Насосы ЯППУ.
Насосы являются важнейшей составной частью оборудования ЯППУ. Они осуществляют циркуляцию прокачиваемых сред в контурах и системах установки, обеспечивая эффективную транспортировку тепла. Кроме того, они необходимы для подпитки контуров и выполнения многих технологических операций.
Наиболее часто для обеспечения работы ЯППУ используются центробежные насосы, обладающие большой подачей и способные создать достаточно высокий напор перекачиваемой жидкости.
В качестве подпиточных насосов первого контура применяются объемные насосы, чаще всего плунжерного типа. Эти насосы создают высокий напор, однако подача их мала.
Насосы третьего, четвертого контуров и систем ЯППУ не имеют каких-либо характерных отличий от насосов соответствующего типа, используемых в неядерных установках. Поэтому в данном разделе вопросы устройства этих насосов не рассматриваются, Основное внимание будет уделено анализу устройства циркуляционных насосов первого контура, имеющих существенные особенности, обусловленные спецификой использования их в составе ЯППУ с водо-водяными реакторами.
Специфика работы ЦНПК в составе ЯППУ заключается в том, что перекачиваемая вода имеет высокие давление (около 20 МПа) и температуру (около 300 °С), радиоактивна и что отказ насоса может повлечь за собой тяжелую аварию реактора, связанную с расплавлением твэлов. Эти обстоятельства предопределили жесткость требований, предъявляемых к циркуляционным насосам
первого контура. Важнейшими из этих требований являются: высокая надежность работы ЦНПК без непосредственного их обслуживания персоналом; полное отсутствие утечки перекачиваемого радиоактивного теплоносителя или сведение этой утечки к некоторому минимальному и контролируемому значению; большое время выбега ротора насоса при обесточивании его привода*.
*Выполнение этого требования позволяет улучшить температурный режим активной зоны в аварийных ситуациях, обусловленных обесточиванием привода ЦНПК.
По результатам выполнения второго требования циркуляционные насосы первого контура можно разделить на две группы: герметичные и с ограниченной контролируемой протечкой.
Герметичные насосы представляют собой единый насосный агрегат, в котором электродвигатель и гидравлическая часть размещены в общем корпусе. Такое решение полностью исключает утечку теплоносителя, так как вал насоса не выходит из корпуса и отпадает необходимость его уплотнения, а неподвижные сопрягаемые детали уплотняются посредством сварки или с помощью разъемных соединений с прокладками.
По условиям работы обмоток статора электродвигателя герметичные насосы в свою очередь можно разделить на две группы: с сухим статором электродвигателя и с мокрым.
Для пояснения принципов устройства центробежного герметичного насоса с сухим статором электродвигателя рассмотрим конструкционную схему ЦНПК [4], представленную на рис. 1.3. Объектом рассмотрения является вертикальный насос с нижним консольным расположением рабочего колеса. В качестве привода использован асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором.
Как видно из рисунка, корпус насоса 19, корпус электродвигателя 10 и крышка 1 сопрягаются в единую конструкцию с помощью шпилек. Для уплотнения соединений используются медные прокладки 2. Приемный 20 и нагнетательный 16 патрубки насоса соединяются с соответствующими участками первого контура посредством сварки.
На внутренней поверхности корпуса электродвигателя закреплены железо 8 и обмотки 13 статора. В сверлении корпуса размещен герметичный подвод питания 4 к обмоткам статора. Статорная полость герметизирована тонкой металлической рубашкой 9, приваренной верхней и нижней частями к внутренней поверхности корпуса электродвигателя. .
По условиям работы в электродвигателе изолирующая рубашка 9 должна быть изготовлена из немагнитного материала, обладающего достаточной пластичностью и большим электрическим сопротивлением. Этим требованиям удовлетворяют нихром, сплав ЭИ-435 и некоторые марки нержавеющих сталей. Толщина рубашки должна быть по возможности малой (обычно она составляет около 0,5 мм). В то же время должна быть обеспечена целость рубашки в условиях высокого внутреннего давления и неравномерных температурных расширений отдельных частей статора.
Рис, 1.3. Конструкционная схема ЦНПК
При использовании тонкой рубашки эта задача может быть решена только посредством правильного выбора ее размеров. Необходимо, чтобы при опрессовке рубашка опиралась на железо статора и передавала через него всю нагрузку корпусу электродвигателя. На случай возможного разрыва рубашки корпус необходимо рассчитывать на максимальное давление в первом контуре, а подвод питания к обмоткам статора выполнять герметичным.
В корпус насоса 19 вмонтирована напорная камера 7, в которой вращается рабочее колесо 18, На верхнем торце колеса размещен кольцевой выступ, образующий камеру, предназначенную для разгрузки осевых усилий. Рабочее колесо консольно закреплено на валу 15 ротора электродвигателя 7. Ротор набран из листов электротехнического железа, пазы ротора залиты алюминием. Для предотвращения коррозии железа ротор помещен в герметичную оболочку, образованную цилиндрической нихромовой рубашкой и приваренными к ней торцевыми стальными крышками.
Вал насоса вращается в двух гидростатических* подшипниках. Нижний подшипник 14 является радиальным, а верхний 5, 3 — комбинированным радиально-осевым. Смазка подшипников осуществляется перекачиваемой водой, которая подается к подшипникам с помощью импеллера 6, закрепленного на верхнем торце ротора электродвигателя.
*Гидростатические подшипники позволяют обеспечить чисто жидкостное трение, что практически исключает их износ при работе. Трение шейки вала по вкладышу происходит только при пусках и остановках агрегата, если не предусмотрен автономный источник подачи воды к ним. Устройство и принцип действия гидростатических подшипников рассмотрены в [5].
Кроме смазки и охлаждения подшипников вода, нагнетаемая импеллером, используется для отвода тепла, выделяющегося в результате электрических потерь в роторе, а также вследствие перетечек тепла из напорной камеры в роторную полость и трения ротора о воду. Для этого с помощью импеллера организуется циркуляция теплоносителя по замкнутому циклу: от импеллера вода поступает в щелевой зазор между статором и ротором, затем через подшипник 14 — в змеевик 11, омываемый снаружи водой третьего контура, далее через комбинированный подшипник 5 — в осевое сверление вала и по нему снова к импеллеру.
Вода третьего контура прокачивается через кольцевую полость, образованную корпусом электродвигателя и приваренным к нему снаружи герметичным кожухом 12. При этом одновременно с отводом тепла от расположенного в кольцевой полости змеевика производится охлаждение статора электродвигателя.
Герметичные насосы с сухим статором, устройство которых рассмотрено выше, характеризуются высокой надежностью, но достаточно низким (менее 70%) КПД электропривода. Это обусловлено большими зазорами между статором и ротором двигателя, дополнительными электрическими потерями в герметизирующих рубашках и значительными расходами энергии на охлаждение электродвигателей.
Более экономичны герметичные насосы с мокрым статором, принципиально отличающиеся от рассмотренных отсутствием рубашки, герметизирующей статорную полость. Одно только это отличие дает увеличение КПД насоса на 15—20%. Тем не менее насосы этого типа не нашли пока широкого применения в ядерной энергетике из-за отсутствия надежной изоляции статора, способной работать длительное время в водной среде при высоких температурах и в условиях интенсивных ионизирующих излучений.
Общим недостатком герметичных насосов является значительное увеличение их масс и габаритных размеров, а также усложнение конструкции и снижение КПД при увеличении единичной мощности насоса выше 2 МВт. Поэтому в тех случаях, когда возникает необходимость использовать в составе ЯППУ более мощные насосы, приходится отказываться от герметичных конструкций и переходить к насосам с ограниченной контролируемой протечкой теплоносителя. В таких насосах вал рабочего колеса через многоступенчатое уплотнение выходит из корпуса и присоединяется к валу вынесенного привода, что позволяет, кроме всего прочего, увеличить надежность агрегата за счет использования подшипников с масляной смазкой.
Фильтры.
В составе контуров и систем паропроизводящих установок широко используются различные фильтры. В основном это механические фильтры, предназначенные для очистки перекачиваемых сред от взвешенных (нерастворимых) примесей. Могут использоваться также ионообменные фильтры, служащие для удаления примесей, растворенных в воде. Так, в состав системы очистки теплоносителя входит ионообменный-фильтр (рис. 1.2, позиция 5). Этот фильтр может выполняться и комбинированным, т. е. совмещающим функции механического и ионообменного фильтров.
Устройство характерного ионообменного фильтра [1] показано на рис. 1.4. Корпус фильтра 6 представляет собой единую сварную конструкцию, состоящую из крышки, цилиндрической обечайки и эллиптического днища. Внутренняя поверхность корпуса для предотвращения коррозии покрыта слоем нержавеющей стали 7. Это покрытие (плакировка) осуществляется методом. наплавки с использованием электродов соответствующего состава. Корпус рассчитан на максимальное давление в первом контуре. \
Внутри корпуса фильтра приварены верхняя и нижняя решетки, между которыми размещены ионообменные смолы (сорбенты) 5. В отверстиях решеток установлены колпачковые щелевые фильтры 4 и 0, предназначенные для предотвращения выноса сорбентов в контур. В области нижних щелевых фильтров обычно размещают также механический фильтр в виде засыпки из активированного угля или других материалов. На рисунке этот дополнительный механический фильтр показан в виде подложки 10. Наряду с обычными функциями механического фильтра подложка выполняет также роль вспомогательного барьера от уноса сорбентов в контур при работе системы очистки.
Выше говорилось о том, что длительная эффективная работа ионообменных смол возможна только в условиях относительно низкой (до 60 °С) температуры. С этой целью подаваемый в ионообменный фильтр теплоноситель предварительно охлаждается, что обеспечивает сохранность сорбентов при работе системы очистки. Если же система очистки отключена, возникает реальная угроза перегрева сорбентов за счет тепла от внешних источников и внутреннего тепловыделения, обусловленного распадом накопившихся в фильтре радиоактивных продуктов.
Рис. 1.4, Ионообменный фильтр системы очистки теплоносителя
Рис. 1.5. Теплообменник системы очистки теплоносителя:
1 — раздающий коллектор; 2— внутренняя обечайка; 3 — наружная обечайка; 4 — змеевики: 5 — ретардер; 6 — собирающий коллектор
Для обеспечения теплосъема в этом случае предусмотрено внешнее охлаждение фильтра водой третьего контура, подаваемой в пространство между корпусом 6 и приваренным к нему кожухом 5. Для организации потока цилиндрическая часть полости охлаждения разделена двумя вертикальным рёбрами на две равные половины. В правой половине полости вода третьего контура движется вниз до нижнего края ребер, затем омывает днище и уже с другой стороны ребер поднимается вверх к выходному патрубку.
Циркуляция теплоносителя в фильтре при работе системы очистки осуществляется через патрубки 2 и 3, первый из которых
является подводящим, а второй — отводящим. Лишь периодически система очистки переключается таким образом, чтобы направление движения теплоносителя в фильтре сменилось на обратное. Эта технологическая операция необходима для взрыхления сорбентов, которые с течением времени слеживаются и уплотняются под действием потока воды, что приводит к росту гидравлического сопротивления фильтра и ухудшению его ионообменных свойств.
Существо ионообменных процессов очистки теплоносителя в данной главе не рассматривается. Этот вопрос изложен в гл. 6. Здесь же просто укажем, что загруженные в фильтр сорбенты 8 представляют собой смесь равномерно перемешанных (в равных количествах) анионитовых и катионитовых смол. Смолы эти имеют форму гранул диаметром 3—4 мм. Их смоченная поверхность весьма велика вследствие многочисленных пор и каналов в гранулах.
Загрузка и выгрузка сорбентов в современных установках проводится гидродинамическим способом. Для этого в конструкции фильтра предусмотрены заглушенные в обычных условиях патрубок 1 и отросток патрубка 3. При перегрузке фильтра он отключается запорными клапанами от первого контура, а к патрубкам 1 и 3 вместо заглушек подсоединяется временная перегрузочная система. Для выгрузки сорбентов вода подается через патрубок 3 под нижнюю решетку, а пульпа отводится в специальную емкость через патрубок 1. Свежие сорбенты закачиваются в обратном порядке — пульпа подается в патрубок а вода отводится через патрубок 3.
Теплообменные аппараты.
Теплообменные аппараты — обязательная составная часть любой ЯППУ. Важнейшим из них в двухконтурных установках являются ПГ. Принципам их устройства посвящен § 1.3. Здесь же рассмотрим лишь специфичные теплообменники вспомогательных контуров и систем: теплообменный аппарат третьего — четвертого контуров (рис. 1.2, позиция 12) и теплообменник системы очистки теплоносителя (рис. 1.2, позиция 4). Конструкционные особенности первого обусловлены повышенными требованиями к герметичности и надежности, а второй, кроме того, должен быть рассчитан на высокое давление теплоносителя.
Одна из возможных конструкционных схем теплообменника системы очистки представлена на рис. 1.5 [4]. Этот теплообменник относится к классу кожухотрубных со спиральной теплообменной поверхностью. Охлаждаемый теплоноситель прокачивается по параллельно включенным трубчатым змеевикам 4, навитым в кольцевом зазоре между внутренней 2 и наружной 3 обечайками корпуса. На входе в теплообменник змеевики объединяются раздающим 1, а на выходе — собирающим 6 коллекторами.
Для повышения скорости прохода охлаждающей воды третьего контура и придания ей противоточного по отношению к теплоносителю направления движения ряды змеевиков разделены ретардером 5. В результате этого вода третьего контура движется в межтрубном пространстве винтообразно по щели, ограниченной с боков обечайками корпуса, а сверху и снизу—двумя близлежащими плоскостями ретардера.
Рис 1.6. Теплообменник третьего-четвертого контуров:
1, 8 — крышки; 2, 3, 5, 7 — трубные доски; 4, 6 — трубки; 9, 11, 12 — перегородки; 10 — протектор
Конструкционная схема теплообменника третьего — четвертого контуров [4] представлена на рис. 1.6. Этот теплообменник прямотрубный с дополнительными перегородками, предназначенными для удлинения скомпонованной в одном корпусе теплопередающей поверхности, обеспечения необходимой скорости и противотока теплообменивающихся сред.
Корпус теплообменника собран из трех разъемных цилиндрических обечаек с четырьмя трубными досками 2, 3, 5, 7 и двух эллиптических крышек 1 и 8. В трубных досках 2 и 7 завальцованы трубки 6, по которым прокачивается охлаждающая морская вода четвертого контура, а в трубных досках 3 и 5 завальцованы трубки 4У образующие совместно с проходящими через них трубками 6 кольцевой зазор для циркуляции охлаждаемой воды третьего контура. Движение воды четвертого контура организовано с помощью перегородок 9, 11 и 12 (схема ее циркуляции отмечена штриховыми стрелками). Аналогично посредством перегородок, расположенных между трубными досками 2, 3 и 5, 7, организовано движение воды третьего контура (показано на рисунке сплошными стрелками).
Все детали теплообменника, кроме трубной системы, изготовляются из нержавеющей стали. Материал трубок — медно-никелевый сплав. Для предохранения трубной системы от коррозии в морской воде применяются протекторы 10 из цинка.
Наряду с теплообменными аппаратами, фильтрами и насосами,
возможные конструкционные схемы которых рассмотрены выше, работу ЯППУ обеспечивают многие другие устройства и механизмы. Среди них — арматура, баллоны высокого давления, цистерны и т. д. Описание этого вспомогательного оборудования приведено в [4, В].
