Трухний А.Д. Паротурбинная установка блоков Балаковской АЭС

Подождите немного. Документ загружается.

А.Д.Трухний, АЕ.Булкин

ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

энергоблоков Балаковской АЭС

В двух частях

Часть 1

Паровая турбина и турбопитательный агрегат

Рекомендовано концерном "Росэнергоатом"

для подготовки эксплуатационного, ремонтного и наладочного персонала

турбинных цехов АЭС

Москва Издательство МЭИ 2004

УДК 621.039.002.5(075.8)

ББК 31.47 я 73

Т801

Пособие выпущено к семидесятипятилетнему

юбилею Московского энергетического института

(технического университета)

Рецензент: филиал концерна «Росэнергоатом» «Балаковская атомная станция»

Трухний А.Д., Булкин А.Е.

Т801 Паротурбинная установка энергоблоков Балаковской АЭС:

Учебное пособие. В двух частях. — М.: Издательство МЭИ, 2004.

ISBN 5-7046-1079-Х

Часть 1. Паровая турбина и турбопитательный агрегат.—276 с, ил.

ISBN 5-7046-1199-0(4.1)

Описаны процессы преобразования энергии на АЭС, тепловой процесс

в паровой турбине, конструкции деталей и узлов турбины К-1000-5,9/25-2, в том

числе рабочего облопачивания проточной части, валопровода, статора,

уплотнений, подшипников, опор валопровода. Особое внимание уделено системе

опирания турбоагрегата на фундамент и организации его тепловых расширений

Детально представлены системы маслоснабжения, регулирования и защиты

главной турбины и приводной паровой турбины турбопитательного насосного

агрегата, а также конструкции элементов этих систем.

Учебное пособие предназначено для подготовки эксплуатационного,

ремонтного и наладочного персонала Балаковской АЭС. Оно будет полезно для

персонала всех без исключения атомных станций, а также для студентов вузов

и колледжей, получающих образование в области теплоэнергетики и атомной

техники.

ISBN 5-7046-1199-0 (ч.1)

ISBN 5-7046-1079-Х

УДК 621.039.002.5 (075.8)

ББК 31.47 я 73

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 5

Основные условные обозначения и сокращения .... 8

Глава первая. Процессы преобразования энергии

на АЭС 11

1.1. Атомная энергетика и ее перспективы 11

1.1.1. Роль атомной энергетики в мире, России

и ее европейской части 11

1.2. Технологический процесс производства

электроэнергии на АЭС 15

1.2.1. Ядерное горючее АЭС 15

1.2.2. Ядерные реакторы АЭС 16

1.2.3. Технологические схемы производства

электроэнергии на АЭС с реакторами

типов ВВЭР и РБМК 22

1.3. Основные законы перехода тепловой

энергии в работу 24

1.4. Термодинамические свойства воды

и водяного пара 27

1.4.1. Вода и насыщенный пар 27

1.4.2. Влажный пар 29

1.4.3. Перегретый пар 32

1.4.4. Диаграммы водяного пара 32

1.5. Тепловые циклы турбинных установок 35

1.5.1. Цикл Ренкина и КПД конденсационной

турбоустановки 35

1.5.2. Регенеративный цикл 39

Контрольные вопросы 41

Глава вторая. Тепловой процесс в паровой турбине

и ее принципиальное устройство 42

2.1. Истечение пара из сопл 42

2.2. Турбинные решетки 43

2.3. Преобразование энергии в турбинной

ступени 45

2.4. Реактивность ступени 48

2.5. Треугольники скоростей 49

2.6. Относительный лопаточный КПД

турбинной ступени 52

2.7. Относительный внутренний КПД ступени. . . 53

2.8. Ступени с закрученными лопатками 58

2.9. Необходимость и преимущества много-

ступенчатой конструкции турбины 59

2.10. Парораспределение паровой турбины 60

2.11. Превращение тепловой энергии в работу

в многоступенчатой турбине 61

2.12. Концевые уплотнения турбины 64

2.13. Многоцилиндровые турбины 65

2.14. Уравновешивание осевых усилий в турбине . 65

Контрольные вопросы и задачи 67

Глава третья. Конструкция деталей и узлов

турбины К-1000-5,9/25-2 68

3.1. Краткое описание тепловой схемы

турбоустановки и паровой турбины 68

3.2. Материалы, используемые для деталей

турбины и оборудования турбоустановки ... 75

3.2.1. Основные свойства материалов 75

3.2.2. Материалы деталей турбины

и вспомогательного оборудования 77

3.3. Рабочее облопачивание проточной части .... 79

3.3.1. Условия работы облопачивания 79

3.3.2. Конструкции облопачивания 79

3.3.3. Материалы рабочих лопаток 89

3.4. Валопровод турбины 89

3.4.1. Условия работы валопровода 89

3.4.2. Конструкции роторов валопровода .... 89

3.4.3. Конструкции соединительных муфт ... 92

3.4.4. Материалы роторов 93

3.5. Статор паровой турбины 93

3.5.1. Условия работы статора 93

3.5.2. Конструкция корпуса ЦВД 94

3.5.3. Обоймы диафрагм ЦВД 99

3.5.4. Диафрагмы ЦВД 102

3.5.5. Сопловые аппараты первых

ступеней ЦВД 105

3.5.6. Конструкция статора ЦНД 107

3.6. Уплотнения турбины 114

3.7. Подшипники турбины 117

3.7.1. Опорные подшипники 118

3.7.2. Упорные подшипники 125

3.8. Опоры валопровода турбоагрегата 131

3.9. Опирание турбоагрегата на фундамент

и организация его тепловых расширений .... 135

3.10. Валоповоротное устройство 144

Контрольные вопросы 146

Глава четвертая. Система маслоснабжения

турбоагрегата 147

4.1. Централизованная система смазки

энергоблока 147

4.2. Система смазки подшипников турбоагрегата. 147

4.3. Система гидроподъема роторов турбоагрегата 152

4.4. Маслоснабжение системы автоматического

регулирования и защиты турбоагрегата 154

4.5. Система уплотнения вала турбогенератора .. 159

Контрольные вопросы 168

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава пятая. Система регулирования паровой

турбины 169

5.1. Общие принципы построения системы регули-

рования турбины и ее характеристики 169

5.1.1. Паровая турбина как объект

регулирования 169

5.1.2. Статическая характеристика

регулирования 170

5.1.3. Нечувствительность регулирования ... 172

5.1.4. Механизм управления турбиной 173

5.1.5. Параллельная работа турбогенераторов 173

5.2. Регулирование энергоблоков АЭС

с реакторами типа ВВЭР 176

5.3. Парораспределение турбины К-1000-5,9/25-2 178

5.4. Регулирование турбины К-1000-5,9/25-2 184

5.4.1. Электрогидравлическая

система регулирования 185

5.4.2. Ограничение мощности турбины

по командам ЭГСР 195

5.4.3. Блокировки и защиты,

реализованные в ЭГСР 195

5.4.4. Гидравлическая система регулирования 195

5.5. Конструкции элементов системы

регулирования 199

Контрольные вопросы 212

Глава шестая. Система зашиты турбины 214

6.1. Назначение и принципы построения

системы защиты 214

6.2. Система защиты турбины К-1000-5,9/25-2 ... 215

6.3. Защита по повышению частоты вращения ... 217

6.4. Защиты, вызывающие отключение турбины

со срывом вакуума 220

6.5. Защиты, связанные с работой теплообменных

аппаратов 222

6.6. Беззолотниковое защитное устройство 222

6.7. Исполнительные органы системы защиты ... 224

Контрольные вопросы 229

Глава седьмая. Турбопитательная установка

энергоблока 231

7.1. Условия работы турбопитательной установки 231

7.2. Турбопитательный насосный агрегат 232

7.3. Приводная паровая турбина К-12-10ПА 237

7.4. Система маслоснабжения ТПН 240

7.5 Система регулирования приводной

турбины ТПН 244

7.6. Конструкции элементов системы

регулирования приводной турбины ТПН .... 246

7.7. Система защиты ТПН 253

7.8. Конструкции элементов системы защиты ТПН255

Контрольные вопросы 261

Список литературы 263

Словарь основных терминов 264

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемое вниманию читателей учебное

пособие предназначено для подготовки эксплуата-

ционного, ремонтного и наладочного персонала

Балаковской АЭС, оснащенной энергоблоками

ВВЭР-1000 с паровыми турбинами К-1000-5,9/25-2

Харьковского турбинного завода (Украина) мощно-

стью 1000 МВт.

Главной побудительной причиной написания

пособия послужило практически полное отсутствие

литературы, в частности учебной, по турбинам

и турбоустановкам АЭС. Единственное имеющееся

учебное пособие (Б.М. Трояновский, Г.А. Филип-

пов, А.Е. Булкин «Паровые и газовые турбины

атомных электростанций») вышло в свет почти

20 лет назад. В учебнике А.Г. Костюка, В.В. Фроло-

ва, А.Е. Булкина, А.Д. Трухния «Турбины тепловых

и атомных электрических станций», в книге

А.Д. Трухния «Стационарные паровые турбины»

турбины и турбоустановки АЭС рассматриваются

лишь в общем контексте изложения материала.

Вопросам регулирования, защиты и маслоснабже-

ния в них посвящены лишь отдельные главы. Моно-

графии «Турбины для атомных электростанций»

Б.М. Трояновского, «Паротурбинные установки

атомных электростанций» под ред. Ю.Ф. Косяка,

«Эксплуатация турбин АЭС» Ю.Ф. Косяка, В.Н. Гала-

цана и В.А. Палея, «Режимы работы турбоустановок

АЭС» Б.А. Аркадьева, «Эксплуатация паротурбин-

ных установок АЭС» Г.М. Береснева и В.М. Боров-

кова рассчитаны на подготовленных читателей

и для начального обучения могут использоваться

лишь частично. При этом заметим, что изложение

в них материала по турбинам К-1000-5,9/25-2 огра-

ничивается лишь принципиальной тепловой схемой

и продольным разрезом турбины.

Предлагаемое учебное пособие написано по

инициативе главного инженера АЭС В.И. Игнатова.

Первоначально предполагалось, что объем книги

должен составлять 25 печатных листов, а ее содер-

жание н стиль изложения должны были быть анало-

гичны упомянутой выше книге А.Д. Трухния «Ста-

ционарные паровые турбины», естественно, с уче-

том технической специфики турбинного оборудова-

ния Балаковской АЭС. Однако уже после написания

глав, касающихся конструкции главной турбины,

систем автоматического регулирования, защиты и

маслоснабжения главной и приводной турбин, ста-

ло ясно, что задуманную книгу вместить в предпо-

лагаемый ранее объем невозможно. Поэтому было

принято решение разделить книгу на две части: в

первой дать описание конструкций, систем автома-

тического регулирования, защиты и маслоснабже-

ния главной турбины и турбопривода, а во второй

— вспомогательного оборудования, режимов рабо-

ты и эксплуатации, аварий. Сейчас читателю пред-

лагается первая часть учебного пособия.

Книга рассчитана на читателя, имеющего сред-

нее образование. Поэтому материал изложен без

использования сложного математического аппарата,

а где это возможно — вообще без такового. Авторы

в первую очередь стремились осветить физическую

сторону явлений, происходящих в турбине и опреде-

ляющих ее конструкцию и регламент эксплуатации.

Уже на начальной стадии работы над пособием

авторы встали перед сложной дилеммой. С одной

стороны, всякое изучение любого технического

объекта — это его сравнение с другими аналогич-

ными объектами, позволяющее лучше понять его

назначение, особенности, положительные и отри-

цательные стороны, одним словом — «истина

познается в сравнении». Кроме того, для познания

чрезвычайно поучительна «техническая история»

развития этого объекта. С другой стороны, требова-

лось скрупулезное пояснение конструкции совер-

шенно уникальной турбины, какой является турби-

на К-1000-5,9/25-2, занимающее много места. После

долгих размышлений, учитывая конкретную специ-

фику пользователей, авторы решили пойти по пути

изложения материала в основном применительно

к турбине К-1000-5,9/25-2. При этом они настоя-

тельно советуют читателям ознакомиться с вышед-

шей ранее книгой , где все вопросы изложены с более

общих позиций.

В гл. 1 пособия излагаются общие вопросы роли

атомной энергетики в мире, России и ее европей-

ской части, основные законы перехода тепловой

энергии в работу, термодинамические свойства

Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. М.: Энергоатом-

издат, 1990.

ПРЕДИСЛОВИЕ

воды и водяного пара, технологический процесс

производства электроэнергии на АЭС, тепловые

циклы турбинных установок. Без знания этих

вопросов невозможно понять структуру турбоуста-

новки, принцип действия турбины и основы ее уст-

ройства и эксплуатации. В главе содержатся много-

численные примеры расчетов, анализируя которые,

читатель должен научиться пользоваться тепло-

выми диаграммами и выполнять элементарные

расчеты циклов.

Глава 2 посвящена процессу преобразования

тепловой энергии в работу в паровой турбине и ее

принципиальному устройству. В некотором смысле

эта глава является классической. В ней последо-

вательно излагаются течение пара в турбинных

решетках, преобразование энергии в турбинной

ступени и ее КПД, треугольники скоростей, необ-

ходимость и преимущества многоступенчатой кон-

струкции турбины, рассматриваются ступени с закру-

ченными лопатками, парораспределение, превра-

щение тепловой энергии в работу в многоступенча-

той турбине, принципиальное устройство конце-

вых уплотнений турбины, необходимость многоци-

линдровой конструкции, уравновешивание осевых

усилий. Эта глава также снабжена многочислен-

ными примерами расчетов применительно к тур-

бине К-1000-5,9/25-2.

В гл. 3 дано детальное описание конструкции

турбины К-1000-5,9/25-2: рабочего облопачивания

проточной части отдельных цилиндров, валопро-

вода (роторов и соединительных муфт), статора

(корпусов цилиндров, обойм, диафрагм, сопловых

аппаратов первых ступеней), уплотнений (диафраг-

менных, периферийных, концевых), подшипников

(опорных и упорного), опор валопровода, валопово-

ротного устройства. Особое внимание уделено ори-

гинальной, не имеющей прецедентов в турбострое-

нии системе опирания турбоагрегата на фундамент

и организации его тепловых расширений.

О том, как целесообразно изучать гл. 3, следует

сказать отдельно. При ее написании авторы попали

в «порочный круг». С одной стороны, конструкцию

деталей трудно изложить без понимания их места

в паровой турбине, и поэтому читателю необхо-

димо иметь хотя бы общее представление о конст-

рукции турбины в целом. С другой •— даже при

поверхностном описании конструкции приходится

пользоваться терминами и понятиями, возможно,

еще не известными читателю. Поэтому авторы

советуют: сначала внимательно прочитать § 3.1, не

пытаясь понять его содержание до тонкостей; затем

изучить остальной материал главы и вновь вернуть-

ся к § 3.1. Кроме того, авторы рекомендуют как

можно чаще пользоваться словарем основных тер-

минов, приведенным в конце книги.

Глава 4 посвящена системе маслоснабжения тур-

боагрегата. Показаны преимущества независимого

привода насосов регулирования и смазки. Рассмот-

рены системы смазки подшипников, маслоснабже-

ния систем регулирования и защиты, гидроподъема

роторов и масляного уплотнения вала генератора.

Приведено описание конструкций насосов смазки

и регулирования, маслоохладителя, самоочищаю-

щегося фильтра, маслосбросного устройства.

В гл. 5 детально рассмотрена комбинированная

система регулирования турбины К-1000-5,9/25-2.

В начале главы излагаются общие принципы

построения и работы систем регулирования турбин

(свойства паровой турбины как объекта регулирова-

ния, принципиальная схема регулирования конден-

сационной турбины и ее статическая характери-

стика, нечувствительность, механизм управления

турбиной и его воздействие на статическую харак-

теристику регулирования, параллельная работа тур-

богенераторов), а также обсуждаются основные

программы регулирования блоков АЭС с реакто-

рами типа ВВЭР. Описаны конструкции парозапор-

ных органов турбины К-1000-5,9/25-2 (стопорно-

регулирующего клапана и поворотной регулирую-

щей заслонки промперегрева). Наиболее полно

представлена электрогидравлическая система регу-

лирования турбины (структуры электронной управ-

ляющей и гидравлической исполнительной частей,

режимы ЭГСР и их иерархия, ограничения мощно-

сти от ЭГСР и реализованные в ней блокировки

и защиты). Рассмотрена работа резервной гидравли-

ческой системы регулирования турбины. Представ-

лены конструкции основных элементов комбиниро-

ванной САР (импеллера, регулятора частоты вра-

щения, электрогидравлического преобразователя,

ограничителя скачка нагрузки и темпа ее последую-

щего изменения (предохранительного клапана), пере-

ключающего устройства, сервомоторов регулирую-

щих клапанов и заслонок промперегрева и др.).

Глава 6 посвящена системе защиты турбины

К-1000-5,9/25-2. Вначале обсуждаются назначение

системы защиты и общие принципы ее построения.

Затем показано, в каких случаях сигнал на аварий-

ное отключение турбины без срыва и со срывом

вакуума выдается системой защиты или оператором

и какие операции при этом выполняются. Наиболее

подробно рассмотрена важнейшая из защит —

ПРЕДИСЛОВИЕ

по повышению частоты вращения, описаны конст-

рукции автомата безопасности и его золотников,

обсуждены вопросы испытания этой ответственной

зашиты. Показаны действия защит по осевому

сдвигу ротора и давлению масла в системе смазки,

а также некоторых защит, связанных с работой теп-

лообменного оборудования. Представлены конст-

рукции беззолотникового защитного устройства

и исполнительных органов системы защиты (серво-

мотора стопорного клапана и его выключателя,

обратного клапана отбора).

В гл. 7 рассмотрена турбопитательная насосная

установка, описаны условия ее работы и конструк-

ции основных агрегатов: бустерного и главного

питательных насосов, приводной паровой турбины

и редуктора. Приведена система маслоснабжения

турбопитательного насосного агрегата. Показана

работа системы регулирования приводной турбины

во взаимодействии ее основных элементов (насоса-

регулятора, трансформатора давления с механиз-

мом управления турбиной, сервомотора с отсечным

золотником, регулятора предельного давления,

регулирующих клапанов), конструкции которых

описаны. Большое внимание уделено работе системы

защиты турбонасосного агрегата и конструкциям ее

узлов: стопорного клапана, автоматов безопасности

на турбине и на редукторе, дистанционного выклю-

чателя, реле давления в системе смазки, механиче-

ского гидроаккумулятора.

Хотя учебное пособие написано для обучения

эксплуатационного, наладочного и ремонтного персо-

нала, оно, несомненно, будет полезно и для других

категорий работников АЭС, особенно для персонала

реакторного и электрического цехов, который,

конечно, должен достаточно хорошо знать устрой-

ство второго контура АЭС.

Еще раз подчеркнем, что изложение материала

иллюстрируется многочисленными примерами, изу-

чение которых для читателя не менее полезно, чем

изучение основного материала. Каждая глава закан-

чивается контрольными вопросами, позволяющими

читателю проверить качество усвоения материала.

Вопросы охватывают основные положения изло-

женного в главе материала и могут служить тестами

для более подготовленных читателей. Если при чте-

нии вопросов выяснится, что учащийся не может

ответить на какой-либо вопрос, то рекомендуется

найти ответ на него в тексте, а затем приступать

к чтению следующей главы.

В учебном пособии использована Международ-

ная система единиц. Однако поскольку ряд прибо-

ров на АЭС градуирован не в соответствии с этой

системой, то в большинстве случаев одновременно

приводятся значения величин во внесистемных еди-

ницах.

В конце книги представлен список литературы,

которой следует пользоваться при желании углу-

бить свои знания в тех или иных вопросах.

Главы 1—3 написаны А.Д. Трухнием, гл. 4—7 —

А.Е. Булкиным.

Авторы выражают благодарность коллективу

кафедры паровых и газовых турбин МЭИ, без твор-

ческого общения с которым авторы не смогли бы

создать настоящее учебное пособие, а также кол-

лективу Балаковской АЭС, предоставившему авто-

рам для написания учебного пособия чертежи

оборудования и многочисленные схемы и выпол-

нившему рецензирование рукописи.

Авторы

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

— скорость звука, м/с

— ширина каналов на выходе соответст-

венно сопловой и рабочей решеток, м, мм

— барометрическое давление, Па, мм рт. ст.

— ширина соответственно сопловой

и рабочей решеток, м

— хорда профиля, м

— скорость, м/с; удельная теплоемкость,

кДж/(кг • К)

— скорость соответственно перед сопловой

решеткой, за ней и за рабочей решеткой,

м/с

— фиктивная скорость, м/с

— диаметр уплотнения, м

— средний диаметр ступени, м

— модуль упругости, Па

— располагаемая энергия ступени, кДж/кг

— площадь, м ; сила, Н

— частота тока, Гц; площадь сечения, м

— расход пара, кг/с

— расход теплоносителя первого контура,

кг/с

— утечка пара, кг/с

— энтальпия, кДж/кг

— энтальпия пара соответственно перед

ступенью, перед рабочей решеткой сту-

пени и за ней, кДж/кг

— энтальпия питательной воды, кДж/кг

— энтальпия пара за турбиной, кДж/кг

— энтальпия конденсата за турбиной, кДж/кг

— энтальпия воды в состоянии насыщения,

кДж/кг

— энтальпия пара в состоянии насыщения,

кДж/кг

— сила тока, А

— момент инерции валопровода, кг • м

— коэффициент теплопередачи, Вт/(м • К)

— удельная работа, кДж/кг; длина, м

— высоты сопловой и рабочей лопаток, мм, м

— масса, кг

— частота вращения, об/мин

— частота вращения соответственно номи-

нальная, при холостом ходе и при номи-

нальной мощности, об/мин

— мощность, кВт, МВт

— соответственно электрическая, внутрен-

няя, располагаемая мощности и мощ-

ность на муфте, кВт, МВт

— сила, Н

— давление, Па, кгс/см

— давление соответственно перед турби-

ной, в промежуточном пароперегревателе

и за турбиной, Па

— давление соответственно перед сопло-

вой решеткой, перед рабочей решеткой и

за ней, Па

— удельная теплота, кДж/кг

— удельный расход теплоты, кДж/(кВт * ч)

— сила, Н

— осевое усилие, Н

— теплота парообразования и конденса-

ции, кДж/кг; радиус, м

— удельная энтропия, кДж/(кг • К)

— абсолютная температура, К

— температура, °С; шаг решетки, м, мм

— температура соответственно перед тур-

биной, после промежуточного перегрева

и на выходе из турбины, °С

— температуры теплоносителя первого кон-

тура на входе в активную зону реактора

и на выходе из нее, °С

— средняя температура теплоносителя

в первом контуре, °С

— температура насыщения, кипения, кон-

денсации, °С

— температура питательной воды, °С

— окружная скорость, м/с; удельная внут-

ренняя энергия, Дж/кг

— удельный объем, м /кг

— удельный объем пара за турбиной, м /кг

— относительные скорости пара на входе

в рабочую решетку и на выходе из нее, м/с

— координата; степень сухости влажного

пара

— отношение скоростей

— степень влажности

— число лопаток в сопловой и рабочей

решетках ступени

— абсолютные углы выхода потока из

сопловой и рабочей решеток, град