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

подается в гидродинамический подшипник, затем под гидростатическое торцовое уплотнение 3 и в виде организованных протечек возвращается в систему запирающей воды. В этом случае должен быть достаточно эффективен термобарьер 1. Иначе возможно захолаживание первого контура протечками по зазору между валом 4 и термобарьером 1. Сложный внешний автономный контур и высокая чувствительность гидродинамических подшипников к температурам накладывают ограничения на широкое их применение.

4 . 3 . 5 . СИСТЕМА РАЗГРУЗКИ ОТ ОСЕВЫХ СИЛ Для ГЦН, работающих в контурах высокого давления, имеют место высокие осевые

усилия (до 1000 кН), которые в вертикальных насосах могут быть направлены вверх или вниз в зависимости от режима работы. При включении такого насоса возникает большая удельная нагрузка на осевой подшипник, что может привести к его интенсивному нагреву и износу. Кроме того, отсутствие гидродинамического клина в осевом подшипнике при пуске ГЦН приводит к чрезмерно высоким пусковым моментам, которые уже не могут быть преодолены приводным электродвигателем обычной конструкции. Поэтому с помощью конструкционных мероприятий стараются снизить пусковой момент. Это достигается, например, с помощью впрыска под высоким давлением масла между несущими колодками и пятой и обеспечения за счет этого необходимой для легкого пуска смазочной пленки. Применяется также гидравлическая или электромагнитная разгрузка.

Наиболее проста и удобна гидравлическая разгрузка, используемая в ГЦН реактора РБМК. Она представляет собой трубопровод с задвижкой, сообщающий за колесную полость со всасыванием насоса. При работе ГЦН на холодной воде, когда давление на входе определяется геометрической высотой расположения барабан-сепараторов (24 м), осевая гидравлическая сила, действующая на вал насоса вниз, имеет максимальное значение. В целях уменьшения осевой силы необходимо перед пуском ГЦН открыть задвижку и сообщить тем самым заколесную разгрузочную полость со всасыванием колеса. По мере повышения давления в контуре возрастает осевая выталкивающая сила, действующая на вал насоса вверх. При достижении давления в контуре 6,5 МПа задвижку закрывают. Система привлекательна тем, что позволяет в насосе избежать применения излишне усложненной конструкции пяты, как, например, в насосах АЭС «Obrigheim» KWO (см. рис. 3.14). И хотя ввод в действие этой системы требует проведения некоторых манипуляций с задвижкой во время выхода реактора на мощность, она представляется достаточно надежной. Безусловно, сам осевой подшипник должен быть способен некоторое время нести полную нагрузку на случай непредвиденной задержки с закрытием задвижки.

151

Вциркуляционном насосе фирмы «Alstrem» радиально-осевой шарикоподшипник разгружается от осевых сил электромагнитным устройством (рис. 4.17). Специальное тензометрическое силоизмерительное устройство 2 измеряет действующую на подшипник осевую нагрузку и формирует сигнал, который через регулятор управляет током кольцевого электромагнита 3, расположенного под маховиком 4 электродвигателя. Регулятор настроен так, чтобы на подшипник действовала постоянная нагрузка 35 кН. Таким образом, из общей направленной вверх осевой силы 550 кН большая часть (515 кН) воспринимается не подшипником, а электромагнитом. Обмотка магнита питается от двух независимых источников: через выпрямитель от источника переменного тока и от аккумуляторных батарей, емкость которых выбрана из расчета 3-минутного обеспечения питания на случай отсутствия напряжения в сети переменного тока [2].

Ваварийной ситуации, связанной с нарушением нормальной работы магнитной системы, шарикоподшипник способен работать в течение 60 ч при максимальной нагрузке

700 кН.

Рассмотренный метод разгрузки от осевых сил в целях обеспечения запуска электродвигателя ГЦН при полном давлении в основном контуре циркуляции, а также для облегчения работы осевого подшипника скольжения на номинальной нагрузке используется и в насосе с уплотнением вала реактора ВВЭР-440. Электромагнитное устройство, установленное в верхней части корпуса радиально-осевого подшипника, создает на вале насоса направленное вниз осевое усилие до 200 кН.

При большой частоте вращения диаметр вала меньше и соответственно будет меньше выталкивающая сила, которую надо воспринять осевым подшипником. Это открывает возможность применять, в частности в быстроходных ГЦН осевого типа, вместо пяты с подшипниками скольжения радиально-осевые подшипники качения, что значительно упростит конструкцию вспомогательных систем, повысит надежность ГЦН и сократит время на ремонт осевого подшипника.

Рис. 4.17. Конструкция электромагнитной разгрузки радиально-осевого подшипника:

1 — вал электродвигателя; 2 — силоизмерительное устройство; 3 — электромагнит; 4 — маховик; 5 — корпус

152

4 . 4 . ОБ СЛ УЖ И В АЮЩ ИЕ С И С ТЕ МЫ Н АС О С ОВ ДЛЯ

ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

В состав этих систем, обеспечивающих работу насосов, входят системы смазки подшипников, питания уплотнения вала по газу, поддержания уровня теплоносителя в баке насоса, охлаждения отдельных элементов конструкции (вала, уплотнения и т. п.) и др.

4 . 4 . 1 . СИСТЕМА СМАЗКИ ПОДШИПНИКОВ Эта система у ГЦН для АЭС с реактором на быстрых нейтронах принципиально не

отличается от аналогичных систем у водяных насосов. Поэтому возможно и целесообразно заимствование части оборудования (маслонасосов, холодильников, фильтров, арматуры и т. п.).

Для отечественных натриевых насосов реактора БН-350 система смазки спроектирована вынесенной, индивидуальной (для одного ГЦН) и герметичной. Герметизация по газу необходима, поскольку УВГ в насосах располагается выше верхнего радиально-осевого подшипника, и, следовательно, газовые полости насоса и масляной системы имеют общую газовую подушку и через газовый коллектор соединяются с реактором.

Рис. 4.18. Схема маслосистемы насосов реактора БН-600:

1 — электродвигатель; 2 — напорный бак УВГ; 3 — трубопровод слива масла; 4 — напорный маслобак; 5,7 — расходомерные шайбы; 6 — напорный трубопровод масла; 8 — холодильник; 9 — фильтр грубой очистки; 10 — винтовой насос; 11 — фильтр тонкой очистки; 12 — циркуляционный бак; 13 — бак приема аварийных протечек масла; 14, 15 — баки сбора протечек через нижнюю и верхнюю ступень УВГ соответственно; оборудование, входящее в маслоблок (маслостанцию)

153

Для уменьшения вспенивания масла, сливающегося самотеком из подшипников в циркуляционный маслобак, последний расположен всего на 2—3 м ниже подшипников. Остальное оборудование системы размещено в помещении ниже циркуляционного маслобака. Пространственная разбросанность системы усложнила оперативный контроль за балансом масла. Кроме того, отсутствие дублирования сигнализаторов уровня в циркуляционном, напорном и сливных маслобаках нарушило стабильную работу системы

[5].

В насосах реактора БН-600 вынесенная система смазки выполнена в едином блоке и полностью автономна для каждого ГЦН (рис. 4.18).

Блок системы смазки (маслостанция) поставляется на объект в полностью готовом для эксплуатации виде. На месте монтажа остается подсоединить только подводящие и отводящие трубопроводы.

Система смазки для насосов реактора БОР-60 — встроенная, циркуляционная, замкнутая внутри масляной ванны. Масло из ванны подается на подшипник винтовой втулкой и стекает обратно в ванну, где охлаждается встроенным водяным холодильником. Подача масла на подшипник зависит от частоты вращения насоса. Уплотнение вала по газу расположено ниже верхнего подшипника, что исключает попадание масла из верхнего подшипника в циркуляционный контур [6].

Для обеспечения длительной стабильной работы гидродинамических подшипников насосов используется высококачественное турбинное масло марки Т22. От маслосистемы насоса, как правило, масло берется и на подшипники приводного электродвигателя.

4 . 4 . 2 . СИСТЕМА ПИТАНИЯ УПЛОТНЕНИЯ Все насосы для перекачки натрия снабжены системой питания маслом уплотнения

вала по газу, схема которой приведена на рис. 4.18. Она имеет напорный маслобак 2, соединенный с уплотнением, и два бачка приема протечек: 14 — через нижнюю пару трущихся колец, 15 — через верхнюю пару колец из полости, сообщенной с атмосферой. В общем виде высота установки Нуст, м, напорного маслобака определяется из условия:

где ргп — максимальное давление газовой подушки в насосе, Па; рб — давление в напорном маслобаке, Па; — плотность масла, кг/м3. Из формулы (4.1) следует, что напорный маслобак располагается на 2 м выше, если его газовая полость сообщается с газовой полостью насоса. Если же полость напорного бака сообщается с атмосферой, то

154

он дополнительно должен быть поднят над УВГ на высоту, равную величине избыточного давления газа контура.

По мере утечек масла из УВГ заполнение напорного бака 2 (рис. 4.18) обеспечивается маслонасосом. Можно, в принципе, осуществить питание УВГ не от напорного бака, а организовать постоянную циркуляцию масла через него и более эффективно отводить выделяющееся тепло. Однако схема питания маслом УВГ, в которой подача масла в уплотнение осуществляется из периодически наполняемого напорного бака, с точки зрения безопасности и экономичности является предпочтительной. На случай разгерметизации УВГ с одновременным нарушением нормального слива по трубопроводам в баки 13, 14 в насосе предусматриваются полости, в которые вместится весь объем масла из уплотнения и напорного бака. На период ремонта или замены уплотнения вала при наличии давления газа в насосе включается ремонтное уплотнение.

Охлаждение уплотнения вала обычно осуществляется технической водой. Система должна являться частью общей системы охлаждения оборудования установки. Контроль за работой узлов насоса и малая инерционность измерения их температуры при изменении рабочих параметров охлаждающей жидкости гарантируют высокую надежность системы. Однако из-за опасности реакции натрия с водой в случае их контакта принимаются особые меры. Например, охлаждение через двойные стенки, применение специальных мер повышенной безопасности (исключение разъемных соединений, сведение к минимуму сварных соединений, увеличение запасов по прочности, стабилизация температурных напряжений) и др. Такие меры предосторожности оправдали себя на практике (на отечественных насосах аварийные ситуации по этой причине отсутствовали).

Одним из основных вопросов безопасной эксплуатации натриевых насосов является вопрос об исключении возможности попадания масла или его паров в первый контур. Натрий для установок такого рода должен содержать не более 3 · 1 0 - 3 % углерода. Увеличение содержания углерода в натрии возможно в результате попадания в него паров масла из масляной ванны нижнего подшипника (см. рис. 3.7) или из газовых полостей герметичных баков 13, 14 сбора протечек масла (рис. 4.18). В масляную ванну нижнего подшипника сливается масло с температурой около 50° С. Вся полость выше уровня натрия в баке насоса заполнена аргоном. При пуске масляной системы в ванне нижнего подшипника образуется масляный туман, концентрация которого, по крайней мере, не ниже концентрации насыщенных паров масла при указанной температуре. Аналогичная картина наблюдается и в насосах, в которых УВГ располагается ниже подшипникового узла. В этом случае в газовой полости присутствуют пары масла.

155

Пары масла или туман в бак насоса могут попасть в основном за счет диффузии с потоком газа, подсасываемым из масляной ванны или газовых полостей баков герметичных протечек, а также при снижении уровня в баке насоса или при пуске маслосистемы. Проведенные для реактора БН-350 расчеты показали, что количество паров масла, проникающих из подшипников в контур, может быть значительным. Заметного снижения количества паров можно добиться заменой турбинного масла вакуумным, обладающим гораздо меньшим давлением насыщенных паров (например, бустерным маслом марки «Г», давление насыщенных паров которого при 50° С равно 0,02 Па вместо 12 Па для масла Т22). Из оценок следует, что такая замена приводит к снижению вероятного количества масла, попадающего в контур, примерно в 150 раз.

Известен и конструкционный метод защиты от масляных паров, практически полностью исключающий возможность их проникновения в основной контур циркуляции. Это специальная система продувки (рис. 4.19), состоящая из компрессора 2, фильтрамаслоотделителя 3, фильтров-ловушек паров 4, трубопроводов и арматуры. Газ с парами масла отбирается из нижней подшипниковой полости насоса, очищается в фильтрах и затем возвращается в щелевой зазор в области выгородки масляной ванны и холодильника

Рис. 4.19. Схема продувки насоса реактора БН-350 (проект):

156

вала насоса. При постоянно работающей системе продувки с расходом 30 м3/ч диффузное проникновение паров масла будет предотвращено. Попадание паров масла в бак насоса из-за изменения давления в нем (пульсации) при нормальной работе на частоте вращения 1000 об/мин, очевидно, также будет невозможно из-за газодинамического затвора, созданного системой продувки. Следовательно, при наличии системы продувки проникновение паров масла в контур возможно только по двум причинам:

с чистым потоком аргона, вдуваемого в щель для создания газодинамического затвора. Плотность паров масла в потоке газа, выходящего из сорбционного фильтра-ловушки, составляет не более одной десятитысячной плотности паров на входе в фильтрмаслоотделитель. Из расчета следует, что количество паров, проникающих в бак с чистым аргоном при работе на вакуумном масле, будет не более 6,5· 10-4 г/год;

из-за снижения уровня в баке насоса при пуске из горячего резерва. Экспериментальная проверка на насосе реактора БН-350 подтвердила эффективность

указанной системы. Концентрация паров масла снизилась примерно в 5 раз [7].

Однако более рациональным решением представляется расположение уплотнения вала по газу ниже масляного подшипника, как это сделано, например, в насосах реактора БН-600 (см. гл. 5). При этом резко сокращается количество паров масла в области газовой полости ГЦН (за счет уменьшения расхода масла, находящегося в контакте с газом) и полностью исключается возможность заброса масла в теплоноситель первого контура даже в случае разрушения УВГ. Последнее гарантируется наличием внутренних полостей ГЦН общей вместимостью 60 л, в то время как объем масла, который может поступить при аварийной ситуации из напорного бака и УВГ, заведомо не превышает 60 л [8].

Таким образом, даже при ошибочных действиях обслуживающего персонала масло в теплоноситель первого контура может быть заброшено лишь в случае реализации следующей цепи независимых событий: происходит заправка напорного бака; торцовое уплотнение ГЦН первого контура разрушено;

нижний сигнализатор уровня в напорном баке уплотнения не работает, отсутствуют блокировка на отключение ГЦН и сигнал о неисправности торцового уплотнения;

проходимость масла по трубе Ду-20 слива протечек масла через нижнюю пару трения уплотнения ГЦН отсутствует;

проходимость масла по трубе Ду-20 слива случайных протечек масла из ремонтного уплотнения отсутствует;

проходимость масла по трубопроводу Ду-50 слива масла из камеры аварийных протечек отсутствует;

157

напорный бак к моменту разрушения торцового уплотнения оказался полон, резервные полости ремонтного уплотнения и камеры случайных протечек заполнены и не могут дополнительно принять масло из заправочной емкости вместимостью 50 л.

Очевидно, что одновременное наложение такого числа независимых событий является крайне маловероятным. Поэтому можно заключить, что надежность мер, предупреждающих заброс масла из насосов реактора БН-600 в перекачиваемый теплоноситель, достаточно высока и необходимость в специальной системе продувки отсутствует.

4.4.3. СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В БАКЕ НАСОСА Как уже отмечалось, все механические насосы для жидкого металла — вертикальные,

со свободным уровнем металла в баке.

Рабочее колесо насоса размещается на такой высоте, чтобы при первоначальном заполнении реактора оно было полностью залито. За счет расширения теплоносителя при разогреве контура уровень его в насосе несколько повышается. Кроме того, при работе насоса некоторая часть теплоносителя постоянно проникает в бак через узкую кольцевую щель между валом и корпусом насоса, а в некоторых конструкциях в щель между баком и корпусом из-за наличия перепада давления между заколесной полостью и баком насоса. Изменения уровня в баке в зависимости от режима работы установки могут быть значительными. Поэтому принимаются специальные меры для их ограничения [8].

Радикальным решением является применение привода с регулируемой частотой вращения. Такой привод позволяет эксплуатировать насосы с постоянной подачей независимо от числа параллельно работающих насосов.

Реальны конструкционные решения с использованием специальной системы по поддержанию уровня в баке. Однако это, безусловно, усложняет насосный агрегат.

Оптимизация компоновочных и схемных решений для ЯЭУ в целом также позволяет уменьшить колебания уровня в баке насосов. Например, если выполнить общими входные и выходные камеры у всех теплообменников, то можно свести к минимуму колебание уровня в насосе независимо от числа функционирующих в данный момент ГЦН. Если же этого не делать, то при изменении числа работающих насосов с трех до одного (его подача возрастет на 70%) изменение уровня в баке составляет 270% номинального значения

[6, гл. 2].

Для насосов с малым заглублением рабочего колеса более предпочтительная схема с поддержанием уровня в баке за счет перелива теплоносителя по специальной трубе с возвратом его в контур. Возможны два варианта такой системы:

158

возврат протечек теплоносителя в контур вспомогательным насосом, например электромагнитным (рис. 4.20). Подача вспомогательного насоса должна регулироваться так, чтобы изменения уровня в сливом баке не превышали допустимых пределов;

саморегулируемый слив протечек в точку контура с давлением меньшим, чем давление в баке нососа. В этом случае линия возврата протечек может быть внутренней, например через разгрузочные отверстия в рабочем колесе или, как выполнено в насосах реактора БН-600 (рис. 4.21), по зазору между баком и выемной частью (1 мм) и специальным отверстием (Ø50 мм). Если в процессе работы необходимо контролировать и регулировать величину протечек, то наиболее удобен внешний контур с соответствующими контрольно-измерительными приборами.

Рис. 4.20. Схема системы принудительного возврата протечек:

1 — бак ГЦН; 2 — соединение газовых полостей; 3 — бак слива протечек; 4 — электромагнитный насос

Рис. 4.21. Схема системы слива протечек в насосе реактора БН-600:

1— рабочее колесо; 2 — всасывающая улитка; 3— гидростатический подшипник; 4 — бак; 5 — вал

159