем усложняет процесс дезактивации.

Механический насос при наличии неуравновешенных вращающихся масс, гидравлических сил в проточной части, из-за расцентровки валов насоса и электродвигателя и т. п. может стать источником вибрации. Поэтому при проектировании должны предусматриваться меры, обеспечивающие приемлемое колебание насосного агрегата по частоте и амплитуде. Для машин подобного класса вибрация считается допустимой при двойной амплитуде смещения 100 мкм в области верхнего подшипника электродвигателя. Фактически на отечественных насосах реакторов ВВЭР, РБМК и БН она составляет 40-60 мкм. Этому в большой степени способствуют повышенные требования, предъявляемые к фундаменту (опорной плите). Допускаемая амплитуда колебаний насоса от деформаций опорной плиты определяется согласно соответствующим нормам. Например, для насосов реактора РБМК амплитуда колебаний перекрытия около фундаментных шпилек составляет 10-20 мкм.

21

В настоящее время ГЦН в целом не обеспечивает ресурса на все время работы АЭС (30-40 лет). Поэтому при разработке конструкции предусматривается замена отдельных сборок, узлов, элементов. При этом важно правильно оценить и учесть те конкретные условия, в которых будет проводиться эта замена. Только в этом случае можно обеспечить и оптимальную технологию работ по замене, и разработку соответствующей оснастки.

Требуемый ресурс ГЦН закладывается на стадии проектирования. Контрольная проверка при этом осуществляется в три этапа.

Первый этап – предварительная сравнительная оценка надежности различных вариантов конструкции, в результате которой из них выбирается оптимальный.

Второй этап – анализ надежности оптимального варианта конструкции. Если надежность ее соответствует заданным требованиям, то можно начинать изготовление опытного образца, если же нет – надо искать пути повышения надежности до требуемого уровня. Тщательный и добросовестный контроль на первом и втором этапах позволяет добиться значительного повышения надежности до начала изготовления.

На третьем этапе проводятся испытания опытных образцов - данные сопоставляются с результатами анализа. При необходимости в чертежно-техническую документацию вносятся изменения, повышающие надежность конструкции.

Следовательно, если первые два этапа показывают, что проектирование идет правильно, третий этап обычно подтверждает это. Проверка надежности на всех трех этапах исключает возможность выпуска некачественных ГЦН, заблаговременно выявляет дефекты конструкции, которые могут проявиться при эксплуатации и повлиять на ресурс.

Насосы, предназначенные для работы с жидкометаллическими теплоносителями, кроме перечисленных выше проектных требований должны отвечать ряду специфических требований. Все элементы насоса, контактирующие при работе с теплоносителем, должны прогреваться перед заполнением циркуляционного контура. Если прогрев в составе установки не обеспечивается, то необходимо предусмотреть греющие устройства. Одним из специфических требований является защищенность конструкции от вредного влияния паров металла, которые, проникая в мельчайшие зазоры, оседают на холодных стенках и, в принципе, могут затруднять работу соответствующих узлов ГЦН и его вспомогательных систем. Для предотвращения этого крайне неприятного явления необходимо либо защищать соответствующие элементы, либо повышать температуру их поверхностей, чтобы исключить оседание паров теплоносителя.

Технологические требования. Конструкция насоса должна отвечать целому ряду технологических требований. Без их соблюдения не может быть гарантировано качество изготовления, а следовательно, ресурсные и другие характеристики ГЦН. Различают две

22

группы требований. Одну из них составляют требования, определяющие рациональность принятых конструкционных решений в отношении технологичности, а именно:

-рациональный выбор материала;

-выбор простейших геометрических форм деталей;

-оптимальный выбор баз, системы простановки размеров их предельных отклонений, допусков формы и расположения поверхностей и шероховатости поверхности деталей;

-унификация элементов конструкции узлов, их материала;

-простота сборочно-компоновочной схемы;

-возможность наиболее полной дезактивации всех поверхностей насоса;

-обеспечение контроля чистоты внутренних полостей насоса при его изготовлении и монтаже.

Несоблюдение последнего требования может приводить к тяжелейшим последствиям, вплоть до полного вывода из строя ГЦН при заклинивании вала в результате попадания посторонних предметов (сварочного грата, остатков электродов и т. п.). Это требование в равной степени относится и к качеству монтажных работ обслуживающих ГЦН систем. Монтаж должен вестись по заранее разработанной технологии, увязанной с технологией монтажа реакторной установки в целом. Немаловажное значение имеет достаточная подготовленность помещений к монтажу (чистота, освещенность и т. п.). За качеством монтажа должен осуществляться непрерывный контроль представителями авторского надзора и инженерно-техническими специалистами строящейся АЭС. Такой комплекс мероприятий гарантирует не только высокое качество монтажа и чистоту контура, но и обеспечивает успешное завершение последующих мероприятий по вводу ГЦН в эксплуатацию.

Вторую группу составляют требования, относящиеся к основным показателям технологичности:

-трудоемкость изготовления изделия, и в первую очередь в сравнении с имеющимися прототипами;

-преемственность конструкционно-технологических решений;

-технологическая себестоимость изделия; технические и технико-экономические показатели.

Следует учитывать, что анализ не может быть абстрактным. Разрабатываемый проект ГЦН обычно ориентируется на вполне определенный завод-изготовитель, на его производственные возможности, которые таким образом оказывают существенное влияние на решение вопроса о технологичности конструкции.

Эксплуатационные требования. Основным эксплуатационным требованием, предъявляемым к ГЦН, является высокая ресурсная надежность.

23

Надежность ГЦН проверяется окончательно при функционировании АЭС. Этому ответственному моменту предшествуют пусконаладочные работы, холодное опробование каждого насоса в отдельности и всех вместе и затем их горячая обкатка. В этот период выявляются возможные недочеты в конструкции или не предусмотренные при проектировании режимы. Как и все оборудование, расположенное в необслуживаемой при работе реактора зоне, ГЦН должны надежно и устойчиво работать при параметрах окружающей среды, характерных для мест их расположения, без всякого вмешательства обслуживающего персонала в течение длительного времени, равного, по меньшей мере, периоду между плановыми остановками реактора. Это требование предопределяет наличие минимально необходимого дистанционного контроля за эксплуатационными параметрами, достаточно полно характеризующими режим работы насосного агрегата (напор, подача, частота вращения, температура подшипниковых опор и уплотнений, наличие смазки и т. п.). Радиоактивность теплоносителя, поверхностные загрязнения внутренних поверхностей активными продуктами коррозии, размещение в защитных боксах практически исключают возможность ремонта насосных агрегатов с заходом персонала в помещение. В этом случае потребовалось бы недопустимо много времени и средств для ликвидации любой более или менее серьезной неисправности, так как определяющей операцией была бы дорогостоящая дезактивация контура. В связи с этим к конструкции ГЦН предъявляется требование обеспечения замены элементов проточной части и отдельных узлов ходовой части без резки циркуляционных трубопроводов с минимальным временем нахождения ремонтного персонала вблизи ремонтируемого насоса.

Фактическая наработка на отказ ГЦН в настоящее время существенно превышает 20000 ч, обычно предусматриваемых техническим заданием. Так, наработка ГЦН реактора БН-350 превышает 70000 ч, реакторов ВВЭР-440 – 60000 ч, реакторов типа РБМК – 65000 ч. Технически обоснованный срок работы корпусных конструкций ГЦН должен совпадать со сроком «жизни» АЭС. Желательно проектировать ГЦН так, чтобы замена отдельных узлов могла проводиться силами эксплуатационного персонала в период плановопредупредительных ремонтов (ППР). Следует иметь в виду, что любая непредусмотренная остановка насоса, вызывающая либо снижение мощности АЭС, либо остановку реактора, обходится весьма дорого. Согласно [2], потери от простоя ЯЭУ электрической мощностью 1000 МВт составляет ежесуточно 75000 долл. Если учесть тенденцию роста мощности реакторов АЭС, то следует в дальнейшем ожидать только увеличения ущерба от незапланированных остановок ГЦН.

Таким образом, ремонтопригодность ГЦН как основная составляющая надежности входит в число его главных эксплуатационных показателей. Хорошая

24

ремонтопригодность насосного агрегата и оптимизация регламента ППР позволяют сократить время на его обслуживание. Следовательно, очень важно при проектировании ГЦН достаточно полно и точно учесть все особенности работы ГЦН, которые могут иметь место при эксплуатации и отражаться на сроках проведения ППР. К ним следует отнести диапазоны и скорости изменения температуры и давления, частоту и количество этих изменений за период эксплуатации, температурные перемещения примыкающих конструкций, требования по сейсмостойкости и т. п.

Стабильная работа насосных агрегатов в большой степени зависит от надежности обслуживающих (вспомогательных) систем. Наиболее привлекательным решением было бы исключение вспомогательных систем, однако это нереально. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы число их было минимальным, а при конструкционном оформлении исходить из соображений максимальной надежности этих систем, уменьшения числа входящих в них узлов и деталей, компактности компоновки, удобства обслуживания.

Очевидно, первоочередной следует считать задачу сведения к минимуму числа незапланированных остановок насоса. Такие отключения ГЦН могут происходить по ложным сигналам автоматической системы защиты реактора (СУЗ) и защиты самого насоса. Основной причиной появления этих сигналов является неисправность первичных датчиков, что свидетельствует о необходимости максимального сокращения контрольноизмерительной аппаратуры, устанавливаемой на насосе и обслуживающих его системах; применения надежных первичных датчиков; выполнения схем аварийного отключения и блокировок, не приводящих к остановке насосов по ложному сигналу (применение схем сравнения и др.).

Привод ГЦН должен обеспечивать возможность либо ступенчатого, либо плавного изменения частоты вращения вала. В качестве привода обычно используются асинхронные электродвигатели переменного тока негерметичного исполнения. При этом плавное регулирование частоты вращения может быть осуществлено с помощью частотного регулирования или другими более сложными способами (например, при использовании «фазного» ротора в насосах реактора БН-600 или гидромуфты в насосах реактора PFR). Ступенчатое регулирование может достигаться либо изменением числа пар полюсов, либо благодаря наличию второй обмотки статора (две ступени частоты вращения).

В ряде случаев (особенно для реакторов БН) требуется замедление падения частоты вращения ГЦН (а, следовательно, и циркуляции теплоносителя) при обесточивании их привода. Поскольку выбег насоса определяется моментом инерции вращающихся частей,

25

то в этом случае он искусственно увеличивается путем навешивания на вал дополнительных масс.

В насосах для жидкого металла схема маслохозяйства и приборы контроля уровней масла должны позволять персоналу АЭС вести строгий учет его количества в маслосистеме.

Имеются и другие требования, перечисление которых нецелесообразно, так как выполнение их специально оговаривается в техническом задании на разработку ГЦН с учетом особенностей первого контура АЭС (например, необходимость антиреверсивного устройства, ремонтного уплотнения и т. п.). Отметим только, что ГЦН независимо от типа и назначения являются уникальными изделиями, создание которых в каждом случае требует разработки своих всеобъемлющих технических условий, а их конструкция в обязательном порядке должна соответствовать общим требованиям, предъявляемым к оборудованию АЭС [3].

26

Г л ав а 2

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СХЕМЫ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

2 . 1 . ГЕРМЕТИЧНЫЕ ВОДЯНЫЕ НАСОСЫ

Вводо-водяных реакторах первых АЭС в основном использовались центробежные циркуляционные электронасосы. Рабочие органы этих насосов и электродвигателей размещались в общем герметичном корпусе. По условиям компоновки и удобства проведения монтажно-демонтажных работ распространение получили герметичные электронасосы вертикального исполнения. Герметичные электронасосы можно разделить на три класса [1] :

- с герметичной статорной полостью (с «сухим» статором); - с «мокрым» статором; - с газовой подушкой.

Вэлектронасосах с герметичной статорной полостью (рис. 2.1) тонкостенная металлическая немагнитная цилиндрическая перегородка 7 разделяет статорную и роторную полости асинхронного электродвигателя, поэтому статор двигателя защищен от попадания в него перекачиваемого теплоносителя и находится в среде атмосферного воздуха или инертного газа. Ротор же вращается в подшипниках 3 и 5, смазываемых и охлаждаемых тем же теплоносителем. Достоинства таких насосов следующие [2]:

обеспечивается герметичность по отношению к внешней среде и полная взрыво - и пожаробезопасность;

возможно применение из-за наличия герметичной перегородки обычных материалов для статора (трансформаторное железо, изоляционные материалы и др.);

в случае автономного питания подшипников электронасосу не опасны твердые частицы и другие инородные включения, которые могут присутствовать в теплоносителе;

усилия на осевой подшипник не изменяются при изменении давления на всасывании. Надежность электронасосов с «сухим» статором определяется надежностью

перегородки, условия работы которой довольно сложны. Неправильно выбранные размеры перегородки при колебаниях температуры и давлении могут привести к изменению

формы и образованию продольных или поперечных гофр, и в конечном итоге к выходу насоса из строя. Кроме того, они имеют сравнительно низкий КПД (около 60%) из-за большого радиального зазора между статором и ротором, электрических потерь в рубашке

ипотерь на трение ротора о жидкость.

Известны также электронасосы с электромагнитной муфтой, но мощность их не превышает 20 кВт, что не позволяет реализовать эти проекты в ЯЭУ.

27

Рис. 2.1. Схема герметичного электронасоса с герметичной статорной полостью:

1 – всасывающий патрубок; 2 – рабочее колесо; 3, 5 – радиальные подшипники; 4 – статор электродвигателя; 6 – осевой подшипник; 7,8 – экранирующая перегородка статора и ротора соответственно; 9,10 – системы охлаждения; 11 – напорный патрубок

Рис. 2.2. Схема герметичного насоса с мокрым низковольтным двигателем и понижающим трансформатором:

1 – короткозамыкающее кольцо стержневой обмотки статора электродвигателя; 2 – стержень обмотки статора электродвигателя; 3 – подшипники; 4 – обмотка статора преобразователя; 5 – стержень обмотки вторичной стороны преобразователя; 6 – короткозамыкающее кольцо стержневой обмотки вторичной стороны преобразователя; 7 – электроввод статора преобразователя; 8 – статор преобразователя; 9 – вторичная сторона статора преобразователя; 10 – уплотнение стержней; 11 – статор электродвигателя; 12 – ротор с короткозамкнутой обмоткой

В электронасосах с «мокрым» статором герметичная цилиндрическая перегородка отсутствует, а перекачиваемый теплоноситель заполняет всю внутреннюю полость электродвигателя, в том числе и статорную. Железо ротора и статора, а также обмотка статора должны иметь водостойкую изоляцию, способную сохранять свои свойства под воздействием изменяющихся условий работы, а также в случае загрязнения обмотки радиоактивными продуктами деления. Наружный корпус двигателя и электровводы — прочноплотные, рассчитанные на рабочее давление. КПД двигателя с мокрым статором на 5—10% выше, чем двигателя с сухим статором [3].

28

Известна и другая схема электронасоса этого типа — с понижающим трансформатором (преобразователь фаз и напряжения) в едином блоке с асинхронным низковольтным электродвигателем и гидравлической частью насоса (рис. 2.2). В этом случае обмотка статора 11 питается пониженным напряжением трансформатора, обычно располагаемого над статором и не имеющего высоковольтной изоляции. Статор находится в воде в тех же условиях, что и ротор, который вместе с расположенным на его валу рабочим колесом вращается в подшипниках, смазываемых перекачиваемым теплоносителем. Такая схема отличается от предыдущей тем, что малое напряжение, подаваемое на обмотку статора электродвигателя от трансформатора, допускает работу обмотки статора без изоляции. В сравнении с электронасосом с сухим статором этот электронасос также имеет более высокий КПД и большую надежность из-за отсутствия статорной перегородки. Обмотка трансформатора вынесена в атмосферу и, естественно, выполняется по обычной технологии, а это значит, что она не загрязняется продуктами радиоактивного распада и доступна для контроля и ремонта. Такие электронасосы широкого распространения не получили из-за сравнительно больших габаритных размеров (трансформатор расположен над электродвигателем) и необходимости разработки высоконадежной конструкции уплотнения стержней (обмотки) статора собственно электродвигателя, что является сложной технической задачей [3] .

В зависимости от условий компоновки двигатель в герметичных электронасосах может размещаться в верхней или нижней части конструкции. Когда двигатель расположен снизу, в нем исключаются застойные зоны, где могут выделяться пар и газ, но возникают неудобства при монтаже и демонтаже. Кроме того, необходимо предусматривать меры для удаления возможного скопления различных взвесей из нижней части двигателя. При размещении двигателя сверху требуется удаление скапливающегося газа из верхней части насоса.

На рис. 2.3 представлены возможные принципиальные схемы герметичных электронасосов с газовой подушкой над уровнем перекачиваемого теплоносителя. Опоры насоса (рис. 2.3, а) вынесены в газовую полость, и поэтому используются шариковые подшипники или подшипники с газовой смазкой. Газовая подушка предохраняет статор и ротор электродвигателя от заполнения теплоносителем, но не защищает эту полость от его паров, что может быть причиной повреждения изоляции обмотки статора. Если организовать циркуляцию газа из полости электродвигателя в полость насоса, можно уменьшить количество проникающих паров (рис. 2.3, б). В этом случае нижний радиаль-

На II блоке Нововоронежской АЭС на одной из восьми петель опытный образец такого насоса успешно эксплуатируется с 1967 г.

29

ный подшипник 13 газостатического типа служит одновременно и уплотнением. Во всех случаях уровень теплоносителя 3 должен поддерживаться в определенном диапазоне.

Применение газостатических подшипников исключает радиационное разложение смазки, а защитный экран предохраняет персонал от ионизирующего воздействия среды. Создать работоспособный осевой подшипник на газовой смазке из-за наличия в электронасосах значительных осевых сил технически трудно, поэтому он может быть выполнен гидростатическим или гидродинамическим с собственной системой смазки (например, масляной) (рис. 2.3, в), и тогда верхний радиальный подшипник 15 также будет являться своего рода уплотнением, препятствующим диффузии паров этой смазки в полость электродвигателя.

КПД герметичных электронасосов с газовой подушкой несколько выше, чем при использовании конструкции с мокрым статором, за счет уменьшения потерь на дисковое трение. Основной недостаток таких электронасосов — сложность поддержания уровня, так как необходимо следить за давлением в газовой полости и поддерживать его при изменении режима, что требует введения автоматической системы и, естественно, усложняет обслуживание насоса.

Рис. 2.3. Схема герметичного электронасоса с газовой подушкой (а), с газовой подушкой и принудительной циркуляцией газа (б) и с газовой подушкой, принудительной

циркуляцией газа и подачей жидкости к осевому подшипнику (в):

1, 6— всасывающий и напорный патрубок соответственно; 2 — рабочее колесо; 3 — уровень теплоносителя; 4— статор электродвигателя; 5 — системы охлаждения; 7, 12— патрубки для выхода и входа инертного газа; 8 — биологическая защита; 9 — гибкая диафрагма; 10 — осевой подшипник; 11 — ротор; 13,15 — нижний и верхний радиальный подшипник соответственно; 14 — уплотнение

30