«ЛИСЯНСКИЙ АЛЕКСАНДР СТЕПАНОВИЧ РАЗРАБОТКА МОЩНЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН ДЛЯ БЫСТРОХОДНОЙ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИИ АЭС Специальность 05.04.12 Турбомашины и комбинированные турбоустановки Диссертация на соискание ученой степени доктора ...»

ОАО "СИЛОВЫЕ МАШИНЫ"

"ЛЕНИНГРАДСКИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ЗАВОД"

На правах рукописи

ЛИСЯНСКИЙ АЛЕКСАНДР СТЕПАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА МОЩНЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН

ДЛЯ БЫСТРОХОДНОЙ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИИ АЭС

Специальность 05.04.12

«Турбомашины и комбинированные турбоустановки»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2014 2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗРАБОТОК БЫСТРОХОДНЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН

ДЛЯ АЭС

ВВЕДЕНИЕ

1.1 РАЗВИТИЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ПАРОТУРБИНОСТРОЕНИЯ ДЛЯ АЭС

1.2 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ БЫСТРОХОДНЫХ И

ТИХОХОДНЫХ ТУРБИН БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

1.3 ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК БЫСТРОХОДНЫХ ТУРБИН ДЛЯ АЭС......

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ И КОНСТРУКТОРСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПАРОВЫХ ТУРБИН

МОЩНОСТЬЮ 1000 МВТ С ЧЕТЫРЬМЯ ЦНД

ВВЕДЕНИЕ

2.1 РАСЧЕТНАЯ К-1000-60/

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ НОВОЙ ТУРБОУСТАНОВКИ ТИПА

С ЧЕТЫРЬМЯ ЦНД

2.2 КОНСТРУКТИВНЫЕ 1000 МВТ

ОСОБЕННОСТИ БЫСТРОХОДНЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН МОЩНОСТЬЮ

С ЧЕТЫРЬМЯ ЦНД

2.3 РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КЛАПАНА БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ РЕДУКЦИОННОЙ

УСТАНОВКИ (БРУ-К)

2.4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ УПРОЧНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ РАБОЧИХ ЛОПАТОК

ПОСЛЕДНИХ СТУПЕНЕЙ

2.5 ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ УПРОЧНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ПОСЛЕДНИХ СТУПЕНЕЙ............... ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАСЧЁТНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ

КОНСТРУКЦИИ ТУРБИН ТИПА К-1000 С ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫМИ ПОСЛЕДНИМИ СТУПЕНЯМИ

И УМЕНЬШЕННЫМ ЧИСЛОМ ЦНД

ВВЕДЕНИЕ

3.1 РАСЧЁТНАЯ К-1000-60/3000-3 К-1000-60/3000-

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ТУРБОУСТАНОВОК ТИПА И

ДЛЯ АЭС «БУШЕР» (ИРАН) И АЭС «КУДАНКУЛАМ» (ИНДИЯ)

3.2 КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПАРОВЫХ ТУРБИН ТИПА К-1000-60/3000-3 И К-1000-60/3000-2..................

3.3 РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНСТРУКТОРСКИЕ РАЗРАБОТКИ ВЫХЛОПНЫХ ПАТРУБКОВ

В УСЛОВИЯХ ПРОЕКТНЫХ ОГРАНИЧЕНИЙ

3.4 РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ

ОПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

ГЛАВА 4 РАСЧЁТНО-КОНСТРУКТОРСКАЯ РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРОВЫХ ТУРБИН ТИПА К-1200-6,8/50

ВВЕДЕНИЕ

4.1 РАСЧЁТНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ НОВОЙ ТУРБОУСТАНОВКИ ТИПА К-1200-6,8/50

4.2 КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ ТИПА К-1200-6,8/50

4.3 ИССЛЕДОВАНИЕ И КОНСТРУКТОРСКИЕ РАЗРАБОТКИ СОТОВЫХ НАДБАНДАЖНЫХ УПЛОТНЕНИЙ

4.4 РАЗРАБОТКА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ТИТАНОВОЙ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ПОСЛЕДНЕЙ СТУПЕНИ LПС = 1200 ММ...... ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Растущие потребности различных стран в доступной и экологически чистой электроэнергии предопределяют долгосрочные перспективы развития атомной энергетики. Россия последовательно продвигает обширные планы строительства новых энергоблоков АЭС как внутри страны, так и за рубежом. Сегодня доля атомных энергоблоков, построенных в мире по российским проектам, составляет чуть менее 14%.

Ожидается, что общая установленная мощность АЭС, сооруженных в мире по российским проектам, достигнет в 2030 году около 103 ГВт. В то же время, к году общая установленная мощность АЭС в мире достигнет 722 ГВт по «оптимистическому» сценарию развития и 435 ГВт по «пессимистическому»

сценарию развития мировой атомной энергетики. Таким образом, доля атомных энергоблоков в мире, построенных по российским проектам, либо не изменится, либо может вырасти на четверть (24%) [1]. В энергетической стратегии России на период до 2035 года [2] предусматривается «опережающее развитие электроэнергетики» с ростом установленной мощности электростанций более чем на 1/3 и ростом выработки электроэнергии в 1,6 раза при увеличении доли выработки электроэнергии на АЭС с 16 до 23 процентов. Снижение доли углеводородных источников энергии будет восполняться развитием АЭС и возобновляемых источников энергии. Президент России В.В. Путин заявил о задаче увеличения доли атомной энергетики в России с 16% в 2013г. до 25% к 2030г. за счёт строительства 28-ми крупных энергоблоков АЭС [3].

Одновременно отмечено, что дополнительно к этому, Росатом получил заказы на строительство 22-х энергоблоков АЭС за рубежом. Отечественное энергомашиностроение обладает многолетним опытом разработки и изготовления наукоемкого передового энергооборудования АЭС. Производство уникальной быстроходной паровой турбины мощностью 1000 МВт для АЭС, не имевшей аналогов в мировом турбостроении, было начато на ЛМЗ в 1981г. [4]. Сегодня быстроходные паровые турбины отечественного производства успешно работают на АЭС России и зарубежных стран.

Важнейшей предпосылкой осуществления долгосрочных планов Росатома по сооружению АЭС в России и за её пределами по российским проектам является обновление и развитие производственных мощностей по выпуску ключевого оборудования энергоблоков [1]. Сегодня возможности атомного энергомашиностроения России позволяет обеспечить выпуск основного оборудования для трёх энергоблоков АЭС в год, что уже скоро не будет соответствовать объявленным планам Росатома. Новые производственные мощности по выпуску быстроходных и тихоходных паровых турбин для АЭС построены ОАО «Силовые машины» под Санкт-Петербургом. Мощность завода – до четырёх крупных быстроходных (или тихоходных) паровых турбин АЭС в год [5]. В совокупности с уже существующими мощностями ОАО «Силовые машины» в скором времени смогут ежегодно выпускать до пяти комплектных турбоагрегатов (турбина плюс генератор), включая их вспомогательное оборудование и системы [1].

Проекты России на мировом рынке сооружения АЭС охватывают обширную географию мест их размещения с различными климатическими условиями и условиями водоснабжения: Армения, Бангладеш, Индия, Иордания, Белоруссия, Венгрия, Турция, Словакия, Украина, Финляндия и др. Большая часть достигнутых Росатомом договоренностей по строительству АЭС за рубежом предусматривает их строительство на новых площадках, с различными проектными требованиями и в странах, не имеющих опыта возведения таких объектов. Отмеченные особенности, безусловно, вызывают дополнительные сложности при осуществлении проектов. В частности, для площадок АЭС с умеренной температурой охлаждающей воды, поступающей в конденсаторы турбин, требуется разработка современной паровой турбины мощностью МВт с четырьмя ЦНД, а для площадок АЭС с повышенным уровнем температуры охлаждающей воды – модификация турбины с тремя ЦНД. По программе «АЭСРосатомом намечено сооружение энергоблоков мощностью 1200 МВт на Нововоронежской АЭС, Ленинградской АЭС и других. Все это предопределяет необходимость и актуальность разработок новых конкурентоспособных быстроходных паровых турбин АЭС мощностью 1000-1200 МВт.

Создание современных паротурбинных установок для АЭС с применением быстроходных турбин мощностью 1000 МВт с четырьмя и тремя ЦНД, а также самой крупной в мире быстроходной турбины мощностью 1200 МВт, сопровождается непрерывным повышением требований, предъявляемых к их экономичности, надёжности, маневренности и другим техническим показателям [6-10]. Диссертационная работа посвящена созданию новых быстроходных паровых турбин мощностью 1000 – 1200 МВт для АЭС. Разработка указанных новых ПТУ безусловно актуальна и является сложной научно-технической проблемой. В диссертационной работе проведён комплекс научноисследовательских и проектно-конструкторских работ, связанных с решением этой актуальной проблемы для отечественного энергомашиностроения и атомной энергетики.

Работа опирается на последние научно-технические достижения и богатый конструкторский и производственный опыт отечественного паротурбиностроения. При этом создание нового ряда типоразмеров турбин для паротурбинной энерготехнологии. Одновременно комплексно решаются не только проектно-конструкторские и исследовательские задачи, но и конструкторско-технологические задачи освоения в производстве новых разработок с доведением их до ввода турбин в эксплуатацию.

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗРАБОТОК

БЫСТРОХОДНЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН ДЛЯ АЭС

Рост потребления электроэнергии в мире является основной движущей силой развития атомной энергетики. Паровые турбины тепловых и атомных электростанций, являясь основным генерирующим оборудованием, обеспечивают более 2/3 электроэнергии, вырабатываемой в России и в мире. При этом подавляющая доля паровых турбин ТЭС и АЭС являются быстроходными, то есть на полное число оборотов (3000 об/мин или 3600 об/мин). В настоящее время вся электроэнергия на АЭС вырабатывается паротурбинными установками. Наряду с оборудованием «ядерного острова» (реакторного отделения) АЭС основное оборудование «турбинного острова» (машинного зала), и, в первую очередь, паровая турбина, во многом определяет облик всей АЭС. По прогнозу производство паровых турбин в России увеличится к 2030 г. на 33 % по сравнению с 2011 г. [11]. При этом основными тенденциями развития энергетического машиностроения являются – снижение доли зарубежного оборудования для новых и модернизируемых энергомощностей, а также освоение производства новых видов оборудования большой мощности, в первую очередь, для отечественной энергетики. Направления развития паротурбостроения для АЭС в определяющей мере зависят от прогнозов развития атомной энергетики, планов возведения новых энергоблоков АЭС и их технических показателей.

Прогнозы развития всей мировой энергетики и энергетики России до 2035 г.

предсказывают дальнейшее использование и наращивание совокупной мощности всех АЭС. По данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) до 2030 г. в мире будет введено от 90 энергоблоков АЭС (минимальный прогноз) до 350 энергоблоков АЭС (максимальный прогноз) [12].

Прогноз развития мировой энергетики, выполненный Международным Энергетическим Агентством и другими авторитетными экспертными организациями, показывает, что в ближайшие десятилетия выработка электроэнергии паротурбинными установками атомных электрических станций будет составлять существенную долю в общей генерации в мире (около 16% к 2030 году). Большая часть этого увеличения атомных энергомощностей придется на страны с действующими АЭС, в первую очередь, на страны Азии. Китай, Индия и Россия – лидеры по строительству новых атомных станций. В России реализуется большая программа развития атомной энергетики – как важной стратегической отрасли экономики страны. Мощность АЭС в России до 2030 года увеличится на 28 ГВт, для чего планируется построить 28 крупных энергоблоков АЭС [3,13,14].

Российская атомная отрасль является одной из передовых в мире. Одним из очевидных преимуществ отечественных поставщиков в области разработок и сооружения АЭС является наличие крупной Госкорпорации «Росатом», а также российской проектной и научно-производственной базы атомного энергомашиностроения (АЭП, ВНИПИЭТ, Гидропресс, Силовые машины, Ижорские заводы, Атоммаш, НИКИЭТ, ВНИИАМ, ЦКТИ, ВТИ, МЭИ, СПбГПУ и др.). Российское атомное энергомашиностроение на протяжении многих лет занимает лидирующие позиции в мире в области быстроходной паротурбинной энерготехнологии АЭС. ОАО «Силовые машины» – ЛМЗ выпускает паровые турбины по собственным чертежам, имеет богатый (более 100 лет) опыт разработки и изготовления паровых турбин мирового технического уровня [15Осуществлены конструкторские разработки, изготовление и поставка на отечественные и зарубежные АЭС серии быстроходных (на 3000 об/мин.) паровых турбин мощностью до 1200 МВт [17].

Зарубежные энергомашиностроительные компании, выпуская быстроходные паровые турбины для ТЭС, вынужденно применяют тихоходную (на 1500 или 1800 об/мин.) энерготехнологию для турбин АЭС, начиная уже с единичных мощностей 600 – 700 МВт.

Росатом реализует крупную программу строительства атомных электростанций как в России, так и за рубежом [13,14,19,20]. Экспорт российских атомных энерготехнологий имеет стратегическое значение для международного сотрудничества. Кроме того, задачи обеспечения энергобезопасности отечественной электроэнергетики указывают на необходимость разработки и применения, в первую очередь, отечественного оборудования для АЭС.

Программы развития атомной энергетики России предусматривают сооружение АЭС с водо-водяными реакторами, а также использование реакторов на быстрых нейтронах и замкнутого топливного цикла. Разрабатываются проекты российских энергоблоков с «быстрыми» реакторами мощностью от 300 до 1200 МВт [21,19,22,23,24]. Для таких энергоблоков характерны более высокие параметры пара на входе в турбину, по сравнению с энергоблоками типа ВВЭР, что предполагает необходимость разработки новых быстроходных паротурбинных установок соответствующей мощности на повышенные параметры пара.

Заинтересованность в сооружении энергоблоков с «быстрыми» реакторами проявляют США, Франция, Великобритания, Япония и Китай. Прогнозы развития АЭС в разных странах в среднесрочной перспективе показывают, что в ближайшие 20-25 лет ожидается устойчивый и преобладающий спрос на возведение АЭС с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР) и паротурбинными установками мощностью 1000-1600 МВт. Создание и освоение отечественной реакторной установки типа ВВЭР-1600 и быстроходной паровой турбины мощностью 1580-1600 МВт является одной из ключевых задач атомного энергомашиностроения [25-27]. В ближайшие годы имеются практические возможности доведения мощности отечественных блоков АЭС с РУ типа ВВЭР до 1300 МВт. Исходя из изложенного, наиболее обоснованными и перспективными в ближайшие два десятилетия являются исследования и разработки быстроходных паротурбинных установок с начальным давлением насыщенного пара до 6,0 – 9,0 МПа для энергоблоков с РУ типа ВВЭР мощностью до 1300 МВт. Очевидно, что разработка и создание отечественного основного оборудования машинного зала АЭС и, в первую очередь, быстроходных паровых турбин большой мощности, является востребованным направлением работ и сохраняет свою актуальность.

1.1 Развитие атомной энергетики и основные задачи паротурбиностроения В мире неуклонно возрастает число действующих энергоблоков АЭС. Доля выработки электроэнергии на АЭС наиболее значительна в промышленно развитых странах, где недостаточно природных ресурсов. Во Франции доля АЭС в производстве электроэнергии составляет 75,2%. Ещё большая доля электроэнергии вырабатывалась в Литве на Игналинской АЭС (до ее закрытия по решению ЕС). Доля АЭС в производстве электроэнергии в Словакии составляет 53,5%, в Бельгии – 51,7%, в Украине – 48,6%, в Армении – 45%. США производит на АЭС только 1/8 своей электроэнергии, однако это составляет более 20% мирового производства. В структуре выработки электроэнергии по типам электростанций ЕЭС России в 2013 году на долю АЭС приходится 16,8% (рисунок 1.1) [9].

Рисунок 1.1 – Структура выработки электроэнергии в 2013 году по типам Доля атомной энергетики в общей выработке электроэнергии в России в году составит около 25% [13].В России эксплуатируются десять АЭС с 32-мя энергоблоками общей мощностью 24200 МВт. Старейшие АЭС России – Первая в мире Обнинская АЭС (Калужская область) и Сибирская АЭС (Томская область) выведены из эксплуатации. Среди действующих энергоблоков АЭС находятся в эксплуатации: один – с реактор на быстрых нейтронах БН-600, 15 – с реакторами с водой под давлением (девять ВВЭР-1000 и шесть ВВЭР-440) и еще 15 – с канальными кипящими реакторами (4 ЭГП-6 и 11 РБМК-1000).

По данным МАГАТЭ на 01 ноября 2013г. в мире насчитывается 435 ядерных энергоблоков. Еще 70 энергоблоков находятся в стадии строительства. При этом наибольшее количество действующих энергоблоков АЭС сосредоточено в США (100 шт.), а наибольшее количество строящихся энергоблоков АЭС – в Китае ( шт.). В России строится 10 ядерных энергоблоков [14].

Китай, Индия и Россия – лидеры по строительству новых атомных электростанций.

Росатом имеет заказы на сооружение за рубежом 22 новых энергоблоков АЭС по российским проектам. Среди стран-заказчиков Финляндия, Турция, Вьетнам, Иордания, Бангладеш, ЮАР, Украина, Болгария, Белоруссия и другие.

По всем известным прогнозам энергопотребление в мире будет только расти [28,29]. Ожидается, что в текущем столетии будет достигнута устойчивость численности населения планеты, мирового потребления энергии, а также отрицательного воздействия энергетики на природу [29]. При этом в будущем запросы человечества невозможно удовлетворить за счет углеводородного топлива, а доля возобновляемых источников энергии (ветра, солнца, приливов, геотермальных источников и др.) не превысит 15-20% от общего производства электроэнергии. Единственным осуществимым выходом остается развитие атомной энергетики [28]. Основной прирост производства электроэнергии на АЭС ожидается в развивающихся странах Азии и СНГ. Странам БРИКС потребуется ввести 190 энергоблоков для достижения такой же доли атомной энергетики в общем энергобалансе, как у стран G8, т.е. 22% против сегодняшних 4%, а в случае роста энергопотребления это количество будет много больше [30]. Сегодня в странах БРИКС строится 75% (46 шт.) энергоблоков АЭС в мире, а в остальных странах – 16 блоков. До 2035 года потребуется и значительная модернизация атомной энергетики, т.к. у 80% действующих энергоблоков через 20 лет заканчивается срок эксплуатации. Со временем после аварии на АЭС «Фукусима»

становится ясно, что многие страны, в том числе уже имеющие АЭС, остаются приверженцами развития атомной энергетики.

Анализ прогнозов сооружения паротурбинных энергоблоков АЭС Конструкция и технические показатели паровых турбин и паротурбинных установок АЭС в значительной мере определяются параметрами пара на входе в турбину, особенностями тепловой схемы и давлением пара на выходе из турбины.

В современных действующих и вновь проектируемых энергоблоках АЭС применяются как быстроходные паровые турбины, так и тихоходные паровые турбины [6-8,17,22,25,26,31-36]. Для энергоблоков с реакторами типа ВВЭР в мире поставляются и быстроходные и тихоходные турбины мощностью до 1300 МВт, а на АЭС с канальными реакторами типа РБМК поставлялись быстроходные турбины мощностью 500 и 750 МВт для работы в дубль-блоках мощностью 1000 и 1500 МВт.

Для перспективных энергоблоков АЭС большой мощности рассматривается использование как быстроходных, так и тихоходных паротурбинных агрегатов Во многих странах ведутся работы по созданию реакторов на быстрых нейтронах, которые в 21 веке могут стать заметной составляющей атомной энергетики. При этом для всех энергоблоков с «быстрыми» реакторами и энергоблоков с водоводяными реакторами сверхкритического и высокого докритического давления, в связи с высокими начальными параметрами пара перед турбиной, будут применяться исключительно быстроходные паровые турбины. Для этих типов энергоблоков, несомненно, актуальна быстроходная паротурбинная «энерготехнология» [6,8,31,37].

Анализ различных прогнозов развития атомной энергетики, показывает обоснованность концептуального подхода авторитетных экспертов относительно сценариев развития атомной энергетики России [19,35]. Предложенные два сценария развития ядерной отрасли предусматривают существенный ввод быстрых реакторов (рисунок 1.2). При этом в сценарии (А), учитывают вывод одноконтурных энергоблоков АЭС с реакторами РБМК и ввод тепловых реакторов новых поколений. Установленные мощности энергоблоков с РУ на быстрых нейтронах и с тепловыми РУ будут к концу века примерно одинаковы. В сценарии (Б), предусматривается ускоренный ввод быстрых реакторов со снижением после 2030 г. вводов тепловых реакторов новых поколений.

Ожидается, что, ежегодный ввод энергоблоков с быстрыми реакторами составит 6 – 7 тысяч МВт в год, а к концу века вся электроэнергия на АЭС будет вырабатываться только энергоблоками с быстрыми реакторами.

Рисунок 1.2 – Прогноз увеличения установленной мощности АЭС в России (Б) – с вводом только быстрых реакторов после 2030г;

1 – РБМК; 2 – ВВЭР-II; 3 – ВВЭР-III+; 4 – быстрые реакторы Ключевым достоинством при оценке перспектив использования атомной энергии является её уникальное свойство – воспроизводство топлива в быстрых реакторах [19,22,35]. Возможности создания в будущем энергоблоков АЭС с быстрыми реакторами прорабатывают Китай, Франция, Япония, США, Великобритания. Предусматривается применение только быстроходных паротурбинных установок в составе энергоблоков с «быстрыми» реакторами.

Росатом развивает оба направления ядерных энерготехнологий: «быстрые» и тепловые РУ. Разработка проектов и сооружение АЭС с реакторами на быстрых нейтронах предусмотрены в ФЦП [19]. В России накоплен уникальный практический опыт успешной эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах.

Ценность перспективного замкнутого цикла и таких энерготехнологий заключается в полной независимости от сырьевой топливной базы и высокой экологической безопасности атомной энергетики. При долговременном развитии атомной энергетики России предполагается поэтапный переход к замыканию топливного цикла. На первом этапе до 2030 года предполагается, исходя из действующих планов [38], достичь установленной мощности всех АЭС России ГВт (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Динамика роста установленной мощности АЭС в России Один из предлагаемых этапов такого развития предусматривает сооружение в период с 2020 по 2025 годы трёх энергоблоков БН-1200 взамен намеченных к строительству в эти годы трёх энергоблоков ВВЭР-1200 [38]. Несомненно, эти энергоблоки, ввиду высоких начальных параметров пара перед ПТУ, будут комплектоваться быстроходными турбинами мощностью 1200 МВт.

Одновременно в Программе Росатома «АЭС-2006» планируется сооружение энергоблоков с усовершенствованными тепловыми реакторами типа ВВЭР мощностью около 1200 МВт [13,19]. Объем капиталовложений Росатома в 2014 г.

составит 350 млрд. руб. (на 16% больше, чем в 2013г.) Среди объектов капвложений девять строящихся энергоблоков в России и планируемые к сооружению энергоблоки Курской АЭС-2, Смоленской АЭС-2 для замещения выбывающих мощностей с реакторами РБМК, а также энергоблоки новой Нижегородской АЭС. Для этих АЭС (по аналогии с энергоблоками Ленинградской АЭС-2) могут быть поставлены отечественные быстроходные паротурбинные установки [27]. С учетом различных прогнозов развития АЭС в мире в ближайшие 20 – 25 лет будут вводиться, главным образом, энергоблоки АЭС с водо-водяными реакторами типа ВВЭР и паротурбинными установками мощностью до 1600 МВт с начальным давлением насыщенного пара до 9 МПа.

Для работы в составе таких энергоблоков, несомненно, могут быть применены конкурентоспособные быстроходные паротурбинные агрегаты.

Одним из главных стратегических ориентиров Энергетической стратегии России на период до 2030 г. является достижение энергетической безопасности – важнейшей составляющей национальной безопасности страны [2]. В рамках государственной энергетической политики предусматривается максимально возможное использование конкурентоспособного отечественного оборудования во всех технологических процессах и проектах. Росатом при сооружении по отечественным технологиям АЭС в России и за рубежом традиционно обеспечивает значительную загрузку проектных и энергомашиностроительных предприятий России (рисунки 1.4 и 1.5) [39].

Рисунок 1.4 – Прогноз изменения установленных мощностей АЭС по российским ГВт Рисунок 1.5 – Сравнение вводов мощностей АЭС по российским проектам в ОАО «Силовые машины» является традиционным поставщиком Росатома по оборудованию «турбинного острова» (паровые турбины и турбогенераторы), а также мировым лидером в области создания быстроходных паровых турбин АЭС.

Сегодня быстроходные паровые турбины ЛМЗ для АЭС и ТЭС с титановой рабочей лопаткой последней ступени длиной 1200мм конкурентоспособная и экспортоориентированная продукция мирового технического уровня.

В рамках выполнения программы Росатома «АЭС-2006» в соответствии с техническими требованиями к ПТУ создаются быстроходные турбины мощностью 1200 МВт с конструктивной схемой турбины «ЦВД+4ЦНД» для Нововоронежской АЭС (2 блока) и Ленинградской АЭС (2 блока). Близкая по основным проектно-конструкторским решениям быстроходная паровая турбина типа К-1200-6,8/50 разрабатывается и для Белорусской АЭС (2 блока).

Росатом расширяет свое присутствие и на мировом рынке атомной энергетики.

Для энергоблоков единичной мощностью 1000 МВт (АЭС «Тяньвань» в Китае, АЭС «Куданкулам» в Индии, АЭС «Бушер» в Иране) Атомстройэкспорт осуществляет поставки с различными требованиями к паротурбинным установкам как по климатическим условиям, так и по проектно-конструкторским исходным данным и ограничениям. Это предопределяет и различия в конструкторских решениях. Кроме того, Атомстройэкспорт планирует (с высокими ожиданиями) поставки энергоблоков АЭС в Иран (расширение АЭС «Бушер»), Индию (расширение АЭС «Куданкулам»), Турцию, Вьетнам, Бангладеш, Иорданию, Финляндию, ЮАР и Египет. Для этих АЭС могут быть предложены как быстроходные паровые турбины с тремя ЦНД для жаркого климата, так и быстроходные турбины с четырьмя ЦНД для умеренного и холодного климата.

Как известно, в мире параллельно развиваются два направления конструкций (две энерготехнологии) паровых турбин АЭС: «быстроходное» и «тихоходное»

направления. Если для мощных энергоблоков АЭС с водо-водяными реакторами паровые турбины могут поставляться как в быстроходном, так и в тихоходном исполнении, то для энергоблоков с «быстрыми» реакторами и для блоков ВВЭР с более высокими параметрами пара перед турбиной применяются исключительно быстроходные турбины. Начат монтаж быстроходной паровой турбины мощностью 800 МВт на энергоблоке №4 Белоярской АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН-800. Ввод этого энергоблока позволит осуществить замкнутый ядерный топливный цикл, в десятки раз повысить эффективность использования ядерного топлива и даже начать утилизацию отработанного топлива реакторов на тепловых нейтронах. С 2011 г. проводятся НИОКР и проектные работы по созданию энергоблока с реактором на быстрых нейтронах БН-1200 и с быстроходной паровой турбиной мощностью 1200 МВт. Блок планируется разместить на Белоярской АЭС (энергоблок №5).

Предпочтение быстроходным турбинам отдавалось и отдается и при сооружении моноблоков АТЭЦ, а также АЭС с дубль-блоками (один реактор и две турбины) [6,8,40]. Например, были разработаны и поставлены на российские и зарубежные АЭС по две быстроходные турбины типа К-220-44, К-500-65 и К-750-65 для работы в составе дубль-блоков с реакторами мощностью 440, 1000 и 1500 МВт. Кроме того, в последние годы наблюдается рост начальных и конечных параметров пара турбоустановок АЭС с реакторами на тепловых нейтронах [37]. Этому способствуют совершенствование ядерных реакторов, а также повышение противодавления за турбиной из-за нехватки источников охлаждающей воды. Такие изменения термодинамического цикла ПТУ, а также разработки новых более длинных рабочих лопаток последних ступеней уверенно сдвигают границу мощностей турбин АЭС, выполняемых быстроходными, в область значений 1600 – 1800 МВт и более [36].

Переход большинства зарубежных фирм в процессе повышения единичной мощности РУ на создание «тихоходных» паровых турбин АЭС (на половинное число оборотов 1500 об/мин и 1800 об/мин) был обусловлен непреодолимыми, в свое время, трудностями в создании рабочих лопаток последних ступеней большой длины и с большой проходной площадью на полное число оборотов (3000 об/мин и, особенно, на 3600 об/мин). ЛМЗ получил возможность развивать «быстроходное» (на 3000 об/мин) направление конструкций паровых турбин АЭС, создав рабочую лопатку из титана длиной 1200 мм и с площадью выхлопа 11,3 м2, достигнув суммарной площади выхлопа быстроходной турбины с четырьмя ЦНД – 90,4 м2.

В качестве одного из главных преимуществ тихоходных паровых турбин обычно приводится их большая суммарная площадь выхода пара из всех в ЦНД и, как следствие, меньшие потери с выходной скоростью.

Однако, при сравнительной оценке экономичности быстроходных и тихоходных турбин, следует учитывать не только потери с выходной скоростью за последней ступенью ЦНД, но и потери по всей проточной части ЦВД и ЦНД (концевые потери и потери трения в ступенях, потери из-за протечек в уплотнениях и др.).

Именно поэтому, по результатам независимых тепловых испытаний на АЭС и расчетных оценок [25,33,34], турбоустановки с быстроходной турбиной К-1000-60/3000 и с тихоходной турбиной К-1000-60/1500 оказались практически равноэкономичными. При этом неоспоримыми преимуществами быстроходных турбин АЭС по сравнению с тихоходными остаются их меньшие вес и размеры.

Это влечет меньшие затраты на сооружение машинного зала, на изготовление турбин и генераторов, их монтаж и ремонт. Кроме того, фактические данные по опыту эксплуатации быстроходных паровых турбин АЭС производства ЛМЗ ОАО «Силовые машины» свидетельствуют о высоких показателях надежности этих турбин. Продолжительность эксплуатации ряда турбин достигает 25 лет. При этом эксплуатационный коэффициент готовности превышает 99,6%, при нормативном значении 98%.

Спрос на крупные энергетические мощности в России и в мире в настоящее время в значительной мере может быть удовлетворен, в первую очередь, за счет ввода энергоблоков АЭС с отечественными быстроходными паровыми турбинами мощностью 1000 МВт и 1200 МВт. В ближайшие годы вполне осуществим проект отечественного энергоблока мощностью около 1600 МВт с реакторными установками типа ВВЭР и быстроходными паровыми турбинами.

Ключевые предпосылки развития атомной энергетики и основные задачи Экспертами всего мира подчеркивается, что атомная энергетика обладает несомненными конкурентными преимуществами перед другими традиционными способами производства электроэнергии за счёт низких и устойчивых цен на электроэнергию, а также безопасного производства электрической и тепловой электроэнергии при «щадящем» воздействии на окружающую среду. Среди основных предпосылок развития мировой атомной энергетики следует отметить следующие:

– рост потребления электроэнергии в мире – основная движущая сила развития энергопотребление вырастет на 39% к 2035 году;

–надежность энергоснабжения при развитии атомной энергетики снижает риски возможных нефтяных, газовых или иных кризисов;

– высокие эксплуатационные показатели оборудования АЭС, опыт атомной энергетики (около 12800 реакторолет), характеристики новых РУ повышенной безопасности подтверждают надежность энергоблоков АЭС;

– развитие атомной энергетики обеспечивает низкие цены на электроэнергию на фоне ограничения и дороговизны традиционных энергетических ресурсов;

– стремление к уменьшению воздействия на природу (прежде всего Европа) и природоохранные ограничения (Киотский протокол и др.) в целом также способствуют развитию АЭС;

– снижение доли сжигаемого газа в структуре топливопотребления и слабое развитие возобновляемых источников энергии, наряду с долгосрочным финансированием и малым финансовым риском усиливают привлекательность ядерной энергетики.

экологические ограничения теплоэнергетики позволяют считать атомную энергетику растущей и стабилизирующей частью мировой и отечественной энергетики [19,28,29], а паротурбиностроение для АЭС – перспективной отраслью отечественного энергомашиностроения.

Развитие паротурбиностроения для АЭС определяется спросом на паровые турбины и производственными возможностями отечественных предприятий.

Планы строительства новых АЭС в ближайшие десятилетия, как показано выше, свидетельствуют о потребности атомной энергетики в современных конкурентоспособных паротурбинных установках.

Несмотря на нарастающую динамику выпуска паровых турбин в последнее десятилетие (рисунок 1.6), производственные мощности по паровым турбинам производственных мощностей по паровым турбинам в 2012 году составлял около 75% для ОАО «Силовые машины» (Ленинградский Металлический завод и Калужский Турбинный завод) и около 10% для ЗАО «Уральский турбинный завод» [11].

Мощность, МВт Рисунок 1.6 – Производство паровых турбин в РФ в 2001 – 2012гг. [11] Доля российских компаний на мировом рынке энергооборудования составляет не более 5%, в то время как доля «Дженерал Электрик» – около 25%. Крупными поставщиками на этом рынке являются также компании «Сименс», «Альстом» и «Мицубиси». В России в последние годы вводятся в эксплуатацию на ТЭС и ТЭЦ быстроходные паровые турбины зарубежных производителей. Иностранные поставщики энергооборудования используют все возможные способы вытеснения российских производителей с мирового рынка (господдержка и госгарантии своих стран, льготное кредитование заказчиков, демпинговые цены и др.). Известно, что доля импорта энергетического оборудования свыше 20% считается угрозой национальной безопасности страны. Поэтому российским производителям паротурбинного оборудования предстоит нелёгкая конкурентная борьба на Российском рынке c иностранными поставщиками [11]. Правительство России в первом квартале 2014 года разработает мероприятия по стимулированию использования отечественного оборудования в энергетике. В рамках Госпрограммы по развитию энергомашиностроения предполагается в 2014- годах выделить из бюджета около 17 млрд. рублей [41].

В связи с вышеизложенным, разработка конкурентоспособных паровых турбин мирового уровня является важнейшей задачей отечественного энергомашиностроения.

Сегодня, опираясь на известные достижения отечественного турбиностроения и последние научно-технические разработки в области газодинамики, материаловедения, динамики и прочности турбомашин, могут быть разработаны передовые конструкции новых отечественных быстроходных паровых турбин мощностью от 150 до 1600 МВт для АЭС и АТЭЦ с различными типами реакторов. Эти высокоэкономичные и надёжные быстроходные паровые турбины АЭС могут быть предложены как отечественным, так и зарубежным Заказчикам.

Росатом, как было показано выше, намечает построить 28 энергоблоков в России и 22 энергоблока за рубежом до 2030 года, преимущественно энергоблоков с РУ типа ВВЭР. Исходя из планов Росатома с учетом ожидаемых условий водоснабжения и проектных требований, могут быть определены основные типы и технические характеристики разрабатываемых быстроходных турбин нового поколения для АЭС. Для регионов с умеренным климатом-это турбины с четырьмя ЦНД мощностью 1000 – 1250 МВт, а для регионов с жарким климатом – это турбины как с тремя, так и с четырьмя ЦНД (в зависимости от температуры и источника охлаждающей воды) аналогичного уровня мощности. При осуществлении программ по строительству энергоблоков с «быстрыми»

реакторами – это также новые быстроходные паровые турбины мощностью 330, 800 и 1200 МВт.

Сегодня могут быть определены и основные задачи паротурбиностроения, а также направления исследований и разработок новых быстроходных паровых турбин АЭС и их основных узлов. Среди них: создание последней ступени и ЦНД увеличенной пропускной способности, повышение термодинамической эффективности ПТУ за счет оптимизации тепловых схем, газодинамического совершенствования лопаточного аппарата и всей проточной части, включая уплотнения, клапаны, входные и выходные патрубки; обеспечение надёжности наиболее ответственных узлов, включая лопатки, клапаны, валопроводы, подшипники. При этом ключевой задачей отечественного паротурбостроения для АЭС является создание ЦНД повышенной пропускной способности с надежной рабочей лопаткой последней ступени для быстроходных паровых турбин. В новых разработках необходимо опираться на последние научно-технические достижения в области разработки конструкций и технологий ПТУ, а также учитывать успешный опыт в создании и длительной эксплуатации действующих быстроходных турбин АЭС и ТЭС.

Решение вышеупомянутых задач по совершенствованию конструкций быстроходных паровых турбин, тепловых схем и оборудования турбоустановок АЭС лежит в основе обеспечения их конкурентоспособности и расширения области оптимального применения быстроходных турбин АЭС (при сопоставлении их с тихоходными аналогами) до значений мощности 1600 – 1800 МВт и выше.

Оптимизация тепловых схем турбоустановок АЭС Существенное влияние на экономичность и мощность и одновременно на структуру тепловой схемы турбоустановки оказывает начальное давление насыщенного пара перед турбиной [6-8, 22, 37]. Расчеты влияния роста начального давления пара от 6 МПа до 8 МПа при давлении в конденсаторе 5, кПа показывают прирост мощности и КПД более чем на 3,5%, т.е. на 35 МВт для турбин мощностью 1000 МВт.

При начальном давлении насыщенного пара более 7,5 МПа и достаточно низком давлении в конденсаторе около 2,5…3,5 кПа – такие мероприятия позволяют существенно поднять электрический КПД паротурбинной установки (брутто) до 40% по сравнению с достигнутыми на сегодня КПД на уровне 35 – 36%. При умеренных затратах энергии на собственные нужды энергоблока (менее 5%) КПД (нетто) блока АЭС превысит 37,5%.

Повышение экономичности турбоустановки при увеличении начального давления пара перед турбиной обеспечивается как за счёт увеличения адиабатических теплоперепадов в ЦВД и ЦНД турбины, так и благодаря повышению температуры питательной воды перед парогенератором и увеличению числа ступеней регенеративного подогрева и повышению температуры промперегрева после СПП.

конкурентоспособность турбоустановки следует предусмотреть разработку:

развитой системы регенерации (7-8 ступеней подогрева), включая применение смешивающего ПНД-2 (не имеет аналогов) [4,17,42];

эффективного, гидравлически плотного конденсатора, секционированного по давлению [4];

системы промежуточной сепарации и двухступенчатого перегрева пара с оптимальными теплогидравлическими характеристиками СПП;

системы закачки конденсата греющего пара СПП в тракт питательной воды с применением насоса КГТН с гидроприводом) [17];

тепловой схемы новых турбоустановок мощностью 1200 – 1250 МВт, с турбоустановках мощностью 1000 МВт на действующих АЭС [4, 17];

тепловой схемы с учетом проектных ограничений по структуре и компоновке турбоустановки в целом [42].

Разработка ЦНД для новых быстроходных паровых турбин АЭС Известно, что при равных мощностях расход пара через турбины АЭС на 75больше, чем в турбинах ТЭС. При этом в турбинах АЭС расход пара в конденсатор через последние ступени также на 60-70% больше, чем в турбинах ТЭС. Повышенный расход пара через последние ступени требует увеличения общей площади выхода пара из всех ЦНД турбины. Это достигается ростом длин лопаток последних ступеней, увеличением числа выхлопов или переходом от быстроходных (n = 50 с-1 или 60 с-1) турбин к «тихоходным» (n = 25 с-1 или 30 с-1) турбинам. Сравнительно низкий располагаемый теплоперепад на турбину (примерно 1200 кДж/кг) сочетается со значительным теплоперепадом на последнюю ступень (около 230-250 кДж/кг), т.е. примерно 20% от суммарного располагаемого теплоперепада. Это требует создания новых ЦНД повышенной пропускной способности, разработки более экономичных ступеней и отсеков ступеней с более низкими газодинамическими потерями по проточной части, уменьшенными потерями с выходной скоростью и возможно малыми потерями от влажности.

В последнее время большинством ведущих зарубежных турбостроительных фирм возобновлены работы по созданию рабочих лопаток большой длины. Для быстроходных турбин рядом фирм созданы титановые лопатки длиной около 1400 мм, что более чем на 30% увеличивает площадь выхлопа, по сравнению с площадью выхлопа при лопатке длиной 1200 мм. Увеличение длины лопаток последних ступеней и торцевой площади выхода пара повышает пропускную способность ЦНД. Это позволяет не только наращивать мощности турбин АЭС, но и уменьшить число ЦНД, что, в свою очередь, снижает затраты на создание быстроходных турбин и сооружение машинного зала АЭС.

ЦНД повышенной пропускной способности сегодня востребован для целого ряда быстроходных паровых турбин:

для новых турбин АЭС мощностью 1200 МВт по программе Росатома «АЭС-2006»;

для турбин АЭС и ТЭС с уменьшенным числом цилиндров низкого давления (в т.ч. для ПТУ с умеренным и ухудшенным вакуумом);

для турбин АЭС большой мощности 1600 – 1800 МВт (в т.ч. для ПТУ с глубоким вакуумом);

для перспективных турбин средней мощности ПГУ, ТЭС и АЭС, в том числе с осевым выходом пара из турбины.

Создание нового ЦНД повышенной пропускной способности, с «усиленной»

лопаткой длиной 1200 мм или с более длинной лопаткой последней ступени является, по сути, созданием нового мощностного ряда турбин АЭС и ТЭС, что представляется бесспорно актуальным.

Отечественное турбиностроение обладает богатым опытом и определённым научно-техническим заделом по разработке последних ступеней быстроходных турбин. ЛМЗ разработал последнюю ступень с рабочими лопатками из титана длиной 1200 мм, а вслед за ней и стальную рабочую лопатку длиной 1000 мм на корневом диаметре ротора 1800 мм. Эти лопатки безотказно эксплуатируются на многих электростанциях и успешно применяются до сих пор во вновь поставляемых быстроходных турбинах. В 80-е годы прошлого века ЛМЗ работал над созданием рабочих лопаток из титана длиной 1350 мм и 1500 мм (совместно с МЭИ), а в начале 90-х годов разрабатывал титановую лопатку длиной 1400 мм (совместно с фирмой «Сименс»). Однако эти работы по известным причинам были остановлены. За это время ведущими турбостроительными фирмами разработаны для быстроходных турбин титановые рабочие лопатки последних ступеней длиной около 1400 мм («Тошиба», «Сименс»), пока не применяемые в турбинах АЭС.

В последние годы отечественные исследователи и конструкторы вернулись к решению одной из важнейших задач паротурбиностроения – созданию проточных частей низкого давления повышенной пропускной способности [25,26,36].

Выполнены расчётно-конструкторские разработки вариантов новых последних ступеней с рабочими лопатками разной длины. Увеличение пропускной способности ЦНД в рамках задачи с сохранением глубокого вакуума в конденсаторе обеспечивается за счёт увеличения длины рабочих лопаток и кольцевой площади выхода пара из последних ступеней. В то же время, в быстроходных паровых турбинах, работающих с ухудшенным вакуумом увеличение пропускной способности ЦНД реализуется путём увеличения массового расхода пара за счёт увеличения давления пара перед последней и всеми предыдущими ступенями ЦНД, что требует разработки и испытаний новой «усиленной» рабочей лопатки последней ступени, рассчитанной на повышенный массовый расход пара и работу на более плотном паре. При этом быстроходная турбина требуемой мощности для АЭС может быть выполнена с меньшим числом ЦНД и с меньшими затратами на изготовление.

Имеющийся конструкторско-технологический задел и применение высокопрочных титановых сплавов позволяет создать новый размерный ряд рабочих лопаток последних ступеней. Проводятся исследования и разработки новых титановых рабочих лопаток длиной 1200 мм (с увеличенным значением хорды), а также титановых лопаток длиной 1320 мм, 1400 мм и 1500 мм (рисунок 1.7). Однако с увеличением длины и окружных скоростей рабочих лопаток возникают трудности обеспечения приемлемой экономичности и надежности последней ступени, в частности, ее эрозионной стойкости.

Ф Рисунок 1.7 – Варианты рабочих лопаток последних ступеней быстроходных 0, 1, 2 и 3 – рабочие лопатки длиной 1200 мм, 1320 мм, 1400 мм и 1500 мм;

4 и 5 – полуторный выхлоп с рабочими лопатками длиной 1200 мм и 1320 мм Устранение этих трудностей при повышении пропускной способности ЦНД быстроходных турбин возможно за счёт использования проточной части с полуторным выхлопом (рисунок 1.7). Традиционный (прямой) полуторный двухъярусной ступенью. Часть потока направляется через нижний ярус предпоследней ступени на последнюю ступень, а другая его часть (примерно половина от расхода пара через нижний ярус) поступает в верхний ярус, расширяясь до давления в конденсаторе. Важным преимуществом такого полуторного выхлопа является возможность использования отработанной надежной рабочей лопатки последней ступени и созданной на ее основе двухъярусной рабочей лопатки предпоследней ступени.

С целью определения возможности создания, проточных частей повышенной пропускной способности для перспективных быстроходных турбин АЭС проведен анализ эффективности применения различных конструкций рабочих лопаток. Варианты конструкций (рисунок 1.7) сопоставлены с точки зрения развиваемой мощности ступени и располагаемого теплоперепада.

Расчеты выполнены для повышенного расхода пара 150 кг/с (540 т/ч) при постоянных параметрах пара перед ступенью (давление 0,303 бар и степень сухости 0,933). В расчетах также принималось постоянным число Маха равное 0,8, на выходе пара за последней ступенью, определенное по расходной составляющей скорости (Са). Газодинамические потери по проточной части во всех вариантах приняты одинаковыми. Это дало возможность определить значения предельного вакуума, изменение располагаемого теплоперепада на ступень и мощности при практически одинаковых потерях с выходной скоростью для всех вариантов.

Анализ данных расчетов и конструкторских проработок этих вариантов ступеней показал, что для ЦНД с лопаткой длиной 1500 мм, при корневом диаметре ротора 2,3 м, существенно обостряются трудности газодинамического проектирования последней ступени и, особенно, трудности защиты от эрозионного износа рабочих лопаток при больших окружных скоростях вершин лопаток.

В этой связи может быть предпринята разработка варианта ЦНД c полуторным выхлопом. Сопоставление проточных частей ЦНД с лопаткой длиной 1200 мм (рисунок 1.7) и ЦНД с полуторным выхлопом и лопаткой L = 1320 мм показывает, что при небольшом увеличении радиальных размеров ЦНД (около 10 %) площадь выхлопа ЦНД возрастает более чем в 2,5 раза. Создание и применение такого ЦНД, хотя и потребует значительных газодинамических и прочностных исследований, технологических и конструкторских разработок, но, в то же время, обеспечит конкурентоспособность быстроходных турбин по техникоэкономическим показателям при трех или четырех ЦНД вплоть до мощностей 1800 МВт и выше при достаточно глубоком вакууме (от 3 до 5 кПа).

Текущие и долгосрочные планы Росатома по сооружению АЭС по российским проектам предопределяют задачи создания отечественных быстроходных паровых турбин типа К-1000-60/3000 для условий глубокого и умеренного вакуума, турбин типа К-1000-60/3000-2 и 3 (для ухудшенного вакуума), типа К-1200-6,8/50, К-1600-6,9/50 (для умеренного вакуума) для работы в блоках АЭС мощностью 1000 – 1600 МВт с РУ типа ВВЭР. В качестве первоочередных, наиболее предпочтительных вариантов последних ступеней следует выделить два типа последних ступеней с новыми титановыми рабочими лопатками. Это ступени с «усиленными» титановыми лопатками длиной 1200 мм и ступени с титановыми лопатками длиной 1400 мм.

При этом разработка новой ступени с «усиленной» титановой рабочей лопаткой длиной 1200 мм позволит:

обеспечить создание и надежную эксплуатацию паровых турбин мощностью 1000 – 1200 МВт с уменьшенным числом ЦНД при работе на ухудшенном вакууме;

обеспечить создание и надежную работу паровых турбин 1200 МВт по программе Росатома «АЭС-2006» при работе на глубоком и умеренном вакууме;

обеспечить создание и надежную работу перспективной турбины 1550 – 1600 МВт для энергоблоков с реактором ВВЭР-1500 при умеренном вакууме.

В то же время, разработка новой последней ступени с титановой рабочей лопаткой длиной 1400 мм позволит:

обеспечить кольцевую площадь примерно на 35% большую, чем площадь существующей ступени с лопаткой 1200 мм;

обеспечить работу турбины мощностью около 1600 МВт с четырьмя ЦНД при глубоком вакууме с высоким КПД;

достичь КПД энергоблока более 37,5 %, то есть выше мирового уровня значений КПД;

создать для турбин мощностью 1200 – 1250 МВт и 1500 – 1600 МВт на основе лопатки длиной 1400 мм (путём, так называемой, «подрезки») несколько модификаций лопаток меньшей длины, для различных условий водоснабжения (различного вакуума). В этом случае семейство титановых рабочих лопаток длиной 1200 мм, 1320 мм, 1400 мм имеет одинаковые корневой диаметр ротора и хвостовое соединение «лопатка-ротор». Создание ЦНД повышенной пропускной способности с ещё большими площадями выхода и размерами последних ступеней – дело более отдалённого будущего.

Перспективные варианты последних ступеней паровых турбин Для быстроходных турбин мощностью до 1000 – 1250 МВт с уменьшенным числом цилиндров низкого давления для ТЭС и АЭС, а также при создании энергоблоков мощностью 1800 – 2000 МВт для АЭС могут потребоваться ЦНД с ещё большими площадями выхода и размерами последних ступеней, чем размеры ступеней с титановыми рабочими лопатками длиной 1200 мм и 1400 мм.

В этой связи необходимо проводить разработку лопаток длиной 1500 мм и двухъярусных рабочих лопаток для «полуторного» выхлопа ЦНД с целью наработки научно-технического задела для последующих конструкций турбин большой мощности для АЭС. Важными достоинствами «полуторного» выхлопа являются умеренные окружные скорости на периферии рабочих лопаток, уменьшенные потери от влажности и удовлетворительная эрозионная стойкость рабочих лопаток последних ступеней [26,36,43], а также умеренные массогабаритные показатели РНД и ЦНД. Преимущества этих перспективных разработок:

лопатка длиной 1500 мм на корневом диаметре 2300 мм обеспечивает кольцевую площадь почти на 60% больше, чем площадь существующей ступени с лопаткой 1200 м. ЦНД с лопаткой длиной 1500 мм позволит реализовать более глубокий вакуум в турбоустановке мощностью 1600 МВт при низкой температуре охлаждающей воды;

«прямой полуторный» выхлоп с лопаткой длиной 1200 мм (на основе «подрезки» лопатки длиной 1400 мм), имеет проходную площадь (превышающую даже площадь ступени с лопаткой в 1500 мм) на 65% больше, чем площадь существующей ступени с лопаткой 1200 мм;

«прямой полуторный» выхлоп с лопаткой длиной 1320 мм обеспечивает выходную площадь ступени намного (более 80%) превышающую площадь существующей ступени с лопаткой длиной 1200 мм.

Таким образом, разработка ЦНД с обычной прямоточной ступенью и рабочей лопаткой длиной 1500 мм или с двухъярусной ступенью и рабочей лопаткой длиной 1320 мм обеспечивает необходимую выходную площадь быстроходной турбины с 4-мя ЦНД, которая «закрывает» все потребности по единичной мощности турбин АЭС на обозримое будущее.

Возможности опытной отработки последних ступеней на стендах значительной мере определяется характеристиками ЦНД и их последних ступеней. Сложные задачи динамической прочности лопаток и газодинамики потока в ЦНД побуждают турбостроительные фирмы к проведению испытаний новых сверхдлинных лопаток последних ступеней ЦНД на своих натурных паровых стендах. Математическое моделирование лопаток не может в полной конкурентоспособность.

Поэтому важнейшим этапом создания последних ступеней является их отработка на экспериментальных паротурбинных стендах [4,25,43].

Использование для этих целей зарубежных стендов практически невозможно. На сегодня действующими отечественными стендами являются:

отрабатывалась существующая ступень турбины К-1000 с титановой рабочей лопаткой длиной 1200 м (см. рисунки 1.8 и 1.9);

модельные стенды ЛМЗ (масштаб 1:3) и ОАО «НПО ЦКТИ» (масштаб 1:3), модельный стенд МЭИ (масштаб 1:5), где отрабатывались различные последние ступени, в том числе зарубежных турбостроительных фирм.

Модельный стенд ЛМЗ подвергся существенной модернизации, включая системы пароснабжения, нагружения, управления, приборного оснащения.

Проведены испытания лопаток длиной 960 мм и 1000 мм.

Наиболее достоверные результаты исследований последних ступеней обеспечиваются при испытаниях на уникальном Натурном паротурбинном стенде. С целью обеспечения опытной отработки новых последних ступеней проведена глубокая модернизация Натурного стенда, его систем, оборудования и средств измерений. Так обеспечена возможность достижения необходимого расхода пара в турбину для испытания перспективных ступеней ЦНД длиной 1200 – 1400 мм для АЭС, разработана конструкция опытной проточной части ЦНД и др.

Экспериментальную отработку лопаток последних ступеней паровых турбин АЭС необходимо проводить на стендовой и производственной базе ОАО «Силовые машины» (с учетом её модернизации), где инновационные проекты воплощаются в новые изделия, дополняя испытаниями на электростанциях.

Таким образом, для опытной отработки новых рабочих лопаток последних ступеней турбин мощностью 1000 – 1250 МВт для АЭС наряду с установкой вибрационной настройки лопаток УВН-2 и с разгонно-балансировочным стендом РБС «Шенк» могут быть использованы современные экспериментальные паротурбинные стенды.

Для вибрационной настройки новых рабочих лопаток большой длины разработан проект нового экспериментального стенда УВН-3. Стенд позволит проводить опытную отработку новых лопаток длиной до 1200 – 1800 мм, как для быстроходных, так и для тихоходных паровых турбин.

Рисунок 1.8 – Проточная часть экспериментальной натурной паровой турбины ЭТПН-2 c титановыми лопатками длиной l = 1200 мм Рисунок 1.9 – Внешний вид экспериментальной натурной турбины ЭТПН- Обеспечение надёжности быстроходных паровых турбин Для обеспечения и повышения надежности турбины и ее ответственных узлов и деталей необходимо сочетание проверенных конструкторских решений и новых разработок.

Для влажнопаровых турбин АЭС чрезвычайно важны мероприятия по активной и пассивной защите деталей турбины против эрозии.

Среди мероприятий по активной защите следует выделить:

оптимизацию тепловой схемы ПТУ с использованием сепарации влаги и однократного или двойного промперегрева;

реализацию повышенного адиабатического теплоперапада в последней ступени ЦНД;

использование повышенных осевых зазоров между направляющими и рабочими лопатками последней ступени ЦНД, а также периферийного внутриканального удаления влаги.

Среди мероприятий по пассивной защите турбины от эрозии необходимо отметить:

корпусные узлы цилиндра высокого давления турбины, обоймы и диафрагмы следует изготавливать из нержавеющей стали, что, как показал опыт, позволяет полностью устранить щелевую эрозию, требующую значительных ремонтных затрат при эксплуатации;

одновременно следует разработать и внедрить новые способы упрочнения бандажей входных и выходных кромок титановых рабочих лопаток, например, методом ионной инплантации с осаждением нитрида титана.

Среди мероприятий, повышающих надежность быстроходных паровых турбин АЭС следует использовать хорошо показавшие себя на практике решения:

использование цельнокованых роторов ВД и НД;

применение в системе смазки и регулирования огнестойкой жидкости ОМТИ, снижающее пожароопасность турбоагрегата;

внедрение усовершенствованных конструкций клапанов.

Повышение экономичности проточных частей турбин и оборудования ПТУ Повышение экономичности турбин для АЭС, с учетом продолжающегося роста единичных мощностей, должно достигаться комплексом мер. Это и увеличение пропускной способности последних ступеней, и достижение газодинамического совершенствования всех элементов парового тракта турбины:

входных патрубков и клапанов, направляющих и рабочих лопаток всей проточной части ЦВД и ЦНД, надбандажных, диафрагменных и концевых уплотнений, перепускных паропроводов, выхлопных патрубков.

Газодинамическое совершенствование проточной части турбины предусматривает пространственное (трёхмерное) проектирование при разработке как собственно прочной части турбины, так и других элементов парового тракта турбины.

Вопросы оптимизации газодинамических характеристик парового тракта турбины для АЭС должны решаться с учетом особенностей, связанных работой на влажном паре. В частности, данный фактор должен учитываться при разработке элементов конструкций меридианального обвода ЦВД. Так бандажи рабочих лопаток, как правило, должны выполняются с наклонной внутренней поверхность, обеспечивающей стабилизацию потока пленочной влаги и ее последующее удаление с отборным паром; в конструкциях надбандажных уплотнений также должна быть предусмотрена возможность эвакуации пленочной влаги в соответствующие каналы отборов пара на регенерацию и т. д.

Одним из основных факторов, определяющих возможность создания турбины большой единичной мощности является наличие ЦНД с увеличенной пропускной способностью последней ступени, обеспечивающей работу турбины на глубоком вакууме с умеренными потерями с выходной скоростью.

Оценка влияния величины эффективно (с ограниченными потерями с выходной скоростью) реализуемого давления в конденсаторе на экономичность и мощность турбины может быть сделана по результатам расчетов турбин мощностью 1000–1500 МВт при начальном давлении насыщенного пара 7,1 МПа, промежуточных сепарации и перегреве пара при давлении 0,75 МПа и температуре 260С и температуре питательной воды 230С (рисунок 1.10).

Приведенные на рисунке 1.10 кривые зависимости мощности турбоустановки от давления в конденсаторе турбины построены при фиксированных значениях потери с выходной скоростью (что предполагает при более низком давлении в конденсаторе применение ЦНД с увеличенной площадью выхлопа).

При наиболее часто применяемом давлении за конденсационной турбиной в пределах 3–7 кПа, располагаемый теплоперепад возрастает в этом диапазоне давлений более чем на 8,5%, а мощность и КПД турбины почти на 5%, что для турбины 1000 МВт это составляет 50 МВт. В этой связи важной задачей является также разработка эффективного и надежного конденсатора паровой турбины.

Относительные изменения мощности, КПД и располагаемого перепада на турбину, % Рисунок 1.10 – Влияние конечного давления за турбиной на мощность и КПД высоконагруженных рабочих лопаток последних ступеней паровых турбин при создании рабочих лопаток увеличенной пропускной способности (как по массовому, так и по объемному расходу) особо актуальны, в связи со значительными техническими и экономическими рисками, подтверждающимися известными случаями поломок рабочих лопаток последних ступеней.

Следует подчеркнуть, что повышение технико-экономических показателей турбин для АЭС, с учетом неизбежного роста единичных мощностей, должно достигаться комплексом мер, предусматривающих непрерывную работу по совершенствованию всех элементов парового тракта быстроходной турбины, а также совершенствованию тепловой схемы и теплогидравлических характеристик вспомогательного оборудования турбоустановки.

Рассмотренные мероприятия по совершенствованию быстроходных турбин АЭС и тепловых схем турбоустановок обеспечат конкурентоспособность 1600 -1800 МВт и выше.

1.2 Сравнительный анализ технико-экономических показателей и конструкций быстроходных и тихоходных турбин большой мощности В мире на АЭС эксплуатируются как быстроходные, так и тихоходные турбины (рисунок 1.11). Многие зарубежные компании вынужденно перешли на выпуск тихоходных турбин, не имея возможности создать длинные рабочие лопатки последних ступеней.

изготовлении быстроходных паровых турбин АЭС мощностью до 1200 МВт [5].

Основными изготовителями тихоходных паровых турбин АЭС являются:

«Alstom» (Франция), «Siemens» (Германия), «General Electric» (США), «Mitsubishi» (Япония), «Toshiba» (Япония), «Hitachi» (Япония), «Турбоатом»

(Украина).

Меньшие вес и размеры (таблица 1.1) быстроходных турбин для АЭС, по сравнению с тихоходными, предопределяют также меньшие затраты не только на изготовление турбины и генератора, но и на сооружение всего машинного зала, включая грузоподъёмные механизмы, и, кроме того, меньшие ремонтные затраты при эксплуатации.

Паровые турбины мощностью Паровые турбины мощностью Паровые турбины мощностью Рисунок 1.11 – Соотношение количества установленных в мире тихоходных и Быстроходные паровые турбины производства ОАО «Силовые машины»

Быстроходные паровые турбины Тихоходные паровые турбины Переход большинства зарубежных фирм на создание «тихоходных» паровых турбин АЭС (на половинное число оборотов) был в свое время вынужденным, связанным с трудностями в создании последних ступеней с большой проходной площадью на полное число оборотов. ЛМЗ развивает «быстроходное»

направление конструкций паровых турбин АЭС, создав рабочую лопатку из титана длиной 1,2м. Сегодня быстроходные турбины ЛМЗ для АЭС и ТЭС с этой титановой рабочей лопаткой – конкурентоспособная и экспортоориентированная продукция мирового технического уровня АЭС.

Опыт эксплуатации и надежность быстроходных турбин Всего для АЭС ЛМЗ изготовлено и поставлено 16 турбин, включая три турбины мощностью 200 МВт для блока №3 Белоярской АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН-600. Изготовлено 12 турбин мощностью 1000 МВт для блоков АЭС с ВВЭР-1000. Среди них девять турбин типа К-1000-60/3000 с конструктивной схемой 2ЦНД+ЦВД+2ЦНД, две турбины типа К-1000-60/3000-2 с конструктивной конструктивной схемой ЦВД+ЗЦНД. Турбины типа К-1000-60/3000 установлены и работают на блоках АЭС в Украине (5 шт.), России (2 шт.), Китае (2 шт.).

Эксплуатационные показатели быстроходных паровых турбин мощностью 1000 МВт на АЭС весьма высоки (таблица 1.1).

ОАО «Силовые машины» (данные 2002 г.)

АЭС АЭС

2. Рабочее время, час 3. Выработка электроэнергии, ТВт.час 5. Коэфф-т исп-я установленной мощности,% 6. Время остановов в год в среднем 7. Средний коэффициентт 1000 МВт (производства ОАО «Силовые машины») не было остановов, связанных с турбиной, и коэффициент готовности быстроходных турбин составлял 100% [17].

Наиболее длительный опыт эксплуатации турбин К-1000-60/3000 с четырьмя ЦНД, полученный на АЭС Украины (на блоках Ровенской АЭС – с 1986г., Хмельницкой АЭС – с 1987г., Ровенской АЭС – 1986г. и Южно-Украинской АЭС – 1989г.), подтвердил высокие показатели экономичности и надежности.

нормативном значении – 98%), в отдельные годы достигая 100%. Успешно работают турбины К-1000-60/3000 и на Калининской АЭС, ст.№№3,4 и на АЭС «Тяньвань», ст. №№1,2 в Китае соответственно с 2005 и 2007 гг. Сегодня быстроходная турбина типа К-1000-60/3000-3 с тремя ЦНД успешно эксплуатируется с 2011 года на блоке АЭС «Бушер» в Иране, обеспечивая гарантийную мощность 1014 МВт. Быстроходные паровые турбины типа К-1000-60/3000-2 (2 шт.) изготовлены, отгружены и находятся в стадии пусконаладочных работ на АЭС «Куданкулам» в Индии.

При сравнении быстроходных и тихоходных турбин для АЭС следует особо отметить, что быстроходный турбоагрегат (турбина + генератор) легче тихоходного аналога (турбина + генератор).

Показатели надежности по гарантиям заводов и некоторым опубликованным данным по эксплуатации (срок службы, коэффициент готовности, наработка на отказ) практически не отличаются. Минимальные запасы прочности по лопаткам и некоторым другим узлам быстроходных и тихоходных турбин принимаются одинаковыми.

Надежда на то, что переход на половинное число оборотов гарантирует или повышает надежность турбин, не оправдалась ни в зарубежной, ни в отечественной практике. Во всяком случае, половинное число оборотов (1800 об/мин) не «спасло» турбину мощностью 1200 МВт производства «Дженерал Электрик Компании» (Англия) на АЭС «Ферми-2» в США в 1994 г.

При обрыве лопаток последней ступени возникла катастрофическая вибрация с разрушением подшипников и масляным пожаром. Такая же авария имела место на турбине «Дженерал Электрик» (США) мощностью 950 МВт, на 1800 об/мин на АЭС «Мааншан-1» (Тайвань) в 1985 г., где оборвалось восемь лопаток ЦНД, были разбиты масляные и водородные уплотнения, возник сильный пожар. Тяжелая авария имела место на тихоходной (1800 об/мин) турбине «Дженерал Электрик»

1030 МВт на АЭС «Дональд Кук» (США) с обрывом лопаток регулирующей ступени. Поломки рабочих лопаток ЦНД имели место и на тихоходных турбинах мощностью 1380 МВт фирмы «Хитачи» в 2006 г. на АЭС «Хамаока» и «Шика» в Японии. Произошли случаи поломки рабочих лопаток ЦНД и в тихоходной турбины мощностью 1218 МВт фирмы «Вестингауз» (США) на АЭС «Уотс Бар» в 2006 году. В России и Украине на тихоходных турбинах К-1000-60/1500 и К-500на Южно-Украинской, Калининской и Нововоронежской АЭС в 1984 – 1988 гг. имели место несколько случаев обрыва лопаток ступеней ЦНД и ЦСД.

Обрывы рабочих лопаток имели место и на турбине К-1000-60/1500-2.

При эксплуатации быстроходных турбин 1000 МВт на АЭС были единичные случаи повреждения лопаток в периферийной части вследствие сильного эрозионного износа при исчерпании назначенного ресурса. Внедрение новых непрерывно улучшать показатели быстроходных паровых турбин для АЭС (рисунок 1.12) При этом повышается конкурентоспособность паровых турбин отечественного производства по мере развития их конструкций.

N, МВт бр, % Рисунок 1.12 – Изменение показателей быстроходных паровых турбин для АЭС, производства ОАО «Силовые машины» по мере развития их конструкций - Удельная металлоемкость, кг/кВт Отечественные турбиностроители обладают успешным опытом и новыми возможностями по проектированию, изготовлению, монтажу и пусконаладке мощных быстроходных паровых турбин для АЭС. Накопленный опыт и передовые конструкторские решения позволяют создавать конкурентоспособные быстроходные паровые турбины.

Массогабаритные характеристики быстроходных и тихоходных турбин АЭС Убедительное преимущество быстроходных турбин АЭС перед тихоходными при их сравнении по размерам и весу показывает необходимость всесторонней оценки суммарных затрат на сооружение и эксплуатацию паротурбинной установки (таблица 1.2).

Таблица 1.2 – Размеры и вес быстроходных и тихоходных турбин Масса:

Габариты:

Длина турбин почти одинакова (около 50,5 м), а удельная масса тихоходных турбин заметно больше (около 3,1 кг/кВт), чем быстроходных (около 2 кг/кВт).

Масса деталей турбины и генератора, устанавливаемых на общем фундаменте турбоагрегата, для тихоходной турбины в 1,5 раза больше, а наиболее тяжелая деталь для подъема в эксплуатации тяжелее более чем в 2 раза. Из данных таблицы 1.3.2 с очевидностью следует возможность сокращения высоты машзала, высоты подкрановых путей, снижения расчетных нагрузок на колонны машзала, фундаменты турбоагрегата и колонн, строительные конструкции и перекрытия, сокращение требуемой грузоподъемности кранового хозяйства, а также площади машзала для быстроходной турбины в сравнении с тихоходной турбиной той же мощности. Суммарное снижение капитальных затрат на сооружение машзала, как показывает практика проектирования АЭС, для быстроходной турбины 1000 МВт (по сравнению с тихоходной) составляет около 10 – 15%.

Экономичность быстроходных паровых турбин АЭС Экономичность действующих быстроходных турбин мощностью 990-1100 МВт характеризуется значениями КПД= 33,3 – 35,3% (таблица 1.3).

Таблица 1.3 – Сравнение быстроходных паровых турбин АЭС класса мощности 1000 – 1200 МВт Изготовитель (АЭС) ная схема 1. «Силовые машины»

(Ровенская АЭС) 2. «Силовые машины»

(АЭС Тяньвань) 6. «Силовые машины»

Ленинградская АЭС Разработанная ОАО «Силовые машины» и введённая в эксплуатацию на АЭС «Тяньвань» быстроходная паротурбинная установка имеет наибольший КПД среди известных быстроходных ПТУ АЭС.

Новые технические решения в конструкции быстроходной паровой турбины мощностью 1200 МВт (ЦВД+4ЦНД) обеспечат экономичность выше мирового уровня с достижением КПДбр = 37,32%.

Сопоставление характеристик наиболее распространенных типоразмеров быстроходных и тихоходных турбин АЭС мощностью 1000 МВт при давлении за турбиной около 5 кПа показывает достаточно близкие их значения.

Представляют интерес результаты сопоставления быстроходной турбины ЛМЗ (2ЦНД+ЦВД+2ЦНД) с рабочей лопаткой последней ступени длиной 1200 мм на корневом диаметре 1800 мм с суммарной площадью выхлопа 90,4 м2 с тихоходной турбиной ОАО «Турбоатом» (ЦВД+3ЦНД) с лопаткой последней ступени длиной 1450 мм на корневом диаметре 2700 мм с суммарной площадью выхлопа 113,4 м2. Такое сопоставление характерно ввиду следующего:

наличия достаточно подробных данных об опыте эксплуатации, поскольку турбины этого типа работают на АЭС России и Украины;

в большой мере одинаковыми условиями эксплуатации и одинаковым оборудованием реакторного отделения;

Теоретические (расчетные) и фактические (по результатам испытаний) значения удельного расхода тепла быстроходной и тихоходной турбин, представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 – Экономичность быстроходных и тихоходных турбин 1. Гарантии по техническим условиям (от 1981 г.) тихоходная турбина Продолжение таблицы 1. 2. Результаты испытаний головных образцов Запорожской АЭС ст. № 4 (1988 г.) тихоходная 3. Экспериментально-расчетная оценка:

4. Гарантии по современным турбинам:

модернизированная турбина К-1100-6,0/25-2М (проспект АО «Турбоатом») Как с очевидностью следует из приведенных данных, экономичность быстроходной турбины, по меньшей мере, не уступает экономичности тихоходной турбины. Практически равная экономичность этих двух типов турбоустановок также отмечается и в теоретической работе по сопоставлению быстроходных и тихоходных турбин [33].

Создание рабочей лопатки последней ступени на 3000 об/мин длиной 1200 мм позволило получить в быстроходной турбине практически ту же площадь выхлопа (разница составляет 20% в пользу тихоходной турбины с 3-мя ЦНД) и этот фактор уже не играет решающей роли в плане отличий потерь с выходной скоростью при сопоставлении экономичности. Большее значение приобретает совершенство всех элементов проточной части и тепловой схемы.

Среди этих факторов есть благоприятные для тихоходной турбины, но не мало и неблагоприятных. Среди последних увеличение протечек пара в проточной части по диафрагменным и надбандажным уплотнениям вследствие большей площади щелей из-за большей величины как радиальных зазоров, так и диаметра уплотнений. Большее значение разделительного давления в тихоходной машине приводит к меньшим высотам лопаток первых ступеней ЦНД и большей роли концевых потерь в потоке пара, снижающих КПД проточной части, и т.д.

Переплетение этих факторов приводит к результату, отраженному в таблице 1.4: реальная экономичность турбины определяется совершенством конструкции и качеством изготовления, но отнюдь не номинальной частотой вращения. Не существует таких факторов, которые бы принципиально обеспечивали для тихоходной машины более высокую экономичность. Этот вывод подтверждается всей историей энергомашиностроения – как только появлялась возможность, турбостроители в каждом из диапазонов мощностей переходили на полную частоту вращения.

Можно полагать, что и перспективные турбоустановки с быстроходной и тихоходной турбинами одинаковой мощности будут близки по экономичности при отличающейся (на 20 – 25%) кольцевой площади последней ступени.

Что касается отечественных быстроходных паровых турбин АЭС, то, по мнению академика Г.А. Филиппова и других специалистов, они могли бы с меньшими затратами решить те задачи, которые сейчас стоят перед отраслью по строительству АЭС [36].

Технико-экономическое сопоставление быстроходных и В техническом проекте Балтийской АЭС была принята (на базе проекта ЛАЭС-2 с реактором типа ВВЭР-1200) отечественная турбоустановка К-1200-6,8/50 с частотой вращения ротора турбины 3000 об/мин. Номинальная электрическая мощность каждого из двух энергоблоков с быстроходной турбиной предварительно определена в 1194 МВт [34]. Для предложенной позднее тихоходной турбины типа «Arabelle» ООО «Альстом Атомэнергомаш» с частотой вращения 1500 об/мин заявлена номинальная мощность 1197 МВт. Установка в строящемся здании турбоустановки «Arabelle» потребовала существенных изменений в проекте, коснувшихся строительных конструкций, систем технического водоснабжения, строительных конструкций, других систем турбоустановки.

Турбоустановки ОАО «Силовые машины» «ЛМЗ» и ООО «Альстом Атомэнергомаш» имеют отличительные особенности (таблице 1.5).

Таблица 1.5 – Сравнительные характеристики турбоустановок ОАО «Силовые машины» и ООО «Альстом Атомэнергомаш»

Оборудование и системы К-1200-6,8/ турбоустановок ОАО «Силовые Машины»

Конструктивная схема турбины система регенерации ПНД ПВД ПЭН насосы основного конденсата Атомэнергомаш» выполнено по методике сравнения вариантов на основании анализа капитальных затрат [34].

В расчете учтены, кроме затрат на приобретение и монтаж тихоходной турбоустановки, также затраты на изменения, связанные с ее установкой на Балтийской АЭС. Дополнительные капитальные затраты для двух блоков с тихоходными турбинами составили 8738,2 млн. руб. в ценах 1 кв. 2012 г.

Анализ потребляемой мощности на собственные нужды выявил незначительное преимущество турбины ОАО «Силовые машины» (28,8 МВт против 29 МВт).

Дополнительная номинальная мощность тихоходной турбины в 3 МВт дает годовой прирост выработки электроэнергии около 45 млн. кВт.ч. Тариф на внутреннем рынке в текущих ценах 2012 г. – 1464,8 руб/тыс. кВтч.

Сравнительный расчет экономической эффективности по программе «АтомЭнерго-Инвест» показал, что дополнительные затраты на установку тихоходной турбины не окупаются выработкой электроэнергии в течение всего срока жизни АЭС [34]. Следует отметить, что, как показала проведённая оптимизация низкопотенциальной части с учётом увеличенной температуры охлаждающей воды, по сравнению с принятой на базовых блоках (21,5°С вместо 20°С), применение модификации конденсатора с увеличенной поверхностью теплообмена примерно на 20% позволит увеличить мощность быстроходной турбоустановки до 1197 МВт. Это делает преимущество быстроходного варианта турбоустановки на данном блоке Балтийской АЭС бесспорным.

1.3 Обоснование и выбор направлений исследований и разработок Требования к проектам Росатома, которые выполнялись в последние годы или выполняются в настоящее время, отличаются единичной мощностью и параметрами пара. Это турбины 800 МВт для Белоярской АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН-800, турбины 1000 МВт для Калининской и АЭС «Тяньвань», для АЭС «Бушер» и АЭС «Куданкулам» с реактором ВВЭР-1000, турбины 1200 МВт для Нововоронежской АЭС-2 (НВАЭС-2) и Ленинградской АЭС-2 (ЛАЭС-2) по проекту «АЭС-2006» с реактором ВВЭР-1200. Проект «АЭС-2006» с РУ ВВЭР-1200 относится к поколению безопасности 3+ и учитывает самые жесткие международные требования по безопасности, имеет четыре системы безопасности, дублирующие друг друга. Поэтому несомненно важной является задача создания надежной и экономичной быстроходной турбины для новых энергоблоков этого класса. По проекту «АЭС-2006»

сооружаются энергоблоки с быстроходными паровыми турбинами мощностью 1200 МВт для Белорусской АЭС. Строительство энергоблоков по проекту «АЭС-2006» предполагается на АЭС «Аккую» в Турции и АЭС «Ханхикиви» в Финляндии. Также энергоблок по данному проекту представлен на тендер по достройке АЭС «Темелин» в Чехии. Такое же решение может быть использовано и для замещения других выбывающих энергомощностей с реакторами РБМК (Курская АЭС-2, Смоленская АЭС-2), а также для энергоблоков, возводимых на новых площадках АЭС (Нижегородская, Костромская, Тверская и др.).

Существенно отличающиеся требования характерны для техпроекта перспективной турбины мощностью 1550 МВт, выполнявшегося по заданию Росатома.

Различаются требования и для других перспективных проектов, намеченных к сооружению в разных странах. Кроме того, требования к ПТУ различаются условиями водоснабжения и существенными проектными ограничениями (АЭС «Бушер», АЭС «Куданкулам», АЭС «Тяньвань»).

Необходимость повышения технико-экономических показателей ПТУ, различия в исходных условиях по параметрам свежего пара и охлаждающей воды предопределяют важность и необходимость новых конструкторских разработок и исследований паровых турбин мощностью 1000 МВт, 1200 МВт с учётом перспективных разработок быстроходных паровых турбин мощностью около 1600 – 1800 МВт.

Разработка ЦНД и последней ступени повышенной пропускной способности Одной из важнейших задач развития быстроходных паровых турбин АЭС является создание надежной последней ступени и ЦНД повышенной пропускной способности. Это повысит конкурентные преимущества отечественного паротурбиностроения для АЭС с «быстроходной» паротурбинной энерготехнологией перед «тихоходной» энерготехнологией. При создании энергоблоков АЭС мощностью 1600-1800 МВт на условия глубокого вакуума, или для турбин с уменьшенным числом ЦНД, могут потребоваться последние ступени с ещё большими площадями выхода, чем в существующих ЦНД быстроходных паровых турбин АЭС. В этой связи весьма важно продолжить начатые разработки [17,43] лопаток длиной до 1500 мм и двухъярусных рабочих лопаток «полуторного» выхлопа ЦНД быстроходных турбин большой мощности для АЭС.

Известно, что торцевая площадь выхода пара из последней ступени ограничивается допустимыми напряжениями от центробежных сил в лопатках и дисках последних ступеней. Кроме того, при больших окружных скоростях лопаток возрастает опасность эрозионного износа. В этой связи важно применение в быстроходных турбинах научно-технический задела, обеспечивающего по внедрение рабочих лопаток из титана и цельнокованых роторов без центрального отверстия. Целесообразна разработка упрочняющих противоэрозионных покрытий титановых лопаток, а также разработка сверхдлинных рабочих лопаток и/или двухъярусных ступеней Баумана.

Однако, для паротурбинных установок АЭС, планируемых Росатомом к сооружению в ближайшие годы в России и за рубежом, характерны либо ухудшенный вакуум в конденсаторе турбин мощностью около 1000 МВт с уменьшенным числом ЦНД (уменьшенной площадью выхода пара) при очень высокой температуре охлаждающей воды (Индия, Иран, Турция, Бангладеш, Вьетнам и др.), либо повышенный расход пара в новых быстроходных турбинах мощностью от 1200 до 1600 МВт при умеренной температуре охлаждающей воды. В этих условиях, увеличение пропускной способности ЦНД быстроходной турбины будет происходить, главным образом, за счет увеличения массового расхода пара. При этом возрастут и изгибные напряжения в рабочих лопатках последних ступеней ЦНД:

где Мизг = f (G,c1,c2,…);

W – минимальный момент сопротивления сечения лопатки;

G – расход пара на лопатку, кг/с;

с1, с2 – скорости пара на выходе из направляющей и рабочей лопаток, м/с.

Одновременно, увеличение массового расхода может повлечь за собой и рост динамических напряжений, в том числе вследствие возникновения опасных автоколебаний рабочих лопаток.

В этой связи, с одной стороны, ставится задача создания новых рабочих лопаток из нового более прочного титанового сплава, например ВТ-6, вместо применявшегося ранее сплава ТС-5. Одновременно, ставится задача расчетноконструкторской разработки и испытаний новой «усиленной» рабочей лопатки длиной 1200 мм из нового титанового сплава, рассчитанной на повышенный массовый расход пара. При этом с целью обеспечения высокого КПД последней ступени необходимо не только перейти на увеличенный размер хорды рабочей лопатки, но и оптимизировать обтекание профилей лопатки по всей высоте и соблюсти оптимальный относительный шаг рабочих лопаток (t/в).

Таким образом, в настоящее время на первом этапе создания новых последних ступеней для наиболее востребованного в ближайшее десятилетие класса турбин АЭС мощностью до 1000 – 1260 МВт, в том числе для турбин с уменьшенным числом цилиндров низкого давления, весьма актуальна разработка и испытания новой «усиленной» титановой рабочей лопатки длиной 1200 мм.

Совершенствование уплотнений в проточной части паровых турбин АЭС Как известно, тепловая экономичность паровых турбин в существенной мере зависят не только от газодинамических характеристик лопаточного аппарата, но и от оптимально выбранных конструкций надбандажных, диафрагменных и концевых уплотнений. Опыт эксплуатации паровых турбин показывает, что возрастание утечек рабочего пара в уплотнениях из-за их несовершенства или повреждений может приводить к значительному росту потерь и, как следствие к существенному снижению КПД и надежности проточных частей отдельных цилиндров турбины.

Для уменьшения утечек пара в ступенях паровых турбин в последние годы все активнее ведутся исследования и разработки новых, усовершенствованных видов уплотнений [43-51]. Особенно важно снижение протечек в надбандажных уплотнениях, где потери от утечек пара существенно выше, чем в других уплотнениях. Все виды уплотнений подвергаются износу, что влечет постепенное снижение экономичности при длительной работе турбины. Износ уплотнений на переменных режимах работы турбины, неравномерность зазоров по окружности увеличивают протечки пара. Относительное уменьшение мощности турбины АЭС мощностью 500 МВт [45] может составить около 1,9% (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 – Изменение КПД и мощности ступеней в зависимости от зазора в диафрагменных уплотнениях 3-й и 5-й ступеней ЦВД турбины К-500-5,9/ Одним из перспективных видов уплотнений являются уплотнения, состоящие из сотоблоков с демпфирующими пружинами и оптимальными размерами сот (ячеек). В последние годы появляются работы по исследованию сотовых уплотнений применительно к газовым и паровым турбинам ТЭС и АЭС.

Использование сотовых уплотнений взамен гребенчатых обеспечит снижение протечек, уменьшит опасность задеваний, улучшит ремонтопригодность уплотнений, благоприятно скажется на возникновении демпфирующих аэродинамических сил.

Несмотря на ряд выполненных работ по практическому внедрению сотовых уплотнений в конструкции действующих паровых турбин [51,48] остаются нерешенными задачи уточнения физической картины течения в уплотнениях с сотовыми ячейками, механизма взаимодействия вихревых потоков в них. Кроме того, подлежит детальному изучению эффективность сотовых уплотнений при изменении их конструктивных размеров и очертаний, а также режимов течения в уплотнениях.

Разработка, испытание и внедрение в конструкцию создаваемых турбин АЭС новых типов уплотнений обеспечит:

увеличение и поддержание в эксплуатации КПД и мощности отдельных цилиндров турбины;

повышение надежности работы и ремонтопригодности турбины.

Таким образом, исследования и конструкторская разработка новых высокоэффективных типов уплотнений для быстроходных турбин АЭС являются весьма важными и своевременными.

Совершенствование входных и выходных патрубков новых быстроходных Улучшение аэродинамических характеристик всего парового тракта турбин (от подвода пара к регулирующим клапанам, при течении в лопаточном аппарате и до отвода пара в конденсатор) имеет большое значение для экономичности всей паротурбинной установки [52-57]. При этом экономичность отдельных цилиндров паровых турбин АЭС в существенной мере зависит от газодинамического совершенства входных и выходных патрубков, являющихся довольно крупными и металлоемкими частями турбин АЭС. Постоянное совершенствование лопаточного аппарата ступеней высокого, среднего и низкого давления осуществляется на основе результатов обширных НИОКР и, непрерывно повышает КПД отдельных цилиндров. Одновременно имеются резервы увеличения экономичности турбины за счёт улучшения газодинамики входных и выходных патрубков турбин АЭС [43,53,56,57]. В стеснённых патрубках вследствие проектно-конструкторских ограничений, высоких скоростей и интенсивных отрывных явлений могут иметь место заметные потери давления.

Снижение газодинамических потерь в патрубках даже на доли процента может дать заметную прибавку мощности, особенно в крупных турбинах АЭС, где влияние потерь в патрубках на общие потери выше, чем в турбинах ТЭС. Для турбин АЭС с дроссельным парораспределением весьма важным является распределение параметров в окружном направлении в сопловой коробке. Выбор способа подвода пара от блока клапанов является весьма важным с точки зрения и потерь энергии, и надёжности первых ступеней. Известны случаи поломок лопаток первых ступеней тихоходных турбин из-за неудачного профилирования паровпускных патрубков. От аэродинамических характеристик выхлопных патрубков существенно зависит экономичность ЦНД и надежность турбины в целом. Поэтому выхлопные патрубки турбин являются объектом тщательной расчётно-конструкторской разработки и экспериментального исследования [56,57]. При этом, как показывает опыт, при совершенствовании конструкций патрубков вполне достижимо заметное снижение потерь давления в них. В этой связи расчётно-конструкторские разработки и экспериментальные исследования входных и выходных патрубков быстроходных паровых турбин АЭС весьма актуальны.

Повышение надежности титановых рабочих лопаток последних ступеней и Существенной особенностью турбин АЭС, работающих на влажном паре, является эрозионное повреждение деталей и узлов проточных частей ЦВД и ЦНД.

С одной стороны, значительные проблемы размыва металла корпусных узлов ЦВД, имеющие место в тихоходных турбинах [6-8,58] успешно решены в быстроходных турбинах АЭС, выпускаемых ЛМЗ, для которых конструкция корпусных узлов ЦВД предусматривает использование нержавеющей стали. С другой стороны, сохраняются проблемы эрозионного износа рабочих лопаток последних ступеней. Повышение надежности титановых рабочих лопаток может быть достигнуто, наряду с конструкторскими решениями, и за счет внедрения новых высокопрочных титановых сплавов. Опыт эксплуатации паровых турбин выявил опасный эрозионный износ лопаток и необходимость разработки новых способов защиты длинных рабочих лопаток от эрозии [8,17,25,21,53,58,59]. Уже при длине рабочей лопатки 1050 мм и окружной скорости вершин лопаток около 565 м/с наблюдается повышенный эрозионный износ лопаток при влажности пара около 8% [8,58]. Окружная скорость вершин рабочих лопаток длиной 1200 мм достигает 660 м/с при влажности пара более 9%, что обостряет проблему эрозионного износа титановых рабочих лопаток быстроходных паровых турбин АЭС. В этой связи необходима разработка новых конструктивных мер защиты входных кромок лопаток от эрозии за счёт влагоудаления, материала, защитных покрытий, а также защиты лопаток от фреттинг-износа их бандажных полок.

Разработка усовершенствованных конструкций опорных и опорно-упорных Конструкторская разработка и опытная отработка новых надежных и экономичных подшипников обеспечивает работоспособность всего турбоагрегата:

турбины и генератора [60-63]. Эксплуатационная надежность валопровода и всей турбины в значительной мере определяется не только качеством сборки паровых турбин[64-66], но и конструкцией их подшипников. В этой связи при проектировании нового поколения быстроходных турбин АЭС большое значение имеет разработка усовершенствованных конструкций опорных и опорно-упорных подшипников с высокой вибрационной надежностью, уменьшенными потерями мощности на трение, улучшенным тепловым режимом их работы [67-78].

При этом важным преимуществом в обеспечении достоверности технических решений является экспериментальная отработка натурных (полномасштабных) подшипников, их систем гидростатического подъема вала на испытательных стендах:

на разгонно-балансировочном стенде «Шенк»;

на сборочно-испытательном стенде паровых турбин ОАО «Силовые машины»;

на действующих турбинах.

В целом, новые конструктивные решения, реализованные в разрабатываемых быстроходных паровых турбинах для АЭС несомненно увеличат их надежность, экономичность, удобство в эксплуатации и ремонтопригодность.

Основные направления исследований и разработок На основании изложенного, при создании конкурентоспособных отечественных быстроходных паровых турбин АЭС по заказам Росатома для поставки на российские и зарубежные АЭС, можно выделить следующие объекты и направления исследований, научно-технических и конструкторских разработок:

быстроходная паровая турбина типа К-1000-60/3000 с четырьмя ЦНД и увеличенной мощностью при проектных ограничениях по машзалу (применительно к АЭС «Тяньвань», Китай);

быстроходная паровая турбина типа К-1000-60/3000-3 с тремя ЦНД на ухудшенный вакуум в условиях проектных ограничений (применительно к АЭС «Бушер», Иран).

быстроходная паровая турбина типа К-1000-60/3000-2 с тремя ЦНД на ухудшенный вакуум (применительно к АЭС «Куданкулам», Индия);

крупнейшая в мире быстроходная паровая турбина типа К-1200-6,8/50 с четырьмя ЦНД по программе Росатома «АЭС-2006» (применительно к НВАЭС-2 и ЛАЭС-2, Россия);

разработка новых конструкций ЦНД и последней ступени повышенной пропускной способности;

конструкторско-технологические разработки, исследования и промышленные испытания по повышению надежности высоконагруженных подшипников быстроходных паровых турбин для АЭС;

конструкторско-технологические разработки и исследования рабочих лопаток последних ступеней, включая способы их упрочнения;

экспериментальная отработка и разработка новых высокоэкономичных клапанов, входных и выходных патрубков быстроходных паровых турбин для АЭС;

исследования, конструкторско-технологические разработки и промышленные испытания надбандажных и концевых уплотнений паровых турбин АЭС;

промышленное внедрение и освоение в эксплуатации паровых турбин нового поколения, включая новые конструкции отдельных узлов, деталей и оборудования.

На основании проведенного анализа могут быть определены цель и задачи исследований и разработок диссертационной работы.

Цель работы состоит в разработке и создании на основе расчётноэкспериментальных исследований быстроходных паровых турбин для АЭС большой мощности, обладающих высокими показателями экономичности, надежности, технологичности и низкими затратами на их изготовление, сооружение и эксплуатацию.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

Анализ тенденций развития атомной энергетики и паротурбостроения для АЭС. Обоснование направлений исследований и разработок нового поколения паровых турбин большой мощности для АЭС.

Разработка тепловых схем и определение термодинамических параметров паротурбинных установок (ПТУ) большой мощности для АЭС.

Расчётно-экспериментальные исследования, разработка конструкции и создание новой титановой рабочей лопатки последней ступени ЦНД увеличенной пропускной способности и повышенной вибрационной надежности.

Расчётно-экспериментальные исследования новых упрочняющих и защитных покрытий рабочих лопаток паровых турбин.

Стендовые и опытно-промышленные исследования, разработка, освоение в производстве новых сотовых и втулочных уплотнений.

Расчётно-экспериментальные газодинамические исследования входных и выходных патрубков паровых турбин, с учетом проектных ограничений их размеров.

Разработка, стендовые и опытно-промышленные исследования новой конструкции высоконагруженных крупногабаритных опорных подшипников.

Стендовые и опытно-промышленные исследования нового клапана быстродействующей редукционной установки и нового клапана греющего пара Разработка комплексных конструкторско-технологических решений для изготовления и освоения в эксплуатации головных образцов быстроходных паровых турбин большой мощностью с 3-мя и 4-мя ЦНД, узлов и оборудования 1. Отмечено, что атомная энергетика принимает и в долгосрочной перспективе сохранит существенное долевое участие в мировом энергетическом балансе, при этом согласно прогнозам авторитетных международных аналитических организаций и планам Росатома суммарная мощность атомных энергоблоков в ближайшие десятилетия будет постоянно увеличиваться как в мире, так и в России за счёт нового строительства.

2. Атомные электрические станции (АЭС) имеют важное значение для обеспечения энергетической безопасности Российской Федерации (проекты Росатома – Нововоронежская АЭС-2, Ленинградская АЭС-2, Курская АЭС и др.) и являются важным инструментом обеспечения долгосрочных стратегических интересов страны при поставках на экспорт (проекты и планы Росатома в Китае, Индии, Иране, Финляндии, Турции, Вьетнаме, Белоруссии, Иордании и т.д.).

3. Основным оборудованием проектов Росатома являются ядерный остров с водо-водяными реакторами типа ВВЭР и турбинный остров с паротурбинными установками с начальным давлением насыщенного пара 6-9 МПа классов мощности 1000 и 1200 МВт.

4. Зарубежные энергомашиностроительные компании применяют быстроходную (менее 1000 МВт) и тихоходную энерготехнологии (свыше 1000 МВт), что связано как с действующими ранее ограничениями в области качества металлургии основных заготовок, так и с достигнутым конструкторским и технологическим уровнем.

5. ОАО «Силовые машины» являются мировым лидером в области быстроходной энерготехнологии для АЭС, имеют большой успешный опыт её практического применения в проектах Росатома.

6. Быстроходная энерготехнология позволяет снизить капитальные затраты при строительстве АЭС и эксплуатации оборудования за счёт уменьшения габаритов, снижения нагрузок на фундамент, уменьшения ремонтных затрат и т.д., сохраняя конкурентоспособную эффективность до достаточно высокого уровня мощности.

7. Отмечено, что в проектах Росатома основные требования к оборудованию: