Выбор гидроэнергетического оборудования насосных станций систем охлаждения конденсаторов ТЭС и АЭС с учетом переходных процессов

В соответствии с «Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года», принятыми на ХХУТ съезде КПСС, XI пятилетка является первым этапом реализации энергетической программы СССР. «Прирост производства электроэнергии, — указывается в основных направлениях, — будет происходить в основном за счет ядерного горючего, гидроэнергии и использования углей в восточных районах страны. В I98I-I985 годах на атомных и гидроэлектростанциях намечено получить более 70 процентов прироста выработки электроэнергии, а в европейской части страны — почти весь прирост ее производства. Строительство крупных тепловых электростанций намечено осуществлять на базе дешевых углей, добываемых открытым способом в Кан-ско-Ачинском и Экибастузском бассейнах» .

В соответствии с энергетической программой до 2000 года отечественная энергетика в основном будет развиваться за счет строительства крупных тепловых и атомных электростанций мощностью от 2000 до 6400 МВт с энергоблоками 500, 800, 1000 и 1500 Шт. В отдельных районах страны будет продолжено строительство тепловых электростанций с энергоблоками 200 и 300 МВт.

Современные ТЭС и АЭС требуют значительных расходов воды для конденсации пара в конденсаторах турбин и охлаждения вспомогательного оборудования. Отвод тепла от конденсаторов обеспечивается системами охлаждения, являющимися одними из наиболее капиталоемких и ответственных элементов электростанций. Удельные капиталовложения в системы охлаждения на единицу установленной мощности электростанции составляют от 7 до 24 руб/кВт, а капиталовложения достигают до 12−18 $ от общей стоимости электростанции [43,46] .

Абсолютные значения расходов охлаждающей воды зависят от единичной мощности турбоагрегатов и мощности электростанций в целом и возрастают с их увеличением. Например, для АЭС мощностью 4000 МВт расход охлаждающей воды составляет 220 м3/с, для ТЭС той же мощности — 135 м3/с.

Необходимость забора и подачи на ТЭС и АЭС больших расходов охлаждающей воды с наименьшими капитальными и эксплуатационными затратами требует тщательного подхода к выбору гидроэнергетического оборудования систем охлаждения. Одной из основных проблем, возникающих при проектировании, является проблема выбора насосных агрегатов, обеспечивающих минимальные капитальные затраты в насосные станции систем охлаждения, экономичную и надежную работу основного энергетического оборудования.

В настоящее время при выборе гидроэнергетического оборудования цредпочтение, как правило, отдается поворотнолопастным насосам, позволяющим регулировать расход охлаждающей воды при колебаниях ее температуры и изменении режимов работы турбоагрегатов электростанций. Определяющими при выборе насосных агрегатов систем охлаждения, в основном, являются стационарные режимы работы. Однако, как показала практика, во многих случаях недостатки в работе механизмов поворота лопастей этих насосов приводит к невозможности точного регулирования расхода охлаждающей воды, вследствие чего снижается эффективность работы энергоблоков. По данным Союзтехэнерго по указанным причинам потери на блоке ТЭС 300 МВт достигают до 60 тыс. руб/год [68]. Следовательно электростанции за счет регулирования расхода охлаждающей воды в ряде случаев ожидаемого экономического эффекта не получают. В связи с тем, что отечественной цромышленностыо начиная с 1981 г. в качестве основного исполнения выпускаются жестколопастные насосные агрегаты, имеющие ряд преимуществ по сравнению с поворотнолопас-тными насосами, возникает необходимость в проведении исследовании, направленных на выявление их применимости в системах охлаждения конденсаторов ТЭС и АЭС.

Существенное влияние на работу насосных агрегатов оказывают гидромеханические переходные процессы, сопровождающиеся многократным увеличением нагрузок на рабочие органы насосов, повышенными вибрациями и пульсациями давления по сравнению с установившимися рабочими режимами и приводящие к снижению эксплуатационной надежности систем охладцения. По данным 98% отказов по-воротнолопастных насосов на ТЭС происходит во время переходных процессов. Особенности же работы жестколопастных насосов при переходных процессах изучены еще недостаточно. Недостаточен и объем исследований, ставящих своей целью определение показателей надежности поворотнои жестколопастных насосов. Можно предположить, что надежность жестколопастных насосов, в силу их конструктивных особенностей, выше чем поворотнолопастных и в связи с этим они менее подвержены неблагоприятным воздействиям переходных процессов и, следовательно, их применение в системах охлаждения в ряде случаев окажется более предпочтительным. Однако рекомендаций по выбору оптимального типа насосных агрегатов для систем охлаждения в настоящее время не существует.

Целью настоящей работы явились исследования особенностей работы поворотнои жестколопастных насосных агрегатов в системах охлаждения конденсаторов ТЭС и АЭС. Работа продолжает исследования рабочих параметров гидроэнергетических установок в условиях переходных процессов, ведущиеся на кафедре Использования водной энергии ШСИ им, В. В. Куйбышева в соответствии с координационным планом № 472/248 (проблема 0.01.05.06, тема Н1), утвержденным ГКНТ СССР 12.ХП.1980 г. При выполнении работы нами было принято участие в натурных исследованиях систем охлаждения конденсаторов Ровенской АЭС, Нововоронежской АЭС и Каширской ГРЭС, проведенных лабораторией кафедры Использования водной энергии под научным руководством проф., д.т.н.В. Я. Карелина и доц., к.т.н.Р.А.Ново-дережкина.

Задачи исследований:

1. Анализ конструктивных и эксплуатационных качеств поворотнои жестколопастных насосных агрегатов, применяемых в системах охлаждения конденсаторов ТЭС и АЭС.

2. Анализ влияния компоновок систем охлаждения и конструкций насосных агрегатов на характер протекания гидромеханических переходных процессов.

3. Определение показателей надежности насосных агрегатов различного конструктивного исполнения.

4. Изучение гидромеханических параметров и выбор оптимальных режимов работы поворотнои жестколопастных насосов систем охлаждения в переходных процессах.

5. Разработка рекомендаций по выбору оптимального насосного оборудования для систем охлаждения конденсаторов ТЭС и АЭС.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые изучены и обобщены особенности эксплуатации поворотнои жестколопастных насосов систем охлаждения в стационарных и переходных режимахполучены зависимости для оценки снижения строительного объема насосных станций при улучшении кавитационных характеристик насосных агрегатовполучены натурные гидромеханические характеристики насосных агрегатов, на основе которых предложены оптимальные режимы их пуска в блочных и центральных системах охлажденияопределены показатели надежности поворотнои жестколопастных насосовразработана методика выбора оптимального гидроэнергетического оборудования для систем охлаждения, учитывающая конструктивные особенности, энергетические, кавитационные характеристики и показатели надежности насосных агрегатоврекомендовано разграничение областей применения поворотнои жестколо-пастных насосов в системах охлаждения конденсаторов ТЭС и АЭС.4.

Практическая ценность работы состоит в том, что использование полученных результатов при проектировании и эксплуатации систем охлаждения позволяет более обоснованно выбирать тип гидроэнергетического оборудования, назначать оптимальные режимы работы насосных агрегатов, снижать динамические нагрузки и продолжительность их действия при переходных процессах, уменьшать затраты на сооружение и издержки на эксплуатацию систем охпшэдения, повысить надежность работы основного энергетического оборудования ТЭС и АЭС.

Полученные результаты найдут применение при проектировании систем охлаждения конденсаторов ТЭС и АЭС в институтах Атомтеп-лоэлектроцроект, Гидропроект, ВНИШэнергопром, а также могут быть использованы ВНЖГ им. Б. Е. Веденеева, ВНШАЭС, ВЕШгидромаш, ВТИ игл.Ф. Э. Дзержинского и Союзтехэнерго при разработке нормативных и методических материалов. Результаты исследований использованы при разработке «Рекомендаций по проектированию и гидравлическим расчетам насосных блоков и водных трактов систем технического водоснабжения ТЭС и АЭС большой мощности П 06−82/ВНИИГ» (Л.: 1983), оптимизация режимов эксплуатации насосных агрегатов осуществлена на Ровенской АЭС, рекомендации по выбору насосных агрегатов с учетом гидромеханических переходных процессов внедрены в проекты систем охлаждения Южно-Украинской и Запорожской АЭС.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Х1 II научно-технической конференции факультета Водоснабжения и канализации МИСИ им. В. В. Куйбышева, 1983 г.

2.ХИН научно-технической конференции Гидротехнического факультета МИСИ им. В. В. Куйбышева, 1984 г.

3. Всесоюзном научно-техническом совещании «Гидротермические исследования и проектирование охладителей тепловых и атомных электростанций», г. Нарва, 1984 г.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследований особенностей работы гидроэнергетического оборудования систем охлаждения в условиях переходных процессоврезультаты оценки надежности поворотнои жестколо-пастных насосных агрегатов (натурные численные показатели надежности) .

2. Рекомендации по оптимальным режимам пуска поворотнои жестколопастных насосов в блочных и центральных системах охлаждения.

3. Методика выбора гидроэнергетического оборудования систем охлаждения с учетом особенностей эксплуатации, регулирования основных параметров работы и показателей надежности.

4. Результаты исследования областей оптимального применения поворотнои жестколопастных насосов в системах охлаждения конденсаторов ТЭС и АЭС.

Автор выражает глубокую благодарность всем сотрудникам кафедры Использования водной энергии МИСИ им. В. В. Куйбышева, научному руководителю профессору д.т.н. В. Я. Карелину и научному консультанту доценту к.т.н. Р. А. Новодережкину за оказанную помощь при выполнении настоящей работы.

Основные условные обозначения.

— диаметр рабочего колеса насоса, м Н — напор насоса, м.

Н0 — напор насоса цри работе в номинальном режиме, м^тт, ^тах ~ соответственно минимальный и максимальный напоры насоса в цределах рабочей части характеристики, м /у^ - подтопление рабочего колеса насоса, м Нцас — высота подземной части насосной станции, м Нг — геометрический напор, м Ьц — относительная конструктивная высота насоса $ - подача насоса, ир/с.

— подача насоса цри работе в номинальном режиме, м3/с С]опТ — оптимальный расход охлаждающей воды, м3/с.

Л/ - мощность насоса, кВт.

7 — частота вращения насосного агрегата, об/мин СО — угловая частота вращения, 1/с ?2 — к.п.д. насоса, %.

Ъ ^ - годовой средневзвешенный к.п.д. насоса, % Сгоа р — угол установки лопастей насоса, град.

Мд — момент на валу электродвигателя, кГс*м.

Мс — момент соцротивления насоса, кГс-м.

Мл — гидродинамический момент на лопастях насоса, кГс"м.

— статическое напряжение в корневом сечении лопасти, кГс/см2.

— площадь воздуховыпускного устройства, м2 — двойная амплитуда вибросмещения узлов насосного агрегата, мкм.

2 А — двойная амплитуда пульсаций давления в точке проточного тракта, Па с1 — диаметр напорного трубоцровода, м.

— длина напорного трубоцровода, м дл/ - изменение строительного объема насосной станции, м3^Нб — отметка уровня воды в нижнем бьефе насосной станции, м.

— расход пара в конденсатор турбины, т/ч tg — температура охлаждающей воды, °С.

5> - стоимость I м3 строительного объема подземной части насосной станции, тыс. руб ЛГ — мощность турбоагрегата ТЭС и АЭС, МВт дИ/ - изменение мощности турбоагрегата, МВт (дУ +И/Н) — потери полезной мощности на электростанции, МВт.

— удельные замыкающие затраты на электроэнергию, рубА1Вт*ч.

— топливная составляющая замыкающих затрат, рубДШт-ч И. УСТ — годовое число часов использования установленной мощности электростанции, час.

— число часов использования установленной мощности турбоагрегата в летний период, час.

— соответственно коэффициенты снижения мощности турбоагрегата в зимний и летний периоды в результате отказа одного насосного агрегата.

— удельные приведенные затраты в резервную мощность, тыс. руб/год•МВт•ч.

I. Анализ современных систем охлаждения конденсаторов ТЭС и АЭС и перспективы их развития.

6. Общие выводы.

1. Системы охлаждения конденсаторов ТЭС и АЭС характеризуются неблагоприятными условиями протекания переходных процессов, в том числе повышенными нагрузками на рабочие органы насосов, вибрациями насосов и пульсациями давления в напорной системе, снижающими как надежность насосов, так и систем охлаждения в целом.

2. Эксплуатация осевых и диагональных поворотнолопастных насосных агрегатов осложнена из-за ненадежной работы механизмов поворота лопастей, наиболее подверженных неблагоприятным воздействиям переходных процессов, трудоемкости ручного регулирования поворота лопастей и связанного с ним ограничения мощности турбоагрегатов электростанций. Установлено, что по указанным причинам на 25 $ ТЭС и АЭС регулирование расхода охлаждающей воды поворотом лопастей рабочих колес насосов не производится.

3. Недостаточная надежность поворотнолопастных насосов приводит к их частым отказам и снижению вследствие этого мощности турбоагрегатов ТЭС и АЭС. Установлено, что годовая выработка электроэнергии из-за ненадежной работы поворотнолопастных насосов снижается на 0,1 $, а недовыработка, отнесенная к одному по-воротнолопастному насосу, составляет:

— на электростанциях с блочными системами охлажденияИЗО МВт. ч/год;

— на электростанциях с центральными системами охлаждения -880 1ЛВт. ч/год.

4. Разработаны алгоритмы, написаны программы для ЭВМ расчета показателей надежности насосных агрегатов систем охлаждения.

ТЭС и АЭС. Установлено, что надежность жестколопастных насосов выше надежности поворотнолопастных насосов. На основе статистической обработки с использованием ЭВМ эксплуатационных данных получены натурные численные значения коэффициентов готовности:

— поворотнолопастных насосов — 0,935*0,936;

— жестколопастных насосов — 0,950*0,953.

5. На основе выполненного анализа и натурных исследований насосных агрегатов блочных и центральных систем охлаждения выявлено, что:

— наиболее неблагоприятными являются режимы работы насосных агрегатов при пониженных и повышенных напорах, сопровождающиеся значительными отклонениями рабочих параметров и существенным в 5−10 раз по сравнению с расчетными режимами) увеличением динамических нагрузок на рабочие органы насосов и элементы напорной системы;

— в блочных системах охлаждения для повышения напора насосов и снижения динамических нагрузок на первом этапе пуска (заполнение горизонтального трубопровода) следует использовать пусковые эжекторы конденсаторов, обводные байпасные линии с дисковыми затворами, двухскоростные приводные электродвигатели;

— в блочных системах охлаждения для снижения напора при заполнении конденсаторов следует применять предложенные МИСИ им. В. В. Куйбышева клапаны выпуска воздуха и разработанные ВБШгид-ромаш пусковые перемычки;

— в центральных системах для снижения пускового напора и предотвращения попадания насосов в режим помпажа следует предусматривать устройство холостых водовыпусков;

— остановки насосов характеризуются плавным изменением пульсаций давления и вибраций в сторону уменьшения, непродолжительностью и существенного влияния на надежность работы насосных агрегатов не оказывают.

6. Разработаны методика, алгоритм и программа для ЭШ выбора оптимального типа насосных агрегатов, учитывающие реальные условия эксплуатации систем охлаждения, а также фактические энергетические, кавитационные и надежностные показатели работы поворотнои жестколопастных насосов. В результате расчетов, выполненных на ЭШ, цредложены рекомендации по разграничению областей применения поворотнои жестколопастных насосов в системах охлаждения конденсаторов ТЭС и АЭС.

7. По результатам исследований построен график (Эопт = нои жестколопастных насосов для ТЭС с блоками К-300−240, который может быть использован:

— для выбора на стадии проектирования оптимального типа насосных агрегатов;

— для автоматизации процесса регулирования подачи насосных агрегатов систем охлаждения.

8. Результаты исследований внедрены в «Рекомендации по цро-ектированию и гидравлическим расчетам насосных блоков и водных трактов систем технического водоснабжения ТЭС и АЭС большой мощности П 06−82/ВНИИГ». Экономический эффект от внедрения результатов работы на конкретных объектах составил 480,3 тыс. руб/год. областей оптимального црименения поворот'.