Останні чотири роки атомна генерація стабільно забезпечує понад 50% усієї електроенергії, яку споживає Україна. Саме завдяки надійній роботі АЕС Україні вдалося компенсувати зменшення виробництва електроенергії на теплових електростанціях через втрату частини вугільних родовищ на сході країни та пройти надскладні опалювальні сезони без віялових відключень електроенергії. Стратегія розвитку української енергетики передбачає, що й після 2030 року АЕС залишатимуться основою вітчизняної електроенергетики. Але кожен з п’ятнадцяти українських атомних енергоблоків — складний інженерно-технічний об’єкт, обладнання якого потребує постійного обслуговування, заміни у разі необхідності та модернізації. Виконувати якомога більше таких робіт власними силами та в кооперації з вітчизняними підприємствами — одне з пріоритетних завдань державного підприємства НАЕК «Енергоатом», адже імпортозаміщення у цьому разі стає потужним чинником підвищення енергетичної безпеки. Чудовим прикладом такої кооперації є робота флагмана вітчизняного енергетичного машинобудування — харківського «Турбоатому», який на замовлення атомників розробив конденсатори нового покоління блочно-модульного виконання для турбоустановок потужністю 1000 МВт. Нові конденсатори відповідають сучасним вимогам з енергоефективності та надійності як для модернізації наявних АЕС, так і для будівництва нових атомних енергоблоків.

Подолати корозію

Надійна робота тепломеханічного обладнання машинного залу атомної станції — найважливіша складова безпечної й економічної експлуатації енергоблока АЕС загалом. Зокрема важливе обладнання — конденсаційні установки. В загальних рисах конденсатор — це теплообмінний пристрій, який перетворює на воду пару, що відпрацювала у турбіні. В енергоблоках українських АЕС типу ВВЕР саме водяна пара, яка утворюється під час нагрівання води, використовується для обертання ротора турбіни разом з ротором генератора, який виробляє електроенергію.

Ще недавно у світі для виробництва конденсаторів парових турбін широко використовували охолоджувальні трубки з мідно-нікелевих сплавів. Але в них є величезний недолік — чутливість до пошкоджень внаслідок тривалої взаємодії води, яка охолоджує, з міддю. «Головна причина, яка визначила необхідність модернізації конденсаторів, — пошкодження металу охолоджувальних труб, що спричинено ерозією та корозією під впливом турбулентного потоку охолоджувальної води, насиченої киснем і з вмістом твердих частинок та інших домішок, що призводить до порушення щільності трубних систем, потрапляння міді в цикл турбоустановки і, як наслідок, до втрати її електричної потужності, скорочення ресурсу і зниження її надійності. Усе це різко погіршує показники роботи АЕС», — пояснює головний інженер Южно-Української АЕС Микола Феофентов.

Він також зазначає, що на Южно-Українській АЕС, де конденсатори турбін працюють у значно важчих умовах порівняно з іншими вітчизняними станціями, потреба в їх заміні була найбільш гострою. «Головна причина — у підвищеному вмісті солі у воді Ташлицького ставка-охолоджувача. Нове обладнання, виготовлене «Турбоатомом», кардинально відрізняється матеріалом трубного апарата: замість мідно-нікелевого сплаву використано нержавіючу сталь з терміном експлуатації не менш ніж 40 років. Заміна матеріалу трубної частини конденсатора не лише підвищує корозійну стійкість теплообмінного апарата, а й запобігає потраплянню міді в теплоносій другого контуру, підвищуючи надійність роботи парогенераторів», — додав головний інженер АЕС.

Южно-Українська першою серед українських АЕС почала заміну застарілих конденсаторів на нові блочно-модульні у 2015 році. Нині конденсатори нового типу вже працюють на енергоблоках №1 та №2 ЮУАЕС та блоці №3 Запорізької АЕС. Заміна конденсатора триває на четвертому енергоблоці Запорізької станції, і цей процес потребує величезного обсягу фізичних робіт. Уявлення про їх масштаби дає вага обладнання, яке необхідно демонтувати та встановити: кожен з трьох елементів старого конденсатора К-33160 важить близько 600 тонн (загальна маса 1800 тонн). Новий конденсатор легший — його загальна вага 1500 тонн, але й це дуже багато, особливо в умовах обмеженого простору, в яких відбувається монтаж обладнання. Щоб вилучити старе обладнання і встановити на його місце нове, довелося розбирати стіну машинного залу. Для монтажу нового конденсатора знадобилося 250 тонн додаткових металоконструкцій і кран вантажопідйомністю понад 50 тонн. Було виконано зварних швів загальною довжиною більш як 3 кілометри. У вилученні старого та монтажі нового обладнання брали участь фахівці підрядної організації «ЮТЕМ-Інжиніринг», яка має багаторічний досвід у сфері технічного переоснащення та реконструкції об’єктів атомної енергетики.

Але хоч які масштабні монтажні роботи, вони завершальний етап, якому передувала кропітка наукова та дослідно-конструкторська робота фахівців «Турбоатому», в якій також взяли участь науковці з Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Інституту проблем машинобудування Національної академії наук України і, звісно ж, самі атомники.

Концепція модернізації

Перед розробниками нових конденсаторів постало складне завдання: їм потрібно було не лише подолати корозію, а й забезпечити вакуумну і водяну щільність конденсатора, домогтися розрахункового значення тиску відпрацьованої пари турбіни в процесі її експлуатації та гарантувати заданий замовником термін експлуатації обладнання — 40 років. Тож метою роботи «Турбоатому» стало створення та впровадження високоефективних і надійних конструкцій конденсаторів нового покоління блочно-модульного виконання. Варто зазначити, що розробити нові конденсатори, які б відповідали вимогам українських атомників, спробували й кілька відомих закордонних компаній, але так і не впоралися із поставленим завданням.

Безпосередньому розробленню українських конденсаторів нового покоління передували наукові дослідження із застосуванням методів математичного моделювання, вирішення завдань математичної фізики та пов’язаних із ними питань теплообміну. Використовуючи методи сучасної прикладної термодинаміки, фахівці «Турбоатому» не забували і про економічні показники своєї роботи. «Наукова новизна одержаних результатів полягає у створенні методології системно-структурного аналізу, яка дає змогу підвищити якість інженерних рішень щодо вдосконалення конденсаторних установок. Було вперше створено комплексну методологію розрахунку теплогідравлічних характеристик конденсаторів нового покоління з урахуванням вимог забезпечення вібраційної надійності, конструктивної міцності та економічності роботи обладнання турбоустановки за умови збереження його масогабаритних характеристик, а також архітектурно-планувальних рішень машинного залу енергоблоків типу ВВЕР-1000», — зазначає заступник головного конструктора — начальник конструкторського відділу теплообмінних апаратів АТ «Турбоатом» Олександр Усс.

Запропоноване фахівцями «Турбоатому» компонування конденсаторів раніше не застосовували в конструкціях конденсаторів, воно не має аналогів у світовій практиці проектування. Нове «модульне» компонування трубного пучка з урахуванням вимог до зварювання модулів між собою під час монтажу має оптимальну теплову ефективність і оптимальні габарити за поверхнею теплообміну. Конденсатор спроектовано так, що стало можливим виготовлення блоків-модулів повної заводської готовності, відповідно було спрощено транспортування і виконання монтажних робіт на АЕС. Суттєвою перевагою є й те, що нові конденсатори можна монтувати на наявному фундаменті, що вже напрацьовано під час модернізації турбоустановок енергоблоків №1 і №2 ЮУАЕС та на енергоблоці №3 Запорізької АЕС.

У конструкції нових конденсаторів харківські фахівці використали ще багато унікальних ноу-хау, серед яких схема установки охолоджувальних труб у модулях конденсаторів за типом «лук». Таку схему «Турбоатом» використовує вперше, її не застосовували раніше в конденсаторах зарубіжних конструкцій. Установка охолоджувальних труб у такий спосіб дає змогу знизити термічні напруги в місцях з’єднання труб конденсатора з його корпусом, а також знизити в елементах конденсатора температурні навантаження. Про конструкційні особливості нових конденсаторів можна казати багато, але здебільшого зрозуміло це буде лише досвідченому інженерові, тоді як для пересічного споживача електричної енергії більш показові практичні результати цієї роботи.

Ефективність підтверджено

За результатами експлуатації конденсаторів на Южно-Українській та Запорізькій АЕС вже можна впевнено казати, що нова розробка «Турбоатому» перевершує закордонні аналоги за техніко-економічними показниками. Фактичний приріст електричної потужності генератора з новими конденсаторами становить від 10 до 15 МВт. Сумарний економічний ефект від впровадження конденсаторів нового покоління оцінюють у 2,6 мільярда гривень. Завдяки зростанню ефективності турбоустановок на одному і тому самому реакторному обладнанні зафіксовано збільшення електричної потужності.

«Впровадження нових конденсаторів відповідає усім стратегічним завданням компанії, серед яких підвищення ефективності та надійності експлуатації енергоблоків АЕС у межах відповідної комплексної програми, продовження термінів експлуатації блоків, реалізація проекту «Енергетичний міст «Україна — ЄС», добудова енергоблоків №3 та №4 Хмельницької АЕС, підготовка обладнання АЕС до інтеграції у європейську мережу системних операторів — ENTSO-E», — переконаний перший віце-президент — технічний директор НАЕК «Енергоатом» Олександр Шавлаков.

Він зазначив, що «Турбоатом» від самого створення «Енергоатому» залишається ключовим партнером компанії щодо модернізації та виготовлення нового обладнання для атомних електростанцій. «Нам дуже пощастило, що в Україні існує таке підприємство, як «Турбоатом» — один зі світових лідерів у галузі енергетичного машинобудування для атомної енергетики. Високий науково-технічний та виробничий потенціал харківського підприємства добре відомий закордонним партнерам «Енергоатому», які залучають «Турбоатом» до спільних проектів», — додав Олександр Шавлаков.

Варто порадіти, адже в Україні є підприємства, здатні розробляти інноваційне і конкурентоспроможне на світовому ринку обладнання. Тому цілком закономірно, що роботу «Розробка та впровадження конденсаторів парових турбін атомних електростанцій» висунуто на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки за 2018 рік.

Петро ЧЕРНИХ
для «Урядового кур’єра»