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

режимы. Несимметричный прогрев насоса конвективными потоками в его внутренних полостях может привести к разгерметизации разъемных соединений, перегреву торцового уплотнения, недопустимым температурным деформациям элементов конструкции. Возможны и другие нежелательные процессы (образование газовых мешков и т. п.). Поэтому условия горячего резерва должны изучаться с точки зрения сохранения работоспособности ГЦН не менее внимательно, чем рабочие режимы.

Иногда из-за технической сложности воспроизведение того или иного режима невозможно на испытательном стенде. В этом случае должен быть сделан надежный анализ или организованы упрощенные, но представительные испытания, позволяющие убедиться в отсутствии недопустимых явлений у ГЦН в рассматриваемом режиме.

Немаловажным является вопрос о количестве опытных образцов. С одной стороны, надо учитывать, что, испытывая несколько образцов, можно определить влияние на характеристики ГЦН допусков на изготовление узлов и деталей, с большей уверенностью выявить его слабые места. С другой стороны, циркуляционные насосы АЭС и испытательные стенды для них являются уникальными и дорогостоящими изделиями, и далеко не всегда, в силу ряда обстоятельств, имеется возможность изготовить несколько опытных образцов и испытательных стендов. Поэтому вопрос о количестве подлежащих испытанию образцов решается с учетом конкретных условий. Довольно часто разработчики вынуждены ограничиться испытанием одного опытного образца. Недостатки такого решения в какой-то мере можно устранить за счет организации на специальных стендах испытаний большего количества отдельных наиболее ответственных узлов ГЦН (например, торцовых уплотнений, подшипников и т. п.).

Особо следует рассмотреть вопрос о проведении испытании ГЦН на надежность, в частности об определении или подтверждении таких показателей надежности, как ресурс и вероятность безотказной работы за определенное время. Как указывалось выше, к насосам АЭС предъявляются исключительно высокие требования по ресурсу и безотказности. Испытания в течение всего периода заданного ресурса насоса занимают несколько лет. А для повышения достоверности испытаний, проводимых на одном-двух образцах, следует вести их до наработки большего, чем заданный, ресурса времени или до исчерпания действительного ресурса ГЦН. Это занимает еще больше времени. Поэтому весьма актуальной является задача разработки методик ускоренных ресурсных испытаний, позволяющих в приемлемые сроки выявить возможные слабые места и провести доработку конструкции.

Следует заметить, что ресурсные испытания требуют затрат значительных средств. Основной составляющей затрат на ресурсные испытания мощных ГЦН является

301

стоимость электроэнергии. Существенно снизить эти затраты можно, проводя испытания на безрасходном режиме, имитируя специальными устройствами нагрузки от рабочего колеса па подшипники. Такой прием можно применить только для ГЦН с уплотнением вала. Для герметичных ГЦН в силу особенностей их конструкции он неприменим.

Показатели безотказной работы насосов АЭС можно получить па основании обработки статистических данных по эксплуатации наиболее близких к испытываемому по конструкции и модели использованных ГЦН на действующих установках.

7 . 2 . 1 . НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ВОДЯНЫХ НАСОСОВ С КОНТРОЛИРУЕМЫМИ ПРОТЕЧКАМИ

Испытательный стенд для экспериментальной отработки ГЦН на воде выполняется в виде замкнутого герметичного контура, оснащенного средствами регулирования и измерения подачи. Стенд имеет вспомогательные системы, обеспечивающие воспроизведение необходимых режимов работы, определяемых программой испытаний [11, 12]:

систему компенсации давления для поддержания необходимого давления при изменении температуры воды в основном контуре;

оборудование для изменения температуры воды в основном контуре (нагреватели и холодильники), предназначенные для создания различных как стационарных температурных режимов, так и переходных с необходимой скоростью нагрева или охлаждения;

контур охлаждения испытываемого ГЦН и некоторого вспомогательного оборудования;

систему газа высокого давления; линии подпитки и дренажа; цепи электропитания испытываемого ГЦН и вспомогательного оборудования;

систему контрольно-измерительных приборов (эксплуатационных и обеспечивающих проведение измерений в соответствии с программой испытаний);

систему блокировок и автоматики безопасности; линии воздухоудаления; оборудование для поддержания водно-химического режима в основном контуре и

другие системы, необходимость которых вызывается особенностями конструкции насосного агрегата и вспомогательного оборудования стенда (система подачи запи-

рающей воды в уплотнение вала, система смазки и подшипников насоса и т. п.) . Принципиальная схема стенда для испытания насоса с контролируемыми протечками

представлена на рис. 7.19. Система компенсации давления выполняется обычно в виде

При испытании ГЦН с турбоприводом стенд должен быть оборудован системой подачи пара и конденсатором для приема отработавшего пара.

302

сосудов 24 со свободным уровнем воды, частично заполненных инертным газом (азотом) высокого давления. Подпитка контура водой осуществляется из запасной емкости 5 с помощью подпиточного насоса.

Контур стенда перед разогревом заполняют водой до некоторого расчетного уровня в компенсаторе объема 24, после чего в нем создается поддавливание газом с таким расчетом, чтобы при выходе стенда на спецификационный режим по температуре за счет расширения воды давление газа в компенсаторе объема (а следовательно, и в контуре) тоже стало расчетным. Из условий безопасности целесообразно не устанавливать отсечную арматуру на трубопроводе, соединяющем компенсатор с основным контуром. Для обеспечения штатного охлаждения испытываемого насосного агрегата, а также другого вспомогательного оборудования стенд содержит теплообменники 23. Контур заполняется дистиллированной водой, а отвод тепла из него (для поддержания требуемой температуры) осуществляется подачей в теплообменник технической воды. При этом нужно обеспечить очистку ее от механических примесей и поддержание температуры на нужном уровне. Однако практика работы подтверждает целесообразность создания специального замкнутого контура охлаждения.

Установившийся температурный режим работы стенда наступает при достижении равенства подводимого и отводимого тепла. Тепло от стенда отводится через систему охлаждения ГЦН и вспомогательного оборудования, а также за счет теплоотдачи от поверхности ГЦН и стенда в окружающую среду. Если мощность, потребляемая ГЦН, меньше, чем количество тепла, отводимого из стенда, то для достижения заданной температуры контура стенд должен быть оборудован дополнительным нагревателем. Если же мощность ГЦН велика, то стенд необходимо оснастить дополнительной системой охлаждения.

Нагреватели стенда можно выполнить в виде системы байпасных трубопроводов, обогреваемых электрическим током низкого напряжения. Такая система проста в исполнении и обслуживании и позволяет доступными средствами автоматически поддерживать температурный режим за счет регулирования мощности путем изменения напряжения, подаваемого на обогреваемые участки трубопроводов. Следует только иметь в виду, что при прекращении циркуляции воды через обогреваемый трубопровод происходит быстрый разогрев трубы. Для предотвращения перегрева предусматривается автоматическое отключение подачи напряжения на обогреваемый участок трубопровода во время остановки ГЦН.

При проектировании основной трассы стенда должна быть обеспечена возможность определения характеристики ГЦН в диапазоне подач, охватывающем рабочий с

304

перекрытием не менее 10%. Выбор количества регулирующей арматуры определяется максимальным падением давления, которое должна обеспечить регулирующая арматура, и условием обеспечения бескавитационной ее работы в положении максимального прикрытия. Желательно, чтобы регулирующие органы имели приблизительно линейную характеристику зависимости коэффициента сопротивления от хода органа регулирования. Для измерения подачи ГЦН используются сужающие устройства (сопло, диафрагма), проектирование, изготовление и монтаж которых должны выполняться в соответствии с [13]. При большом диапазоне изменения подачи для увеличения точности определения ее можно предусмотреть установку сменных сужающих устройств (с различным диаметром проходного отверстия) или сменных дифманометров с различным пределом измеряемого перепада давлений. Иногда для сокращения времени испытаний на стенде предусматривают параллельные участки трубопроводов с различными сужающими устройствами. Учитывая длительные сроки использования испытательных стендов, целесообразно изготавливать оборудование и трубопроводы основного контура из нержавеющей стали или из конструкционных сталей с надежным защитным нержавеющим покрытием внутренних поверхностей (нержавеющая наплавка или плазменное напыление, нержавеющие кожухи и т. п.).

7 . 2 . 2 . НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НАТРИЕВЫХ НАСОСОВ Опытный образец насосного агрегата проходит сначала испытания на воде. Основная

цель испытаний на водяном стенде — проверка работоспособности агрегата. Необходимость предварительных испытаний на воде диктуется сложностью осуществления возможных доработок насоса при испытании его на натрии, так как в этом случае при разборке насоса требуется его отмывка от натрия. Частые разборки насоса затрудняют сохранение в стенде требуемой чистоты натрия, а время, затрачиваемое на извлечение насоса из стенда, удлиняется за счет необходимости предварительного слива натрия и охлаждения стенда. Поэтому целесообразно первоначальную проверку и доводку конструкции проводить на воде. В конечном счете это экономит время и средства па создание натриевого насоса. Разумеется, при этих испытаниях проверяются только те характеристики насоса, которые не связаны с влиянием натрия и рабочей температуры на его элементы. Например, при испытаниях на воде (t ≤ 50° С) нельзя изучить температурное поле насоса, проверить стойкость деталей проточной части к воздействию рабочей среды, оценить эффективность работы системы охлаждения и т. п.

Стенд для испытания ГЦН па воде выполняется по замкнутой схеме и во многом аналогичен по схеме стенду, описанному в п. 7.2.1. В отличие от стенда для испытания водяных ГЦН стенд для испытания на воде натриевых насосов значительно упрощен, что

305

объясняется отличиями в режиме работы и в программе испытаний. На стенде не требуется иметь мощные нагревательные и охладительные устройства для проверки ГЦН в режимах разогрева и расхолаживания. Оборудование и трубопроводы стенда можно выполнить из конструкционных сталей без какой-либо защиты от коррозии. Испытания проводятся на дистиллированной воде, а в целях замедления процессов коррозии в воду рекомендуется добавлять ингибиторы.

В последние годы в отечественной практике появились двухпозиционные водяные стенды — с двумя независимыми петлями основных контуров и общими вспомогательными системами. Такое решение позволяет одновременно проводить испытания насосных агрегатов первого и второго контуров при минимально необходимом количестве оборудования и сокращает занимаемую производственную площадь почти в 2 раза по сравнению с площадью для двух независимых стендов.

Совершенно другой подход осуществлен при проектировании водяного стенда для ГЦН реактора PFR. Стенд располагается в специальном приямке ниже уровня пола. Состоит стенд из технологического бака, выполненного но штатным чертежам, штатного обратного клапана, напорных трубопроводов, воспроизводящих профиль трубопроводов на участке от ГЦН до реактора. Испытываемый насос размещается на специальном постаменте, который заглублен относительно нулевой отметки на 15 м. Приямок, в котором расположен стенд, при испытаниях заполняется водой до рабочего уровни в насосе. Тем самым имитируются условия всасывания штатного насоса, имеющего в реакторе свободный уровень над рабочим колесом.

Вспомогательное оборудование ГЦН и стенда (масляная система, система управления регулирующими дросселями, газовая система и т. п.) располагается на площадке выше уровня воды. Для доступа на эти площадки предусмотрен подъемник. Все технологическое оборудование стенда изготовлено из углеродистой стали, покрытой водостойким лаком. В стенде предусмотрены сопла Вентури для измерения подачи насоса, приборы для определения напора насоса и регулирующее устройство с ручным приводом. Никакой запорной и регулирующей арматуры в стенде нет. На самом насосе во время испытаний измеряется вибрация в области нижнего гидростатического подшипника, на корпусе верхнего подшипникового узла и на нижнем фланце электродвигателя.

Испытания насоса проводятся на полной мощности электродвигателя, соответствующей работе на натрии в номинальном режиме. При снятии рабочей характеристики допускается кратковременная перегрузка электродвигателя на 10%.

306

Безусловно, такая компоновка стенда ближе к реальным условиям эксплуатации насосов, однако велики капитальные затраты на его сооружение.

Испытания на воде. В комплекс испытаний на воде следует включать следующие задачи:

снятие гидравлической характеристики насоса; проверку кавитационного запаса; определение осевой гидравлической силы;

оценку возможного захвата газа рабочим колесом и по линиям слива протечек; определение электромеханических характеристик двигателя, а также вспомогательных

систем.

Полученные зависимости должны быть идентичными расчетным, скорректированным по результатам модельных испытаний. Наиболее трудоемкой процедурой при испытаниях является определение осевой силы. В настоящее время существует несколько методов ее измерения.

Метод тензометрирования деталей подпятника. Этот метод наиболее точен, даст возможность определения динамической составляющей нагрузки, но ввиду недолговечности тензодатчиков он не может применяться для длительного контроля осевого усилия.

Метод непосредственного вывешивания вала. Здесь предполагается возможность четкой фиксации момента страгивания в осевом направлении вращающегося вала. Этот способ дает хорошую точность измерения осевой силы. Однако из-за технических сложностей реализации он, по-видимому, может быть применен лишь при сравнительно небольших осевых усилиях.

Метод определения осевого усилия по давлению на рабочих органах насоса нашел применение при исследовании на моделях, так как требуется большое число точек измерения давления. Применение его в опытном насосном агрегате не представляется возможным.

Метод определения осевого усилия по удельной нагрузке на колодки осевого подшипника. Значение удельной нагрузки можно получить двумя способами: по температуре колодки и по давлению в гидродинамическом клине [14]. Первый способ практически не всегда пригоден, так как зависимость температуры колодок от нагрузки для разных окружных скоростей и разных геометрических размеров колодок оказывается различной. По этой причине в каждом конкретном случае необходима тарировка осевого подшипника каким-либо другим способом. Более удобно и просто измерять давление в гидродинамическом клине.

307

Определение осевых сил па опытных насосах реактора БН-350 проводилось методом тензометрирования. Тензодинамометр представляет собой динамометрическую пружину с наклеенными тензодатчиками. При нагружении деформации пружины преобразуются тензодатчиками в электрический сигнал, который подается на усилитель. С тензоусилителя сигнал идет на шлейф осциллографа и фиксируется на светочувствительной бумаге.

При сборке насосов каждый вал вывешивается на пяти предварительно протарированных тензодатчиках, и сумма усилий, приходящихся на каждый из тензодинамометров, сравнивается с фактическим весом вала. Таким образом определялась погрешность измерения осевой силы. При испытаниях непосредственно определялась гидравлическая осевая сила, так как положение, когда тензодинамометры были нагружены только весом подвижных частей, принималось за нулевое. Суммарная погрешность при испытаниях не превышала 4%. что складывалось из погрешности измерительной схемы (около 1%) и погрешности при отработке осциллограмм (около 3%).

Осевая сила в опытных насосах реакторов БН-600 для каждого режима определялась методом измерения давления в масляном клине. По данным измерений на семи колодках пяты находилось усредненное давление в центре давления колодки по формуле

где ре — давление в масляном клине; рн — давление в напорной камере пяты. Осевая сила находилась по формуле

где S — суммарная опорная площадь семи колодок; α — коэффициент, зависящий от геометрических характеристик колодки и выражающий отношение руд к удельной нагрузке колодки p . Значение α постоянно для всех геометрически подобных колодок.

Определение возможности захвата газа рабочим колесом насоса и количественная оценка рассматриваемого процесса для основных рабочих режимов насоса, например в реакторе БН-600, проводились в основной трассе водяного стенда (рис. 7.20). Для этого в стенд встраивался сепаратор газа 6, который представляет собой цилиндрическую емкость (объем 60 л). Подача воды в сепаратор осуществляется через отверстие в нижней части цилиндра, которое изнутри бака прикрыто специальной обечайкой с крышкой. В крышке имеется 26 отверстий диаметром 12 мм. Вода из сепаратора выходит через сифонную трубку, вход в которую находится на расстоянии 50 мм от дна. Вода в сепаратор подается

308

Рис. 7.20. Стенд для измерения захвата газа из бака насоса:

1, 5 — расходомеры; 2 — холодильники; 3 — опытный насос; 4 — макет коллектора; 6 — бак-сепаратор

из двух точек основного контура: из верхней части макета коллектора 4 или из трубопровода после расходомерной диафрагмы 1. Из трубопровода отбор воды осуществляется с четырех различных уровней по поперечному сечению трубопровода: первый уровень — у верхней части трубы; второй — на 92 мм ниже первого; третий — на 99 мм ниже второго; четвертый — на 99 мм ниже третьего (центр сечения). Вода из сепаратора газа сливается через трубопровод, подсоединенный к патрубку слива воды из холодильников 2 стенда. Очевидно, что если в воде есть пузырьки захваченного рабочим колесом газа, то в сепараторе эти пузырьки должны отделяться от воды и скапливаться в верхней части. Для контроля уровня воды в сепараторе имеется водомерное стекло, благодаря чему можно измерить объем газа, выделившегося за определенный промежуток времени, и рассчитать содержание свободного газа в воде. Для измерения расхода воды через бак-сепаратор на подводящей трубе установлена расходомерная диафрагма 5, а давление в нем измеряется образцовым манометром.

При проведении испытаний стенд заполнялся дистиллированной водой до заданного уровня заливки в баке насоса, а в газовой полости создавалось заданное давление газа (сжатый воздух из сети). Включался опытный насос на номинальные частоту вращения и подачу. Через 2 ч работы насоса, когда стенд выходил на установившийся режим, корректировалась подача насоса, продувался сепаратор для удаления воздуха (для некоторых опытов) или, наоборот, в сепаратор подавался газ для установки контрольного уровня по водомерному стеклу и начинался отсчет времени (2 ч), в течение которого контролировались основная подача (опытного насоса), уровень воды в баке насоса, давление газа, расход воды через сепаратор, давление, температура и уровень воды в нем. Проба воды в сепараторе отбиралась из трубопровода первого и третьего уровней.

309

Испытания на натрии. Устройство стенда для испытаний насосного агрегата на натрии во многом похоже па устройство стенда для испытания на воде, но отличается от последнего наличием значительного количества дополнительного вспомогательного оборудования (емкости для заполнения натрием и его слива, ловушки для поддержания чистоты натрия, индикаторы оксидов, система обогрева). При проектировании стенда необходимо обеспечить герметичность натриевого контура по отношению к окружающей среде и пожарную безопасность в соответствии с установленными правилами, а также предусмотреть системы заполнения натрием и его дренажа, подачи инертного газа, поддержания требуемой чистоты натрия, вакуумирования натриевого контура, предварительного разогрева стенда (перед заполнением натрием), охлаждения контура и оборудования [15].

Технологическая схема такого стенда приведена на рис. 7.21. Основная трасса выполняется в виде замкнутой циркуляционной петли 11, приваренной к патрубкам бака насоса 9. В циркуляционной петле должна быть регулирующая арматура для обеспечения требуемого режима по расходу натрия и средства измерения расхода. Для удобства регулирования иногда ставится последовательно несколько вентилей. Расход измеряется сужающим устройством 10 и электромагнитными расходомерами. Для более точного определения расхода в широком диапазоне целесообразно предусмотреть в конструкции стенда два параллельных трубопровода разного диаметра со своими приборами измерения расхода (каждый из своего диапазона измерений). При необходимости проверки насоса на прочность в условиях термического удара на стенде предусматривается установка бака с «холодным» натрием, который может быть быстро введен в основной контур передавливанием инертным газом для имитации заданного переходного режима.

Система накопления 13, заполненная натрием, и его дренажа должна обеспечить прием необходимого количества натрия из транспортных емкостей, подачу натрия в контур стенда, прием натрия из стенда самотеком при плановом опорожнении стенда или при аварийных ситуациях, связанных с разгерметизацией натриевого контура. Система состоит из нескольких емкостей накопления 12, параллельно подключенных к общему коллектору, соединенному, в свою очередь, с циркуляционной петлей, системами очистки и охлаждения стенда, а также необходимой запорной арматуры. Для обеспечения свободного слива натрия из циркуляционной петли в емкости накопления целесообразно последние располагать в заглубленных относительно пола приямках. Это позволяет удешевить металлоконструкции стенда и существенно уменьшить требуемую высоту помещения. Трубопроводы, соединяющие циркуляционную петлю с емкостями накопления, должны иметь уклон в сторону последних не меньше 3°, а к циркуляционной

310