ГЛАВНЫЙ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ
PRIMARY CIRCULATION PUMP UNIT

Изобретение относится к энергомашиностроению, областью его применения являются лопастные насосы с механическим уплотнением вала, входящие в состав главных циркуляционных насосных агрегатов (ГЦНА) ядерных энергетических установок (ЯЭУ) с легководным теплоносителем, которые предназначены преимущественно для энергоблоков атомных электростанций (АЭС). Как известно, ЯЭУ, в которых в качестве теплоносителя используют обычную (легкую) воду, преобладают в современной мировой ядерной энергетике.
Насосы, обеспечивающие циркуляцию теплоносителя в первом контуре, проходящем через ядерный реактор, называют главными циркуляционными насосами (ГЦН). ГЦН вместе с выносным приводящим электродвигателем (ЭД), а также обслуживающие (вспомогательные) системы и контрольно-измерительные средства образуют ГЦНА. Все ГЦН в составе энергоблока АЭС являются насосами постоянного действия. Приводящие ЭД ГЦН выключают (помимо технологических остановок, связанных с плановой эксплуатацией ЯЭУ или срабатыванием соответствующих защит) только во время гидравлических испытаний реакторной установки. Кроме того, электроснабжение приводящих ЭД ГЦН прекращается в случае полного обесточивания энергоблока.
На АЭС в качестве ГЦН широко применяют лопастные насосы с механическим уплотнением вращающегося вала. Такой ГЦН, как правило, представляет собой вертикальный одноступенчатый консольный насос с нижним расположением рабочего колеса. Ближайшей к последнему опорой вала насоса служит нижний радиальный подшипник (НРП) скольжения, для охлаждения и смазки которого используют перекачиваемую воду. Для предотвращения выхода теплоносителя из первого контура вдоль вала насоса выше НРП устанавливают узел уплотнения вала, образованный из ряда ступеней, которые могут быть, в частности, выполнены в виде торцовых уплотнений. В узел уплотнения для охлаждения и смазки его элементов (питания уплотнения) 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 верхнюю (концевую, атмосферную) ступень уходит свободным сливом за пределы насоса.
Известно, что в ГЦНА применяют многоступенчатый узел уплотнения с внешним (снаружи ГЦН) байпасированием средних ступеней торцовых уплотнений, у которого параллельно каждой из этих ступеней установлен байпас запирающей воды, содержащий дроссельное устройство (выносной дроссель, например, в виде капилляра), при этом для регулирования перепада давления на ступени торцового уплотнения последовательно с дроссельным устройством может быть установлен преобразователь давления (редукционный клапан) [см., например, Синев Н.М., Удовиченко П.М. Бессальниковые водяные насосы (герметичные и с контролируемыми протечками). - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Атомиздат, 1972. - 496 с.: с.167…170, рис.3.15 (с.169)]. Недостатком этого устройства является невозможность достаточно полного и быстрого разобщения полостей узла уплотнения, смежных с указанными ступенями (прекращения гидравлической связи между ними по запирающей воде).
Для энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000 используют известный ГЦНА типа ГЦН-195 [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)], применительно к которому систему охлаждения и смазки НРП перекачиваемой водой называют автономным контуром. Напорная часть ГЦН постоянно связана с автономным контуром, расположенными между ними внутри ГЦН гидравлическими лабиринтами. Система запирающей воды для узла уплотнения вала включает доохладитель (дополнительный холодильник), а также трубопровод слива организованных протечек с запорной арматурой. Доохладитель выполнен в виде поверхностного рекуперативного теплообменника, охлаждаемого водой промежуточного контура системы технического водоснабжения энергоблока.
Вода в систему запирающей воды (при нормальной работе энергоблока) поступает из деаэратора подпитки системы байпасной очистки теплоносителя первого контура. На случай отказа этого (основного) источника система запирающей воды выполнена с возможностью отбора воды с напора ГЦН через автономный контур. Для этого автономный контур 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. Если подача воды из деаэратора подпитки прекращена, а отвод запирающей воды в систему организованных протечек продолжается, то вследствие снижения давления в системе запирающей воды воздействие со стороны последней на обратный клапан уменьшается. После открытия обратного клапана вода из автономного контура поступает в узел уплотнения для охлаждения и смазки его элементов.
Узел уплотнения вала ГЦН-195 выполнен в виде блока из четырех одинаковых ступеней торцовых уплотнений с внешним байпасированием двух средних (первой и второй основных) ступеней [там же, с.71, 72 (рис.4.6)]. Уплотнительную поверхность в каждом из торцовых уплотнений образует пара колец из силицированного графита. Вторичные уплотнения (по корпусным деталям) выполнены в виде резиновых колец. Изготовленные попарно уплотнительные кольца из силицированного графита, предназначенные для установки на ГЦН, отбирают, в частности, по величине протечки при заданном перепаде давления (например, не более 50 л/ч при перепаде 18 МПа). Запирающую воду подают в полость между разделительной (нижней) и первой основной ступенями. Снижение давления (дросселирование) до атмосферного происходит при течении запирающей воды через выносные дроссели, установленные на байпасах первой и второй основных ступеней уплотнения.
Недостатком этого ГЦНА (в ситуации полного обесточивания энергоблока, а также при ежегодных гидравлических испытаниях реакторной установки) является неизбежность (из-за наличия байпасов) поступления воды с полным давлением первого контура в полость узла уплотнения перед концевой ступенью, которая остается единственным барьером, разделяющим теплоноситель первого контура и окружающее ГЦН пространство. В ситуации полного обесточивания энергоблока из-за высокой температуры теплоносителя первого контура металл корпуса узла уплотнения интенсивно прогревается, в результате чего вторичные уплотнения (из резины) могут не сохранить работоспособность в течение требуемого времени. При гидравлических испытаниях концевая ступень воспринимает большие изгибающие усилия, возникающие вследствие воздействия на нее давления, используемого для гидравлических испытаний, с одной стороны, и атмосферного давления, с другой, которые приводят к уменьшению площади контакта и увеличению зазора между кольцами из силицированного графита. Увеличение вследствие этого протечки воды через концевую ступень ведет к размыву контактных поверхностей, что при последующей работе в номинальном режиме вызывает более интенсивный прогрев элементов узла уплотнения, снижение долговечности его вторичных уплотнений (из резины) и увеличение утечки теплоносителя первого контура. Таким образом надежность ГЦНА типа ГЦН-195 ограничена наличием единственного барьера на возможном пути утечки теплоносителя первого контура через узел уплотнения вала остановленного ГЦН за его пределы, а также последствиями воздействия высокого перепада давления на концевую ступень узла уплотнения (при гидравлических испытаниях реакторной установки) и отказами вторичных уплотнений из резины узла уплотнения (в случае полного обесточивания энергоблока).
Задача, решаемая изобретением, состоит в повышении надежности ГЦНА путем снижения вероятности утечки воды первого контура через узел уплотнения вала за пределы насоса как при гидравлических испытаниях реакторной установки, так и в ситуации полного обесточивания энергоблока и - увеличения продолжительности времени до потери работоспособности элементов этого узла уплотнения. Среди технических результатов изобретение обеспечивает (во всех случаях испрашиваемого объема правовой охраны),
во-первых, увеличение числа последовательных равноценных барьеров на возможном пути утечки теплоносителя первого контура через узел уплотнения вала за пределы насоса,
во-вторых, снижение скорости прогрева узла уплотнения вала,
в-третьих, исключение необходимости снабжения насоса стояночным (аварийным) уплотнением в виде отдельного узла.
Кроме того, изобретение обеспечивает возможность проведения диагностики узла уплотнения вала непосредственно на энергоблоке АЭС.
В качестве решения задачи предлагается главный циркуляционный насосный агрегат, преимущественно для энергоблоков с легководным теплоносителем атомных электростанций, содержащий 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, а также систему запирающей воды для узла уплотнения вала насоса, размещенного над указанным подшипником,
выполненные с возможностью отбора воды из напорной части насоса через первую из двух указанных систем во вторую при отказе источника подачи воды во вторую систему, предназначенного для нормальных условий работы энергоблока,
причем узел уплотнения вала выполнен в виде многоступенчатого блока торцовых уплотнений с внешним байпасированием средних ступеней и с установкой в каждом байпасе дросселирующего устройства,
а доохладитель запирающей воды, охлаждаемый водой промежуточного контура системы технического водоснабжения энергоблока, выполнен в виде поверхностного рекуперативного теплообменника,
который отличается от прототипа тем, что
последовательно с каждым из дросселирующих устройств установлена запорная арматура, выполненная с возможностью полного закрытия одновременно с запорной арматурой на трубопроводе слива организованных протечек из узла уплотнения вала,
а доохладитель запирающей воды выполнен и поднят над узлом уплотнения вала с возможностью обеспечения устойчивого истечения запирающей воды под действием силы тяжести из доохладителя в полость узла уплотнения вала.
На чертеже изображена схема системы запирающей воды для узла уплотнения вала насоса (в частном выполнении) и системы охлаждения и смазки НРП.
ГЦНА включает вал 1 насоса, на котором установлено рабочее колесо 2. Напорная часть насоса связана с автономным контуром 3 (системой охлаждения и смазки НРП 4 скольжения), расположенными между ними внутри насоса гидравлическими лабиринтами (в масштабе чертежа элементы последних не выделены).
Узел уплотнения 5 вала 1 выполнен в виде блока из одинаковых ступеней торцовых уплотнений (например, четырех) с внешним байпасированием двух (в данном случае) средних основных ступеней. Блок торцовых уплотнений образуют разделительная ступень 6, две средние основные ступени (первая 7 и вторая 8) и концевая ступень 9. Полости узла уплотнения 5, смежные с первой основной ступенью 7, гидравлически связаны байпасом с последовательно установленными дроссельным устройством 10 (например, в виде капилляра) и запорной арматурой 11, а смежные со второй основной ступенью 8 - дроссельным устройством 12 и запорной арматурой 13.
Система запирающей воды для узла уплотнения 5 вала 1 включает входной трубопровод 14, доохладитель 15, подводящий трубопровод 16 и трубопровод слива организованных протечек с запорной арматурой 17. Входной трубопровод 14 соединен с источником подачи воды в систему запирающей воды, предназначенным для нормальных условий работы энергоблока (например, с системой байпасной очистки первого контура, элементы которой на чертеже не показаны). Запирающую воду после доохладителя 15 по подводящему трубопроводу 16 подают в полость узла уплотнения 5 между разделительной 6 и первой основной 7 ступенями. Запорные арматуры 11 и 13 выполнены с возможностью закрытия одновременно с запорной арматурой 17.
Доохладитель 15 выполнен в виде поверхностного рекуперативного теплообменника, охлаждаемого водой промежуточного контура энергоблока (элементы этого контура на чертеже не показаны) с возможностью устойчивого истечения из него запирающей воды в узел уплотнения 5 под действием силы тяжести. Для обеспечения этого доохладитель 15 выполнен с минимальным, по возможности, гидравлическим сопротивлением по запирающей воде и без подъемных участков (по направлению ее течения к узлу уплотнения 5), а установлен с превышением над узлом уплотнения 5 (например, на 10 м). В частности, теплообменная поверхность доохладителя 15 может быть составлена из лежащих в вертикальной плоскости U-образных теплообменных трубок с двумя горизонтальными прямолинейными участками. При этом подводящий трубопровод 16 целесообразно выполнить так, чтобы его самой высокой точкой являлся выход запирающей воды из доохладителя 15.
Перепускное устройство 18 между автономным контуром 3 и входным трубопроводом 14 системы запирающей воды может быть выполнено в виде, например, трубопровода, снабженного нормально закрытым обратным клапаном, который в своем нормальном положении препятствует отводу воды из автономного контура в систему запирающей воды.
В режиме гидравлических испытаний реакторной установки и в ситуации полного обесточивания энергоблока вспомогательные системы данного ГЦНА функционируют следующим образом (приводимые числовые величины характерны для эксплуатации ВВЭР-1000).
При гидравлических испытаниях энергоблока останавливают все ГЦНА данного энергоблока и закрывают всю арматуру, через которую возможен выход воды первого контура за пределы насоса, в том числе запорную арматуру 17 на трубопроводе слива организованных протечек. Прекращают подачу воды через входной трубопровод 14 в доохладитель 15. Запорные арматуры 11 и 13 на соответствующих байпасах узла уплотнения 5 закрывают одновременно с запорной арматурой 17. В первом контуре устанавливают давление 3,5 МПа и температуру не выше 45°C. Введя ГЦНА в работу, разогревают первый контур до температуры 120°C (при этом вода в доохладителе 15 и в подводящем трубопроводе 16 сохраняет первоначальные параметры, соответствующие началу работы насоса на низком давлении для разогрева первого контура). После остановки ГЦНА поднимают (с помощью подпиточных насосов) давление в первом контуре до 25 МПа, при этом вследствие открытия перепускного устройства 18 давление в полости узла уплотнения 5 между разделительной 6 и первой основной 7 ступенями также поднимается до 25 МПа. Но на возможном пути утечки теплоносителя первого контура через узел уплотнения 5 остановленного насоса за его пределы остаются три последовательных равноценных барьера: первая 7 и вторая 8 основные, а также концевая 9 ступени торцовых уплотнений. Возникновение утечки теплоносителя первого контура возможно только в результате последовательного отказа этих трех ступеней. При отсутствии же запорных арматур 11 и 13 за счет гидравлической связи по байпасам давление воды перед концевой ступенью 9 сравнялось бы с давлением первого контура, а концевая ступень 9 была бы единственным барьером.
В ситуации полного обесточивания энергоблока прекращается, в частности, электроснабжение приводящих ЭД ГЦН и все ГЦНА останавливаются, при этом вода в первом контуре сохраняет рабочие параметры (температура ~300°C и давление 15,6 МПа). После завершения выбега ГЦНА закрывают запорную арматуру 17 на трубопроводе слива организованных протечек (такая возможность обеспечена подключением этой арматуры к источнику аварийного, "надежного", электропитания). Запорные арматуры 11 и 13 на соответствующих байпасах узла уплотнения 5 закрывают одновременно с запорной арматурой 17. При обесточивании энергоблока прекращается подача воды через входной трубопровод 14 в доохладитель 15, давление запирающей воды в узле уплотнения 5 из-за продолжающегося отвода запирающей воды в систему организованных протечек снижается и перепускное устройство 18 открывается. Вследствие этого за время выбега ГЦНА давление в полости узла уплотнения 5 между разделительной 6 и первой основной 7 ступенями поднимается до уровня давления в первом контуре. Как и в режиме гидравлических испытаний, на возможном пути утечки теплоносителя первого контура остаются три последовательных равноценных барьера в виде трех одинаковых ступеней торцовых уплотнений.
В отличие от гидравлических испытаний при полном обесточивании энергоблока вследствие высокой температуры теплоносителя первого контура значительный тепловой поток идет на корпус узла уплотнения 5 по валу 1 насоса, а также через его корпус (последний на чертеже не показан). Но запирающую воду, протекающую через зазоры между уплотнительными кольцами из силицированного графита первой 7 и второй 8 основных и концевой 9 ступеней торцовых уплотнений и уходящую свободным сливом за пределы насоса, замещает холодная вода, поступающая (под действием силы тяжести) из доохладителя 15 по подводящему трубопроводу 16 в полость между разделительной 6 и первой основной 7 ступенями. Такое охлаждение уменьшает скорость прогрева элементов узла уплотнения 5 и обеспечивает, как показали испытания, увеличение времени прогрева запирающей воды в полости последнего до температуры, при которой еще сохраняется структура вторичных уплотнений из резины (например, 180°С), до нескольких десятков часов. Таким образом, обеспечение основным узлом уплотнения 5 вала 1 основных функций стояночного (аварийного) уплотнения исключают необходимость выполнения последнего в виде отдельного узла насоса.
Измеряя давление запирающей воды в полости между первой 7 и второй 8 основными ступенями узла уплотнения 5 в режиме стоянки ГЦНА, по величине этого давления и изменению его во времени получают представление о герметичности первой ступени 7, что позволяет прогнозировать необходимость и планировать объем предстоящего ремонта узла уплотнения 5 насоса этого ГЦНА.