Теплоэнергетика, 2022, № 8, стр. 14-20

ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ЭНЕРГОБЛОКЕ № 1 НОВОВОРОНЕЖСКОЙ АЭС-2

За время эксплуатации турбины К-1200-6.8/50 энергоблока № 1 НВАЭС-2 произошло несколько событий, связанных с выходом из строя элементов системы автоматического регулирования и защиты:

обрыв тяги пружинного блока регулирующего клапана высокого давления (РК ВД) 10MAA14AA240 в резьбовом соединении (15.11.2016 г.);

разрушение штока датчика положения РК ВД 10MAA12AA240 (29.10.2017 г.);

раскручивание специальной гайки стопорного клапана высокого давления (СК ВД) 10MAA02AA140 (17.05.2017 г.);

повреждение импульсного трубопровода к датчику давления в паропроводе свежего пара системы 10LBA (01.10.2018 г.).

Эти аварии произошли вследствие повышенной вибрации трубопроводов и оборудования указанных систем. В целях предотвращения аналогичных событий при эксплуатации энергоблока и снижения повышенных вибраций трубопроводов были выполнены следующие работы по определению резонансных частот вибраций в данных трубопроводах:

анализ проектной, заводской и монтажной документации трубопроводов свежего пара систем 10LBA, трубопроводов перепускных труб высокого давления системы 10MAA и элементов опорно-подвесной системы (ОПС) энергоблока № 1 НВАЭС-2;

проверка соответствия проекту трассировки трубопроводов, ОПС;

анализ результатов проверки трассировки трубопроводов и ОПС систем 10LBA и 10MAA на соответствие проекту со сравнением с аналогичными системами на энергоблоке № 2 НВАЭС-2 и энергоблоке № 1 ЛАЭС-2;

виброобследование оборудования систем 10LBA и 10MAA в контрольных точках при номинальных параметрах среды;

построение геометрической и математической моделей трубопроводов и арматуры систем 10LBA и 10MAA на основании анализа исходных данных и реальных размеров трубопроводов;

определение резонансных частот вибраций трубопроводов свежего пара системы 10LBA и трубопроводов перепускных труб высокого давления системы 10MAA энергоблока № 1 НВАЭС-2.

По результатам работ было подгготовлено расчетное обоснование способов снижения вибрации трубопроводов свежего пара системы 10LBA и трубопроводов перепускных труб высокого давления системы 10MAA до нормативных значений для энергоблока № 1 НВАЭС-2.

РАЗРАБОТКА ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ 10LBA И 10MAA

При исследовании систем 10LBA и 10MAA с целью определить собственные частоты заданной трассировки трубопроводов с расположением ОПС и причины повышенных уровней вибраций на оборудовании и трубопроводах использовали математическую модель на базе программы ANSYS. Одним из наиболее важных и ответственных этапов выполнения работ было построение конечно-элементной математической сетки, точно описывающей геометрическую модель конструкции, при которой создание твердотельной модели заменяется набором конечных элементов. При проведении работ была создана пространственная геометрическая 3D-модель, в которой были использованы геометрические размеры трубопроводов и арматуры и расположение ОПС в соответствии с проектной документацией (рис. 1).

Рис. 1.

Расчетная математическая модель трубопроводов свежего пара системы 10LBA и трубопроводов перепускных труб высокого давления системы 10MAA энергоблока № 1 НВАЭС-2. ПГ – парогенератор; ГПЗ – главная паровая задвижка; ЦВД – цилиндр высокого давления; КИП – контрольно-измерительные приборы; 1–4 – трубопровод свежего пара от ПГ-1–ПГ-4; 5–6 – байпас ГПЗ-1–ГПЗ-4; 7 – паровое кольцо 10LBA; 8 – трубопровод датчиков КИП 10LBA; 9 – на вход в ЦВД; 10 – перепускные трубы 10МАА

Для выполнения расчетов в программу ANSYS вводили точные значения следующих параметров и характеристик:

геометрических размеров оборудования и трубопроводов (по чертежам с выборочной проверкой и уточнением по месту);

массовых характеристик арматуры, регулирующих клапанов (по паспортам на оборудование);

расположений неподвижных, направляющих и скользящих опор, простых подвесок, пружинных подвесок/опор на трубопроводах, демпфирующих устройств (по чертежам с выборочной проверкой и уточнением по месту);

характеристик пружинных подвесок (нагрузка на пружину, жесткость по проекту);

характеристик демпферов (были добавлены значения эквивалентной динамической жесткости в соответствии с [2]);

плотности и давления свежего пара от парогенераторов ПГ-1–ПГ-4 (согласно показаниям штатных замеров);

массы теплоизоляции (проектные данные).

Массу трубопроводов определяли на основании плотности материала (7850 кг/м³) с учетом массы среды (свежего пара). Плотность пара при номинальной мощности энергоблока составляла 33 кг/м³. Тепловая изоляция трубопроводов выполнялась с помощью матов толщиной 60 мм из штапельного супертонкого базальтового волокна плотностью 44 кг/м³ (тип 6С, ткань Т-23 производства ООО “Ивотстекло”). Маты закрывались листами толщиной 0.7 мм из алюминиевого сплава плотностью 2800 кг/м³. Плотность среды и масса теплоизоляции были включены в расчетную модель как дополнительная масса на единицу длины трубопровода.

С помощью программы ANSYS моделировали нагрузку на трубопроводы от различных факторов (массы самих трубопроводов, теплоизоляции, среды, а также внешней и внутренней температуры и давления). При номинальной тепловой мощности реакторной установки задавали давление пара 6.9 МПа, температуру 287°С.

Для подтверждения достоверности математической модели и оценки изменения собственных форм трубопроводов системы были выполнены модальный анализ (расчет собственных форм колебаний и собственных частот) трубопроводов систем 10LBA и 10MAA и сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными на энергоблоке № 1 НВАЭС-2. Сравнительный анализ экспериментальных данных по измерению собственных частот f с использованием модального молотка в выбранных контрольных точках показал удовлетворительную сходимость с данными расчетов, проведенных с помощью программы ANSYS.

Результаты измерений скорости колебаний участка трубопровода v и нормированной амплитуды колебаний A по одной из точек приведены на рис. 2. Несмотря на большой диаметр исследуемого трубопровода и отсутствие возможностей для создания необходимых усилий для возбуждения трубопровода, экспериментальный модальный анализ выявил в рассматриваемой зоне доминирующие собственные частоты в районах 2 и 13 Гц (направление в сторону оси турбоагрегата), что подтвердилось (в пределах погрешности) теоретическим расчетом и дальнейшими результатами виброобследования на номинальной мощности энергоблока.

Рис. 2.

Экспериментально (б) и теоретически (в) определенные доминирующие собственные частоты на перепускных трубах РК ВД-4 10MAА (а) (направление в сторону оси турбоагрегата)

СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ПОВЫШЕННОГО УРОВНЯ ЭКСПЛУТАЦИОННЫХ ВИБРАЦИЙ ТРУБОПРОВОДОВ

При номинальной мощности энергоблока № 1 было выполнено виброобследование трубопроводов систем 10LBA и 10MAA в 225 контрольных точках (в двух или трех направлениях) с определением среднеквадратического значения (СКЗ) виброскорости и фиксацией частотных спектров. В отдельных контрольных точках было обнаружено превышение измеренного СКЗ виброскорости над нормируемым 12 мм/с, определенным в соответствии с [3].

На рис. 3 показан экспериментальный частотный спектр в точке № 29 c СКЗ виброскорости 15.6 мм/с и СКЗ виброперемещения 354.2 мкм. Точка № 29 расположена на трубопроводе датчиков контрольно-измерительных приборов (КИП) парового кольца 10LBA (рис. 4). Явно выраженная доминирующая резонансная частота 10 Гц подтверждается результатами модального анализа по программе ANSYS (см. рис. 3).

Рис. 3.

Экспериментальные (а) и теоретические (б) частотные спектры в контрольной точке № 29 (поперечное направление)

Рис. 4.

Дополнительный демпфер типа VD-630/325-15 (а), установленный на трубопровод датчиков КИП 10LBA, и модель конструкции системы с демпферами (б)

В целях снижения уровня повышенных вибраций трубопроводов был применен способ изменения собственного частотного спектра трубопровода в сторону смещения в высокочастотную область от резонансной частоты, подтвержденной экспериментально и теоретически. В модели ANSYS в местах максимального перемещения трубопровода несколькими итерациями были добавлены дополнительные демпферы различного типа. Эквивалентную динамическую жесткость задавали в соответствии с доминантной резонансной частотой, измеренной на участке трубопровода и рассчитанной с температурной поправкой [4, 5]. Например, для конструкции системы с подобранными дополнительными демпферами типа VD-630/325-15, установленными на трубопровод датчиков КИП 10LBA (см. рис. 4), результаты моделирования подтвердили значительное уменьшение колебаний системы на рассматриваемой частоте вибрации в контрольных точках (рис. 5). Эти демпферы используются на участке трубопровода от парогенератора ПГ-4 в районе главной паровой задвижки и имеют идентификатор 10LBA40BQ205/001.

Рис. 5.

Теоретические частотные спектры до (а, в) и после (б, г) установки демпферов типа VD-630/325-15 на трубопроводе датчиков КИП в контрольных точках № 29 (а, б) и № 30 (в, г) (поперечное направление)

В результате моделирования отмечено смещение резонансных частот от 10 Гц в высокочастотную область в поперечном направлении (см. рис. 5). Для максимальной эффективности и гарантированного снижения уровня эксплуатационных вибраций потребовалось смоделировать установку двух демпферов [6].

ВЫВОДЫ

1. Основные резонансные частоты, вызывающие повышенные вибрации в трубопроводах систем 10LBA и 10MAA на номинальной мощности энергоблока № 1 НВАЭС-2, имеют следующие приблизительные значения:

10 Гц на трубопроводе датчиков КИП;

6–8 Гц на байпасе ГПЗ-1, 2 и ГПЗ-3, 4;

3 Гц, 12–13 Гц на перепускных трубах высокого давления от РК ВД-2, 4 и от РК ВД-1, 3 10MAA в направлении вдоль оси турбоагрегата и 5–6 Гц в направлении перпендикулярном оси турбоагрегата;

2, 3, 7 и 9 Гц на прямых участках трубопроводов от парогенераторов до ГПЗ.

2. Совпадение частоты пульсаций давления пара (возбуждающая сила) с одной (или несколькими) из собственных частот трубопроводов является причиной резонанса и возникновения резонансных частот вибраций на участках трубопроводов систем 10LBA и 10MAA. Существующие опорно-подвесные системы 10LBA и 10MAA не исключают возникновение резонансных частот на номинальной мощности энергоблока № 1 НВ АЭС-2.

3. В целях сдвига выявленных собственных частот в высокочастотную область, снижения уровня эксплуатационных вибраций систем 10LBA и 10MAA в модели на отдельных участках трубопроводов добавлены дополнительные демпферы.