Описание конструкций и обзор параметров паровых турбин большой мощности для АЭС

1. Перспективы роста единичной мощности турбин АЭС в России: проблемы и способы их решения

 

Суммарные мощности ПТУ на АЭС составляют в настоящее время  лишь около 10% от общей установленной  мощности. Требования рынка, давление со стороны «Киотского протокола» ставят задачу разработки и использования  технологии высокоэффективной, надёжной и «чистой» выработки электроэнергии. Пожалуй, единственным направлением решения  этой задачи является разработка мощных паровых турбин для АЭС (более 1200-1600 МВт).

Проведённые филиалом ОАО  «Силовые машины» - «Ленинградским Металлическим  заводом» предварительные проработки по определению технических характеристик  турбоустановок мощностью 1200 и 1600 МВт  на базе быстроходных турбин на 3000 об/мин, результаты которых доложены на Международной  научно-технической конференции  МНТК-2006 в Росэнергоатоме (Москва) 20 апреля 2006 года, позволяют говорить о перспективности создания высококонкурентных быстроходных (и тихоходных) турбоустановок для работы в блоках АЭС с РУ ВВЭР-1200 и ВВЭР-1500(1600).

По инициативе Минатома России разворачиваются работы по созданию мощных, более экономичных, конкурентоспособных  энергоблоков АЭС нового поколения, в частности, мощностью 1500 МВт с  реактором ВВЭР-1500, которые по уровню экономичности и безопасности должны превосходить энергоблоки с реактором  ВВЭР-1000, а также быть конкурентоспособными с лучшими современными западными  проектами. Головные энергоблоки ВВЭР-1500 предполагается установить на Башкирской АЭС (энергоблоки № 3 и № 4).

При создании паротурбинных  установок нового поколения для  АЭС необходимо решить целый комплекс специфических задач и проблем, которые отсутствуют или не столь  ярко проявляются в турбоагрегатах ТЭС на органическом топливе и  в существующих турбоагрегатах АЭС.

Среди них следует отметить следующие:

-  большие единичные мощности турбоагрегатов и тенденция к их дальнейшему увеличению;

- значительные расходы рабочего тела (6000 - 9000 т/ч);

-  высокая чувствительность основных узлов турбоагрегата к вакууму (деформация статорных элементов ЦНД при наборе вакуума);

-   относительно  невысокий  КПД,  что требует особого  внимания  к конструкции лабиринтных уплотнений, гарантирующих оптимальные значения радиальных зазоров и их сохранность при эксплуатации;

-  необходимость обеспечения внутренней плотности элементов проточной части (актуально и для предотвращения щелевой эрозии);

-   наличие влажно-парового потока на входе в ЦНД,  выходе из ЦВД, входе в сепаратор-пароперегреватель  (СПП)  и  регенеративное теплообменное  оборудование (воздействие на паропроводы и т.п.);

-  сложная динамика влажно-парового потока на входе в ЦВД и её влияние на надёжность элементов проточной части;

- возможность эрозионного повреждения лопаточного аппарата;

- опасность возникновения конденсационной нестационарности в проточных частях ЦНД;

-   значительное  влияние аэродинамики  последней ступени  ЦНД и выхлопного патрубка на тепловую экономичность ЦНД;

-  необходимость обеспечения высокой механической надёжности валопровода и элементов проточной части;

-   высокие требования  к надёжности турбоагрегата  в  целом,  что  может быть достигнуто представленным и надёжным диагностическим контролем за вибрационным состоянием валопровода, подшипников, лопаточного аппарата, состоянием проточной части и т.п.

Для решения этих задач  ЛМЗ и НПО «Турбоатом» предлагают использовать уже имеющиеся турбоагрегаты мощностью 1000 МВт, увеличив их мощность путём повышения расхода пара в 1,5 раза при несколько более высоких параметрах пара, оптимальное значение которых лежит в пределах ро = 7,1 - 7,2 МПа, t_o = 285 - 290 °С.

Предлагается увеличить  разделительное давление между ЦВД  и ЦНД примерно до 1,1 МПа с включением деаэратора на это же давление греющего пара, что позволит:

- исключить из схемы ПНД-4 при увеличении нагрева в деаэраторе до 50 - 60 °С;

- уменьшить габариты СПП;

- упростить конструкцию насоса закачки сепаратора в деаэратор.

 

Наиболее сложной проблемой  является разработка надёжного и высокоэкономичного ЦНД. При её решении применительно к быстроходному турбоагрегату возможны следующие варианты:

-  использование существующего ЦНД с титановыми рабочими лопатками длиной 1200 мм, изготовленными из титанового сплава ВТ-6, или со стальными длиной 1000 мм (для условий ухудшенного вакуума);

-  выполнение новой рабочей лопатки последней ступени длиной 1280 - 1320 мм (максимально длиной 1500 мм);

-  создание ЦНД с разделением (ступень Баумана) и поворотом потока на базе рабочей лопатки длиной 1200 мм;

-   модернизация   последней   ступени   существующего   ЦНД   с   использованием титановой (ТС-5) рабочей лопатки длиной 1200 мм.

Перспективным решением является применение проточной части с  разделением и поворотом потока с двухъярусной предпоследней ступенью и полуторным выхлопом. При этом увеличение пропускной способности  в 1,5 раза (площадь выхлопа 16,95 м² вместо 11,3 м²) не будет связано с существенным ростом габаритных и массовых показателей ЦНД и его элементов. На рисунке 1.2 показан ЦНД тихоходной турбины энергоблока мощностью 1500 МВт с разделением и поворотом потока с лопаткой длиной 1450 мм, разработанный НПО «Турбоатом» совместно со специалистами турбинного отделения НПО ЦКТИ. Аналогичное решение может быть реализовано в ЦНД быстроходного турбоагрегата.

Аналогичная задача решается во ВНИИАМ и для тихоходной турбоустановки мощностью 1200...1600 МВт. Разработка максимально  ориентирована к существующим производственным возможностям ОАО «ЛМЗ». При этом особое внимание уделяется обеспечению  высоких технико-экономических показателей, позволяющих успешно конкурировать  с новейшими зарубежными проектами, в том числе с проектами фирм Альстом и Siemens.

Ожидаемая мощность предлагаемых турбоустановок Nб_Р составит 1200-1225 МВт при тепловой мощности реактора 3200 МВт и 1600-1640 МВт при тепловой мощности реактора 4250 МВт, т.е. в результате реализации предлагаемых конструкций вполне достижим коэффициент полезного действия станций *_бр= 0,375...0,385 в зависимости от параметров пара перед турбиной и температуры охлаждающей воды.

Конструктивная схема  турбин предлагается ЦВСД+2хЦНД или  ЦВСД+ЗхЦНД в зависимости от мощности агрегата и температуры охлаждающей воды. Примерная конструкция ЦВСД представлена на рисунке 1. В отличие от традиционно применяемого двухпоточного ЦВД, конструкция ЦВСД однопоточная, что позволит увеличить высоту рабочих лопаток, увеличить число ступеней в одном потоке и тем самым повысить к.п.д. проточной части.

Рис. 1. ЦВСД (ВНИИАМ) для турбины 1200 МВт для АЭС

(п=3000 об/мин)

Рис. 2. ЦНД мощной турбины для АЭС с разделением и поворотом потока

Особенностью предлагаемой конструкции является также встроенный между частями высокого и среднего давления лопаточный пленочно-центробежный сепаратор, который позволяет вывести  из проточной части 50СК700 тонн влаги, хотя и незначительно повысить потери давления на поворот потока к ЦСД. Средняя влажность в проточной  части снижается в 1,5*2 раза, а в  конце каждого отсека она не превышает 10%.В результате существенно повышается КПД в части высокого и среднего давления и облегчается работа СПП. И в турбине 1200 МВт и в турбине 1600 МВт выхлоп ЧСД имеет 2 патрубка 0 2000, направленные вниз. Объемный расход пара во всех вариантах изменяется мало, так как за изменением расхода, как правило, следует изменение  давления на выхлопе ЧСД.

Самым проблемным при создании тихоходных турбин является ЦНД и  в первую очередь ротор низкого  давления. В предлагаемых конструкциях ЦНД найдены пути преодоления  основных трудностей - больших габаритов  и массы ротора. Проточная часть  максимально приближена к проточной  части ЦНД харьковской турбины 1000 МВт, имеющей многолетнюю положительную  референцию. Сохранено число ступеней - 7. Сохранены корневые диаметры. Но высота рабочей лопатки последней  ступени принята 1400 мм, а не 1450 мм. Потеря площади выхлопа невелика -18м² вместо 18,9 м². Зато периферийный диаметр ступени равен 5500 мм, что позволяет использовать для разгона и балансировки имеющуюся на ЛМЗ установку «Шенк».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Обзор параметров и конструкций паровых турбин

 

1. Турбины французской фирмы Альстом

 

Фирма давно выпускает  мощные турбины ля АЭС. До последнего времени самой мощной и распространённой была турбина 1300 МВт с двухпоточным реактивным ЦВД (рисунок 3). Турбина имела частоту вращения 25 1/с, начальное давление 61,78 бар, расход пара 1940 кг/с, длина последней лопатки 1450 мм.

 

 

Рис. 3. Продольный разрез двухпоточного ЦВД турбин мощностью 1300 МВт.

 

Еще в конце 70-х годов  французское энергетическое объединение  ЕОР заказало фирме Альстом новую сверхмощную тихоходную (25 1/с) турбину под названием «Арабелла». При четырех цилиндрах турбина имеет мощность 1500 МВт (при длине 51,2 м и общей массе 3170 т). Ее уменьшенный вариант «Мирабелла» имеет мощность 1000 МВт (при двух ЦНД вместо трех. как в турбине «Арабелла»). Первая из двух турбоустановок типа Арабелла включена в сеть в декабре 1995 г., а вторая - в середине 1996г. на АЭС CHOOZE B2.

Эти энергоблоки вместе с  двумя энергоблоками типа N4, монтируемыми на АЭС Civaux, как ожидает EDF, будут первыми АЭС с реакторами типа ВВЭР (PWR) полностью французской конструкции. Опыт их эксплуатации будет крайне интересен как из-за их рекордной мощности, так и из-за апробации новых технических решений.

Ключевыми особенностями  этого поколения турбин являются совмещенный ЦВСД (рисунок 4) с цельносварным ротором, использование однопоточных отсеков при расширении пара от начального давления до примерно 3,3 бар на выходе из ЦВСД. Для энергоблоков АЭС Cooz и Civaux системы EDF параметры пара на входе в ЧВД составляют 71 бар и 287°С, 10,1 бар и 268° С после перегрева, 3,3 бара на входе в ЧНД и 5,5 кПа в конденсаторе.

Тепловая схема содержит шесть ступеней подогрева питательной  воды. Турбина имеет длину 41 м  и вес 2744 тонн по сравнению с 56 м  и 3180 тонн для установок Р4 мощностью 1350 МВт. По сравнению с предыдущими турбоустановками, маркируемыми как Р4 (Арабелла), имеет:

• заметно большую выходную мощность на валу ЦВСД - 920 МВт;

• более высокий КПД - на 1% - за счет однопоточной конструкции ЦВСД вместо двухпоточной,  использовавшейся ранее, т.е.  15 МВт дополнительной мощности или сокращение   на   треть   общей   стоимости   турбины   при   учете   этой   дополнительной выработки за проектный срок службы. Принимая во внимание вклад всех модернизаций (патрубков   ЧВД   и   ЧСД,    выхлопных   патрубков   ЦНД,    улучшенной   аэродинамики облопачивания) общий прирост КПД составляет 2%.

• уменьшенное число узлов из-за сокращенного наполовину числа ступеней ЧВД и однопоточности ЧСД, снижающей число ступеней в ЧНД;

• уменьшение  с  6  до  4  числа   стопорных  и   регулирующих  клапанов  на паропроводах после перегрева.

 

Рис. 4. «Арабелла»—паровая  турбина  насыщенного пара  фирмы    «Альстом», N=1500 МВт, n = 25 1/с. (а — ЦВСД; б — один из трех ЦНД)

 

2.2. Турбины фирмы Siemens для ПТУ АЭС

 

Фирма Siemens одна из немногих, выпускавших паровые турбины для АЭС как быстроходные, так и тихоходные. Так на рисунках 5, 6 показан продольный разрез турбины мощностью 1000 МВт на 50 1/с. ЦВД - двухпоточный, реактивный. Три двухпоточных ЦНД, расположенные с одной стороны от ЦВД, имеют по пять ступеней в потоке. Для турбин большей мощности фирма переходит на половинную частоту вращения.

 

Рис. 5. Паровая турбина фирмы Siemens для АЭС

(а – ЦВД; б – ЦНД)

 

Рис. 6. Турбина фирмы Siemens мощностью 1000 Мвт (n=50 1/c)

 

Турбина влажного пара для  АЭС Olkiluoto в Финляндии имеет мощность приблизительно 1600 МВт. КПД ПТУ брутто около 37%. Строительство электростанции «под-ключ» обойдётся примерно 3 миллиарда евро.

 

Таблица 1. Параметры установки

 

Тепловая мощность реактора	4300 МВт
Давление пара	78 бар
Расход пара	2443 кг/с
Температура пара	293 оС
Температура питательной  воды	230 оС
Частота вращения	1500 об/мин

 

В проекте, который начался  в 1996 году, ставилась задача получения  самой большой единичной мощности, наибольшей эффективности и технологичности. Прототипом разработки была установка  Konvoi.

В приведенной ниже таблице  даны параметры реакторов и турбин, соответствующие последним разработкам.

Таблица 2. Параметры современных реакторов и турбин

	EPR (OL3)	N4	Konvoi (ISAR 2)
Тепловая мощность реактора, МВт	4300	4250	3950
Электрическая мощность, МВт	1600	1475	1400
КПД турбоустановки (нетто), %	37	35	35,4
Давление за реактором, МПа	7,8	7,23	6,51
Температура за реактором, оС	293	288	282
Давление перед турбиной, МПа	7,55	7,1	6,38
Температура перед турбиной, оС	291	286,8	280,6
Массовый расход пара, кг/с	2443	2400	2187
Частота вращения, 1/с	25	25	25
Количество ЦНД	3	3	3