Насосы С11АЭ,11МТ,11ТС / 11-МТ / 2.Ксерокопии книг / 03.Книга.ГЦН_АЭС
.pdf
Рнс. 4.2. Схема системы автономного охлаждения и газоудаления (а) и газоудаления (б) герметичного ГЦН:
1 — центральное отверстие; 2, 11— дроссельные отверстия; 3, 9 — нижний и верхний радиальные подшипники; 4 — ротор, 5— рубашка; 6 — статор, 7 — автономный холодильник. 8 — вход и выход охлаждающей поды; 10 — насос-пята; 12— полость — сборник газа; 13, 16 — трубопроводы газоудаления; 14 — эжектор; 15 — трубопровод подачи контурной воды
материалов, неработоспособных при высокой температуре, приводит к необходимости предусматривать в этих насосах эффективную систему теплоотвода. На рис. 4.2, а показана возможная схема охлаждения, циркуляция в которой обеспечивается насосомпятой 10 или установленным на валу специальным импеллером. Тепло от холодильника 7 отводится технической водой, водой промежуточного контура и т. п.
Циркуляцию охлаждающей воды можно организовать и за счет напора, создаваемого собственным рабочим колесом ГЦН, исключив из конструкции насос-пяту (импеллер). В этом случае холодильник 7 должен быть рассчитан на съем тепла, поступающего с контурной водой и выделяющегося в электродвигателе.
Эффективность любой схемы охлаждения зависит от надежности газоудаления из верхней части ГЦН. Выделяющиеся из теплоносителя газы образуют подушку в полости верхнего радиально-осевого подшипника, в результате чего происходит ухудшение циркуляции охлаждающей воды, а то и полное ее прекращение. В герметичных ГЦН применяются два способа газоудаления:
131
роторная полость через отверстие 2 (рис. 4. 2, а ) соединяется с напором рабочего колеса, а полость 12 через отверстие 1— с его всасыванием. Если выбрать должным образом проходные сечения отверстий 2 и 11, то можно организовать постоянную циркуляцию части теплоносителя от насоса-пяты через подшипники и холодильник. Другая часть воды через отверстие 1 будет постоянно поступать на всасывание рабочего колеса. Располагая отверстие 11 на некотором расстоянии от всасывания насоса-пяты, можно ограничить объем газовой подушки, и скапливающийся газ будет выводиться на всасывание ГЦН вместе с циркулирующей водой;
на байпасной ветке располагается насос-эжектор (рис. 4.2 б ) . Эжектор 1 4 работает на контурной воде, поступающей с напора рабочего колеса ГЦН. Схема, безусловно, сложнее первой, а ее надежность зависит полностью от эффективности эжектора. Применение данной схемы целесообразно в тех случаях, когда нет возможности создать минимальное сопротивление трассы слива между полостью 12 и всасыванием рабочего колеса.
При использовании любой из рассмотренных схем газоудаления важно обеспечить ее функционирование при минимальной циркуляции горячей воды через насос, так как необходимость постоянного ее охлаждения не только влияет на КПД ГЦН, но и снижает его надежность. Ограничение циркуляции достигается за счет установки соответствующего дросселя в отверстие 2 или 11. Влияние газов на работоспособность герметичного ГЦН можно полностью исключить, расположив проточную часть над электродвигателем, что, однако, затрудняет обслуживание последнего.
4 . 3 . ОБ СЛ УЖ И ВА Ю ЩИЕ С И СТ ЕМЫ В О ДЯ Н Ы Х Н А С О СОВ С УП ЛО ТНЕ НИ Е М В АЛ А
4 . 3 . 1 . МАСЛЯНАЯ СИСТЕМА Выбор системы маслоснабжения подшипников — важный этап проектирования опор
скольжения, так как надежность маслоснабжения в большей мере определяет надежность наcoca, а следовательно, и установки в целом. Прекращение подачи смазки при номинальной частоте вращения вала за несколько секунд приводит к расплавлению баббита в подшипниках и последующему задеванию вала об элементы уплотнения рабочего колеса, что может быть причиной растрескивания шейки вала и повреждения проточной части насоса. Тяжелые последствия такой аварии требуют повышенной надежности обеспечения подачи масла в подшипники на всех режимах.
Существует большое разнообразие схем маслоснабжения, различающихся типом применяемых вспомогательных насосов, степенью централизации. В качестве характерной системы рассмотрим масляную систему насосов реактора типа РБМК
132
Рис. 4.3. Схема масляной системы насосов реактора РБМК:
1 — |
маслонасос; 2 — холодильник; 3 — фильтр грубой очистки; 4 — |
фильтр тонкой очистки; 5 — |
байпас; |
||
6 — |
раздающий коллектор; |
7, 12— запорные вентили; |
8 — перепускная труба; 9 — напорный бачок; |
||
10— |
сливной коллектор; 11 — |
циркуляционный бак; р — |
давление; |
∆р — перепад давления; G — |
подача; |
Т — |
температура |
|
|
|
|
(рис. 4.3). Она обеспечивает не только подачу турбинного масла в верхние подшипники насосов, но также заполнение масляных ванн подшипниковых узлов электродвигателей. Вынесенная масляная система выполнена общей на четыре насоса. Масло из циркуляционного бака 11, способствующего отстаиванию механических частиц и пены, маслонасосами 1 подается через холодильник 2 и фильтры грубой очистки 3 в раздающий коллектор 6. От раздающего коллектора оно поступает к каждому насосу через вентиль 7, расходомерную шайбу и напорный бачок 9. Напорный бачок служит для обеспечения подачи масла в радиально-осевой подшипник ГЦН на период выбега в аварийных ситуациях, связанных с отключением маслосистемы (например, при обесточивании). При нормальной работе масляных насосов через бачок осуществляется непрерывная циркуляция масла. При этом бачок полностью заполнен и находится под давлением, приблизительно равным давлению в полости подшипникового узла. В случае отказа масляных насосов срабатывает автоматика, и ГЦН отключается. Масло под действием перепада давления стекает из бачка в полость верхнего подшипникового узла, обеспечивая тем самым охлаждение и смазку рабочих поверхностей трения при выбеге насоса. Время истечения масла из масляного бачка около 180 с (время выбега насоса 150 с). Благодаря специально организованному подводу утечка масла из напорного бачка в обратную сторону, т. е. в масляную систему, исключается. Для предотвращения образования в верхней части бачка газовой подушки, а также вакуума (при опорожнении) предусмотрена перепускная труба 8 внутренним диаметром 6 мм, сообщающая верхнюю
133
полость бачка с атмосферой (трубопроводом свободного слива). Перепускная труба ввиду малого диаметра является одновременно гидравлическим сопротивлением (дросселем), ограничивающим утечку масла. Из насоса масло по трубопроводам верхнего и нижнего сливов направляется в сливной коллектор 10 и возвращается обратно в циркуляционный бак. Часть масла (около 10% общего расхода) поступает на фильтры тонкой очистки 4 и возвращается также в циркуляционный бак. При номинальном режиме, когда масло подается на четыре ГЦН, в работе находятся три маслонасоса, один холодильник, два фильтра грубой очистки и один фильтр тонкой очистки. На байпасе5 вентиль должен быть полностью закрыт. Масляная система заполняется от системы объекта открытием вентиля 12. Объем циркуляционного бака 11 выбирается с учетом требуемой кратности циркуляции, а напорного бачка 9 — из условия обеспечения подачи смазки на время выбега ГЦН при обесточивании. Все оборудование маслосистемы размещено в специальном помещении на 6 м ниже насосных.
Система маслоснабжения насосов реактора ВВЭР-440 состоит из двух масляных станций (маслоблоков), каждая из которых обеспечивает маслом три ГЦН и включает в себя один циркуляционный бак вместимостью 8 м3, три электронасоса, три фильтра, два холодильника, перепускной трубопровод и арматуру. В нормальном режиме работает один маслонасос с фильтром и холодильником. При отключении какого-либо из ГЦН происходит дистанционное закрытие одного из трех каналов, перекрывающих подачу масла в подшипники отключенного ГЦН, с одновременным автоматическим открытием клапана перепуска избыточного масла. Аналогично выполнена и масляная система насосов реактора ВВЭР-1000, с той лишь разницей, что предназначена она для обслуживания одновременно двух ГЦН.
Описанные маслосистемы располагаются в специальных обслуживаемых помещениях. Все оборудование и трубопроводы, за исключением маслонасосов и некоторой арматуры, выполнены из нержавеющей стали.
Основными недостатками общих (централизованных) систем являются: необходимость дополнительной отсечной арматуры на трубопроводах подачи масла на
случай ремонта какого-либо ГЦН; возможность загрязнения оборудования системы при проведении монтажных работ; сложность контроля и управления.
Этих недостатков в значительной степени можно избежать, выполняя маслосистему индивидуальной для каждого ГЦН. В этом случае все оборудование системы размещается на одном постаменте, т. е. скомпоновано в единый блок. Маслобак расположен непосредственно в помещении ГЦН и связан напорным и сливным трубопроводами с
134
соответствующим насосом. Такое компоновочное решение было принято для модернизированных ГЦН реактора РБМК.
В зарубежной практике все чаще используются индивидуальные встроенные системы смазки. При этом подшипник ГЦН снабжается всеми основными функциональными элементами системы (насосом, баком, охладителем), которые находятся в непосредственной близости от него в корпусе ГЦН и не требуют внешних маслопроводов. Аналогичное техническое решение было принято для верхнего подшипникового узла отечественного насоса реактора БОР-60 (см. гл. 5) и, как показала эксплуатация, вполне оправдало себя. Эта же концепция использована и при проектировании верхнего подшипникового узла насоса реактора БН-800 (рис. 4.4).
Циркуляция масла осуществляется вращением диска 4. Часть масла забирается из внутренней полости 2 после прохождения по поверхностям скольжения колодок 9 и диска 4 и попадает в периферийную полость 3, где находится холодильник 8. Другая часть масла забирается ребрами диска 4 из канавок радиального подшипника 7 и также выбрасывается в полость 3. После охлаждения в холодильнике 8 масло вновь разделяется на два потока: один направляется в козырьки 1 и далее во внутреннюю полость 2 ванны, другой — в верхнюю полость масляной ванны, где установлены козырьки 5 и горизонтальная перегородка 6. Пройдя под перегородкой, масло попадает в канавки радиального подшипника 7, замыкая циркуляцию. Далее цикл повторяется. Отсутствие разветвленной
Рис. 4.4. Схема масляной системы насосов реактора БН-800 (вариант):
1, |
5 — козырек; 2— внутренняя полость; 3 — |
периферийная полость; 4 — диск; 6— перегородка; |
7— |
радиальный подшипник; 8 — холодильник; 9 — |
колодка |
135
системы маслопроводов, бака большой вместимости и автономных масляных насосов позволяет повысить надежность ГЦН, а также снизить потенциальную возможность возникновения пожара.
В качестве недостатка такой компоновки можно отметить отсутствие эффективной фильтрации масла, вследствие чего оно быстро загрязняется. Поэтому данное решение приемлемо главным образом для ГЦН с небольшими нагрузками на осевой подшипник и малой быстроходностью.
4 . 3 . 2 . СИСТЕМА ПОДАЧИ ЗАПИРАЮЩЕЙ ВОДЫ Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации ГЦН на АЭС показывает,
что большинство вынужденных остановок блоков происходит из-за неисправностей уплотнения вала и отказа обслуживающих его систем [29, гл. 3]. Система запирающей воды уплотнения вала ГЦН представляет собой сложный комплекс, в который входят нормальная и аварийная системы подачи запирающей воды, контур охлаждения.
Система питания уплотнений с плавающими кольцами в силу их конструкционных особенностей, упоминающихся в гл. 3, является наиболее энерго- и металлоемкой. Рассмотрим ее состав и функционирование на примере ГЦН реактора РБМК. В уплотнение вала этого насоса необходимо подавать холодную очищенную запирающую воду в количестве до 25 м3/ч на один ГЦН при давлении 7,5—8,0 МПа. Предназначенная для этого система включает в себя контур запирающей воды, элементы регулирования перепада давления на двух нижних плавающих кольцах и аварийную газовую систему (АГС). Запирающая вода (рис. 4.5) из бака 10 двумя насосами 2 подается через один из мультигидроциклонов 1 и узел регулирования 15 в раздающий коллектор каждой насосной. От коллектора запирающая вода по трубопроводу 13 поступает в уплотнение вала, где разделяется на два потока (см. рис. 3.31). Часть воды через два нижних кольца уплотнения подается в контур многократной принудительной циркуляции (КМПЦ), предотвращая выход горячей радиоактивной воды в обслуживаемое помещение. Остальная часть воды дросселируется на семи кольцах уплотнения и по трубопроводу отвода запирающей воды 12 направляется под напором в общий сливной коллектор и затем в бак запирающей воды. Протечки через концевое торцовое уплотнение свободно сливаются по трубопроводу 11 в специальную сливную емкость.
Насос 2 запирающей воды — горизонтальный, центробежный, многоступенчатый, марки ЦН 100-900, с приводом от электродвигателя переменного тока мощностью 350 кВт. Номинальная подача составляет 100 м3/ч при напоре 950 м, частота вращения
3000 об/мин.
136
Рис. 4.5. Схема системы питания уплотнения плавающими кольцами:
1— мультигидроциклон; 2 — насос; 3 — баллон для воздуха; 4 — запорный вентиль; 5 — баллон гидравлический; 6 — группа редукторов; 7 — клапан с пневмоприводом; 8 — перепускная линия; 9 — баллон для воздуха; 10— бак; 11— слив перетечек после концевого уплотнения; 12— отвод запирающей воды; 13, 14— подвод запирающей воды; 15 — узел регулирования; 16 — байпас с дросселем; 17— задвижка; 18 — байпас мультнгндроциклонов; у — уровень жидкости
Мультигидроциклон 1 предназначен для очистки воды, подаваемой в уплотнение. Известные методы очистки с помощью фильтров и центрифуг различных конструкций имеют недостатки, из-за которых их использование в системе нецелесообразно. Это большие габаритные размеры фильтров на высокие расходы и требуемую степень очистки, необходимость периодического обслуживания фильтров, что является нежелательным фактором при наличии «грязных» осадков в них, сложность технологии изготовления фильтрующих элементов, наличие трущихся и изнашивающихся деталей в центрифугах.
Мультигидроциклон (рис. 4.6) практически избавлен от этих недостатков. Он состоит из двадцати отдельных гидроциклонов 5. Отделение механических частиц в гидроциклоне происходит под действием центробежных сил, возникающих при закручивании струи воды, входящей через отверстие 4 с определенной скоростью по касательной к цилиндрической его части. При этом частицы отбрасываются к стенке и через отверстие 6 в вершине конуса попадают в полость «грязного» слива. В центре вихря образуется зона очищенной жидкости, которая через патрубок 3 направляется в сборную камеру 2 чистом воды и далее в систему. Гидравлика потоков в гидроциклоне крайне сложна, что вызывает необходимость проведения испытаний гидроциклонов для каждого конкретного случая. В данной конструкции для обеспечения степени очистки 20—30 мкм перепад давления на
137
Рис. 4.6. Конструкция мультигидроциклона:
1 — корпус; 2— камера чистой воды; 3 — патрубок; 4 — входное отверстие; 5 — гидроциклон; 6 — сливное отверстие
гидроциклоне должен быть не менее 0,2 МПа. Номинальный расход воды при указанном перепаде составляет 150 м3/ч, а расход по трассе грязного слива 10—15% общего расхода.
Узел регулирования 15 (рис. 4.5) поддерживает требуемый перепад давления на двух нижних кольцах уплотнения и выполнен в виде двух параллельно работающих трубопроводов с регулирующей и запорной арматурой. В случае ошибочного закрытия арматуры на одном из них второй обеспечивает минимально необходимый расход запирающей воды. Контроль равномерности загрузки регулирующей арматуры осуществляется расходомерами-индикаторами. Для предотвращения работы регулирующей арматуры при повышенном перепаде давления она вводится в действие при давлении в КМПЦ не менее 3,5 МПа. При меньших давлениях питание уплотнений ГЦН проводится через байпас 16 с дроссельным устройством.
Аварийная газовая система обеспечивает питание уплотнений при кратковременном (3—4 мин) прекращении подачи запирающей воды, а также в режиме 3-минутного полного обесточивания. АГС включает в себя баллоны для воздуха 3 вместимостью 4 м3 и
138
рабочим давлением 20 МПа, гидравлические баллоны 5 вместимостью 6,8 м3 и рабочим давлением 10 МПа, группу редукторов 6 для поддержания постоянного давления газа, подаваемого в гидравлические баллоны, клапан 7 с пневмоприводом.
Пневматический распределитель, подающий воздух или газ в полость силового цилиндра клапана 7, снабжен электромагнитом, который при наличии напряжения поддерживает золотник распределителя в положении «закрыто». При аварийном обесточивании объекта, а также по сигналам снижения давления или расхода запирающей воды питание с электромагнита снимается, золотник распределителя под действием пружины перемещается в положение «открыто» и воздух из баллона 9 вместимостью 0,02 м3 открывает клапан 7. Газ из баллонов 3 через редукторы и пневмоклапан поступает в гидравлические баллоны и вытесняет воду через задвижки в раздающий коллектор запирающей воды. Если в течение 1 мин после открытия пневмоклапана параметры запирающей воды не восстановились, насосы автоматически отключаются и АГС обеспечивает питание их уплотнений на время выбега. Общая вместимость АГС равна
50м3.
Вцелях исключения заброса газа в первый контур при достижении нижнего уровня в гидравлических баллонах подается сигнал на закрытие задвижки 17 и клапана 7. Для предотвращения образования газовой подушки в гидравлических баллонах 5 при длительной эксплуатации системы предусмотрена постоянно включенная перепускная линия 8 с дроссельным устройством.
Практика показала, что поскольку кольца в уплотнении вала «плавают», т. е. работают с гарантированным радиальным зазором и разгружены от осевых сил, их выход из строя
при подаче в уплотнение запирающей воды в достаточном количестве маловероятен. Отказы в работе плавающих колец связаны в подавляющем большинстве случаев с отказами в системе питания уплотнения вала.
Рассмотрим теоретически возможные аварийные ситуации в системе питания уплотнения вала плавающими кольцами.
1. Разрыв трубопровода запирающей воды. При этом горячая вода из КМПЦ будет выходить в систему питания уплотнения вала. Вскипание воды начнется в рабочем зазоре плавающих колец при понижении давления до давления насыщенных паров, что приведет к выходу из строя плавающих колец (задирам и схватыванию), так как они неработоспособны в паровой среде. Нагрев уплотнения в этой ситуации до температуры 200—280° С нарушит герметичность концевого торцового уплотнения из-за разрушения резиновых элементов конструкции и износа пары трения, поскольку она тоже неработоспособна в паровой среде. Последствием разрушения концевого уплотнения
139
будет истечение в обслуживаемое помещение большого количества радиоактивной воды и пара. В результате ГЦН должен быть выведен в ремонт.
2.Неисправность пневмоклапана между газовыми и гидравлическими баллонами в системе АГС. В период обесточивания собственных нужд (питательные насосы отключились) неисправность приводит к выходу горячей воды через плавающие кольца из КМПЦ с последствиями, изложенными выше.
3.Арматура или электрическая схема управления арматурой неисправны. В этом случае при обесточивании питательных насосов не произойдет отключения АГС после опорожнения гидробаллонов, и сжатый газ через гидробаллоны может пройти через плавающие кольца на всасывание ГЦН. Уплотнение при этом выйдет из строя, поскольку, как уже говорилось выше, плавающие кольца неработоспособны в газовой среде. Кроме того, попадание воздуха на всасывание насоса может привести к срыву ГЦН.
Таким образом, сложная и разветвленная система подачи запирающей воды в уплотнение с плавающими кольцами требует дополнительных схемных решений, обеспечивающих нормальную работу уплотнений.
Торцовые уплотнения благодаря существенно меньшим протечкам запирающей воды имеют и соответственно менее громоздкое комплектующее оборудование в системе. Особенно это проявляется у торцовых гидродинамических уплотнений, которые в состоянии сохранять работоспособность даже при полном отказе системы подачи запирающей воды, переходя в режим работы на воде первого контура. В этом случае уплотнение должно быть защищено от перегрева мощным внутренним холодильником. Однако в литературе отсутствуют данные об эксплуатации таких уплотнений на контурной воде без внешних систем. Это объясняется, по-видимому, нежеланием изготовителей насосов усложнять решение и без того сложной проблемы создания уплотнения. Общепризнано, что торцовые механические уплотнения должны работать с подачей в полость уплотнения чистой холодной воды, не содержащей химических примесей.
В качестве иллюстрации рассмотрим систему подачи запирающей воды в торцовое гидродинамическое уплотнение вала модернизированного ГЦН реактора РБМК (рис. 4.7). Подача запирающей воды в номинальном режиме осуществляется от насосов 10, предназначенных для подпитки основного контура установки [45, гл. 3]. Запирающая вода через один из холодильников 11 (второй в резерве или ремонте) и фильтр 1 тонкой очистки подается в уплотнение каждого ГЦН. Из уплотнений часть воды через их контурные ступени попадает в основной контур, а протечки через атмосферные ступени свободным сливом отводятся в систему сбора протечек. В корпусе уплотнения на входе
140