Главный циркуляционный насос АЭС: устройство, уплотнение, маховик

• 4ГЦН на энергоблоке с ВВЭР-1000 или ВВЭР-1200 — по одному на петлю
• ≈ 20 000 м³/чподача одного насоса ГЦН-195М
• ≈ 5 МВтпотребляет насос при работе на горячей воде
• ≈ 140 тмасса агрегата ГЦН-195М вместе с электродвигателем

Зачем реактору насос

Вода первого контура ВВЭР забирает тепло в активной зоне и отдаёт его в парогенераторах — как устроены контуры станции, рассказано в статье «Как работает атомная электростанция». Сама по себе с нужной скоростью она по кругу не пойдёт: на её пути плотные пучки твэлов, тысячи трубок парогенератора, повороты и патрубки трубопроводов. Гонит воду главный циркуляционный насос — ГЦН.

У энергоблоков с ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 по четыре петли циркуляции, и в каждой свой насос. Он стоит на «холодной» нитке, между парогенератором и реактором, то есть перекачивает воду, уже отдавшую тепло: около 290 °C у ВВЭР-1000 и почти 300 °C у ВВЭР-1200. Вместе четыре насоса прокачивают через активную зону больше 80 тысяч кубометров воды в час.

Расход через реактор — один из главных параметров безопасности. Если он упадёт, а мощность останется прежней, вода нагреется сильнее, кипение у поверхности твэлов усилится, и может наступить кризис теплообмена: паровая плёнка оттеснит воду от оболочки, и её температура резко вырастет. Поэтому отключение насосов и даже мгновенное заклинивание вала одного из них рассматривают в проекте как исходные события аварий, и на них настроена защита реактора — о принципах рассказано в статье «Безопасность АЭС».

Чем опасно падение расхода через реактор

1. Расход падаета мощность реактора остаётся прежней
2. Вода нагревается сильнеекипение у поверхности твэлов усиливается
3. Кризис теплообменапаровая плёнка оттесняет воду от оболочки
4. Перегрев оболочкиеё температура резко растёт

Поэтому отключение насосов и даже заклинивание вала одного из них в проекте считают исходными событиями аварий

Отключение одного насоса из четырёх ещё не повод глушить реактор: автоматика снижает мощность примерно до двух третей номинальной, и блок работает на трёх петлях. Если же остановятся все насосы, срабатывает аварийная защита.

ГЦН-195М в цифрах

На энергоблоках с ВВЭР-1000 работает насос ГЦН-195М. Его подача — около 20 000 м³/ч, больше пяти кубометров воды в секунду. Напор — около 0,67 МПа: такой перепад давления нужен, чтобы протолкнуть воду через активную зону, парогенератор и трубопроводы петли. Вал вращается с частотой около 1000 об/мин.

Привод — вертикальный асинхронный электродвигатель. На горячей воде насос потребляет около 5 МВт, а на холодной, более плотной, — до 7 МВт, и двигатель рассчитан на оба режима. Агрегат вместе с двигателем весит около 140 т.

Рабочие параметры ГЦН-195М

• > 5 м³/своды подаёт насос — больше пяти кубометров в секунду
• ≈ 0,67 МПанапор — чтобы протолкнуть воду через активную зону и всю петлю
• ≈ 1000 об/минчастота вращения вала
• до 7 МВтпотребляет на холодной, более плотной воде

Впечатляют, впрочем, не столько цифры, сколько условия работы. В корпусе насоса — вода под давлением около 16 МПа, с борной кислотой и радиоактивными продуктами коррозии. Вскрыть насос можно только на остановленном реакторе со сниженным давлением, поэтому от ремонта до ремонта — весь топливный цикл — он должен работать без вмешательства.

Для ВВЭР-1200 создан насосный агрегат следующего поколения — ГЦНА-1391. Параметры у него того же порядка: подача около 22 000 м³/ч, напор около 0,6 МПа. Главное отличие от предшественника — радиально-осевой подшипник, который смазывается и охлаждается водой, а не маслом.

Как устроен насосный агрегат

ГЦН-195М — вертикальный центробежный одноступенчатый насос с выносным электродвигателем. Внизу — корпус насоса, вваренный в главный циркуляционный трубопровод петли. Над ним на опорной конструкции — проставке — стоит электродвигатель, а между ними проходит вал с подшипниками и уплотнением.

• Корпуспрочный сосуд и часть границы первого контура. Вода входит в него снизу, по оси вала, и выходит через боковой напорный патрубок. У ГЦН-195М корпус цельнолитой из коррозионно-стойкой стали, а к патрубкам приварены кованые переходники из низколегированной стали с антикоррозионной наплавкой изнутри — через них корпус и вваривают в трубопровод. У ГЦНА-1391 корпус сферический, сварной из двух штампованных полусфер.
• Рабочее колесо закреплено на нижнем конце вала консольно. Его лопатки разгоняют воду и отбрасывают её к периферии.
• Направляющий аппаратвенец неподвижных лопаток вокруг колеса. Он тормозит поток, превращая его скорость в давление, и направляет воду к напорному патрубку.
• Вал передаёт вращение от двигателя к колесу. С валом двигателя его соединяет муфта, которая допускает небольшую несоосность и не передаёт осевые силы.
• Электродвигатель с маховиком стоит наверху, в воздухе, и охлаждается встроенными воздухоохладителями.

Вал с колесом, подшипники и уплотнение собраны в выемную часть. Её поднимают из корпуса целиком, не вырезая корпус из трубопровода, и заменяют или отправляют в ремонт.

Подшипники

Вал держат два подшипника. Нижний, радиальный, стоит над рабочим колесом и работает прямо в воде. Он гидростатический: вода под давлением поступает в зазор между валом и вкладышем и создаёт несущий слой, так что вал не касается вкладыша. Верхний подшипник — радиально-упорный: кроме боковых нагрузок он воспринимает осевую силу от рабочего колеса.

У ГЦН-195М верхний подшипник работает на масле, у ГЦНА-1391 — на воде. В насосе ГЦНА-1753 для блоков с ВВЭР-ТОИ водой смазываются все узлы насоса и двигателя, и масляная система не нужна вовсе. Внутри гермооболочки становится меньше горючего масла и вспомогательного оборудования — баков, маслоохладителей, насосов.

Маховик и выбег

Опасная для насосов ситуация — обесточивание: если станция потеряет электропитание, все четыре двигателя остановятся одновременно. Аварийная защита глушит реактор за несколько секунд, но топливо ещё горячее и выделяет остаточное тепло, и резкая остановка потока в эти секунды грозила бы перегревом твэлов.

Поэтому на валу двигателя стоит массивный маховик. Запасённая в нём энергия не даёт насосу остановиться сразу: агрегат вращается по инерции и продолжает гнать воду — это называют выбегом. У ГЦН-195М постоянная выбега около 30 секунд: за это время подача снижается примерно в 2,7 раза, а мощность реактора уже упала. Когда насосы остановятся, тепло уносит естественная циркуляция: нагретая вода поднимается из активной зоны к расположенным выше парогенераторам, остывшая опускается обратно.

Маховик — ответственная деталь: массивный стальной диск, вращающийся с частотой около 1000 об/мин, и его разрушение на ходу недопустимо. Есть у насоса и антиреверсное устройство. Когда один насос стоит, а остальные работают, поток через его петлю идёт в обратную сторону и мог бы раскрутить колесо назад, как турбину; храповой механизм этого не допускает.

Насосный агрегат первого контура в разрезе (схема). Электродвигатель стоит сверху и вращает вал рабочего колеса; маховик продлевает выбег при обесточивании. Там, где вал выходит из корпуса, стоит торцевое уплотнение: в него подают запирающую воду под давлением выше, чем в контуре.

Уплотнение вала — самый тонкий узел

Вал выходит из корпуса насоса наружу, к двигателю. Значит, где-то вокруг него вода под давлением около 16 МПа граничит с помещением, где давление атмосферное. Эту границу держит торцевое уплотнение.

Принцип у него простой: два кольца — одно вращается вместе с валом, другое неподвижно — прижаты друг к другу плоскими торцами. Между торцами остаётся тончайшая плёнка воды, которая смазывает пару трения и почти не пропускает жидкость. Перепад давления срабатывается не на одной паре колец, а последовательно: у ГЦН-195М в уплотнении две основные ступени, разделительная и концевая.

Главная хитрость — запирающая вода. Чистую охлаждённую воду подают в уплотнение под давлением на несколько десятых мегапаскаля выше, чем на напоре насоса. Поэтому протечка идёт не из контура наружу, а наоборот: часть запирающей воды уходит внутрь насоса и дальше в контур, остальная проходит ступени уплотнения. Её собирают в систему организованных протечек и после очистки снова используют.

Вода контура и запирающая вода в уплотнении вала

Протечка через ступени уплотнения при нормальной работе — не больше нескольких десятков литров в час

Горячая радиоактивная вода контура к парам трения не попадает, а протечка через ступени уплотнения при нормальной работе — не больше нескольких десятков литров в час. Уплотнение и нижний подшипник охлаждает ещё и автономный контур: вспомогательное колесо на валу гоняет воду из этой зоны через выносной теплообменник. Поэтому у уплотнения вода остаётся сравнительно холодной, хотя под ним, в корпусе насоса, — вода около 290 °C.

Пары трения неизбежно изнашиваются, и уплотнение — главный объект ремонта ГЦН. О его состоянии судят по протечкам и температурам, за которыми следят постоянно.

С уплотнением вала или герметичный

Насосы с уплотнением вала применяют на ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 и на большинстве западных реакторов PWR. Их двигатель стоит снаружи, в воздухе, а контур от помещения отделяет уплотнение.

В герметичном, или бессальниковом, насосе уплотнения вала нет. Ротор электродвигателя вращается прямо в теплоносителе, а от обмоток статора его отделяет тонкостенная гильза. Насос и двигатель заключены в общий прочный корпус, и вода контура наружу не выходит в принципе. Сравнение двух схем выглядит так:

• протечки: у герметичного насоса их нет, насосу с уплотнением нужны система запирающей воды и сбор организованных протечек;
• КПД и мощность: у герметичного насоса КПД порядка 50–60 % против 80–85 % у насоса с уплотнением — энергия теряется на трение ротора в воде и на нагрев гильзы, — и сделать такую машину большой мощности трудно;
• выбег: маховик в герметичный насос поставить трудно — он оказался бы внутри прочного корпуса, в воде, — и у ранних насосов выбег был очень коротким: у ГЦЭН-310 для ВВЭР-440 постоянная выбега около 2 секунд;
• ремонт: двигатель насоса с уплотнением обслуживают отдельно от насоса, а у герметичного он сам — часть границы контура.

Герметичные насосы пришли на АЭС из судовых реакторных установок. Они стояли на ранних блоках с ВВЭР, в том числе на части блоков с ВВЭР-440. Есть они и в новых проектах: у американского AP1000 герметичные насосы с маховиками из тяжёлого вольфрамового сплава внутри корпуса. Но для мощных блоков с ВВЭР выбор сделан в пользу насосов с уплотнением вала.

Требования, испытания и ремонт

Корпус насоса — часть границы первого контура, поэтому к его металлу, сварным швам и контролю требования такие же строгие, как к главным трубопроводам; класс безопасности агрегата и его узлов задаёт проект. Корпус служит десятилетиями, а выемную часть, уплотнения и подшипники проектируют на определённый ресурс и по мере его выработки меняют или восстанавливают.

Насос рассчитывают и на землетрясение. При разогреве трубопроводы петли удлиняются, и вваренный в них насос смещается на несколько сантиметров, поэтому он стоит на шаровых опорах, а от сейсмических толчков его удерживают гидроамортизаторы: медленному тепловому перемещению они не мешают, а при резком толчке становятся жёсткими.

Новые насосы долго испытывают на стендах, где воспроизводят условия первого контура: например, программа ресурсных испытаний головного насоса ГЦНА-1753 — 5000 часов при температуре теплоносителя до 300 °C и давлении до 200 атмосфер. Серийные выемные части перед отправкой на станцию проходят приёмо-сдаточные испытания. Разработчик главных циркуляционных насосов для ВВЭР — АО «ЦКБМ» (Санкт-Петербург).

В эксплуатации состояние насоса отслеживают непрерывно: вибрацию, температуры подшипников и уплотнения, давление и расход запирающей воды, протечки. Вибродиагностика позволяет заметить износ подшипников, дисбаланс или задевание задолго до отказа, а при опасном росте вибрации насос отключают. При планово-предупредительном ремонте выемную часть поднимают, детали осматривают и измеряют, изношенные меняют, металл проверяют неразрушающим контролем — о ремонтной кампании и запасных частях рассказано в статье «Ремонт АЭС».

Что важно изготовителю деталей

ГЦН собирают из деталей, многие из которых — крупные и ответственные изделия сами по себе: корпуса, поковки валов и маховиков, отливки рабочих колёс, кольца и втулки уплотнений, детали подшипников, крепёж. Требования к ним задают класс безопасности, чертёж и план качества.

Особая история — кольца торцевых уплотнений. Их рабочие поверхности доводят притиркой, а плоскостность проверяют не индикатором, а по интерференционным полосам: к торцу прикладывают плоскую стеклянную пластину и считают полосы, каждая из которых соответствует примерно 0,3 мкм. Для пар трения подбирают износостойкие материалы, в том числе графитовые.

Ротор насоса балансируют, а собранный агрегат проверяют по вибрации. И всюду нужна чистота: стружка, оставшаяся в проточной части, окажется в первом контуре, а частица абразива между торцами уплотнения или в зазоре подшипника выведет узел из строя. Правила работы с нержавеющими сталями, прослеживаемость металла и документы на каждую операцию — те же, что описаны в статье «Механообработка для атомной отрасли».

Термины

• ГЦНГлавный циркуляционный насос — прокачивает теплоноситель первого контура через реактор и парогенераторы.
• Выемная частьВал с рабочим колесом, подшипниками и уплотнением, который извлекают из корпуса насоса целиком, не вырезая корпус из трубопровода.
• Направляющий аппаратНеподвижные лопатки вокруг рабочего колеса, которые превращают скорость потока в давление.
• Торцевое уплотнениеУплотнение вращающегося вала, в котором утечку перекрывают прижатые друг к другу торцы вращающегося и неподвижного колец.
• Запирающая водаЧистая вода, которую подают в уплотнение вала под давлением выше, чем в насосе, чтобы теплоноситель не выходил наружу.
• Гидростатический подшипникПодшипник скольжения, в котором вал держит слой жидкости, подаваемой под давлением.
• ВыбегВращение насоса по инерции после отключения двигателя; благодаря маховику расход снижается плавно.
• Герметичный насосНасос без уплотнения вала: ротор двигателя работает в перекачиваемой жидкости внутри общего прочного корпуса.

Частые вопросы

Зачем нужен главный циркуляционный насос?

Он прокачивает воду первого контура через активную зону и парогенераторы и тем самым отводит тепло от топлива. На энергоблоке с ВВЭР-1000 или ВВЭР-1200 четыре таких насоса — по одному на каждую петлю.

Почему радиоактивная вода не вытекает через уплотнение вала ГЦН?

В торцевое уплотнение подают чистую запирающую воду под давлением выше, чем на напоре насоса. Поэтому протечка идёт из уплотнения в контур, а не наоборот, а воду, прошедшую через ступени уплотнения, собирают в систему организованных протечек.

Зачем главному циркуляционному насосу маховик?

При обесточивании маховик не даёт насосу остановиться сразу: агрегат вращается по инерции, и расход воды через реактор снижается плавно, пока реактор глушится. После остановки насосов тепло уносит естественная циркуляция.

Чем герметичный насос отличается от насоса с уплотнением вала?

В герметичном насосе ротор двигателя вращается прямо в теплоносителе внутри общего прочного корпуса, поэтому уплотнения вала и протечек нет. Зато у таких насосов ниже КПД и их трудно сделать большой мощности, поэтому на ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 стоят насосы с уплотнением вала.

Какие параметры у насоса ГЦН-195М?

Подача около 20 000 м³/ч, напор около 0,67 МПа, частота вращения около 1000 об/мин; на горячей воде насос потребляет около 5 МВт. Агрегат вместе с двигателем весит около 140 т.