«Силовые машины» — единственная в мире компания, которая выпускает паровые турбины для АЭС большой мощности как по быстроходной, так и по тихоходной технологии. Причем речь идет о полном цикле — от проектирования до производства на базе Ленинградского Металлического завода (ЛМЗ) «Силовых машин». В чем особенность оборудования с точки зрения мощности, габаритов, требований к эксплуатации и обслуживанию, а также как компания развивает линейку отечественных турбин для атомной генерации, рассказал заместитель главного конструктора «Силовых машин» по паротурбинным установкам для АЭС Виталий Недавний.

В чем основные различия между быстроходными и тихоходными турбинами

Главное отличие «быстрохода» от «тихохода» — в количестве оборотов, которое совершают роторы турбины за единицу времени. Для быстроходной турбины — это 3000 оборотов в минуту, для тихоходной — в два раза меньше, 1500 оборотов. При общих входных данных по условиям работы турбин, скорость вращения роторов оказывает влияние и на габариты её основных деталей, и на конструктивное исполнение проточных частей, что делает выбор технологии крайне важным решением при определении паротурбинной установки (ПТУ).

Под входными данными, как правило, подразумеваются начальные и конечные параметры теплового цикла ПТУ. Так, тип реакторной установки определяет температуру, давление и расход пара на входе в турбину, а параметры пара за турбиной зависят от условий по охлаждающей конденсатор турбины воды и имеют существенные вариации.

Начнем с примеров. Современным поколением работающих быстроходных турбин являются референтные турбины «Силовых машин» электрической мощности до 1200 МВт в составе энергоблоков с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР). С 2017-го года турбины типа К-1200-6,8/50 эксплуатируются на АЭС с замкнутым циклом охлаждения конденсаторов турбинных установок (с применением градирен). Организация замкнутого водоснабжения задаёт определенные рамки по температуре и расходу охлаждающей воды, направляемой в конденсатор. Требования к температуре возвращаемой в конденсатор воды оказывает ограничительный эффект для турбины с точки зрения вакуума в конденсаторе. Применение быстроходных турбин для блоков с указанными условиями является оптимальным решением.  

При этом с ростом единичной мощности блоков АЭС с реакторами ВВЭР, например, для уровней мощностей выше 1250 МВт, и переходом от применения градирен к прямоточному водоснабжению, оптимальна установка тихоходных турбин. В мире активно ведется строительство подобных блоков атомных станций в непосредственной близости к водоемам, откуда напрямую выполняется забор воды для охлаждения конденсатора турбины. Примерами являются АЭС на берегу морей в Китае, Индии, Европе (АЭС Олкилуото в Финляндии, АЭС Фламанвиль во Франции и др.). На указанных АЭС реализован принцип интенсивного теплоотвода от конденсаторов с помощью больших объемов циркулирующей охлаждающей воды с низкой температурой. Это приводит к созданию глубокого вакуума в конденсаторах, что, в свою очередь, оправдывает рост ометаемой площади последних ступеней цилиндров низкого давления турбины за счет применения тихоходной технологии.

В России тоже есть действующие АЭС на «открытой воде», построенные в советское время, например, Балаковская АЭС, расположенная на берегу Саратовского водохранилища. Позднее атомные электростанции стали возводить с градирнями, согласно редакции действующего в России Водного кодекса. В настоящее время в Госдуме рассматривается законопроект с изменениями в Водный кодекс, разрешающими проектирование и строительство прямоточных систем водоснабжения для атомных и тепловых электростанций.

Если говорить о сравнении быстроходной и тихоходной технологий, то в чем разница их конструкций? Турбины отличаются по весу, габаритам (соответственно, материалоемкости), влиянию на затраты сооружения блоков и условиям обслуживания в течении срока службы. Общий вес быстроходной турбины составляет примерно 2000 тонн (для турбин, работающих в составе с реакторной установкой ВВЭР-1200), и она примерно на 30-35% легче, чем тихоходная для работы в составе ПТУ с аналогичными реакторными установками, то есть, менее металлоемкая. При этом необходимо отметить, что меньший вес и металлоемкость быстроходной турбины достигаются несмотря на то, что у тихоходной турбины количество цилиндров, как правило, меньше, чем у быстроходной машины.

Выбранная технология определяет также и вес отдельно взятых элементов турбины. Например, рабочая лопатка последней ступени быстроходной турбины весит примерно в 5 раз меньше, чем рабочая лопатка тихоходной турбины. Отчасти такая разница обуславливается применением титанового сплава в быстроходной турбине, а в тихоходной турбине – стальных лопаток. При этом, в целом, ротор цилиндра низкого давления тихоходной турбины тяжелее быстроходного более, чем в 3 раза.

К чему это ведет на практике с точки зрения обслуживания турбин? Если лопатку быстроходной турбины можно смонтировать на ротор силами одного специалиста, то монтаж лопатки тихоходной турбины рабочим самостоятельно невозможен без применения грузоподъемных механизмов. Таким образом, сборка ротора быстроходной турбины занимает значительно меньше времени и усилий в сравнении с тихоходной. Доставить с завода на станцию ротор низкого давления «быстрохода» можно в полностью собранном виде. Тихоходный же ротор низкого давления транспортируется с частично снятыми лопатками последних ступеней (самыми длинными), для последующей сборки которых на станции необходим специальный механизированный стенд и дополнительное время на установку.

Какое влияние на машинный зал оказывает выбор технологии? Больший вес отдельных узлов тихоходной турбины учитывается при проектировании машинного зала. В нем необходимо предусматривать усиленные участки, предназначенные для размещения тяжелых деталей. В частности, такой участок обязателен для специализированного стенда, предназначенного для установки на нем ротора турбины или генератора во время его ремонта и обслуживания. Быстроходные же роторы дополнительного аналогичного усиления полов в машинном зале не требуют.  Другой пример - при одинаковых оперативных отметках расположения быстроходной и тихоходной турбин (+16÷17 метров), установка мостового крана в машзале с тихоходной турбиной выше по сравнению с машзалом для быстроходного агрегата. Определяется это в том числе максимальными поперечными габаритами отдельных частей турбины, например, ротором низкого давления (РНД), который у «тихохода» как минимум в 1,5 раза больше, чем «быстрохода».  При вскрытии цилиндров тихоходной турбины крышку ЦНД с помощью мостового крана нужно поднимать выше, чем при аналогичных работах с «быстроходами».

В чем особенность тихоходной турбины «Силовых машин»

Разработанная «Силовыми машинами» тихоходная турбина предназначена для эксплуатации в составе энергоблоков атомных станций нового поколения «3+», спроектированных с учетом требований проектов двухблочной АЭС «ВВЭР-ТОИ» и «ВВЭР-1200». До «Силовых Машин» в России тихоходные турбины не изготавливались, хотя такая технология активно применяется производителями турбин для АЭС за рубежом. Сегодня техническими решениями по проектированию и изготовлению тихоходных турбин «под ключ» владеет ряд компаний в странах Европы, Азии и США. Теперь Россия входит в число этих стран, ведь «тихоход» «Силовых машин» — это полностью отечественная разработка.

Новый энергоблок российской АЭС с головным образцом тихоходной турбины производства «Силовых машин» успешно запущен в промышленную эксплуатацию и начал поставку электроэнергии. По результатам гарантийных испытаний турбоустановка с запасом подтвердила заложенную в проект мощность 1255 МВт и превзошла по экономичности известные зарубежные аналоги. В дальнейшем «Силовые машины» планируют развитие линейки таких турбин с повышением электрической мощности до 1300 МВт (К-1300-6,8/25), а в перспективе ее основные решения можно применять для блоков АЭС мощностью до 1600 МВт и выше.

Технические характеристики референтных и перспективных тихоходных турбин

Выделим особенности отдельных элементов тихоходной турбины. В конструкции «тихохода» «Силовых машин» используются роторы, сваренные из отдельных дисков, более легкие по сравнению с роторами с насадными дисками или цельноковаными роторами для аналогичных габаритов. Это решение позволяет снизить статическую нагрузку на фундамент на станции.

Еще одно преимущество заключается в конструкции рабочей лопатки последней ступени ротора тихохода. Её длина составляет 1760 мм. Этот параметр определяет площадь выхлопа пара последней ступени турбины и количество ее цилиндров. Применение такой рабочей лопатки позволило сформировать оптимальную структурную схему турбины с двумя отдельными цилиндрами низкого давления и одним совмещенным — высокого-среднего давления (К-1200-6,8/25).

В настоящее время «Силовые машины» ведут разработку лопатки последней ступени ротора длиной 2000 мм, что обеспечит еще более высокий уровень КПД и мощности турбины (К-1250-6,8/25). При определенных условиях по температуре охлаждающей конденсаторы турбины воды КПД турбины превысит 38%. За счет большей длины лопатки увеличение единичной площади выхлопа составит почти 20%.

Внедрение новых технологий для изготовления узлов и деталей тихоходной турбины, потребовало создания современных производственных мощностей. Специально для выпуска тихоходных агрегатов «Силовые машины» построили новый специализированный производственный комплекс. Инвестиции в его строительство и оснащение составили более 7 млрд. рублей.

Какие виды современных быстроходных турбин разрабатывают «Силовые машины»

Быстроходные турбины, изготовленные на ЛМЗ, много лет работают на более чем 20 энергоблоках атомных электростанций России, стран СНГ, Индии, Ирана и Китая. «Силовые машины» ведут работу на проектах АЭС с реакторами ВВЭР за рубежом, например, в Индии. Размещение АЭС с быстроходными турбинами 1000 МВт планируется на Дальнем Востоке России.

 Продолжают развиваться российские технологии в области атомной энергетики, направленные на создание блоков АЭС с реакторными установками (РУ) на повышенные, относительно ВВЭР, параметры пара. К таковым относятся РУ на быстрых нейтронах с натриевым и свинцовым теплоносителем - БН-1200 и БР-1200 соответственно. В эксплуатации находятся установки БН-600 и БН-800, в составе которых - быстроходные турбины К-210-130 и К-800-130/3000 "Силовых машин". Отдельно нужно выделить проект с турбиной мощностью 300 МВт для реактора на быстрых нейтронах.

При применении в составе энергоблоков БН/БР тихоходной турбины, для срабатывания возросшего теплоперепада (относительно РУ ВВЭР), потребуется увеличение количества ступеней турбины в сравнении с «быстроходом», что может привести к необходимости установки дополнительного цилиндра. Данный факт имеет большое влияние на выбор технологий турбин при единичной мощности энергоблоков выше 1200 МВт. Это связано с оптимумом по критериям экономичности и металлоемкости оборудования, а также влиянием на размеры машзала: масса турбин в тихоходном исполнении для работы в составе ПТУ с РУ БН/БР в 2 раза больше, чем турбин в быстроходном исполнении, а занимаемая площадь – больше на 60%.

Современные конструкции быстроходных машин экономичны и просты в эксплуатации. К примеру, при ремонтных работах на «быстроходе» не требуется выполнять фиксацию, демонтаж и последующий монтаж подходящих к крышке цилиндра трубопроводов свежего пара и промежуточного перегрева, так как все трубы, подведенные к быстроходной турбине, расположены в нижней части цилиндра. Это повышает ремонтопригодность турбины и сокращает сроки ремонтов.

Технологическое отличие современных проектов быстроходных турбин «Силовых машин» - оснащение лопатками последней ступени из титанового сплава с обновленным профилем пера длиной 1200 мм каждая. Из конструкции лопаток исключаются демпферные связи в виде проволоки. Теперь этот элемент заменен на промежуточную полку, являющуюся единым целым с пером лопатки (снаббер). Эта промежуточная полка фрезеруется заодно с пером лопатки, и обеспечивает гарантированную связь лопаток между собой при выходе ротора на рабочие частоты вращения. Такое решение позволяет добиться минимального износа бандажа лопатки и сократить количество ее ремонтов за срок службы. Подобная новая конструкция рабочих лопаток уже работает на турбине К-1000-60/3000 после ее модернизации.

Среди других особенностей современных быстроходных турбин для работы с реакторами ВВЭР  — симметричная двухпоточная конструкция всех цилиндров, позволяющая выполнять упорные подшипники разгруженными, а также применение в проточных частях цилиндров высокого и низкого давления сотовых вставок в надбандажных уплотнениях для сокращения протечки пара и повышения КПД турбины. Кроме того, корпуса цилиндров высокого давления таких турбин сделаны из нержавеющей̆ стали для защиты от эрозионных повреждений.

Для повышения экономичности действующих и перспективных паротурбинных установок АЭС компания провела и продолжает реализацию комплекса НИОКР по улучшению эффективности паровых турбин. Сегодня «Силовые машины» предлагают для АЭС турбоустановки с оптимизированными техническими решениями по проточным частям, камерам отборов, паровпускам и паровыпускам цилиндров турбины, органам парораспределения и вспомогательному оборудованию.

Технические характеристики референтных и перспективных быстроходных турбин

Линейка паровых турбин «Силовых машин» для российских реакторных установок

С точки зрения перспектив поставки турбин для атомной генерации внутри страны «Силовые машины» ориентируются на «Генеральную схему размещения объектов электроэнергетики до 2042 года», утверждённую Правительством Российской Федерации 30 декабря 2024 года. Компетенции и производственные возможности «Силовых машин» позволяют поставлять оборудование как по быстроходной, так и тихоходной технологии для любых АЭС как в России, так и для международных проектов на базе российских реакторных установок. Каждая технология имеет свои особенности и преимущества. Производственные мощности «Силовых машин» позволяют серийно выпускать качественные паровые турбины для атомной генерации и обеспечивать оптимальные технические решения генерирующего оборудования для АЭС. Выбор делает заказчик, исходя из условий и технико-экономических параметров конкретного проекта.