Алексеев Б.А. Генераторы для атомных электростанций

Подождите немного. Документ загружается.

3/2006

Конструкция генераторов для атомных станций

сравнительно мало изменялась за последние два деся-

тилетия. Создание реакторов для АЭС мощностью бо-

лее 1000 МВт в начале 70-х гг. привело к разработке

турбогенераторов, по мощности значительно превос-

ходящих машины для тепловых электростанций.

Крупнейшими турбогенераторами являются четы-

рехполюсные машины для АЭС, выпускаемые в Европе

компаниями Alsthom и Siemens/KWU — серии N4 (1710

МВА) и Konvoi (1500-1700 МВА).

Германией с середины 70-х гг. серийно выпускают-

ся четырехполюсные машины с непосредственным во-

дяным охлаждением обмотки статора, водородным

охлаждением остальных узлов машины мощностью до

1200 МВА и с водяным охлаждением обмотки ротора

мощностью 1500-1530 МВА. Рекордная мощность для

машины с полным жидкостным (водо-водородно-мас-

ляным) охлаждением, созданной компанией KWU в

1983 г,. — 1640 МВА.

АЭС Франции оснащены четырехполюсными турбо-

генераторами с водородным охлаждением ротора

мощностью 1000-1450 МВА; компанией Alsthom с се-

редины 90-х гг. выпускается серия N2 — 1710 МВА так-

же с водородным охлаждением ротора.

Для АЭС России с середины 80-х гг. производятся

турбогенераторы-миллионники ТВВ-1000-4 и ТВВ-

1000-2. Охлаждение машин серии ТВВ: непосредст-

венное водяное — обмотки статора и водородное —

остальных узлов машины.

В докладах СИГРЭ представлены две группы гене-

раторов для АЭС — двухполюсные и четырехполюсные.

Крупнейшими из двухполюсных машин компании

Alsthom являются примененные на АЭС Китая турбоге-

нераторы класса миллионников. Их предшественника-

ми можно считать генераторы ТВВ-1000-2 завода

«Электросила», выпускавшиеся с середины 80-х гг.

Четырехполюсные турбогенераторы мощностью

1950 МВА проектируются для европейского реактора

нового поколения типа EPR.

Доклад 11-106/2000 [1] компаний Ling Ao Nuclear

Power Co. Ltd (Китай), EDF (Франция) и ABB Alsthom

(Великобритания и Франция) посвящен созданию и пе-

редаче опыта освоения двухполюсных турбогенерато-

ров класса 1000 МВт в Китае (табл. 1).

Контракт на поставку двух турбогенераторов класса

1000 МВт для АЭС Daya Bay в Китае был заключен в

1985 г. между компаниями GNPJVC (Guangdong Nuclear

Power Joint Venture Co. Ltd) и GEC. При создании этой

АЭС успешно была применена кооперация трех участ-

ников проекта — заказчика со стороны КНР (GNPJVC),

изготовителя оборудования (GEC) и консультанта по

строительной части (EDF). В задачу такой группы вхо-

дило проектирование электростанции, проведение

всех работ и обучение китайского персонала.

Генераторы по 984 МВт, 3000 об/мин, созданные

компанией GEC, были двухполюсными, наибольшими

по мощности. Большой интерес представлял опыт экс-

плуатации таких машин.

Система возбуждения — бесщеточная, с вращаю-

щимися диодами.

Особенности конструкции турбогенераторов

Статор

•

Раздельная конструкция внутренней и наружной

части с максимальной массой подъема 308 т.

•

Подвеска внутренней части на плоских пружинах.

•

Изолированные стержни крепления сердечника.

•

Регулируемая система подвески сердечника к

внутренней части статора.

•

Непосредственное водяное охлаждение стерж-

ней обмотки статора.

•

Применение изоляции стержней статора на 26 кВ.

•

Опорные конусы для крепления лобовых частей

из стеклопластика.

•

Цельные консоли для опор задних подшипников,

а опора для передних – фундамент турбины.

Охлаждение

•

Реверсивный поток газа, при котором нагретый

газ отбирается из воздушного зазора с помощью цент-

робежных вентиляторов по обоим концам и возвраща-

ется охлажденным на спинку сердечника в ротор.

ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Алексеев Б.А., канд. техн. наук, ОАО «ВНИИЭ»

Таблица 1

Основные параметры генераторов

АЭС Daya Bay и Ling Ao

АЭС DAYA BAY LING AO

Число блоков 2 2

Полная мощность, МВА 1157 1165

Активная мощность, МВт 984 990

Напряжение, кВ 26 26

Частота вращения, об/мин 3000 3000

Коэффициент мощности 0,85 0,85

Давление водорода, бар 5 5

Температура холодного газа,

C 43 43

Температура первичного хладагента

(морская вода),

C 33 33

Уровень нагрева, класс B B

Нагревостойкость изоляции, класс F F

Система возбуждения б/щ б/щ

КПД, % 98,72 98,72

ОКЗ, отн. ед. 0,56 0,56

Максимальный транспортный вес, т 308 308

Полная масса, т 708 708

МИРОВОЙ ОПЫТ

Ротор

•

Охлаждение катушек противотоком газа. Газ вхо-

дит и выходит радиально, но протекает по стержням

обмотки в аксиальном направлении.

•

В пазах и лобовых частях обмотки применены

скользящие прокладки.

•

Пазовые алюминиевые клинья на всю длину рото-

ра, явлющиеся частью демпферной обмотки.

•

Бандажные кольца из стали 18Mn 18Cr.

Некоторые технические решения показаны на рис. 1.

•

Конусы опоры лобовых частей статора (А) с конст-

рукцией, обеспечивающей жесткость и эластичность в

аксиальном направлении (B). При испытаниях генера-

тора измеряются перемещения и усилия катушек об-

мотки статора и определяется требуемая эластичность.

•

Радиальное крепление лобовых частей обмотки

статора имеет простую конструкцию (C), позволяющую

легко добраться до внешней поверхности конуса.

•

Широко применяются формующиеся эпоксидные

материалы для прочной опоры стержней в пазу и в ло-

бовых частях (D).

•

Наполняемые смолой мешки (E) для прочной свя-

зи лобовых дуг стержней статора.

•

Внутренняя часть статора опирается на четыре

группы плоских пружин, ориентированных тангенци-

ально и размещенных через 90

. Эти пружины имеют

радиальную свободу перемещения, но жесткие в тан-

генциальном направлении. Для устранения вибрации

между внутренней и наружной частями статора связь

между сердечником и внутренней частью статора вы-

полняется регулируемой.

•

Для проверки правильности расчетов при испы-

таниях температура меди обмотки ротора во время за-

водских испытаний измеряется 100 термопарами.

•

Аксиальные скользящие прокладки на роторе сво-

дят до минимума перемещения при нагреве и сохраняют

стабильность во времени.

•

Водородные уплотнения — жесткого кольцевого

типа с минимальной утечкой водорода, не требующие

осушки масла уплотнений.

Ввод первого блока был в 1993 г. Работавшие с ян-

варя 1995 г. два блока АЭС Daya Bay имели всего лишь

41 час простоя, что соответствует FOR 0,05 %.

Основываясь на рекордной надежности блока 1,

эксплуатирующая компания CGNPC (China Guangdong

Nuclear Power Co. Ltd.) решила построить как двойник

этой АЭС два блока Ling Ao (LANPS). Этот проект начал

осуществляться в 1996 г., пуск двух новых блоков со-

стоялся в 2002 г. и 2003 г.

За время эксплуатации внеплановый простой для

блока 1 составил 946 ч, а для блока 2 его вообще не бы-

ло. Простой в течение 905 ч на блоке 1 в первый год его

эксплуатации был вызван утечкой воды в статор из-за

попадания постороннего магнитного предмета в лобо-

вую часть катушки. Предмет типа лезвия ножа проник

через изоляцию к меди, что привело к попаданию газа в

водяную систему охлаждения. Поврежденный стержень

был заменен. Работа протекала нормально, при еже-

годной перезагрузке реактора было проведено обсле-

дование, замечаний не было. После замены стержня

простой обоих блоков составил только 41 ч, что соот-

ветствует коэффициенту вынужденного простоя 0,05 %.

Опыт создания, приемки и работы блоков АЭС Daya

Bay проанализирован и учтен при создании двух блоков

АЭС Ling Ao. Кроме того, имеется опыт эксплуатации 58

блоков АЭС, из них 34 такой же мощности, как блоки

АЭС Daya Bay и Ling Ao.

На основании положительного опыта эксплуатации

во Франции турбоагрегатов на 1500 об/мин для буду-

щих проектов рассматривается как альтернатива при-

менение таких блоков.

В докладе [2] компаний Siemens Power Generation и

Framatome Advanced Nuclear Power показаны пути конст-

руирования генератора еще большей мощности для

АЭС нового поколения с реакторами EPR (European

Pressurized Reactor) в соответствии с жесткими требова-

ниями предполагаемого заказчика. В основе конструк-

ции новой машины для блоков АЭС EPR — турбогенера-

тор 1700 МВА серии Konvoi, хорошо себя показавшей в

течение десятилетий эксплуатации на АЭС (табл. 2).

В дополнение к главному требованию — иметь мощ-

ность машины 1950 МВА при водородном охлаждении

обмотки ротора и нагревах по классу В — есть и другие

требования, сильно влияющие на будущую конструк-

цию, одно их которых — возможность работы при номи-

нальной мощности в МВА при напряжении 90 % от номи-

нального, с температурой охлаждающей воды ≤ 85

С.

Для выполнения этого условия нужно проектировать

обмотку статора на ток 50 кА — на 10 % выше, чем при

номинальной мощности и напряжении. Это соответст-

вует 2140 МВА при отклонениях напряжения ±5 % по

МЭК 60034-3 и требует выполнения стержней статора,

соединений обмотки и выводов на эту сверхмощность.

Ограничение предела температуры охлаждающей во-

ды величиной 85

С вместо 90

С по МЭК 60034-3 достиг-

нуто оптимизацией соотношения высоты верхних и ниж-

них стержней. При этом сохраняется то же сечение паза

без расширения диаметра статора (разрезы стержней

статора и ротора показаны на рис. 2 и 3). Для интенсив-

ного охлаждения вводов и соединений обмотки в EPR-ге-

нераторе работают две параллельных ветви водяного ох-

лаждения (в генераторе 1700 МВА серии Konvoi, спроек-

тированном на ток 35 кА, две последовательные ветви).

∆ Возможность ра

боты с динамической устойчиво-

стью при номинальной активной мощности и при недо-

возбуждении 0,35 отн. ед. по реактивной.

Предназначенный для EPR-генератора бесще-

точный возбудитель хорошо зарекомендовал себя в

Рис. 1. Технические решения, принятые

при проектировании статора

3/2006

ра

боте, в том числе при к.з. в энергосистеме. Основ-

ной возбудитель имеет высоконадежный резервиро-

ванный вращающийся диодный выпрямитель и под-

возбудитель с постоянными магнитами. Схема АРН

обеспечивает работу возбуждения в соответствии с

требованиями заказчика. Параметры, воздействую-

щие на регулятор, — напряжение на зажимах генера-

тора, скорость вращения, электрическая и механиче-

ская мощность, ограничитель угла ротора.

Работа при полной активной мощности и 0,35 реак-

тивной в режиме недовозбуждения обеспечивается в

отношении торцевых зон статора соответствующей

конструкцией. В отношении устойчивости — если

обычный регулятор напряжения ограничивает реактив-

ную мощность существенно меньшей величины, то воз-

можность использования такого режима допустима.

∆ Возможность транспортировки

всех узлов по

железной дороге.

Наиболее сложное в выполнении требование за-

казчика — перевозка отдельных узлов турбогенерато-

ра по железной дороге. Предполагается использовать

32-осный транспортер с длиной более 62 м, который в

состоянии перевозить статор длиной 11 м. Ограниче-

ния на сечение корпуса статора: 4,15 х 4,50 м. Отдель-

но транспортируется высоконапорный осевой ком-

прессор, монтируемый потом на корпусе генератора.

Требования заказчика к параметрам машин выпол-

нены, для этого понадобилось увеличение активной

мощности на 34 %, что достигнуто повышением коэф-

фициента мощности с 0,8 до 0,9 и увеличением разме-

ров активной части и степени использования активных

материалов на 19 %.

Та же задача создания турбогенератора мощностью

1950 МВА поставлена компанией ALSTHOM.

Компания представляет особенности своего подхо-

да к конструированию прототипа такой машины (А1-

105/2004) [3]. Главная задача при создании машины —

обеспечить высокую надежность и большой срок служ-

бы, опираясь на опыт эксплуатации и конструктивные

решения около 70 генераторов предельной мощности,

которые установливались начиная с 70-х гг. во Франции

и других странах.

В основе проектирования лежит использование ба-

зы данных о всех блоках, применение новых достиже-

ний в конструкции и технологии, расчет надежности с

анализом риска повреждения (рис. 4).

База данных, основанная в 1987 г., содержит историю

эксплуатации всех машин АЭС, показатели надежности

их работы, информацию о выявленных и устраненных

Таблица 2

Характеристики турбогенератора EPR

Примененный стандарт МЭК 60034

Класс изоляции F, с нагревами по классу В

Полная мощность, МВА 1950

Частота, Гц 50

Частота вращения, об/мин 3000

Номинальное напряжение, кВ 26

Номинальный ток, A 43300

Коэффициент мощности 0,90

Активная мощность, МВт 1755

98,85 при 100 % нагрузки,

КПД (включая потери 98,97 при 75 %,

в подшипниках), % 98,97 при 50 %,

98,58 при 25 %

Охлаждение

Обмотки статора

непосредственное водяное

Обмотки ротора

непосредственное водородное

Сердечника статора водородное

Узлов конструкции водородное

Давление водорода 5 бар (6 бар

абс

)

Температура холодного

водорода,

Температура первичной воды,

C 45

Тип возбудителя

бесщеточный,

с вращающимися диодами

Номинальный ток возбуждения, А

11600

Номинальное напряжение, В 510

Ток возбуждения на х.х., А 3500

Напряжение возбуждения на х.х., В

150

ОКЗ 0,45

Xd’, насыщ., отн. ед. 0,49

Xd’’, насыщ., отн.ед. 0,31

Максимальные нагрузки

Максимальный ток КЗ, кА 375

Длительный трехфазный ток, кА 64

Длительный двухфазный ток, кА 98

Несимметричная нагрузка

Непрерывная I

, % 5

Кратковременная I

t, cек. 5

Покрытый кевларом

газовый клин

Изоляция стержней

THERMALASTIC

Верхний стержень

Проводящая боковая

прокладка

Средняя прокладка,

включающая:

• формирующую прокладку

• жесткую прокладку или

датчик температуры

• формирующую прокладку

Верхняя прокладка,

включающая:

• полистироловую полоску

• жесткую прокладку

• наполненный смолой

мешок

Нижний стержень

Нижняя формирующая

прокладка

Рис. 2. Стержни статора EPR-генератора

Верхняя прокладка

Стержень из меди

с присадкой серебра

Витковая изоляция

Стенка паза

Нижняя прокладка

Рис. 3. Стержни обмотки ротора,

охлаждаемые водородом

МИРОВОЙ ОПЫТ

дефектах, результаты обследований машин. За 20 лет

существования база данных охватила весь парк крупных

турбогенераторов, ее анализ позволил выявить и опера-

тивно улучшить многие критические узлы машин.

В базу данных вносятся следующие сведения:

•

сведения о электростанции, где установлен ге-

нератор;

•

изменения в конструкции за все время эксплуата-

ции;

•

число часов работы, вырабатываемая мощность и

число пусков-остановов;

•

информация о выявленных дефектах, поврежде-

ниях во время работы или при плановых остановах;

•

замечания по производству, монтажу и эксплуа-

тации машин, включая систему возбуждения и вспомо-

гательные системы.

В базу данных вводятся все документы, отражаю-

щие отказы генераторов в работе.

Именно эта база данных и положена в основу созда-

ния турбогенератора мощностью 1950 МВА с заданной

высокой надежностью и длительным сроком службы.

Основы расчета надежности и выбора конструкции

узлов генератора

Надежность генератора определяется всеми конст-

рукторскими решениями и надежностью отдельных ком-

понент конструкции. Расчетная надежность узла опреде-

ляется как функция двух параметров — времени между

отказами и времени ремонта. Если расчет показывает

недопустимый риск повреждения, требуется выяснить

причины и скорректировать конструкцию узла.

Критичность узла относительно повреждения явля-

ется произведением его опасности, частоты отказов и

невыявляемости дефекта.

Опасность повреждения оценивается по пяти

уровням.

1. Нет вывода об ухудшении состояния машины.

2. Признаки ухудшения имеются, но общего ухуд-

шения пока нет.

3. Состояние ухудшится, если продолжать работу в

таком режиме.

4. Ухудшение состояния местного характера в бли-

жайшее время.

5. Ухудшение состояния в широком масштабе в бли-

жайшее время.

Данные по уровням опасности повреждения всех ком-

понент позволяют судить об общей надежности машины.

Частота отказов определяется статистикой повреж-

дений.

Невыявляемость дефекта определяется недоста-

точной методически-инструментальной базой контро-

ля состояния.

Эффективность принятых решений по обеспечению

необходимой надежности гарантируется при соблюде-

нии следующих условий.

•

Полное и точное описание опыта эксплуатации

нескольких типов машин

•

Анализ опыта эксплуатации за длительный пери-

од (для данной базы — с 70-х гг., то есть более 30 лет)

•

Полные сведения об усовершенствованиях конст-

рукций генераторов и их влиянии на надежность машин

существующих серий

•

Разработанная методика определения повыше-

ния надежности на основе возможных улучшений кон-

струкции, методика выбора оптимального решения

•

Максимальное использование существующих на-

дежных узлов, для которых накоплен опыт работы в те-

чение длительного времени

•

Внедрение наиболее проверенных технологий —

только в случае снижения «критичности» узлов с целью

повышения надежности — с большой осторожностью и

опираясь на знания специалистов, разработавших та-

кие технологии

•

Тесное взаимодействие эксплуатирующих и про-

ектирующих генераторы организаций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Shen Ru Gang, Guigues B., Booth R.M., Verrier M. Design

and Experience Feed Back for 3000 rpm 1000MW Nuclear Power

Station in China. Создание и передача опыта эксплуатации бло-

ков 3000 об/мин 1000 МВт АЭС в Китае. Доклад СИГРЭ 2000 г.

11-106.

2. Montgomery L.W., Chianese R., Sedlacek K. et m.and.

Influence of customer specifications upon design features of EPR

turbogenerator. Влияние требований заказчика на особенности

конструкции турбогенератора для АЭС с реакторами нового

поколения EPR. Доклад СИГРЭ 2002 г. 11-106.

3. Chay P., Martinet G., Thiery M., Veith E., Verrier M. New

development in the design of generators for nuclear plants with reli-

ability target. Новый метод проектирования генераторов с за-

данной надежностью для АЭС. Доклад СИГРЭ 2004 г. A1-105.

Рис. 4. Схема расчета новой конструкции

с опорой на базу данных и оценку

риска появления дефекта