Вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин

Розглянуто вплив вологості та чистоти водню на надійність та енергоефективність потужних електричних машин. Складено перелік можливих домішок, що мають можливість потрапити до корпусу генератора, показано їхній вплив на чистоту газу та сумарні механічні втрати. Проведено аналіз впливу параметрів чис...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Виговський, О.В., Хвалін, Д.І., Мистецький, В.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України 2017
Назва видання:	Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
Теми:	Проблеми безпеки атомних електростанцій
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159107
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин / О.В. Виговський, Д.І. Хвалін, В.А. Мистецький // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2017. — Вип. 29. — С. 14-21. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-159107
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1591072025-02-23T17:19:38Z Вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин Влияние влажности и чистоты водорода на надежность мощных электрических машин Influence of moiisture and hydrogen purity of the reliability of poweful electric machines Виговський, О.В. Хвалін, Д.І. Мистецький, В.А. Проблеми безпеки атомних електростанцій Розглянуто вплив вологості та чистоти водню на надійність та енергоефективність потужних електричних машин. Складено перелік можливих домішок, що мають можливість потрапити до корпусу генератора, показано їхній вплив на чистоту газу та сумарні механічні втрати. Проведено аналіз впливу параметрів чистоти водню на механічні втрати в турбогенераторі з безпосереднім водневим охолодженням. Розглянуто можливість використання металогідридів для забезпечення чистоти, очищення та сорбції водню. Рассмотрено влияние влажности и чистоты водорода на надежность и энергоэффективность мощных электрических машин. Составлен список возможных примесей, что могут попасть в корпус турбогенератора, показано их влияние на чистоту газа и суммарные механические потери. Проведен анализ влияния параметров чистоты водорода на механические потери в турбогенераторе с непосредственным водородным охлаждением. Рассмотрена возможность использования металлогидридов для обеспечения чистоты, очистки и сорбций водорода. It is shown that today the turbo generators with hydrogen-water cooling system is most unreliable technical equipment of Ukrainian nuclear power plants. On the one hand, hydrogen has several advantages over other coolers; on the other hand, the presence of hydrogen in the turbo generators systems carries the danger of engine rooms of power plants. It is also shown that the water and oxygen are main hazardous impurities in hydrogen, and zone of generator shaft compaction is the most responsible zone with high concentration of water. From the analysis was found that increasing of hydrogen purity reduces the mechanical losses and the change in total losses depending on the hydrogen purity has a linear nature. It was shown that the use of a thermoelectric gas dryer will reduce the total consumption of technological gases, that are removed from nuclear power plants, by 2,3 – 2,4 times due to a decrease in 5,0 – 6,0 times their absolute humidity, and decrease by 5, 0 times the activity of gases due to an increase in their exposure time in the decrease activity installation. 2017 Article Вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин / О.В. Виговський, Д.І. Хвалін, В.А. Мистецький // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2017. — Вип. 29. — С. 14-21. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 1813-3584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159107 621.313.322-81 uk Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля application/pdf Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Проблеми безпеки атомних електростанцій Проблеми безпеки атомних електростанцій
spellingShingle	Проблеми безпеки атомних електростанцій Проблеми безпеки атомних електростанцій Виговський, О.В. Хвалін, Д.І. Мистецький, В.А. Вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
description	Розглянуто вплив вологості та чистоти водню на надійність та енергоефективність потужних електричних машин. Складено перелік можливих домішок, що мають можливість потрапити до корпусу генератора, показано їхній вплив на чистоту газу та сумарні механічні втрати. Проведено аналіз впливу параметрів чистоти водню на механічні втрати в турбогенераторі з безпосереднім водневим охолодженням. Розглянуто можливість використання металогідридів для забезпечення чистоти, очищення та сорбції водню.
format	Article
author	Виговський, О.В. Хвалін, Д.І. Мистецький, В.А.
author_facet	Виговський, О.В. Хвалін, Д.І. Мистецький, В.А.
author_sort	Виговський, О.В.
title	Вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин
title_short	Вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин
title_full	Вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин
title_fullStr	Вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин
title_full_unstemmed	Вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин
title_sort	вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин
publisher	Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Проблеми безпеки атомних електростанцій
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159107
citation_txt	Вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин / О.В. Виговський, Д.І. Хвалін, В.А. Мистецький // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2017. — Вип. 29. — С. 14-21. — Бібліогр.: 12 назв. — укр.
series	Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
work_keys_str_mv	AT vigovsʹkijov vplivvologostítačistotivodnûnanadíjnístʹpotužnihelektričnihmašin AT hvalíndí vplivvologostítačistotivodnûnanadíjnístʹpotužnihelektričnihmašin AT mistecʹkijva vplivvologostítačistotivodnûnanadíjnístʹpotužnihelektričnihmašin AT vigovsʹkijov vliânievlažnostiičistotyvodorodananadežnostʹmoŝnyhélektričeskihmašin AT hvalíndí vliânievlažnostiičistotyvodorodananadežnostʹmoŝnyhélektričeskihmašin AT mistecʹkijva vliânievlažnostiičistotyvodorodananadežnostʹmoŝnyhélektričeskihmašin AT vigovsʹkijov influenceofmoiistureandhydrogenpurityofthereliabilityofpowefulelectricmachines AT hvalíndí influenceofmoiistureandhydrogenpurityofthereliabilityofpowefulelectricmachines AT mistecʹkijva influenceofmoiistureandhydrogenpurityofthereliabilityofpowefulelectricmachines
first_indexed	2025-11-24T02:44:58Z
last_indexed	2025-11-24T02:44:58Z
_version_	1849638045276438528
fulltext	14 ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2017 ВИП. 29 УДК 621.313.322-81 О. В. Виговський 1 , Д. І. Хвалін 1 , В. А. Мистецький 2 1 Інститут проблем безпеки АЕС НАН України, вул. Лисогірська, 12, Київ, 03028, Україна 2 Інститут електродинаміки НАН України, просп. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна ВПЛИВ ВОЛОГОСТІ ТА ЧИСТОТИ ВОДНЮ НА НАДІЙНІСТЬ ПОТУЖНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН Розглянуто вплив вологості та чистоти водню на надійність та енергоефективність потужних електрич- них машин. Складено перелік можливих домішок, що мають можливість потрапити до корпусу генератора, по- казано їхній вплив на чистоту газу та сумарні механічні втрати. Проведено аналіз впливу параметрів чистоти водню на механічні втрати в турбогенераторі з безпосереднім водневим охолодженням. Розглянуто можливість використання металогідридів для забезпечення чистоти, очищення та сорбції водню. Ключові слова: потужні генератори, водень, механічні втрати, металогідриди. Аналіз подій на АЕС України, що призводять до порушень у роботі блоків та позапланових відключень (на основі актів розслідування), показує, що залежно від типу блока в середньому в рік відбувається від 3 до 50 порушень. Проведений аналіз інцидентів на АЕС України свідчить, що знач- на частина відмов (від 30 до 70 %) викликана недостатньою надійністю електротехнічного обладнан- ня [1]. Самим ненадійним елементом у технологічному ланцюжку «реактор – турбіна – турбогенера- тор – трансформатор» на сьогодні є турбогенератор [2]. З аналізу технічного стану існуючих турбоге- нераторів можна зробити висновок, що близько 40 % енергоблоків відпрацювали понад 200 тис. год, тобто перебувають за межею фізичного зносу; 28 % – перевищують граничний ресурс у 170 тис. год; 29 % відпрацювали понад 100 тис. год, тобто розрахунковий ресурс; лише 3 % не виробили свій роз- рахунковий ресурс [2, 3]. Як показує досвід експлуатації, найефективніший спосіб унеможливлення виникнення та роз- витку аварій має базуватися на засобах моніторингу режимних параметрів та діагностування стану обладнання: виявлення зміни параметрів дає змогу своєчасно вивести його в ремонт, не допустивши пошкодження і розвитку аварії. Тому впровадження в електроенергетику України сучасних систем моніторингу та діагностування є важливою й актуальною науково-технічною проблемою, спрямова- ною на підвищення надійності, ефективності експлуатації та навантажувальної здатності обладнання, на збереження та подовження його експлуатаційного ресурсу. Щоб задовольнити найважливіші ви- моги сучасності, необхідна нова технологія контролю, діагностування та прогнозування. Для цього необхідно визначити оптимальну за витратами та інженерними рішеннями технологію і конфігурацію обслуговування. У світі існує декілька основних сервісних стратегій [4]: RCM – обслуговування для підтримки надійності; TBM – обслуговування за часом; CBM – обслуговування за станом; CM – коригуюче об- слуговування. Наприклад, CBM-обслуговування визначається технічним станом обладнання, для чо- го потрібні кошти на забезпечення моніторингу. Відповідно зменшується ймовірність пошкодження та витрати на сервісне обслуговування. Від моніторингу за станом обладнання можна відмовитися, але він потрібен для обладнання з низьким ступенем надійності. Підвищення надійності елементів досягається за рахунок ремонтів, що в свою чергу збільшує витрати коштів. Але аварійні зупинки приносять більші збитки. Тому вкладання додаткових коштів для оцінки поточного стану обладнан- ня, слідкування за змінами його стану та розробки прогнозу на майбутнє є розумним рішенням. Ви- користання емпіричних даних за минулі роки дозволить зробити аналіз більш точним і кращим. При CBM-обслуговуванні застосовується велика кількість приладів, показники яких оброб- ляються, та встановлюється діагноз обладнання, інакше кажучи, оцінюється стан та приймається рі- шення щодо необхідності проведення відповідного сервісу [5]. Така робота складна, тому що потре- бує використання приладів, показники яких формують інформацію про зношеність обладнання; базо- вих знань, які дають змогу обійти можливий ризик аварії; визначеної стратегії по визначенню необ- хідності проведення обслуговування чи перенесення його через відсутність високої ймовірності ри- зику аварії; стратегії по відновленню початкової надійності. Для забезпечення ефективного виконан- ня такого завдання необхідно розвивати ADS – автоматичну діагностичну систему, яка допомагає прийняти рішення при наявності великої кількості доступних діагностичних приладів. В окремих випадках доцільно проводити заміну обладнання, що працює довгий час, на нове сучасне більш досконале, бо від його впровадження очікується також і збільшення ресурсу суміжного © О. В. Виговський, Д. І. Хвалін, В. А. Мистецький, 2017 ВПЛИВ ВОЛОГОСТІ ТА ЧИСТОТИ ВОДНЮ НА НАДІЙНІСТЬ ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2017 ВИП. 29 15 обладнання, яке знаходиться в експлуатації. Але потрібно пам’ятати, що впровадження нових прила- дів, побудова нових та модернізація існуючих комунікацій ставлять перед експлуатаційним персона- лом нові функціональні обов’язки, що потребують більш високої і широкої кваліфікації, насамперед, оперативного персоналу. Потужність турбогенераторів із водневим охолодженням, установлених на ТЕС і АЕС Украї- ни, становить близько 40,5 млн кВт. Необхідно враховувати водневу небезпеку машинних залів АЕС з наявністю водню в системах охолодження генератора. Загальний об’єм водню в найбільш розпо- всюджених турбогенераторах на ТЕС і АЕС наведено в табл. 1 [6]. Таблиця 1. Загальний об’єм водню в найбільш розповсюджених турбогенераторів на ТЕС і АЕС Тип турбогенератора Активна потужність, МВт Напруга статора, кВ Система охолодження Газовий об’єм, м 3 ТВВ-220-2А 220 15,75 H2/H2O 56 ТГВ-200-2 200 15,75 H2 70 ТГВ-500 500 20,0 H2/H2O 73 ТВВ-500-2 500 20,0 H2/H2O 100 ТВВ-800-2 800 24,0 H2/H2O 126 ТВВ-1000-2Е 1000 24,0 H2/H2O 126 ТВВ-1200-2 1200 24,0 H2/H2O 160 На блоках АЕС України використовуються турбогенератори типу ТВВ-220-2УЗ (РАЕС-1, 2), ТВВ-1000-2УЗ (РАЕС-3, 4; ХАЕС-1, 2; ПУАЕС-3), ТВВ-1000-4УЗ (ПУАЕС-1,2; ЗАЕС-1, 2, 3, 4, 5, 6) з воднево-водяним охолодженням. Однією з основних причин аварійних зупинок та руйнувань турбогенераторів, синхронних компенсаторів та електричних машин великої потужності, що охолоджуються газами, зокрема ізоба- рним воднем як у нашій країні, так і за кордоном, є інтенсивне забруднення водню вологою з вмістом домішок кисню та турбінного масла. Тільки за період 2005 – 2008 рр. на АЕС України, Росії та країн СНД відбулося 28 аварій із руйнуванням турбогенераторів, що охолоджуються воднем. Ці аварії були пов’язані з високим вмістом вологи в газовому об’ємі турбогенератора та епізодичним контролем осушення охолоджуючого водню [8]. Діючі методи контролю якості водню та пристрої, які викорис- товуються для цього, залишаються ще досить незадовільними. Створення системи моніторингу воло- гості водню в турбогенераторі, що експлуатується, дасть змогу вирішити питання об’єктивного конт- ролю чистоти водню з подальшою комп’ютеризацією та накопиченням інформації. Водень має ряд переваг у порівнянні з іншими холодоагентами (табл. 2) Таблиця 2. Основні фізико-хімічні властивості водню та повітря Параметр Водень Повітря Агрегатний стан Газ, рідина, твердий стан, металевий стан Суміш газів Хімічний склад H2 N2, O2, Ar, CO2, Ne, CH4, He, Kr, H2, Xe Молекулярна маса 2,016 28,98 Густина (газ, при 20 °С), кг/м 3 0,0695 1,2047 В’язкість (газ, при 20 °С), мкПа·с 8,8 17,2 Теплопровідність, Вт/(м·°С) 0,1815 0,02485 Питома теплоємність, кДж/(кг·°С) 14,208 1,006 Розчинність у воді, мг/г 0,0188 0,0291 Температура самоспалаху, °С 510 - Молярна теплоємність, Дж/(моль·°С) 14,2 21,1 Теплота згоряння, кДж/моль 241,6 - Мінімальна енергія запалення, МДж 0,017 - О. В. ВИГОВСЬКИЙ, Д. І. ХВАЛІН, В. А. МИСТЕЦЬКИЙ ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2017 ВИП. 29 16 Густина водню в 14,3 раза менша за густину повітря (при 3 % домішок повітря в 10 разів); втрати на тертя обертового ротора турбогенератора у водні в 10 разів менші, ніж у повітрі; теплоєм- ність водню в 14 разів більша, а тепловіддача у 3,6 раза більша, ніж повітря. Унаслідок експериментальних досліджень [8] був визначений найбільш небезпечний інгреді- єнт домішок в електролізному водні – вода та кисень. Установлено, що найбільш відповідальною зо- ною з підвищеною концентрацією води в турбогенераторі є зона ущільнення вала турбогенератора, де як ущільнююче середовище застосовується турбінне масло. У газовому об’ємі генератора зустрі- чається водомасляний аерозоль – водомасляна емульсія у дрібнодисперсному вигляді (туман). Також було встановлено, що динаміка концентрації води, вільного кисню та турбінного масла у водні най- більш вразлива до сезонних змін у літню пору року та досягає свого максимуму у червні - липні. Перелік домішок, що потрапляють у газовий об’єм турбогенератора, забруднюючи водень, наведено в табл. 3. Таблиця 3. Домішки та їхні максимально допустимі концентрації Домішка Критерії якості водню, г/м 3 Межа допустимих нормативних концентрацій Максимальна концентрація при експлуатації Вода Відсутня 25 – 30 Масло турбінне Сліди 5,0 Кисень 0,02 0,2 Водомасляний аерозоль у корпусі генератора Не нормується 0,15 Чистота охолоджуючого водню істотно впливає на енергетичні показники та надійність робо- ти вузлів машини (механічна та корозійна стійкість металів, електрична міцність ізоляції). При цьому особливо шкідлива наявність пари води. Розчинені у водні пари вологи при досягненні точки роси воднем конденсуються на обмотці ротора, а також на залізі ротора та статора машини, що сприяє їх- ній корозії, руйнуванню електроізоляції та торцевих бандажних кілець обмотки ротора [9]. Напри- клад, для охолоджування турбогенератора типу ТВВ 1000-2У3 повинен використовуватися водень марки Б чистотою не менше 98 %, із вмістом кисню не більше 1,2 % і відносною вологістю при +40 °С (номінальна температура холодного газу) не більше 20 %. Залежність концентрації вологи водню від температури Температура холодного газу, °С Вміст вологи, г/м 3 10 8 14 10 18 15 22 20 25 22 Із вищенаведених даних випливає, що чим нижча температура газу, тим менша концентрація вологи у водні [10]. Використання системи осушення або очищення водню, зниження температури та вологості газу, що охолоджує, дає змогу підвищити надійність експлуатації турбогенераторів та значно розши- рити діапазон допускних електричних і теплових навантажень. Підвищення чистоти водню істотно зменшує механічні втрати, що є одним з основних еконо- мічних показників турбогенератора при визначенні його коефіцієнта корисної дії. До механічних втрат відносяться втрати на тертя в підшипниках, на тертя обертової бочки ротора об газ і на венти- ляцію [11]: 2підш вентQ Q Q Q    , (1) де Qпідш - втрати на тертя у підшипниках; Q2 - втрати на тертя обертової бочки ротора об газ; Qвент - втрати на вентиляцію. ВПЛИВ ВОЛОГОСТІ ТА ЧИСТОТИ ВОДНЮ НА НАДІЙНІСТЬ ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2017 ВИП. 29 17 Механічні втрати на тертя обертового ротора об водень можуть бути визначені як  4 2 23 1 57,3 γр р б HQ D l l P p    , (2) де p – число пар полюсів; рD – діаметр бочки ротора, м; рl , бl – довжина бочки ротора та бандажно- го кільця відповідно, м; γ – густина охолоджуючого газу в корпусі відносно густини повітря, кг/м 3 ; 2HP – тиск газу в корпусі, Па. Втрати на вентиляцію розраховуються за формулою 3 10вент вент вент LH Q     , (3) де L – витрата газу, м 3 /с; вентH – натиск вентилятора, Па; вент – коефіцієнт корисної дії вентилятора. Густина ідеально чистого водню в корпусі турбогенератора становить 0,09 г/м 3 з урахуванням вищенаведених домішок (див. табл. 3) – 0,1203 г/м 3 . На рис. 1 показано залежності ( )воденьQ f  , які побудовано за результатами розрахунку механічних втрат з урахуванням рівнянь (2) і (3) для різних величин тиску та густини водню в турбо- генераторі типу ТВВ-1000-2У3 із безпосереднім водневим охолодженням. Q , кВт 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0.2 0.3 0.4 0.5 0,09 г/м3 0,1203 г/м3 РН2, МПа Рис. 1. Залежності ( )воденьQ f  для турбогенератора типу ТВВ-1000-2У3. Із рисунка видно, що зміна сумарних втрат Q залежно від чистоти водню має лінійний ха- рактер, при збільшенні чистоти водню від 0,1203 до 0,09 втрати в роторі турбогенератора можуть бу- ти зменшені майже на 500 кВт, що становить близько 25 % при тиску 0,5 МПа. Для забезпечення чистоти водню можна використовувати металогідриди [12]. Найбільш прак- тичну цінність мають такі гідриди, як LaNi5Hx, FeTiHx, ZrNiHx. Головною перевагою металогідридно- го способу очищення є значне скорочення кількості стадій очистки. Проведення циклу сорбції водню металогідридом дає змогу зробити ці процедури в одну стадію, залежно від забрудненості водню об’ємна частка домішок у ньому буде 10 -4 – 10 -2 % (об’єму). У ході досліджень було показано, що найбільш стійкими до дії домішок є інтерметаліди на основі рідкісноземельних металів із високим вмістом негідридотворчого компонента, у першу чергу LaNi5 та його похідні. На рис. 2 наведено схему експериментальної установки осушення та моніторингу вологості технологічного газу на установці пониження активності 4-го енергоблока (УПАК-4) Ленінградської АЕС, втіленої у 2001 р. [8]. У результаті проведених експериментів [8, 10] було встановлено, що використання ТЕОГ до- зволило зменшити у 2,3 – 2,4 раза загальну витрату технологічних газів, які вилучаються із АЕС, за рахунок зниження в 5-6 разів їхньої абсолютної вологості та знизити в 5 разів активність газів за ра- хунок збільшення часу їхньої витримки в УПАК. О. В. ВИГОВСЬКИЙ, Д. І. ХВАЛІН, В. А. МИСТЕЦЬКИЙ ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2017 ВИП. 29 18 Лінія рециркуляції газу Рис. 2. Схема експериментальної установки осушення та моніторингу вологості технологічного газу на УПАК-4 Ленінградської АЕС: 1 – пристрій для вимірювання витрати вологого газу; 2 – манометр; 3, 5 – контрольні точки газоаналізатора; 4 – контрольно-самописний пристрій; 6 – запірна арматура; a, b, c, d – датчики температури; ТЕОГ – термоелектричний осушувач газу; ПП – підсилювач проміжний; АЦП – аналого- цифровий перетворювач; МПП – мікропроцесорний пристрій; ПВВІ – пристрій вводу/виводу інформації; К – комп’ютер. Рис. 3. Схема автоматичного моніторингу осушки водню в турбогенераторі: ІВ-1, 2 – індикатори вологості водню (газоаналізатор); ТЕОВ – термоелектричний осушувач водню; ПП – підсилювач проміжний, аналоговий; К-р – компаратор електронний, аналоговий; блок живлення – джерело живлення ТЕОВ. Управління роботою ТЕОВ на працюючому турбогенераторі реалізується автоматичною схе- мою моніторингу вологості водню (рис. 3). Робота системи моніторингу полягає в наступному. ІВ-1, 2 незалежно один від одного і безперервно заміряють вологість водню всередині турбогенератора в потенційно небезпечних зонах та видають аналоговий сигнал на проміжний підсилювач. Підсилений аналоговий сигнал поступає в електронний компаратор, де опорним сигналом є уставка вологості во- дню 3,0 В (3,0 г/м 3 ). Нормативне значення вологості водню не більше 7,7 г/м 3 . При досягненні воло- гості водню всередині турбогенератора 3,0 г/м 3 компаратор дає команду на включення ТЕОВ через його блок живлення. Осушувач буде працювати до того часу, поки вологість водню не прийме зна- ВПЛИВ ВОЛОГОСТІ ТА ЧИСТОТИ ВОДНЮ НА НАДІЙНІСТЬ ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2017 ВИП. 29 19 чення 1,0 г/м 3 , після чого він відключиться. Аналоговий електронний компаратор працює по логіці автоматики ТЕОВ «АБО», тобто достатньо поступити в нього одному з двох сигналів від ІВ-1 або від ІВ-2 при досягненні вологості водню уставки опорного сигналу 3,0 г/м 3 , як ТЕОВ включається в ро- боту. Така логіка управління ТЕОВ необхідна, бо поява вологи в одній із потенційно небезпечних зон у газовому об’ємі генератора веде до лавиноподібного обводнення всього об’єму водню. Це пов’я- зано з високою турбулентністю водню в замкненому газовому об’ємі за рахунок роботи вентиляторів, жорстко встановлених на роторі турбогенератора. Висновки та рекомендації 1. Україна входить до 10 країн світу, які найбільше використовують ядерну енергію для виро- бництва електричної енергії. На чотирьох українських АЕС експлуатуються 15 реакторів російського виробництва типу ВВЕР загальною потужністю 13,835 ГВт. Надійність, безпека та ефективність екс- плуатації енергоблоків АЕС залежить від показників надійності кожного елемента перетворення ене- ргії «ядерний реактор – турбіна – турбогенератор – блоковий трансформатор». 2. Суттєвим чинником надійної безпечної та ефективної експлуатації АЕС є надійність елект- ротехнічного обладнання. Аналіз подій на електростанціях України, що призводять до порушень в роботі блоків та позапланових відключень, показує, що залежно від типу блока в середньому в рік відбувається від 3 до 50 порушень. Проведений аналіз інцидентів на АЕС України свідчить, що знач- на частина відмов (від 30 до 70 %) викликана недостатньою надійністю електротехнічного обладнан- ня. Зокрема, найбільша частка у причинах недовиробництва електроенергії через електротехнічне обладнання припадає на турбогенератори (до 70 - 80 %), пристрої релейного захисту й автоматики (до 15 %), вимірювальні трансформатори (до 7,5 %), електроприводи (5,8 %) і силові трансформатори (до 2,5 %). Тобто найбільш ненадійним елементом на АЕС на сьогодні є турбогенератор. 3. На українських АЕС у складі енергоблоків сьогодні експлуатуються три типи турбогенера- торів російського виробництва (ТВВ-220-2АУ3, ТВВ-1000-4У3, ТВВ-1000-2У3). Лише 3 % з них на сьогодні не виробили свій розрахунковий ресурс. Найефективніший спосіб унеможливлення виник- нення та розвитку аварій має базуватися на засобах моніторингу режимних параметрів та діагносту- вання стану обладнання, що ставить перед експлуатаційним персоналом нові функціональні обов’яз- ки, які потребують більш високої і широкої кваліфікації, насамперед оперативного персоналу. 4. Усі турбогенератори енергоблоків українських АЕС мають воднево-водяну систему охоло- дження. З одного боку, водень має ряд переваг у порівнянні з іншими холодоагентами, з іншого – на- явність водню в системах охолодження турбогенераторів несе небезпеку машинних залів ТЕС і АЕС. У зв’язку з унікальними горючими властивостями та характеристиками водню необхідне вивчення його вибухонебезпечних параметрів, умов утворення вибухонебезпечних сумішей водню з повітрям, а також необхідно здійснити розробку та втілення систем контролю концентрації водню, розробку та втілення заходів щодо зниження його концентрації, передбачення запалення водно-повітряних сумі- шей та їхнього гасіння. 5. Основними найбільш небезпечними домішками в електролізному водні є вода та кисень. Найбільш відповідальною зоною з підвищеною концентрацією води в турбогенераторі є зона ущіль- нення вала генератора, де як ущільнююче середовище застосовується турбінне масло. У газовому об’ємі генератора зустрічається також водомасляний аерозоль – водомасляна емульсія у дрібнодис- персному вигляді (туман). 6. Наявність домішок збільшує сумарні механічні втрати в 1,25 – 1,4 раза. Також треба заува- жити, що присутність домішок у водні призводить до зволоження ізоляції, а присутність парів водо- масляного аерозолю змащує поверхні обмоток, що в свою чергу сприяє збільшенню перегрівання об- моток. 7. Чим нижча температура газу, тим менша концентрація вологи у водні. Зі збільшенням від- носної вологості водню різна сталь вразлива корозійному розтріскуванню, що може виникнути під час експлуатації. 8. Для забезпечення чистоти водню, очистки від газових домішок або сорбції доцільно вико- ристовувати металогідриди. Найбільш стійкими до дії домішок є інтерметаліди на основі рідкіснозе- мельних металів, у першу чергу LaNi5 та його похідні. LaNi5 має найбільш високу стабільність, що дає змогу реалізувати переробку водню, який вміщує до 3 % газових домішок. О. В. ВИГОВСЬКИЙ, Д. І. ХВАЛІН, В. А. МИСТЕЦЬКИЙ ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2017 ВИП. 29 20 СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 1. Виговський О. В. Основні проблеми розвитку атомної енергетики України та шляхи їхнього вирішення / О. В. Виговський // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. – 2016. – Вип. 27. – С. 5 – 12. 2. Кенсицький О. Г. Надійність генеруючого обладнання та перспективи розвитку атомної енергетики в Україні / О. Г. Кенсицький, Г. М. Федоренко // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля. – 2016. – Вип. 26. – С. 69 – 74. 3. Федоренко Г. М. Моделювання впливів параметрів чистоти водню на механічні втрати в турбогенераторі з безпосереднім водневим охолодженням типу ТВВ-1000-2УЗ / Г. М. Федоренко, О. М. Давидов, М. В. Ду- дченко // Праці Інституту електродинаміки НАН України. – 2011. – Вип. 28. – С. 76 - 81. 4. Федоренко Г. М. Підвищення надійності й ефективності енергопостачання шляхом впровадження сучас- них технологій, менеджменту, нового електроенергетичного обладнання / Г. М. Федоренко, Ю. К. Вощин- ський // Гідроенергетика України. – 2006. – № 1. – С. 41 - 46. 5. Albertini M., Cavallini A., Montanary G.C. et al. Diagnostic tool for condition based maintenance of electrical apparatus (CIGRE Session 2004, D1 – 402). 6. Науково-технічний звіт «Підвищення енергоефективності, пожежо- та вибухобезпеки турбогенераторів ТЕС та АЕС з водневими системами охолодження». ДР 0107110065.07 / ІЕД НАН України. – Київ, 2008. 7. Ключников А. А. Научные основы водородной безопасности, надежности и энергоэффективности блоков АЭС / А. А. Ключников, Г. М. Федоренко, Я. С. Буева // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чор- нобиля. – 2013. – Вип. 20. – С. 18 - 27. 8. Груздев В. Б. Разработка комплексной системы мониторинга осушки водорода в электроэнергетике : авто- реф. дис. … канд. техн. наук / В. Б. Груздев. – Казань, 2008. – 16 с. 9. Груздев В. Б. Экспериментальные исследования конденсирующей способности термоэлектрического осу- шителя влажного водорода / В. Б. Груздев, Н. Д. Чичирова // Изв. вузов. Проблемы энергетики. – 2007. – № 11-12. – С. 137 - 141. 10. Груздев В. Б. Повышение эффективности осушки водорода в турбогенераторах электростанций / В. Б. Груздев, Н. Д. Чичирова // Изв. вузов. Проблемы энергетики. – 2006. – № 3-4. – С. 45 - 47. 11. Хуторецкий Г. М. Проектирование турбогенераторов / Г. М. Хуторецкий, М. И. Токов, Е. В. Толвинская. – Л. : Энергоатомиздат. Ленинград. отд-ние, 1987. – 256 с. 12. Дайджест научно-технических разработок ИПМаш им. А. Н. Подгорного НАН Украины ; под ред. В. В. Соловьева. – 2008. – Вып. Металлогидридные технологии. – 36 с. А. В. Выговский 1 , Д. И. Хвалин 1 , В. А. Мистецкий 2 1 Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, ул. Лысогорская, 12, Киев, 03028, Украина 2 Институт электродинамики НАН Украины, просп. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ И ЧИСТОТЫ ВОДОРОДА НА НАДЕЖНОСТЬ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН Рассмотрено влияние влажности и чистоты водорода на надежность и энергоэффективность мощных электрических машин. Составлен список возможных примесей, что могут попасть в корпус турбогенератора, показано их влияние на чистоту газа и суммарные механические потери. Проведен анализ влияния параметров чистоты водорода на механические потери в турбогенераторе с непосредственным водородным охлаждением. Рассмотрена возможность использования металлогидридов для обеспечения чистоты, очистки и сорбций водо- рода. Ключевые слова: мощные генераторы, водород, механические потери, металлогидриды. О. V. Vygovskiy 1 , D. I. Hvalin 1 , V. A. Mystetskyi 2 1 Institute for Safety of Problems of Nuclear Power Plants, NAS of Ukraine, Lysogirska str. 12, Kyiv, 03028, Ukraine 2 Institute of Electrodynamics of NAS Ukraine, Peremogy prospekt, 56, Kyiv-57, 03680, Ukraine INFLUENCE OF MOIISTURE AND HYDROGEN PURITY OF THE RELIABILITY OF POWEFUL ELECTRIC MACHINES It is shown that today the turbo generators with hydrogen-water cooling system is most unreliable technical equipment of Ukrainian nuclear power plants. On the one hand, hydrogen has several advantages over other coolers; on the other hand, the presence of hydrogen in the turbo generators systems carries the danger of engine rooms of power plants. It is also shown that the water and oxygen are main hazardous impurities in hydrogen, and zone of generator shaft compaction is the most responsible zone with high concentration of water. From the analysis was found that increasing of hydrogen purity reduces the mechanical losses and the change in total losses depending on the hydrogen ВПЛИВ ВОЛОГОСТІ ТА ЧИСТОТИ ВОДНЮ НА НАДІЙНІСТЬ ________________________________________________________________________________________________________________________ ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2017 ВИП. 29 21 purity has a linear nature. For example, with an increase the hydrogen purity from 0,1203 to 0,09 the loss in turbo generator rotor can be reduced by nearly 500 kW, which is about 25 % at a pressure of 0,5 MPa. The possibility of us- ing metal hydrides to ensure purity, purification and hydrogen sorption was looked. The most practical value is for such hydrides as LaNi5Hx, FeTiHx, ZrNiHx. The main advantage the metal hydrides method of purification is a significant reduction in the number of purification stages. It was shown that the use of a thermoelectric gas dryer will reduce the total consumption of technological gases, that are removed from nuclear power plants, by 2,3 – 2,4 times due to a decrease in 5,0 – 6,0 times their absolute humidity, and decrease by 5, 0 times the activity of gases due to an increase in their exposure time in the decrease activity installation. All this suggests that the creation a hydrogen humidity monitoring system in the exploited turbo generator will solve the problem of objective control of hydrogen purity with further computerization and accumulation the information. Using a drainage or purification system of hydrogen, reducing the temperature and humidity of the cooling gas, can increase the reliability of operation the turbo generators and significantly expand the range of admissible electrical and thermal loads. Keywords: powerful generators, hydrogen, mechanical losses, metal hydrides. REFERENCES 1. Vygovskiy A. V. The basic problems of development of nuclear energy in Ukraine and ways of their decision / A. V. Vygovskiy // Problemy bezpeky atomnykh electrostantsiy i Chornobylya (Problems of Nuclear Power Plants' Safety and of Chornobyl). – 2016. – Iss. 27. – P. 5 - 12. (Ukr) 2. Kensytskyi O. G. Reliability of generating equipment and prospects of Nuclear power development in Ukraine / O. G. Kensytskyi, G. M. Fedorenko // Problemy bezpeky atomnykh electrostantsiy i Chornobylya (Problems of Nuclear Power Plants' Safety and of Chornobyl). – 2016. – Iss. 26. – P. 69 - 74. (Ukr) 3. Fedorenko G. M. Simulation of the effects of hydrogen purity parameters on mechanical losses in a turbogenera- tor with direct hydrogen cooling type TVV-1000-2UZ / G. M. Fedorenko, O. M. Davidov, M. V. Dudchenko // Pratsi Instytutu elektrodynamiky NAN Ukrainy. – 2011. – Iss. 28. – P. 76 - 81. (Ukr) 4. Fedorenko G. M. Increasing the reliability and efficiency of energy supply by application of modern technologies, management, new electrical equipment / G. M. Fedorenko, Y. K. Voshchins'kiy // Gidroyenergetyka Ukrainy. – 2006. – № 1. – P. 41-46. (Ukr) 5. Albertini M., Cavallini A., Montanary G.C. et al. Diagnostic tool for condition based maintenance of electrical apparatus (CIGRE Session 2004, D1 – 402). 6. Research-technical report «Enhancement of energy efficiency, fire and explosion safety of turbogenerators of thermal power stations and nuclear power plants with hydrogen cooling systems». DR 0107110065.07 / IED NAN Ukrainy. – Kyiv, 2008. (Ukr) 7. Klyuchnikov A. A. Scientific basis of hydrogen safety, reliability and energy efficiency nuclear power plants / A. A. Klyuchnikov, G. M. Fedorenko, Ya. S. Bueva // Problemy bezpeky atomnykh electrostantsiy i Chornobylya (Problems of Nuclear Power Plants' Safety and of Chornobyl). – 2013. – Iss. 20. – P. 18 - 27. (Rus) 8. Gruzdev V. B. Development of an integrated monitoring system for hydrogen drying in electric power industry: author’s abstract of a thesis. PhD / V. B. Gruzdev. – Kazan', 2008. – 16 p. (Rus) 9. Gruzdev V. B. Experimental studies of the condensing power of a thermoelectric moist hydrogen desiccant / V. B. Gruzdev, N. D. Chichirova // Izvestiya vuzov. Problemy energetiki. – 2007. – № 11-12. – P. 137 - 141. (Rus) 10. Gruzdev V. B. Efficiency enhancement of hydrogen drying in turbogenerators of power plants / V. B. Gruzdev, N. D. Chichirova // Izvestiya vuzov. Problemy energetiki. – 2006. – № 3-4. – P. 45 - 47. (Rus) 11. Khutoretskiy G. M. Turbogenerators design / G. M. Khutoretskiy, M. I. Tokov, Y. V. Tolvinskaya. – Leningrad : Energoatomizdat. Leningrad. otdeleniye, 1987. – 256 p. (Rus) 12. Daydzhest nauchno-tekhnicheskikh razrabotok IPMash im. A. N. Podgornogo NAN Ukrainy ; еd. by V. V. So- lov'yev. – 2008. – Iss. Metallogidridnyye tekhnologii. – 36 p. (Rus) Надійшла 15.06.2017 Received 15.06.2017

Вплив вологості та чистоти водню на надійність потужних електричних машин

Репозитарії

Схожі ресурси