Фрагин М.С. Регулирование и маслоснабжение паровых турбин: настоящее и ближайшая перспектива

Подождите немного. Документ загружается.

Приложение V 211

Приложение V. Системы смазки турбинных

агрегатов на огнестойком масле *

Потери, связанные с загоранием нефтяного мине-

рального масла в паротурбинных и газотурбинных агрегатах

тепловых и атомных электростанций, огромны. Неоднократно

публиковались списки разрушительных пожаров на электро-

станциях, выводившие агрегаты из работы на длительное время,

дополнительные потери вследствие чего часто значительно

превышали и без того огромные затраты на восстановление

агрегатов. Неоднократно цитируются различные списки таких

пожаров, например, 185 пожаров в США с 1931 по 1983 гг., 97

пожаров в Европе и США с 1972 по 1996 гг., хотя понятно,что

по многим причинам списки эти не могут быть полными.

С середины 50-х годов начались как широкое обсуждение в

среде энергетиков проблемы устранения пожарной опасности,

что нашло отражение в ряде первых публикаций об огнестойких

маслах в журнале Power в 1954 - 56 гг., так и активные работы

по созданию новых огнестойких турбинных масел и замене ими

пожароопасных нефтяных турбинных масел, некоторые

результаты которых обобщены в [К23, С24].

Но и сегодня, спустя 50 лет, на вопрос, решена ли эта

проблема, нельзя однозначно ответить ни "да", ни "нет".

Практически все ведущие турбостроительные фирмы в

современных электрогидравлических системах регулирования

паровых турбин используют огнестойкие масла (гидрав-

лические жидкости), так что на них работают системы

регулирования уже более 1000 крупных турбин, хотя исполь-

зуемые в них масла не всегда могут быть пригодны и для смазки

* по материалам статьи [С23]

212 Приложение V

подшипников, где условия работы для масла более тяжелые, чем

в системе регулирования - значительный нагрев, частое

обводнение, аэрирование, большие объёмы. Тем самым был

устранён один из важных источников масляных пожаров в

машинных залах электростанций, однако, как было ясно с

самого начала, отнюдь не единственный.

И вместе с этим следует констатировать, что боль-

шинство тех же турбостроительных фирм до сих пор не пошло

на широкую замену нефтяных масел на огнестойкие в системах

смазки крупных паровых турбин. Этим самым вероятность

возникновения масляных пожаров в турбинных залах

электростанций по-прежнему сохраняется на достаточно

высоком уровне. Частота же масляных пожаров только

увеличивается. Это связано с повышением параметров,

усложнением агрегатов, уменьшением эксплуатационного

персонала. Если в 1950-х гг. один пожар в США приходился в

среднем на 200 лет работы блока, то в 1960-х уже на 140,

в 1970-х - на 100, а сейчас - примерно на 40 лет [С25]. Можно

указать только на один из последних пожаров в США на блоке

428 МВт в августе 2000 г. И всё это несмотря на то, что в

мире имеется длительной (12...15 лет, а иногда и до 30 лет) и в

целом весьма и весьма положительный опыт работы

огнестойких масел в системах смазки турбин разных типов, и

что на рынке имеются весьма качественные огнестойкие

масла, удовлетворяющие всем условиям работы в подшипниках

турбоагрегатов.

Опыт использования огнестойкого масла в

подшипниках паровых турбин. Все фирмы имеют свой опыт

работы огнестойких масел в системах смазки, однако, он не у

всех был успешным и это влияло на ход дальнейшей работы,

Приложение V 213

или он ограничивался турбинами малой мощности [К22]. Одним

из наиболее значительных достижений в области применения

огнестойких масел для смазки подшипников безусловно

является использование с 1985 г. в системах смазки 10 мощных

паровых турбин ЛМЗ (7-ми турбин мощностью по 800 МВт на

ТЭС и 3-х турбин мощностью по 1000 МВт на АЭС) огнестойких

масел ОМТИ и ОМТИ-2К. Эти огнестойкие масла, как и все

типы огнестойких масел, использовавшихся ЛМЗ с 1963 г., были

созданы и всесторонне изучены Всеросийским тепло-

техническим институтом (ВТИ, г. Москва). Из-за возникших

после распада СССР трудностей с производством огнестойких

масел в России и приостановкой изготовления и ввода новых

турбин большой мощности, эта практика временно не стала

расширяться.

Снабжение работающих электростанций огнестойким

маслом было переориентировано на аналогичные масла

Reolube-OMTI и Reolube-OMTI-32, освоенные ранее по лицензии

ВТИ на заводе в Манчестере (Англия), принадлежавшем затем

компании Great Lakes Chemical Corporation (USA), а позднее

также и на масло Fyrquel-L, разработанное компанией Akzo-

Nobel (USA) со свойствами, аналогичными ОМТИ, для поставки

на турбины ЛМЗ. Некоторые результаты эксплуатации этих сис-

тем изложены в [С24,С25,С27]. Но главный итог очевиден —

продолжающаяся уже 15 лет успешная работа на огнестойком

масле турбин и генераторов с подшипниками диаметром 450,

520 и 600 мм с частотой вращения 50 Гц и длиной валопровода

50...70 м. При этом в этих блоках системы смазки главной

турбины и питательных насосов объединены, поэтому на

огнестойком масле работают и все маслосистемы питательных

электро- и турбонасосов.

214 Приложение V

Необходимые условия успешного проведения этой

работы, как всякой работы подобного рода, были следующие.

В первую очередь, необходимо было желание заказчика

(эксплуатирующей организации), вложить дополнительные

средства и силы ради повышения надежности работы

электростанции. Такое желание было изначально и следует

отметить, что по мере накопления опыта работы это желание

только усиливалось. Даже эмоционально тяжело видеть

катастрофические последствия отдельных масляных пожаров,

не говоря уже об экономических последствиях.

А таких пожаров с обрушением кровли машзала в СССР

в 60...80 гг. было достаточно, в том числе при освоении блоков

300 и 500 МВт на параметры 240 ата в отдалённых промыш-

ленных регионах (Сыр-Дарьинская ГРЭС в Узбекистане,

Экибастузская ГРЭС в Казахстане, Азербайджанская ГРЭС

в Азербайджане, Ириклинская ГРЭС в Оренбургской обл. и

т.п.). Поэтому эксплуатационники пошли даже на проведение

опытной эксплуатации в течение 3-х лет (1972...76 гг.) на

огнестойком масле системы смазки турбоагрегата мощностью

300 МВт ЛМЗ на Кармановской ГРЭС [С26]. После успеха

испытаний это желание трансформировалось в требование при

заказе новых блоков 800 и 1000 МВт выполнить их приспо-

собленными к применению огнестойкого масла в системе

смазки агрегатов.

Во-вторых, необходимо, конечно, хорошее огнестойкое

масло. В ВТИ за это время под руководством Е.Д. Вилянской

была проведена огромная работа по созданию, освоению

технологии изготовления и всесторонним испытаниям

нескольких марок огнестойких масел, каждое из которых

Приложение V 215

отличалось от предыдущего лучшими физико-химическими,

токсикологическими, технологическими свойствами.

Последняя марка ОМТИ (Reolube-OMTI) действи-

тельно является одним из лучших огнестойких масел, которое

удовлетворяет практически всем условиям работы в паровых

турбинах. Состав, свойства этих масел широко описаны в [К22,

К23,К4,К1].

В-третьих, не менее важным слагаемым успеха

является позиция поставщиков турбоагрегатов, их желание

также затратить дополнительные силы и средства для

достижения поставленной задачи (и опыт работы показал это

со всей очевидностью). Турбостроители обычно весьма

консервативны, в лучшем смысле этого слова, и это естественно,

т.к. требуется предусмотреть и учесть все возможные

отдалённые последствия решений, принимаемых на ранней

стадии проекта.

От зарождения проекта, принятия решений до их осу-

ществления проходит 5... 10 лет, и трудно вносить существенные

изменения по мере получения новых данных, т.к. детали имеют

длительный цикл изготовления и их стоимость весьма

значительна. Чтобы преодолеть этот консерватизм, надо

своевременно правильно понять и оценить все преимущества

нового решения, что возможно только при условии тесной

совместной работы разработчиков масла и разработчиков

турбины. В данном случае это как раз имело место, а позиция

ЛМЗ была определена довольно чётко и своевременно при

начале разработки нового ряда турбин [С28].

Особенности свойств огнестойкого масла ОМТИ.

Хотя при разработке огнестойких масел стремились макси-

мально приблизить их свойства к свойствам минерального

216 Приложение V

масла, они, конечно, имеют и существенные отличия. Некоторые

из этих свойств весьма привлекательны для конструкторов,

другие - просто должны быть учтены. К таким привле-

кательным свойствам, в первую очередь, относятся, естест-

венно особенности его свойств огнестойкости.

При разрушении подшипника во время работы турбины

в нём из-за трения выделяется огромное количество теплоты,

температура значительно превосходит температуру само-

воспламенения масла, и наружу вырывается горящее масло.

Но оно гаснет, т.к. ОМТИ не поддерживает горения. При

производстве сварочных работ на маслопроводе огнестойкое

масло может загореться, но пламя не распространяется по

струе и при прекращении этих работ гаснет. При постепенном

пропитывании тепловой изоляции протечками масла из-за

возможного понижения в таком состоянии температуры

самовоспламенения огнестойкое масло может даже загореться,

но возникающие язычки пламени тотчас же гаснут. Все эти

явления наблюдались в эксплуатации, но при использовании

огнестойкого масла не приводили к каким-либо серьёзным

последствиям.

За прошедшие годы произошел по крайней мере один

выброс более 30 тонн горящего масла при разрушении

подшипника на турбине 1000 МВт АЭС по причинам, не

имеющим отношения к системе смазки. При использовании

минерального масла это привело бы, скорее всего, к полному

разрушению машзала, а так - всего лишь к работам по уборке

вылившегося масла. Этот случай продемострировал правиль-

ность подхода к огнестойкому маслу как элементу ядерной

безопасности АЭС, каковым не следует пренебрегать. Для

более широкого использования ОМТИ в других маслосистемах

Приложение V 217

агрегатов АЭС была разработана присадка, повышающая

стойкость ОМТИ при воздействии радиации [П28].

Свойства огнестойкости позволили также реализовать

на турбинах большой мощности следующие мероприятия

[К4,К1]:

- отказаться от привода главного масляного насоса от

вала турбины и перейти к электроприводу с возможностью

многократного резервирования;

- выполнить систему аварийного маслоснабжения из

аварийных ёмкостей в крышках подшипников при останове

турбины в случае прекращения подачи масла от насосов. При

применении минерального масла по причине пожароопасности

было бы неприемлемым такое выполнение маслосистемы с

суммарным объёмом этих дополнительных ёмкостей 6 м ,

необходимых по условиям работы турбины 1000 МВт [С29];

- отнести масляный бак в сторону от турбины (иногда

в отдельное помещение);

- отказаться от автоматизации ввода в работу средств

пожаротушения и отключения турбины, что исключает

возможность их ложной работы.

Всё это существенно упрощает турбину, компоновку

турбинного зала, и само по себе повышает надежность работы

турбоагрегата, помимо обеспечения пожаробезопасности.

Другим важным свойством огнестойких масел является

возможность работать при более высоких температурах масла.

В подшипниках мощных турбин с увеличением диаметров

шейки ротора (более 450 мм) меняется характер течения масла

в зазоре между шейкой ротора и вкладышем подшипника, в

зоне турбулентного течения резко растут потери мощности с

увеличением диаметра, что ведёт к повышению нагрева масла,

218 Приложение V

а, значит, к необходимости увеличения расхода масла с ещё

большим увеличением потерь. Чрезмерный нагрев мине-

рального масла ведёт к его всё ускоряющемуся старению,

необходимости его непрерывной регенерации и увеличенным

потерям масла. При использовании огнестойкого масла

возможно работать при более высокой температуре, опреде-

ляемой, конечно, допустимой температурой баббита (в этом

направлении также ведутся работы по поиску лучших

материалов), уменьшить расход масла на 25...30%, применить

в крупных подшипниках схему подвода масла прямо в масляный

клин и существенно (в несколько раз) сократить потери в

подшипниках [К19]. Для турбины 1000 МВТ это составляет

несколько МВт.

Важным является также отсутствие в огнестойком

масле присадок. Условия работы масла в турбинных подшип-

никах очень тяжёлые, при прохождении через масляный клин в

вакуумных зонах в него подсасывается до 20% воздуха, часты

случаи обводнения масла через концевые уплотнения роторов

турбины, питательных насосов, особенно в процессе пусков и

остановов. Масло должно обладать хорошими свойствами по

отделению воды и воздуха, чтобы они успевали выделиться из

масла во время нахождения масла в баке, в противном случае

начинается интенсивное старение масла, шламование и

ржавление трубопроводов и пр.

Современные минеральные масла могут обеспечивать

работу в таких условиях только при введении в них целого

комплекса присадок. Однако, при удалении воды некоторые

присадки удаляются вместе с водой. При несвоевременном

добавлении присадок, а постоянный контроль за их содержанием

обычно затруднён, удаление воды и воздуха ухудшается; на

Приложение V 219

практике в некоторых баках в масле скапливалось до 10% воды,

возникала реальная опасность попадания воды в маслонасос и

подшипники турбины, т.к. вода тяжелее минерального масла и

скапливается в нижней части бака. Чтобы предотвратить это,

часто применяют дополнительные способы интенсификации

удаления воды с помощью непрерывно включенных ценрифуг,

что всегда является источником значительных потерь масла.

Огнестойкие же масла типа ОМТИ обладают всеми необхо-

димыми технологическими свойствами (хорошими деэмуль-

гирующей и деаэрирующей способностями, стабильностью

против окисления в присутствии воды) без применения каких-

либо присадок. Удаление же воды, попавшей в огнестойкое

масло, происходит самым естественным образом путём

испарения с поверхности бака и уноса эксгаустерами, а т.к.

огнестойкое масло тяжелее воды, унос масла при этом

минимальный. Всё это упрощает уход за маслом и создаёт

хорошие предпосылки для уменьшения потерь и реального

значительного увеличения срока службы масла.

При всём при этом огнестойкое масло обладает хоро-

шими смазывающими свойствами, по таким показателям как

липкость, меньший коэффициент трения при полужидкостном и

сухом трении, возможностью работать при более высоких

удельных нагрузках. Это важно для подшипников главной

турбины при работе в условиях возможной расцентровки

длинных валопроводов, особенно в период пусков и остановов,

при выбеге тяжелых роторов без включения насосов гидро-

подъёма. Важно это и при работе многих узлов системы смаз-

ки - валоповоротного усройства, насосов гидроподъёма и т. п.

Некоторые физико-химические показатели ОМТИ (и,

повидимому, всех масел на основе триарилфосфатов) также

220 Приложение V

обладают рядом более или менее существенных отличий от

хорошо всем знакомого минерального масла, которые следует

учитывать при проектировании систем на огнестойком масле

или при переводе их на огнестойкое масло. Это - разница в

плотности. ОМТИ тяжелее минерального масла примерно на

30 % и соответствнно имеет большую величину динамической

вязкости, определяющей подъём ротора и количество

выделяемой теплоты при гидродинамическом режиме смазки.

Это обстоятельство вызывает необходимость увели-

чения потолочных и боковых зазоров в подшипниках при

применении огнестойкого масла при прочих равных условиях.

На практике удавалось подобрать значение этих зазоров,

приемлемое при работе как на одном, так и на другом маслах.

Кстати, теплоёмкость масла, отнесённая к единице объёма, у

ОМТИ даже больше, чем у минерального масла. Из-за большей

плотности уменьшается также скорость выделения воздуха из

огнестойкого масла в баке, однако в отличие от первых образцов,

у ОМТИ скорость выделения воздуха достаточна велика,

поэтому разработанные новые воздухоотделители в виде

пакетов наклонных пластин, разделяющих поток масла на

множество струй малой высоты, и улучшающие выделение из

масла также мехпримесей и воды, могут быть использованы

для увеличения кратности циркуляции масла в системе и

уменьшения объёма бака.

Величина плотности влияет также на величину давления,

развиваемого центробежными насосами смазки. Следует

подчеркнуть значительно большую растворяющую способность

огнестойкого масла по сравнению с минеральным в отношении

многих применявшихся в турбостроении прокладочных,

уплотнительных и изоляционных материалов и резин,