ЭНЕРГОБЛОК
POWER UNIT

Изобретение относится к энергомашиностроению, областью его применения являются ядерные энергетические установки, у которых в состав главных циркуляционных насосных агрегатов (ГЦНА) входят лопастные насосы с механическим уплотнением вала, преимущественно для энергоблоков с легководным теплоносителем атомных электростанций (АЭС).
Указанные энергоблоки, как известно, преобладают в современной мировой ядерной энергетике. Насосы, обеспечивающие циркуляцию теплоносителя в первом контуре, проходящем через ядерный реактор, называют главными циркуляционными насосами (ГЦН). На АЭС в качестве ГЦН широко применяют лопастные насосы с механическим уплотнением вращающегося вала. Такие ГЦН, как правило, представляют собой вертикальный одноступенчатый консольный насос с нижним расположением рабочего колеса. Ближайшей к последнему опорой вала насоса служит нижний радиальный подшипник скольжения, для охлаждения и смазки которого используют перекачиваемую воду. Для предотвращения выхода теплоносителя из первого контура вдоль вала насоса выше этого подшипника устанавливают узел уплотнения вала, образованный из ряда ступеней и обычно включающий торцовые уплотнения. В узел уплотнения для охлаждения и смазки его элементов подают воду, по традиции называемую запирающей (буферной, затворной). Из полости узла уплотнения запирающую воду (после последовательного прохождения ею основных ступеней) отводят по трубопроводу слива организованных протечек в соответствующую систему энергоблока. Некоторая часть запирающей воды через нижнюю (разделительную) ступень поступает в первый контур, а через верхнюю (атмосферную) - уходит за пределы насоса. При нормальной работе ГЦН давление воды в узле уплотнения над разделительной ступенью выше, чем под нею.
ГЦН вместе с выносным приводящим электродвигателем, а также обслуживающие (вспомогательные) системы и контрольно-измерительные средства образуют ГЦНА. В состав энергоблоков средней и большой мощности входят несколько ГЦНА, включенных по теплоносителю параллельно относительно реактора. Все ГЦН в составе энергоблока АЭС являются насосами постоянного действия. При технологических остановках, связанных с плановой эксплуатацией энергоблока или срабатыванием соответствующей защиты (например, по понижению уровня воды в парогенераторе, повышению температур охлаждающих сред), когда приводящий электродвигатель ГЦН выключают, но все обслуживающие системы продолжают штатно работать, режим ГЦНА называют стоянкой в горячем резерве. Любая непредусмотренная или незапланированная остановка ГЦНА, вызывающая снижение мощности или простой энергоблока (соответственно, снижение мощности АЭС) экономически обходится весьма дорого. Стабильная работа ГЦНА (при минимальном числе остановок) в большой степени зависит от надежности обслуживающих систем и функционально связанных с ними элементами других систем энергоблока. Потенциальными источниками отказов являются, в частности, достаточно сложные активные элементы (например, вспомогательные насосы), требующие для своей работы источников электроснабжения, а также нетермостойкие элементы нижнего радиального подшипника и узла уплотнения ГЦН.
Известны энергоблоки АЭС с ВВЭР-1000, снабженные четырьмя ГЦНА типа ГЦН-195. Обслуживающие системы указанного ГЦНА включают систему охлаждения и смазки нижнего радиального подшипника (называемую автономным контуром) и систему запирающей воды для узла уплотнения, выполненного в виде блока торцовых уплотнений [см., например, Пак П.Н., Белоусов А.Я., Пак С.П. Насосное оборудование атомных станций. - М.: Энергоатомиздат, 2003. - 450 с.: с.74, 75 (Рис.4.7)]. Автономный контур включает холодильник, а также вспомогательный насос. При нормальной работе ГЦНА циркуляция воды происходит под действием вращающегося вспомогательного рабочего колеса (именуемого импеллером), установленного на валу ГЦН под нижним радиальным подшипником, а при остановленном ГЦНА - за счет указанного вспомогательного насоса. Автономный контур связан с напорной частью ГЦН расположенными между ними внутри ГЦН гидравлическими лабиринтами. Система запирающей воды включает доохладитель (дополнительный холодильник), а также трубопровод слива организованных протечек с запорной арматурой. Вода в систему (при нормальной работе энергоблока) поступает из деаэратора подпитки системы байпасной очистки теплоносителя первого контура, находящейся за пределами герметичной защитной оболочки реактора [там же, с.35 (Рис.2.12)], под действием подпиточных насосов высокого давления.
Холодильник автономного контура и доохладитель системы запирающей воды выполнены в виде поверхностных рекуперативных теплообменников, охлаждаемых водой промежуточного контура системы технического водоснабжения энергоблока. Выход воды автономного контура из холодильника и вход запирающей воды в доохладитель связаны перепускным устройством, включающим нормально закрытый обратный клапан, препятствующий в его нормальном положении перетечкам из автономного контура в систему запирающей воды. В случае прекращения подачи воды из деаэратора подпитки уменьшается воздействие на обратный клапан со стороны системы запирающей воды из-за снижения давления в последней (за счет продолжающегося слива запирающей воды в систему организованных протечек). После достижения уровня давления в автономном контуре обратный клапан открывается и через него вода из автономного контура поступает в узел уплотнения. Но если подача воды от деаэратора подпитки в систему запирающей воды отсутствует более трех минут, то ГЦН-195 останавливают, что обуславливает немедленное снижение мощности энергоблока.
Надежность энергоблока с ГЦНА типа ГЦН-195 ограничена возможными перерывами подачи воды из деаэратора подпитки в систему запирающей воды (при нормальной работе ГЦНА), а также отказами вспомогательного насоса (как в режиме стоянки ГЦНА в горячем резерве, так и в случае полного обесточивания энергоблока). Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности энергоблока АЭС с несколькими ГЦНА за счет уменьшения числа потенциальных источников отказов в их обслуживающих системах, а также увеличения устойчивости к отказам других систем энергоблока. Среди технических результатов изобретение, в частности, обеспечивает (во всех случаях испрашиваемого объема правовой охраны), во-первых, предотвращение снижения давления запирающей воды за допустимые пределы, а также перегрева узла уплотнения вала ГЦН у работающего ГЦНА (причем, независимо от режима работы системы байпасной очистки), во-вторых, предотвращение перегрева нижнего радиального подшипника и автономного контура в режиме стоянки ГЦНА в горячем резерве.
Энергоблок с легководным теплоносителем атомных электростанций, предлагаемый в качестве решения задачи, включает несколько ГЦНА, каждый из которых содержит вертикальный лопастной одноступенчатый консольный насос с нижним расположением рабочего колеса, систему охлаждения и смазки нижнего радиального подшипника скольжения, размещенного на валу насоса над рабочим колесом, перекачиваемой водой, систему запирающей воды для узла уплотнения вала насоса, размещенного над указанным подшипником, причем холодильник первой из двух указанных систем и доохладитель второй из них, охлаждаемые водой промежуточного контура энергоблока, выполнены в виде поверхностного рекуперативного теплообменника, а также перепускное устройство, соединяющее обе указанные системы и в своем нормальном состоянии препятствующее отводу воды из первой системы во вторую.
В отличие от прототипа
подача воды в систему запирающей воды для нормальных условий работы энергоблока выполнена из напорной части первого контура энергоблока,
при этом перепускное устройство выполнено с возможностью его открытия только при возникновении на нем перепада давления, превышающего перепад давления на закрытом перепускном устройстве остановленного ГНЦА после окончания его выбега при нормальной работе всех остальных ГЦНА энергоблока,
холодильник системы охлаждения и смазки нижнего радиального подшипника выполнен и установлен над последним как с возможностью возникновения в этой системе устойчивой циркуляции воды за счет естественной конвекции с расходом, достаточным для отвода тепла из зоны этого подшипника при неподвижном вале у остановленного ГЦНА, так и с возможностью требуемого охлаждения поступающей в этот холодильник воды при отборе воды из системы охлаждения и смазки нижнего радиального подшипника через перепускное устройство в систему запирающей воды у работающего ГЦНА,
а запорная арматура на трубопроводе слива организованных протечек из системы запирающей воды выполнена с возможностью закрытия только на остановленном ГЦНА после окончания выбега последнего, причем при отсутствии подачи воды из напорной части первого контура в систему запирающей воды.
В частном случае отбор воды в систему запирающей воды может быть выполнен из напорного трубопровода первого контура энергоблока после холодильника системы байпасной очистки воды первого контура. В частном случае выполнения целесообразно (по условиям охлаждения) перепускное устройство устанавливать между выходом воды системы охлаждения и смазки нижнего радиального подшипника из теплообменных труб холодильника и входом запирающей воды в теплообменные трубы доохладителя. Перепускное устройство может быть выполнено в виде трубопровода, снабженного нормально закрытым обратным клапаном с тарированной пружиной, усилие которой направлено на закрытие этого клапана.
На чертеже изображена схема системы охлаждения и смазки нижнего радиального подшипника ГЦН и системы запирающей воды для узла уплотнения вала ГЦН одного из ГЦНА энергоблока.
Каждый из нескольких (например, четырех) ГЦНА энергоблока включает вал 1 насоса, на котором установлены рабочее колесо 2 и вспомогательное рабочее колесо (импеллер) 3. Система охлаждения и смазки нижнего радиального подшипника 4 скольжения (автономный контур) включает отводящий трубопровод 5, холодильник 6 и подводящий трубопровод 7. Автономный контур связан с напорной частью насоса расположенными между ними внутри насоса гидравлическими лабиринтами. Узел уплотнения 8 вала 1 выполнен в виде блока торцовых уплотнений. Система запирающей воды для узла уплотнения 8 включает входной трубопровод 9, доохладитель 10, подводящий трубопровод 11 и трубопровод слива организованных протечек с запорной арматурой 12. Входной трубопровод 9 соединен с трубопроводом на выходе воды первого контура из холодильника 13 системы байпасной очистки этого контура. Запорная арматура 12 выполнена с возможностью ее закрытия только на остановленном ГЦНА после окончания выбега последнего, причем при отсутствии подачи охлажденной воды первого контура из холодильника 13 во входной трубопровод 9.
Перепускное устройство 14 между подводящим трубопроводом 7 автономного контура и входным трубопроводом 9 системы запирающей воды выполнено в виде трубопровода, снабженного нормально закрытым обратным клапаном с тарированной пружиной, усилие которой направлено на закрытие этого клапана. В своем нормальном положении обратный клапан препятствует отводу воды из автономного контура в систему запирающей воды (разделяет их). Пружина тарирована таким образом, чтобы открытие обратного клапана было возможно только при возникновении на нем перепада давления, превышающего перепад давления на закрытом обратном клапане остановленного ГНЦА после окончания выбега при нормальной работе всех остальных ГЦНА энергоблока. Необходимая величина превышения зависит от характеристик отдельных элементов узла уплотнения 8.
Холодильник 6 и доохладитель 10 выполнены в виде поверхностных рекуперативных теплообменников, охлаждаемых водой промежуточного контура энергоблока (элементы промежуточного контура на чертеже не показаны). С целью минимизации гидравлического сопротивления по воде автономного контура теплообменная поверхность холодильника 6 составлена из прямолинейных теплообменных трубок (при поперечном обмыве водой промежуточного контура). Для доохладителя 10 принята аналогичная компоновочная схема. Перепускное устройство 14 установлено между выходом воды автономного контура из теплообменных труб холодильника 6 и входом запирающей воды в теплообменные трубы доохладителя 10.
3
Теплообменная поверхность холодильника 6 выполнена с возможностью охлаждения поступающей в последний воды до температурного уровня, требуемого для охлаждения и смазки подшипника 4 и узла уплотнения 8 у работающего ГЦНА, и в случае отбора воды из автономного контура через перепускное устройство 14 в узел уплотнений 8, когда уходящая охлажденная вода замещается горячей, поступающей из напорной части насоса по гидравлическим лабиринтам. Для существующих ГЦН с подачей около 6 м/с по воде первого контура требуемый отбор из автономного контура в узел уплотнения составляет менее 10% от расхода в автономном контуре. Кроме того, холодильник 6 поднят над подшипником 4 и установлен с возможностью возникновения в автономном контуре циркуляции воды за счет естественной конвекции с расходом, достаточным для отвода тепла из зоны подшипника 4 у остановленного ГЦНА (например, на высоту не менее 10 м).
Для функционирования ГЦНА в составе энергоблока характерны следующие общие особенности. Уровень давления воды в первом контуре, как известно, поддерживают с помощью компенсатора объема. Давление в напорной части первого контура растет соответственно увеличению количества параллельно работающих ГЦНА. При нормальной работе системы байпасной очистки и хотя бы одного ГЦНА энергоблока давление в напорной части первого контура выше давления воды, подаваемой во входной трубопровод 9 системы запирающей воды из холодильника 13. Гидравлическое сопротивление последнего определяет, в основном, отмеченное превышение давления, величина которого слабо зависит от количества работающих ГЦНА. Рационально сконструированные холодильник 13 системы байпасной очистки и гидравлические лабиринты между напорной частью насоса и автономным контуром обеспечивают у каждого нормально работающего ГЦНА превышение давления запирающей воды во входном трубопроводе 9 над давлением воды автономного контура в подводящем трубопроводе 7.
При указанных взаимосвязях вспомогательные системы ГЦНА в составе энергоблока функционируют следующим образом. Если энергоблок находится в стационарном режиме, а система байпасной очистки первого контура и все ГЦНА нормально работают, то в каждом ГЦНА обратный клапан перепускного устройства 14 закрыт, импеллер 3 прокачивает воду автономного контура через холодильник 6 и подшипник 4, а запирающая вода для узла уплотнения 8 поступает во входной трубопровод 9 из холодильника 13. Перепад давления, действующий на перепускное устройство 14, и тарированная пружина обратного клапана создают усилия, одинаково направленные на закрытие обратного клапана, поэтому его открытие невозможно. Оставаясь закрытым, обратный клапан разделяет полости системы запирающей воды и автономного контура.
Если один ГЦНА остановлен (например, переведен в режим стоянки в горячем резерве после срабатывания технологических защит), а система байпасной очистки первого контура и все остальные ГЦНА энергоблока нормально работают, то после окончания выбега у остановленного ГЦНА (вследствие указанной гидравлической связи автономного контура с напорной частью насоса) давление в полости импеллера 3 и в подводящем трубопроводе 7 равно давлению в напорной части первого контура. Запорную арматуру 12 у остановленного ГЦНА не закрывают, сохраняя отвод запирающей воды из узла уплотнения 8, при этом во входной трубопровод 9 вода продолжает поступать из холодильника 13 под давлением, которое ниже давления в напорной части первого контура. Перепад давления, действующий на перепускное устройство 14, и тарированная пружина обратного клапана создают усилия, направленные противоположно, но перепад давления не компенсирует полностью усилие пружины, поэтому открытие обратного клапана невозможно. Оставаясь закрытым, обратный клапан разделяет полости системы запирающей воды и автономного контура. Это исключает разогрев автономного контура остановленного ГЦНА, который возможен при открытом обратном клапане из-за того, что охлажденную воду, уходящую через перепускное устройство 14 в узел уплотнения 8, замещает горячая вода, поступающая в автономный контур из напорной части насоса по соединяющим их гидравлическим лабиринтам. После окончания выбега у остановленного ГЦНА прекращается тепловыделение за счет трения в подшипнике 4 и узле уплотнения 8 вала 1, но продолжается поступление тепла от воды первого контура. В автономном контуре прекращается принудительная циркуляция под действием импеллера 3, но за счет соответствующего выполнения холодильника 6, поднятого над подшипником 4, возникает естественная конвекция воды с расходом, достаточным для охлаждения зоны подшипника 4 при неподвижном вале 1. Контур естественной циркуляции образуют (по направлению последней) напорная сторона импеллера 3, отводящий трубопровод 5, холодильник 6, подводящий трубопровод 7, полость подшипника 4, всасывающая сторона импеллера 3.
Однако при эксплуатации энергоблока АЭС возможны нарушения в работе системы байпасной очистки воды первого контура, обуславливающие падение давления в подводящем трубопроводе 9 системы запирающей воды (например, в случае несанкционированного закрытия запорной арматуры у холодильника 13 системы байпасной очистки воды первого контура на подводе или отводе воды первого контура, в случае выхода из строя холодильника 13, когда указанный холодильник отсекают как по воде промежуточного контура, так и по воде первого контура). Если во время нормальной работы всех ГЦНА энергоблока прекращена подача воды из системы байпасной очистки первого контура во входной трубопровод 9, то у всех ГЦНА запорную арматуру 12 не закрывают. Из-за продолжающегося отвода запирающей воды в систему организованных протечек снижается давление в системе запирающей воды, при этом давление в напорной части первого контура и распределение давления в автономном контуре не изменяются. После изменения знака перепада давления на перепускном устройстве 14, создаваемое им усилие направлено на открытие обратного клапана, компенсируя усилие тарированной пружины. При достижении указанным перепадом давления величины, соответствующей открытию обратного клапана перепускного устройства 14, этот клапан открывается и вода из автономного контура через перепускное устройство 14 поступает в систему запирающей воды для охлаждения и смазки узла уплотнения 8 вала 1. При этом горячая вода, поступающая в автономный контур из напорной части насоса по соединяющим их гидравлическим лабиринтам, охлаждается в холодильнике 6 до требуемого уровня. В результате все ГЦНА энергоблока продолжают работать, причем холодильники 6, выполненные с запасом по величине теплообменной поверхности, обеспечивают работу в таком режиме без ограничения его длительности.
Если во время нормальной работы всех ГЦНА энергоблока прекращена подача воды из системы байпасной очистки первого контура во входной трубопровод 9, а после этого один ГЦНА остановлен (переведен в режим стоянки в горячем резерве после срабатывания технологических защит), то в течение выбега запорную арматуру 12 у остановленного ГЦНА не закрывают. При этом запирающая вода для охлаждения и смазки узла уплотнения 8 продолжает поступать через открытое перепускное устройство 14 из автономного контура. После окончания выбега закрывают арматуру 12 на трубопроводе слива организованных протечек, что вызывает повышение давления в системе запирающей воды и закрытие обратного клапана перепускного устройства 14. В автономном контуре остановленного ГЦНА по окончании выбега прекращается принудительная циркуляция под действием импеллера 3, но за счет соответствующего выполнения холодильника 6, поднятого над подшипником 4, возникает естественная конвекция воды с расходом, достаточным для охлаждения зоны подшипника 4 при неподвижном вале 1.
Если подача воды из системы байпасной очистки первого контура во входной трубопровод 9 прекращена в то время, когда один ГЦНА уже остановлен (был переведен в режим стоянки в горячем резерве после срабатывания технологических защит), а остальные ГЦНА энергоблока нормально работают, то закрывают запорную арматуру 12 у остановленного ГЦНА для предотвращения дальнейшего снижения давления запирающей воды и открытия обратного клапана перепускного устройства 14. Таким образом, при любой из рассмотренных выше последовательностей событий исключен разогрев воды автономного контура ГЦНА, переведенного в режим стоянки в горячем резерве.
Ситуация полного обесточивания энергоблока, когда прекращается электроснабжение, в частности, приводящих электродвигателей ГЦН, также связана с остановкой ГЦНА. В этом случае имеется возможность при остановке каждого из ГЦНА энергоблока закрыть (естественно, только после окончания выбега) запорную арматуру 12 на трубопроводе слива организованных протечек, поскольку эта арматура подключена к источнику надежного электропитания. При этом автономный контур каждого ГЦНА работает так же, как и в режиме стоянки в горячем резерве без подачи запирающей воды из системы байпасной очистки (что возможно, как показывают испытания, в течение не менее 72 часов). В общем случае, длительность такого режима ограничена только началом кипения воды промежуточного контура, находящейся (помимо холодильника 6 и доохладителя 10) также в коллекторе и расширительном баке этого контура. Указанный коллектор объединяет трубопроводы, отводящие воду промежуточного контура из холодильника 6 и доохладителя 10 каждого ГЦНА энергоблока. Он расположен над указанными теплообменниками и соединен с расширительным баком большого (по сравнению с холодильником 6 и доохладителем 10) объема, который постоянно заполнен холодной водой при атмосферном давлении (эти элементы промежуточного контура на чертеже также не показаны).