Современные быстроходные и тихоходные паровые турбины А. С. Лисянский, Н. А. Николаенков, В. В. Назаров, С. А. Иванов, Л. Я. Бальва, М. Г. Вишняков, В. В. Недавний. Оао Силовые машины
 Скачать 154.36 Kb.
|
Современные быстроходные и тихоходные паровые турбины А  .С. Лисянский, Н.А. Николаенков, В.В. Назаров, С.А. Иванов, Л.Я. Бальва, М.Г. Вишняков, В.В. Недавний. ОАО «Силовые машины», Санкт-Петербург.Филиал ОАО«Силовые машины» «Ленинградский Металлический завод» (ЛМЗ) имеет более чем 100 летний опыт создания и эксплуатации паровых турбин. ЛМЗ изготавливает также гидравлические и газовые турбины. На заводе изготовлено более 2300 турбин суммарной мощностью более 300 млн. кВт. Из них более 1750 паровых турбин суммарной мощностью свыше 230 млн. кВт в диапазоне мощностей от 25 до 1200 МВт. ЛМЗ выпустил самые крупные в мире серии турбин типа К-200-130 мощностью 200 МВт – более 300 шт. и К-300-240 мощностью 300 МВт – более 120 машин. ЛМЗ обладает значительным опытом создания и эксплуатации мощных паровых турбин для атомных электростанций, не уступающих аналогам других производителей. Всего для АЭС ЛМЗ изготовлено и поставлено15 турбин, из них 3 турбины мощностью 200 МВт для блока №3 Белоярской АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН-600, 12 турбин мощностью 1000 МВт для блоков АЭС с ВВЭР-1000 типа К-1000-60/3000 с конструктивной схемой 2ЦНД+ЦВД+2ЦНД (9шт), К-1000-60/3000-2 (2шт) и К-1000-60/3000-3(1шт) с конструктивной схемой ЦВД+3ЦНД. Турбины типа К-1000-60/3000 установлены на блоках АЭС в Украине (6 шт), России (1 шт), Китае (2 шт); турбины К-1000-60/3000-2 отгружены и находятся в стадии пуско -наладочных работ на АЭС Куданкулам в Индии (2шт), К-1000-60/3000-3 на блоке АЭС Бушер в Иране (1шт). Наиболее длительный опыт эксплуатации турбин К-1000-60/3000 полученный на АЭС Украины: на блоках Ровенской АЭС – с 1986 г., Хмельницкой АЭС – с 1987 г., Ровенской АЭС – 1986 г. и Южно-Украинской АЭС – 1989 г., подтвердил высокие показатели экономичности и надежности.. Коэффициент готовности турбины К-1000-60/3000 превышает 99% (при нормативном – 98%), в отдельные годы достигая 100%. При этом, быстроходный «миллионник» в | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| № | Наименование параметра | К-1000-60/3000 АЭС Тяньвань | К-1200-6,8/50 АЭС-2006 | К-1200-6,8/25 АЭС-2006 | К-800-30/3000 Белоярская АЭС |
| 1 | Тепловая мощность реактора/ЯППУ, МВт | 3000/3000 | 3200/3212 | 3200/3212 | 2100/2100 |
| 2 | Параметры свежего пара: - давление, кг/см2 - температура, ˚С - влажность, % | 60 274,3 0,5 | 69,34 283,8 0,5 | 69,34 283,8 0,5 | 130 485 - |
| 3 | Термодинамический цикл | С+ПП | С+ПП1+ПП2 | С+ПП1+ПП2 | С+ПП |
| 4 | Конструктивная схема | 2ЦНД+ЦВД+2ЦНД | ЦВСД+2ЦНД | ЦВД+3ЦНД | |
| 5 | Давление в конденсаторе, кг/см2 | 0,0473 | 0,053-0,049 | 0,05 | 0,031 |
Как видно из таблицы 1, условия работы турбоустановки К-1200-6,8/50 и К-1000-60/3000 близки: отличие массового расхода пара на турбоустановку 10%, отличие объемного расхода свежего пара составляет 5%, а расхода перед и за ЦНД – практически отсутствует; влажность пара за последней ступенью – практически одинакова.
Конструкция турбины
Турбина выполнена по конструктивной схеме 2ЦНД+ЦВД+2ЦНД («бабочка») на базе ЦНД с рабочей лопаткой последней ступени длиной 1200 мм, выполненной из титанового сплава. ЦВД и ЦНД – двухпоточной конструкции. Общий вид турбины К-1200-6,8/50 для АЭС-2006 приведён на рис 1.
Рис. 1 Продольный и поперечный разрезы турбины К-1200-6,8/50
Близкие условия работы турбин К-1000-60/3000 и К-1200-60/50 по параметрам и расходам свежего пара и давлению в конденсаторе позволили принять в последней решения по конструкции турбины, аналогичные принятым в базовой турбине.
Необходимо отметить, что еще при разработке турбины К-1000-60/3000 для блоков АЭС с ВВЭР-1000 был предусмотрен выпуск модификаций для работы в блоке с реактором тепловой мощностью 3000 и 3200 МВт, что отражено в технических условиях на турбину типа К-1000-60/3000 ТУ 108-1050-01, 1982 г. для РАЭС и ХмАЭС. Все отличия по отдельным элементам конструкции ЦВД и ЦНД в турбинах мощностью 1000 и 1200 МВт носят эволюционный характер и, как правило, направлены, в первую очередь, на повышение экономичности проточных частей. Основные из них: увеличение числа ступеней в ЦВД с 5-ти до 6-ти в каждом потоке; применение технологии 3D-проектирования проточной части ЦВД; оптимизация выхлопного патрубка ЦВД; отработка меридиональных обводов и каналов отборов пара в ЦВД; применение более эффективных профилей НЛ 1-5 ступеней ЦНД, выполненных с тангенциальным навалом (при сохранении высот лопаток); применение конструкции корпуса ЦНД, обеспечивающей увеличение числа отборов пара из каждого ЦНД с 2-х до 3-х, что позволяет принять оптимальные решения по организации отборов пара на регенеративные подогреватели; применение более развитых надбандажных уплотнений в ЦВД и ЦНД. Рабочая лопатка 5-ой ступени ЦНД выполнена с усиленным профилем, что обеспечивает повышение надежности и расширяет диапазон ее применения для турбин мощностью до 1600 МВт. Такая конструкция выигрышна и в плане эрозионного износа периферийной части пера лопатки, что обусловлено повышением требований по сроку службы турбины (60 лет, вместо 30 лет, предъявляемых к турбине К-1000-60/3000). Повышение надежности лопатки последней ступени обеспечивается как пассивными, так и активными методами защиты от эрозии – см. рис. 2.
Рис. 2. Защита рабочих лопаток последней ступени от эрозионного износа. а) Пассивная защита. Упрочнение входных и выходных кромок, бандажей титановых рабочих лопаток и методом ионной имплантации с осаждением нитрида титана б) Активная защита. Удаление до 25% пленочной влаги в диафрагме последней ступени
Конденсатор
Конденсационное устройство имеет конструкцию, аналогичную примененной в турбоустановке К-1000-60/3000 для АЭС «Тяньвань»: состоит из двух групп конденсаторов, поперечно расположенных под ЦНД и имеющих секционирование конденсатора по давлению.
Поверхность теплообмена образована трубками из титанового сплава, что имеет с точки зрения безопасности АЭС неоспоримые технические преимущества и экономически оправдано практически для любого качества охлаждающей воды. Близкие параметры работы конденсаторов турбин К-1000-60/3000 и К-1200-6,8/50 позволяют применять типовые конструктивные решения.
Тепловая схема и вспомогательное оборудование турбоустановки
В турбоустановке К-1200-6,8/50 принята тепловая схема (рис. 3), разработанная на базе тепловых схем, применяемых для новых блоков АЭС: АЭС «Тяньвань» и АЭС «Куданкулам».
Рис.3 Принципиальная тепловая схема турбоустановки К-1200-6,8/50. Система регенерации выполнена по схеме: 4ПНД+Д+2ПВД.
Тепловая схема имеет все характерные особенности тепловых схем, присущие турбоустановкам ЛМЗ для АЭС с ВВЭР большой мощности: развитая система регенерации (число ступеней регенерации – семь), наличие одного ПНД смешивающего типа, применение закачки конденсата греющего пара пароперегревателя СПП в тракт питательной воды перед парогенератором.
Отличительной особенностью тепловой схемы турбоустановки К-1200-6,8/50 является применение вместо одноступенчатого перегрева пара свежим паром, в схемах турбоустановок мощностью 1000 МВт, - двухступенчатого перегрева пара отборным паром из ЦВД и свежим паром. Такое решение в настоящее время принято в схемах турбоустановок АЭС большой мощности производства всех ведущих турбостроительных фирм, ввиду заметного повышения экономичности турбоустановки.
Конструктивное исполнение вспомогательного оборудования турбоустановки, включая ПНД, ПВД, деаэратор, конденсатные и питательные насосы, принято аналогичным применяемому в турбоустановках К-1000-60/3000 для новых АЭС. При этом массогабаритные характеристики оборудования будут незначительно увеличены по сравнению с характеристиками соответствующих видов оборудования к турбоустановкам мощностью 1000 МВт.
Конструкция СПП, несмотря на переход к двухступенчатому перегреву, базируется на референтных узлах сепаратора и пароперегревателя, конструкции ОАО ЗИО для турбоустановок ЛМЗ для АЭС мощностью 800-1000 МВт.
Закачка основного конденсата из конденсатора в деаэратор осуществляется конденсатными насосами в два подъема. Подача питательной воды из деаэратора через ПВД в парогенератор осуществляется питательными насосами с электроприводами (4 рабочих + 1 резервный).
Закачка конденсата греющего пара второй ступени пароперегревателя СПП осуществляется в основную линию питательной воды высокотемпературным насосом с гидроприводом, слив конденсата греющего пара первой ступени пароперегревателя СПП - в ПВД 5.
ПНД-1, 3 и 4 выполнены поверхностного типа, ПНД-2 – смешивающего типа. ПНД-1 выполнен в 4 корпусах, встроенных в переходные патрубки ЦНД, ПНД-2, 3 и 4 – в одну группу. ПВД-5 и 6 выполнены в две группы.
Все поверхностные ПНД выполнены без охладителей дренажа, ПВД – с охладителями дренажа.
Подогрев основного конденсата осуществляется последовательно: в конденсаторе пара уплотнений (КПУ), в ПНД-1 – ПНД-4; подогрев питательной воды осуществляется последовательно в деаэраторе, в ПВД-5 и 6 и далее - в смесителе, где питательная вода после ПВД-6 подогревается при смешивании с конденсатом греющего пара СПП.
Турбоустановка К-1200-6,8/50 предусматривает обеспечение теплофикационной нагрузки до 300 МВт (т) при максимальном температурном графике теплосети 150/70°С.
ЛМЗ имеет длительный опыт проектирования турбоустановок АЭС с теплофикационной нагрузкой от 200 до 800 МВт(т).
Обеспечение гарантийной электрической мощности.
На стадии технического проекта турбоустановки был намечен, а при разработке рабочего проекта реализован комплекс технических решений в обеспечение принятых гарантийных показателей по мощности турбоустановки К-1200-6,8/50 -1195,4 - 1198,8 МВт (при температуре охлаждающей воды-20С0 и расходе охлаждающей воды, 143680-170000 м3 /ч ) .
Большая часть из рассматриваемых решений была выполнена на основе расчетно-конструкторских проработок по выбору оптимальных конфигураций конструктивных элементов турбины и оборудования турбоустановки на базе накопленного опыта и подготовленных в качестве научно-технического задела для последующей модернизации турбоустановок мощностью 1000 МВт для АЭС с ВВЭР-1000.
Выбор оптимальных геометрических и других характеристик отдельных узлов, таких как паровпуск и паровыпуск ЦВД и ЦНД, отработка меридиональных обводов и каналов отборов в ЦВД и ЦНД, блоков клапанов ВД, предполагают проведение НИОКР по их отработке, в том числе - с привлечением сторонних организаций. Независимо от этого, практически все мероприятия, запланированные на данном этапе работ в той или иной мере реализованы уже в головном образце турбоустановки К-1200-6,8/50. Завершение НИОКР с проведением необходимых опытно-конструкторских работ в подтверждение принятых конструкторских решений по отдельным позициям будет осуществлено уже во время или после изготовления оборудования головных образцов турбоустановки. Коррективы в конструктивные характеристики, в случае необходимости, будут внесены в последующие образцы турбины и оборудование ее систем. Это является общепринятой мировой практикой проектирования и изготовления нового оборудования при сжатых сроках ввода.
В целом, в части обеспечения гарантийной величины электрической мощности турбоустановки К-1200-6,8/50, следует отметить, что:
- гарантийная величина мощности турбоустановки 1195,4 – 1198,8 МВт достигается с учетом расчетного запаса – 0,5%;
- по сравнению с базовым уровнем мощности, соответствующим уровню экономичности базовой турбоустановки (для ТАЭС), за счет повышения экономичности турбоустановки достигнуто увеличение мощности на 70,1 МВт (6,2 %).
- долевое участие реакторной установки и турбоустановки в данном увеличении мощности (без учета увеличения мощности за счет повышения тепловой мощности реактора, а только - экономичности блока) составляет, соответственно – 27,6 МВт (2,44%) и 42,5 МВт(3,76%).
В плане дальнейшего повышения экономичности и мощности турбоустановки К-1200-6,8/50, которое может быть реализовано в последующих образцах турбоустановки, наиболее перспективными являются: оптимизация газодинамических характеристик элементов проточной части ЦВД и ЦНД, включая паровпуск и паровыпуск цилиндров, а также оптимизация конструкции диафрагмы последней ступени ЦНД. Предусмотрена проработка комплекса мероприятий, направленных как на снижение влияния влажности на КПД последней ступени, так и на уменьшение эрозионного износа периферийной части рабочей лопатки последней ступени ЦНД.
После завершения в полном объеме НИОКР, намеченных в рамках мероприятий по обеспечению гарантийной мощности 1195,4 - 1198,8 МВт, в последующих серийных образцах турбоустановки К-1200-6,8/50 можно ожидать увеличения мощности турбоустановки свыше 1200 МВт.
Турбоустановка К-800-130/3000
Паровая конденсационная турбина типа К-800-130/3000 спроектирована для работы в моноблоке с реакторной установкой на быстрых нейтронах БН-800 тепловой мощностью 2100 МВт на перегретом паре с тепловым циклом с промежуточными сепарацией и одноступенчатым перегревом пара. Турбина адаптирована применительно к условиям площадки блока №4 Белоярской АЭС.
В состав блока №4 Белоярской АЭС включена теплофикационная установка, обеспечивающая отпуск тепла до 250 Гкал/ч при температурном графике теплосети 150/70оС.
Генпроектировщик блока №4 БАЭС – СПбАЭП.
Номинальная электрическая мощность на клеммах генератора на конденсационном режиме – 885 МВт.
Основные технические характеристики турбоустановки К-800-130/3000 приведены в табл. 1.
Конструктивная схема турбины: ЦВД+3ЦНД.
ЦНД применен унифицированный с ЦНД турбины типа К-1000-60/3000 для АЭС нового поколения.
ЦВД – новой разработки, петлевой конструкции, аналогичной применяемой в турбинах ТЭС – 500, 800 и 1200 МВт. Продольный разрез ЦВД приведен на рис.4
Рис. 4 Продольный разрезы ЦВД турбины К-800-130/3000
Термодинамический цикл включает промежуточные сепарацию и одноступенчатый перегрев пара.
Структура системы регенерации 5ПНД+Д+ПВД.
Отличительные особенности тепловой схемы, по сравнению с типовой схемой, принятой для турбоустановок К-1000-60/3000 для АЭС с ВВЭР-1000:
- применение в качестве греющего пара СПП отборного пара из ЦВД (давление 62 кгс/см2 абс.), вместо свежего;
- применение двух ПНД смешивающего типа №№2 и 3, а не одного №2. Такое решение применено ЛМЗ в схемах турбоустановок для АЭС впервые и не имеет аналогов в мировой практике.
В настоящее время осуществляется монтаж турбины, на блоке БАЭС.
Срок ввода – 2013 (2014) г.
После ввода блока №4 БАЭС в эксплуатацию единичная мощность как реактора, так и турбоустановки, будет максимальной среди действующих установок на АЭС с реактором на быстрых нейтронах в мире.
К строительству блоков с реактором БН-800 и турбиной типа К-800-130/3000 проявляет интерес Китай.
В ближайшее время предполагается подготовка и подписание соответствующего межправительственного соглашения между Китаем и Россией по вопросу сооружения предположительно двух блоков. В случае положительного решения, ЛМЗ будет разработана модификация турбины К-800-130/3000 с учетом отличий условий работы турбоустановки на БАЭС и на площадке в Китае.
Турбоустановка К-1200-6,8/25 для блоков АЭС с ВВЭР-1200.
ЛМЗ имеет благоприятные перспективы развития конструкций и поставки конкурентоспособных быстроходных паровых турбин для АЭС с технико-экономическими показателями мирового уровня. Тем не менее, в целях расширения портфеля заказов ОАО «СМ» было принято решение о производстве на ЛМЗ мощных тихоходных паровых турбин для АЭС.
ЛМЗ разработан технический проект первой тихоходной турбины мощностью 1200 МВт под условия блоков АЭС-2006. На основе вариантных расчетно-проектных проработок принят вариант турбины с конструктивной схемой турбины– ЦВСД+2ЦНД. Общий вид турбины приведен на рис.4.
Рис. 5 Продольный разрезы турбины К-1200-6,8/25
Турбина состоит из ЦВСД петлевой конструкции (9 активных ступеней – в ЧВД и 4 активных ступеней – в ЧСД с организацией промежуточных сепарации и перегрева пара между ЧВД и ЧСД) и 2-х ЦНД. Ротор ВСД – цельнокованый.
ЦНД – двухпоточный, симметричный, по 5 активных ступеней в каждом потоке. Ротор НД – сварной конструкции.
Длина турбины – 38,3 м.
Разработка ЦНД на стадии рабочего проекта будет осуществлена в двух вариантах – с рабочей лопаткой длиной 1740 (1760) мм и 1450 (1500) мм, обеспечивающих оптимальную площадь выхлопа для глубокого и ухудшенного вакуума в конденсаторе.
Тепловая схема применена полностью унифицированная со схемой турбоустановки К-1200-6,8/50 (см. рис.3), являющейся типовой схемой для турбоустановок ЛМЗ большой мощности для новых блоков АЭС с ВВЭР.
В тепловой схеме турбоустановки и конструкции турбины, предусмотрены возможность организации дополнительных отборов на СН блока и теплофикационные нужды, принятые в проекте АЭС-2006.
При работе в блоке АЭС-2006 с параметрами свежего пара и охлаждающей воды, как в турбоустановке К-1200-6,8/50 (см. табл. 1), на конденсационном режиме обеспечивается электрическая мощность турбоустановки К-1200-6,8/25 – 1208,6 МВт.
При разработке технического проекта тихоходной турбины К-1200-6,8/25 было принято во внимание, что после завершения в России работ по созданию отечественного реактора нового поколения типа ВВЭР-1500 (1600) будет реализована Программа по вводу блоков АЭС мощностью 1600 МВт и более.
Данное обстоятельство учтено в плане возможного использования унифицированной конструкции ЦНД в турбинах мощностью 1200 МВт и 1600 – 1750 МВт при применении соответственно конструктивной схемы турбины ЦВСД + 2ЦНД и ЦВСД + 3ЦНД. Как и в турбине мощностью 1200 МВт, в зависимости от величины давления в конденсаторе, будут использованы модификации ЦНД с lпс=1740(1760) или 1450 (1500) мм.
Создание тихоходной турбины для АЭС, которая может комплектоваться ЦНД с lпс1760 (1760) и 1450 (1500) мм, в сочетании с имеющимися возможностями быстроходных турбин большой мощности для АЭС, выполненных на базе ЦНД с lпс=1200 мм или 1000 мм, позволит удовлетворить различные предпочтения Заказчиков по числу оборотов турбоагрегата и более гибко реагировать на различные условия эксплуатации в самом широком диапазоне сочетаний мощности турбин и давления в конденсаторе, обеспечивая в каждом случае оптимальную величину суммарной площади выхлопа ЦНД.
Решение ОАО «Силовые машины» о производстве, наряду с быстроходными турбинами большой мощности, также и тихоходных турбин соответствует концепциям, принятым ведущими зарубежными турбостроительными фирмами. Реализация этого решения позволит восстановить уровень возможностей отечественного турбостроения, существующий до распада СССР, когда тихоходные турбины мощностью 1000 МВт выпускались на Харьковском турбинном заводе, а быстроходные – на Ленинградском Металлическом заводе, и позволит ОАО «СМ» максимально эффективно реагировать на запросы по поставкам энергетического оборудования для АЭС как в России, так и за рубежом.
Представленные выше перечень и краткие характеристики турбоустановок не является исчерпывающими в части типоразмеров установок для строящихся и перспективных блоков АЭС, разработку которых осуществил, выполняет в настоящее время или наметил к разработке завод.
Тем не менее, настоящие материалы дают представление об отличительных особенностях конструкций турбины, конденсатора и тепловой схемы турбоустановок для АЭС, а также о многообразии типоразмеров турбин, которые могут быть предложены ЛМЗ отечественному и зарубежному заказчику.