ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ НАПОРНО-САМОТЕЧНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ ЦИРКУЛЯЦИОННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ АЭС С РЕАКТОРАМИ РБМК-1000
Панас С. И., инж. Южтехэнерго
Атомные электростанции (АЭС) по сравнению с тепловыми электростанциями (ТЭС) в части обеспечения их технической водой имеют две особенности:
полуторный удельный расход технической воды на единицу выработанной электроэнергии. Например, на 1 МВт мощности блока с турбиной К-800-240 современной ТЭС расчетный удельный расход охлаждающей воды составляет 16 м3/(МВт-ч), а на блоке АЭС с реактором ВВЭР-1000 и турбиной К-1000-60/3000 — 189 м3/(МВт-ч);
использование ядерного топлива и рост атомной энергетики, сопровождаются все ужесточающимися требованиями по радиационной безопасности обслуживающего персонала и защите окружающей среды.
Этими особенностями и технико-экономическим расчетом с учетом конкретных естественных условий была определена принципиальная схема систем технического водоснабжения (СТВС) одноконтурных Курской, Чернобыльской и Смоленской АЭС с реакторами РБМК-1000.
СТВС этих АЭС принята оборотной с водохранилищем-охладителем. Комплекс гидротехнических сооружений СТВС по-своему территориальному расположению подразделяется на две группы.
В первую группу входит водохранилище- охладитель с гидротехническими сооружениями на нем, включая его системы подпитки и продувки. Эта группа запроектирована сразу для четырех блоков двух очередей АЭС общей мощностью 4000 МВт.
Рис. 1. Схема напорно-самотечной части низконапорной системы циркуляционного водоснабжения АЭС с peaкторами РБМК-1000:
1 — водозаборное сооружение № 1; 2— водозаборное сооружение № 2; 3 — конусная водоогнетная сетка; 4 — вращающаяся водоогнетна; 5 — сероудерживающая решетка; 6 — колесный затвор; 7 — клапан срыва вакуума
Рис. 2. Вертикальная схема напорно-самотечной части низконапорной системы циркуляционного водоснабжения АЭС с реакторами РБМК-1000:
1 — напорный бассейн; 2 — сетка водоочистная вращающаяся; 3 — вантуз; 4 — конденсатор; 5 — дисковый затвор; 6 — закрытый отводящий канал; 7 — дюкер; 8 — подводящий канал; 9 — затворы сегментные; 10 — открытый отводящий канал
Вторая группа — это сооружения пристанционного узла, которые образуют две отдельные системы технического водоснабжения: низконапорную циркуляционную и высоконапорную ответственных потребителей. Эти сооружения запроектированы для каждой очереди отдельно, на два блока. Низконапорная циркуляционная система предназначена для подачи охлаждающей воды на конденсаторы и другие низконапорные потребители турбинного отделения. Она в отличие от СТВС ТЭС и двухконтурных АЭС является напорно-самотечной и включает в себя дополнительный промежуточный бьеф в виде напорного бассейна между циркуляционными насосами и конденсаторами турбин (см. рис. 1, 2).
Данные по испытаниям циркуляционных насосов и напорной части циркуляционной системы, включающей участок от циркуляционных насосов до сифонного водовыпуска в напорном бассейне, приведены в статье «Результаты испытаний циркуляционных насосов на АЭС с реакторами РБМК-1000», опубликованной в журнале «Электрические станции» № 3 за 1980 г. В предлагаемой статье приводятся результаты испытаний напорно-самотечной части этой же системы, включающей напорный бассейн, водозаборное сооружение, конденсаторы турбин с напорными и сливными циркуляционными водоводами и закрытый канал с сегментными затворами (см. рис. 2).
Такая схема выбрана по соображениям повышения надежности и экономичности технического водоснабжения. На одноконтурных АЭС с реакторами РБМК-1000 выброс пара в атмосферу недопустим. Для его приема в случае аварийного останова циркуляционных насосов, согласно пояснительной записке к техническому проекту, требуется установка в главном корпусе четырех барботеров диаметром 3,6 м и длиной 21 м на давление 1,2 МПа из дорогостоящей нержавеющей стали.
По техническим условиям в аварийных случаях половина номинального расхода пара может быть принята конденсаторами турбин. Для его конденсации в случае обесточивания циркуляционных насосов охлаждающая вода будет поступать из напорного бассейна, который прежде всего выполняет роль резервной емкости на 40 тыс. м3 воды. Напорный бассейн выполняет и другие функции. Он является коллектором, в который подают воду 12 циркуляционных насосов, а также регулятором напора и расхода охлаждающей воды на конденсаторы и другие низконапорные потребители турбинного отделения. Вода к ним поступает под напором уровня воды в бассейне.
Включение в систему циркуляционного водоснабжения открытого напорного бассейна усложнило ее эксплуатацию. Например, при блочной схеме циркуляционного водоснабжения без напорного бассейна регулирование расхода охлаждающей воды осуществляется поворотом лопастей циркуляционных насосов или прикрытием задвижек на сливных циркуляционных водоводах. В нашем случае регулирование расхода охлаждающей воды может производиться путем изменения следующих величин:
числа работающих циркуляционных насосов; угла поворота лопастей циркуляционных насосов;
уровня воды в напорном бассейне;
степени открытия дисковых затворов на сливных циркуляционных водоводах.
Уровни воды в бассейнах 1-й и 2-й очереди соответственно: нормальный подпертый уровень (НПУ) +4,1 и +5,1 м, минимальный рабочий +2,0 и +3,0 м относительно условного нуля, которому соответствует пол машинного зала главного корпуса.
Водозаборные сооружения (ВЗС) предназначены для забора воды из напорного бассейна, тонкой очистки и распределения ее по напорным циркуляционным водоводам на конденсаторы и маслоохладители турбин, газоохладители генераторов, эжекторы циркуляционной системы и другие низконапорные потребители. Каждое из двух ВЗС имеет восемь пролетов. Во всех восьми пролетах ВЗС-1 Курской АЭС и шести пролетах ВЗС-1 Чернобыльской АЭС установлены плоские водоочистные сетки типа ТП-3000-1100. В пролетах 1 и 8 Чернобыльской АЭС в порядке эксперимента были установлены водоочистные сетки нового типа — конусные Д-3600. Такие же сетки установлены на ВЗС-2 обеих АЭС.
Одиннадцатилетний опыт эксплуатации конусных сеток на Курской и Чернобыльской АЭС подтвердил их работоспособность и выявил резервы их усовершенствования. Прежде всего сетку из стальной проволоки следует заменить на сетку из проволоки из нержавеющей стали. На обеих АЭС пользуются преимущественно ручным управлением промывки сеток. Причиной этого является малая интенсивность их засорения, а также сложность системы автоматического управления, требующая высокого уровня ее обслуживания.
Напорные циркуляционные водоводы предназначены для подачи охлаждающей воды на конденсаторы и к подающим трубопроводам вспомогательного оборудования турбогенератора. Сливные циркуляционные водоводы предназначены для приема нагретой воды и транспортировки ее в закрытый отводящий канал.
Отводящий канал служит для отвода нагретой циркуляционной воды в водохранилище-охладитель. Конструктивно отводящие каналы на Курской и Чернобыльской АЭС отличаются. На Курской АЭС канал докового типа, одноячеечный шириной по дну 16 м, высотой стенок 8,1 м. После концевого сооружения канала, оборудованного сегментными затворами, вода поступает непосредственно в водохранилище-охладитель. На Чернобыльской АЭС закрытая часть канала четырехъячеечная. Каждая ячейка рассчитана на прием и транспортировку нагретой воды только от одного блока. Пересечение отводящего и подводящего каналов осуществлено дюкером. После лицевого сооружения вода поступает в открытую часть отводящего канала длиной 2,4 км и далее в водохранилище-охладитель. Концевое сооружение и дюкер оборудованы сегментными затворами. Основные гидротехнические сооружения на водохранилищах-охладителях обеих АЭС — струенаправляющая дамба, намытая из песка, струераспределительная дамба, а на Курской АЭС, еще дамба-рыбозаградитель длиной около 1 км, отсыпанные из крупного камня.
Система технического водоснабжения рассчитана на расход воды до 56 м3/с на один блок, или по 7 м3/с по каждому напорно-самотечному тракту. По результатам испытаний напорной части этот расход обеспечивают 5 из 6-и циркуляционных насосов типа 0ПВ-145Э. Один насос остается в резерве.
Настоящие испытания выполнены с целью определения гидравлической характеристики отдельных элементов и всей системы напорно-самотечной части СТВС, которая определяет пропускную способность всей системы технического водоснабжения. Испытывались напорно-самотечные тракты на участке напорный бассейн — конденсатор — закрытый отводящий канал.
Кроме того, на Чернобыльской АЭС испытывался закрытый канал с дюкером, а на Курской АЭС измерялись перепады уровней воды на струераспределительной и рыбозаградительной дамбах.
Измерялись следующие параметры (см. рис. 2): уровни воды в напорном бассейне 1, после вращающейся сороочистной сетки 2, в колодце закрытого отводящего канала 3, в закрытом отводящем канале перед дюкером 4 и после дюкера в открытом отводящем канале 5 — по уровнемерным рейкам с ценой деления 1 см со среднеквадратической ошибкой mу=±158 Па;
расход воды по напорно-самотечному тракту 6 с помощью трубки Прандтля со среднеквадратичной ошибкой mq=±0,13 м3/с;
давление по напорно-самотечному тракту, перед 7 и после 9 конденсатора, разрежение в верхней части сифона сливной водяной камеры конденсатора 8, а также в сливном циркуляционном водоводе 10 после дискового затвора ртутным дифманометром с ценой деления 1 мм со среднеквадратичной ошибкой mр=±429 Па. По этим параметрам получены гидравлические характеристики напорно-самотечной части системы циркуляционного водоснабжения и отдельных ее элементов (см. рис. 3, 4).
Рис. 3. Графики гидравлического сопротивления конденсаторов турбин, напорных и сливных циркуляционных водоводов: 1 — конденсатор Чернобыльской АЭС; 2 — конденсатор расчетный заводской; 3 — конденсатор Курской АЭС; 4 — напорный циркводовод Курской АЭС; 5 — сливной циркводовод Чернобыльской АЭС; 6 — напорный циркводовод Чернобыльской АЭС
Рис. 4. Графики гидравлического сопротивления закрытых железобетонных каналов Чернобыльской АЭС:
1 — закрытый отводящий канал + дюкер; 2 — закрытый отводящий канал; 3 — дюкер
Рис. 5. График суммарного гидравлического сопротивления напорно-самотечной части системы циркуляционного водоснабжения АЭС
Разность уровней в напорном бассейне 1 и в сливном колодце закрытого канала 3 на Курской АЭС или в открытом отводящем канале 5 на Чернобыльской АЭС дают величину располагаемого перепада, расчетное значение которого для 1-й и 2-й очереди соответственно равно на:
Курской АЭС +4,1 — (—2,5) =6,6 м и +5,1 — (—2,5) = 7,6 м;
Чернобыльской +4,1 — (—3,0) =7,1 м и +5,1 — (_3,0) = 8,1 м.
Во время испытаний на Чернобыльской АЭС уровень воды в напорном бассейне изменялся в пределах +0,8-+4,5 м, определяя располагаемый напор в 3,8—7,5 м. При блочных схемах циркуляционного водоснабжения, работающих по схеме циркуляционный насос — конденсатор, такие же напоры обычно развивают насосы типа ОПВ-6.
При использовании действия сифонов этих напоров достаточно для подачи расчетных расходов охлаждающей воды. Однако с увеличением гидравлического сопротивления системы, или в случаях образования в циркуляционной системе воздушных «мешков» указанные напоры не обеспечивают потребного расхода воды, а при срыве сифона подача охлаждающей воды прекращается вообще. Поэтому низконапорные насосы типа ОПВ-6 не нашли распространения на тепловых и атомных электростанциях. А на ЛИТОВСКОЙ ГРЭС, например, первоначально установленные насосы типа ОПВ6-110 были заменены на насосы типа ОПВ5-110.
На рис. 3, 4, 5 приведены графики гидравлических сопротивлений отдельных элементов и полностью напорно-самотечного тракта циркуляционной системы. Они в основном согласуются с расчетными. В напорном и сливном циркуляционных водоводах гидравлические сопротивления в диапазоне опытных расходов несколько ниже расчетных и равны 2,5—4,5 кПа. Фактическое гидравлическое сопротивление конденсатора на Курской АЭС на 3—5 кПа ниже расчетного заводского, а на Чернобыльской АЭС — на 4—5 кПа выше.
Гидравлическое сопротивление закрытого отводящего канала (см. рис. 4) на Чернобыльской АЭС при расчетном расходе воды достигает 8 кПа. Из них третья часть приходится на дюкер. На Курской АЭС закрытый отводящий канал самотечный безнапорный, рассчитан на пропуск всего расхода охлаждающей воды из четырех блоков.
Перепад уровней воды во время испытаний на всех сетках обеих АЭС не превышал 10 см. В последующие годы эксплуатации особых проблем с засорением сороочистных сеток не было. Однако на Чернобыльской АЭС были случаи попадания в трубки конденсаторов и других теплообменных аппаратов.
График суммарного сопротивления (см. рис. 5) напорно-самотечного тракта подтверждает проектные расчеты по его пропускной способности. Однако увеличение гидравлического сопротивления тракта на 10 кПа или уменьшение располагаемого напора на 1 м уменьшает его пропускную способность на расход около 1 м3/с. При наличии в напорно-самотечном тракте скопления воздуха его пропускная способность еще больше уменьшается, вплоть до полного срыва сифона. В этом случае движение воды на участке конденсатор — сливной водовод будет самотечным безнапорным и при уровне воды в напорном бассейне ниже отметки +3,7 ее движение прекратится полностью.
Воздушные помехи в работе циркуляционного водоснабжения — довольно распространенное явление на тепловых электростанциях. В этих случаях персонал с целью обеспечения циркуляции охлаждающей воды через конденсаторы и другие теплообменные аппараты, как правило, прикрывает сливные затворы (задвижки) иногда до 50—60 %, увеличивая гидравлическое сопротивление системы и соответственно уменьшая расход охлаждающей воды. На Курской и Чернобыльской АЭС воздушные помехи в циркуляционных трактах уже на первых энергоблоках были устранены путем реконструкции схемы отсоса воздуха из них. Особенно хорошо реконструкция была выполнена на Чернобыльской АЭС. Частичная информация о реконструкции схемы отсоса воздуха приводится в разделе Обмен опытом журнала «Энергетик» № 5 за 1981 г.
На рис. 6 приведены графики изменения пропускной способности напорно-самотечного тракта в зависимости от степени открытия дискового затвора на сливном циркуляционном водоводе при максимальном и минимальном уровнях для в напорном бассейне Чернобыльской АЭС.
0,3 м3/с — во вспомогательное оборудование. Согласно рис. 6 для первой очереди Чернобыльской АЭС при максимально возможном уровне воды в напорном бассейне 4,45 м этому расходу соответствует степень открытия затвора на сливном циркуляционном водоводе 57 %.
На рис. 7 приведены графики перепадов уровней воды на струераспределителе и рыбозаградителе из каменных фракций на Курской АЭС, полученные после пуска первого энергоблока. Из анализа графиков следует, что эти сооружения по причине, главным образом, нарушения технологии их возведения создают весьма большой, недопустимый для эксплуатации перепад давлений. Проектный перепад при полном расходе воды 212 м3/с не должен превышать 0,3 м. Фактически уже при четвертом расходе перепады на рыбозаградителе и струераспределителе были аварийными и равнялись соответственно 1,18 и 0,67 м. С пуском второго энергоблока в обоих сооружениях были сделаны прораны и сооружения совершенно утратили свои функциональные качества: предотвращение попадания рыбы в циркуляционную систему и равномерное рассеивание теплой воды по акватории водохранилища-охладителя. Проблема этих сооружений накануне пуска пятого энергоблока продолжает ждать своего решения.
Рис. 6. Графики пропускной способности напорно-самотечного по степени открытия затвора на сливном циркуляционном водоводе
Рис. 7. Графики перепада уровней воды на рыбозаградителе и струераспределителе (2) водохранилища-охладителя АЭС
Выводы
- Результаты испытаний подтвердили соответствие фактических и расчетных характеристик трактов циркуляционной воды.
- Одиннадцатилетний срок эксплуатации подтвердил полную работоспособность новой системы циркуляционного водоснабжения с напорным бассейном для АЭС с энергоблоками РБМК-1000.
- Для окончательной оценки эффективности работы сороочистных конусных сеток их следует подвергнуть эксплуатации при более интенсивном засорении.
