ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ПУСК И ОСТАНОВ ТУРБОАГРЕГАТОВ
- ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПУСКОВЫХ РЕЖИМОВ
Пусковая схема любого энергоблока АЭС включает в себя кроме основного оборудования специальные устройства и трубопроводы, которые используются только в условиях пуска, останова, расхолаживания блока и сброса нагрузки. Несмотря на широкую унификацию пусковых схем ТЭС и АЭС, принятую в СССР, пусковые схемы энергоблоков АЭС имеют свои особенности, обусловленные типом ядерной паропроизводящей установки, наличием сепаратора-пароперегревателя и параметрами пара, близкими к линии насыщения. К пусковым схемам энергоблоков АЭС предъявляются требования широкой унификации всех элементов, пуска из любых тепловых состояний, максимального снижения пусковых потерь тепловой энергии и рабочего тела, сокращения длительности пуска при высокой надежности всего пускового комплекса [11].
В отечественной энергетике наибольшее распространение получили энергоблоки с реакторами корпусного (ВВЭР) и канального (РБМК) типа. Большинство установленных энергоблоков выполнены по схеме дубль-блока: две турбины на реактор. Такая тенденция будет сохраняться в дальнейшем для АЭС с реакторами РБМК. Однако для АЭС с реакторами ВВЭР-1000 характерно применение моноблочной схемы, существенно упрощающей систему трубопроводов и уменьшающей объем арматуры, что облегчает управление энергоблоком в режимах пуска, нагружения и останова.
Как в пусковых схемах ТЭС, так и в пусковых схемах АЭС предусмотрена система пускосбросных устройств (ПСУ) [11], которая для АЭС играет важную роль в обеспечении надежности оборудования энергоблока, в первую очередь реактора, в решении задач радиационной безопасности и защиты окружающей среды. Кроме того, на АЭС предусматривается возможность сброса пара из ядерной паропроизводящей установки (ЯППУ), минуя турбины, в основной или специальный технологический конденсатор.
Для этой цели турбоустановки АЭС с водоохлаждаемыми реакторами имеют специальные быстродействующие установки для сброса пара в основной конденсатор (БРУ-К), в технологический конденсатор (РУ-ТК), в атмосферу (БРУ-А), для индивидуального резервирования питания паром деаэратора (БРУ-Д), питательного турбонасоса (БРУ-ПТН) и коллектора собственных нужд (БРУ-СН).
При нормальном пуске блока, сбросе нагрузки, аварийном останове с сохранением вакуума в конденсаторе и нормальном останове с расхолаживанием ЯППУ используется БРУ-К.
При останове блока с расхолаживанием реактора в случае потери вакуума в конденсаторе вместо БРУ-К используется РУ-ТК. При аварийном останове блока с потерей напряжения собственных нужд или с потерей вакуума в конденсаторе сброс свежего пара осуществляется через БРУ-А, т. е. БРУ-А резервирует БРУ-К. Важной особенностью пуска турбоустановок АЭС является режим подачи пара на СПП с регулированием пара после СПП.
Блоки с реакторами РБМК, выполненные по одноконтурной схеме, имеют ряд особенностей пусковых схем в сравнении с блоками, оборудованными ВВЭР. Устройство БРУ-К и основной конденсатор должны быть рассчитаны на прием 100 % пара, поступающего в турбину, при сбросах нагрузки для исключения выброса радиоактивного пара в атмосферу. Для подачи пара на пароструйные эжекторы, промежуточные камеры концевых уплотнений, уплотнения штоков всех паровых клапанов должна быть предусмотрена специальная испарительная установка, питающаяся редуцированным свежим паром или паром от первого или второго регенеративных отборов.
Вместо БРУ-А для АЭС с РБМК применяется быстродействующее редукционное устройство для сброса пара в барботёр (БРУ-Б) с целью исключения выброса радиоактивного пара в атмосферу. Паровое устройство барботера соединено с трубной системой конденсатора-испарителя, межтрубное пространство которого залито водой. При проходе пара из барботёра по трубной системе он конденсируется, испаряя воду конденсатора- испарителя. Вторичный пар, образовавшийся в конденсаторе- испарителе, сбрасывается в атмосферу.
С учетом того, что турбины АЭС работают на влажном паре, их пусковые схемы имеют развитую систему дренажей. Дренажи паропроводов до и после ГПЗ направляются в расширители дренажей машинного зала и турбины. Дренаж и конденсат греющего пара СПП при пуске турбины направляются в конденсатор или в систему регенерации.
Режимы пуска турбин АЭС зависят от типа реактора, схемы главных паропроводов между ЯППУ и турбиной, определяемой моно- или дубль-блочной компоновкой АЭС, а также состоянием турбины перед пуском. Тепловое состояние турбины характеризуется температурой металла основных элементов конструкции (цилиндры, коробки клапанов, трубопроводы) в характерных точках, а также тепловым расширением цилиндров турбины. Критерием теплового состояния является температура головной части турбины и главного паропровода от ЯППУ до стопорного клапана.
Пуск при температуре металла не выше 100 °С называют пуском из «холодного» состояния; при температуре металла более 100 °С и 150 °С — из «неостывшего» и «горячего» состояния соответственно. Тепловое состояние перед пуском зависит от режима останова и последующего остывания. Для турбин насыщенного пара пуску из «холодного» состояния предшествует суточный и более длительный простой. Тепловое состояние также характеризуется изменением осевых зазоров в проточной части и концевых уплотнениях в процессе прогрева, что контролируется по относительному расширению роторов цилиндра.
Кроме теплового состояния, важным показателем является термонапряженное состояние элементов турбины, характеризуемое термическими напряжениями, которые определяются в значительной степени разностью температур в точках статора турбины. Наиболее характерными являются разности температур по толщине стенки цилиндра, ширине фланцев горизонтального разъема, в зоне паровпуска, между верхней и нижней половиной корпусов ЦВД, между шпильками и фланцами горизонтального разъема. Однако для мощных турбин АЭС характерно применение массивных роторов и достаточно тонкостенных цилиндров, что может вызвать более высокие напряжения в роторах, и поэтому контроль за термонапряженным состоянием цилиндров может не дать полной картины надежного пускового режима.
При пуске турбин АЭС контролируется соответствие температур металла паропроводов, металла цилиндров, а также насыщения пара при соответствующем давлении, чтобы предотвратить чрезмерное охлаждение пара. При теплообмене с влажным паром коэффициенты теплоотдачи всегда велики, поэтому температура поверхности деталей турбины, омываемых паром, и паропроводов близка его температуре. Это обстоятельство имеет важное значение также и при резких изменениях нагрузки, когда температура пара изменяется вслед за изменением давления в проточной части и сухой насыщенный пар увлажняется при дросселировании от номинального давления, что способствует резкой интенсификации теплообмена между паром и металлом. Совместное действие этих факторов ухудшает термонапряженное состояние турбины [11].
По этой причине, для ведения пусковых режимов наряду с температурой металла измеряется температура пара на входе в турбину, в камере регулирующей ступени, в линии подачи на концевые уплотнения, а также на обогрев фланцев. К перечисленным показателям температурного и термонапряженного состояния добавляются также и другие; осевой сдвиг ротора, температура баббита и вибрация подшипников, температура масла, подаваемого на смазку и в систему регулирования, эксцентриситет ротора, частота вращения, давление и температура свежего пара и пара промперегрева, вакуум в конденсаторе. Эти показатели дают общее представление о состоянии турбины в режимах пуска [11].
Основной технологией пуска турбин АЭС в настоящее время является технология пуска паром с номинальными параметрами, в то время как для блочных ТЭС — паром со скользящими параметрами. Температура свежего пара на входе в первую ступень определяется степенью его дросселирования в РК турбины, и при малых расходах на входе в ЦВД можно получить перегретый пар [11]. Вместе с тем в процессе пуска температура пара за СПП может регулироваться подачей греющего пара на СПП. При этих условиях прогрев ЦВД однозначно определяется расходом пара через турбину. Таким образом, каждый из параметров пуска можно изменять автономно для ЦВД и ЦНД с учетом изменения граничных условий, определяемых расходом пара, а это существенно упрощает создание оптимального режима пуска для паротурбинных установок АЭС и систем управления пуском.
Оптимизация режима пуска и нагружения осуществляется через зависимость, связывающую температуру греющего пара с его расходом. При наличии двух и более ведущих показателей для каждого из них определяются температура и расход греющего пара, которые должны обеспечивать допустимую разность температур в рассматриваемом узле. Вместе с тем накладываются технологические ограничения по абсолютной величине и скорости изменения расхода пара (нагрузки). Минимальное из полученных значений нагрузки является допустимым. По этому значению с помощью зависимостей температуры стенки от мощности
определяется температура греющего пара, омывающего «критические» элементы конструкции. Зависимости вида
задаются по результатам пуска или на основе теплового расчета турбины [10].
Например, для турбины К-220-44 анализ термонапряженного состояния и пусковые испытания показали, что ведущими параметрами могут быть выбраны разности температур по ширине фланца в зоне паровпуска и по радиусу сварного ротора ЦНД в зоне первой ступени, что график набора частоты вращения не лимитируется режимом прогрева турбины и может быть определен режимом пуска реактора. График нагружения выбирается по условиям поддержания максимальной допустимой разности температур по ширине фланца ЦВД на уровне 70 °С, т. е. на 10 °С ниже допустимой, установленной заводом- изготовителем. При пуске из «неостывшего» состояния на начальной стадии нагружения разность температур греющего пара и наружной поверхности фланца не превышает допустимой, скорость подъема нагрузки может достигать предельной допустимой — 10 МВт/мин.
Такая методика, приведенная в работе [11], обеспечивает поддержание ведущего параметра — предельной допустимой разности температур — на высоком уровне.
Для более равномерного прогрева ротора ЦНД на холостом ходу целесообразно выйти на номинальную температуру пара после СПП, пока коэффициенты теплоотдачи перегретого пара металлу невелики, с последующим снижением и дальнейшим плавным повышением температуры, что иллюстрируется графиком автоматизированного пуска [11].
