Методика подбора электроприводов для запорной арматуры Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.039:621.333

МЕТОДИКА ПОДБОРА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ДЛЯ ЗАПОРНОЙ АРМАТУРЫ

© 2010 г. З.О. Кавришвили, А.С.Новожилов

Волгодонский институт (филиал) Volgodonsk Institute (branch)

Южно-Российского государственного of South-Russian

технического университета (Новочеркасского State Technical University

политехнического института) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

В связи с тем, что срок службы арматуры существенно больше, чем управляющего ее работой электропривода, то рано или поздно возникает необходимость замены электропривода. В силу различных причин не всегда можно найти точно такой же электропривод, и тогда необходимо решать проблему подбора электропривода для данной запорной арматуры. Разработанная методика затрагивает расчет интервалов допустимых значений скоростных и силовых характеристик приводов для арматуры конкретного типоразмера, основываясь на нормативно-технической документации и опыте проектировщиков арматуры. Достоинством данной методики является то, что она позволяет осуществлять эти расчеты даже при отсутствии ТУ на интересующую арматуру. Кроме того, использование этой методики существенно расширяет диапазон альтернатив старому электроприводу и это дает большую свободу выбора руководителю, ответственному за закупки данного оборудования.

Ключевые слова: электроприводная арматура; запорная арматура; электропривод; крутящий момент.

Because armature service life essentially more than electric drive operating its work sooner or later there is a necessity of replacement of the electric drive. Owing to the various reasons not always it is possible to find precisely same electric drive and then it is necessary to solve a problem of selection of the electric drive for given accessories. The developed technique mentions calculation of intervals of admissible values of high-speed and power characteristics of drives for armature of a concrete standard size, being based on the specifications and technical documentation and experience of designers of armature. Advantage of the given technique is that she allows to carry out these calculations even at absence that on interesting armature. Besides, use of this technique essentially expands a range of alternatives to the old electric drive and it gives a pain-shuju a freedom in choosing to the head responsible for purchases of the given equipment.

Keywords: electric drive valves; accessories; electric drive; twisting moment.

Электроприводы являются ремонтопригодными восстанавливаемыми изделиями. Однако по сравнению с арматурой они обладают меньшей живучестью, и вероятность их выхода из строя выше. Это следует из того, что согласно НП 068-05 межремонтный интервал для электроприводов - 4 года, а для арматуры -12 лет; срок службы электроприводов (средний или назначенный) - не менее 20 лет, а арматуры - примерно в два раза больше.

В связи с этим работоспособная арматура часто остается без исполнительного устройства (электропривода), позволяющего автоматизировать процесс ее управления. Вполне естественно было бы взять такой же новый привод и установить его на арматуре, но сделать это бывает не всегда возможно по следующим причинам:

- привод указанного исполнения снят с производства;

- нет возможности связаться с предприятием изготовителем в виду объективных обстоятельств;

- недостаточная надежность привода.

В данном случае возникает необходимость выбора привода, обладающего сходными свойствами. Если это не первая замена и сведений об оригинальном приводе не имеется, то необходимо обратиться к ТУ

на арматуру, где указывается электропривод (приводы) конкретного исполнения, который разработчики рекомендуют использовать для управления данной арматурой. Исходя из этого можно получить характеристики подбираемого привода, но они будут иметь строго определенное значение (например, частота вращения выходного вала 12 об/мин и предел регулируемого момента 60 -100 Н-м).

Эксплуатирующая организация при подборе электроприводов руководствуется в большей степени принципами экономического и организационного характера:

- соотношение цена - качество;

- доступность закупок с точки зрения удаленности поставщика;

- налаженные партнерские отношения.

Значение указанных факторов зачастую оказывает

столь сильное влияние, что эксплуатирующая организация иногда существенно отступает от необходимых технических характеристик закупаемых электроприводов.

Исследование, выполненное для Калининской АЭС, показало, что только около 60 % вновь установленных электроприводов по своим характеристикам подходят для управления арматурой, а использование

остальных является едва допустимым или вообще нежелательным (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма допустимости замены электроприводов арматуры на Калининской АЭС

Это в дальнейшем может привести к:

- сбою в работе арматуры (например, несвоевременное перекрытие потока среды);

- повышенному износу арматуры (деформации запорного органа и посадочного места);

- повреждению гидравлической системы (в результате периодического недопустимого увеличения давления из-за эффекта гидравлического удара).

Поэтому при выборе нового электропривода желательно иметь представление (кроме сведений приведенных в ТУ) о диапазоне допустимых значений его характеристик. Это позволит рассматривать в качестве альтернативы большее количество приводов различных производителей и вариантов исполнения, имеющих различную цену, доступность для заказа и поставки, но обладающих необходимыми свойствами.

С целью обеспечения надежной и длительной эксплуатации арматуры к приводам предъявляются, кроме прочих, следующие требования, которые должны быть учтены при расчете [1]:

1. Привод должен создавать момент или усилие, обеспечивающие надежную работу арматуры, но величина их не должна выходить за известные пределы, допускаемые прочностью арматуры.

2. Должна быть обеспечена необходимая скорость перемещения шпинделя.

Рассмотрим более подробно указанные требования, предъявляемые к техническим характеристикам электроприводов.

Известно [1], что электропривод для управления арматурой выбирается так, чтобы крутящий момент на шпинделе арматуры имел величину в пределах 40100% от наибольшего крутящего момента, развиваемого данным типом электропривода.

Это требование позволяет однозначно оценить допустимый диапазон силовых свойств привода:

МПР £

max

0,4

(1)

рого открытия или закрытия арматуры, т.к. гидравлический удар является результатом внезапного изменения скорости потока жидкости [1]. Возникающий при этом резкий скачок давления (звуковая волна) может пятикратно превосходить давление в гидросистеме, а это может привести к:

- образованию трещин в трубопроводе или к его разрыву;

- возникновению течи в трубных соединениях;

- вибрации и шуму в трубах;

- выходу из строя гидроарматуры (вентилей, клапанов, задвижек и т.п.).

Для того чтобы избежать данного эффекта в гидравлической системе, в которой поток среды регулируется задвижками, необходимо, чтобы их закрытие проходило со скоростью V = 4^5 мм/с [1]. В документации на задвижку указывается число оборотов привода N, необходимое для полного ее закрытия или открытия. Зная эту характеристику, а также проходной диаметр задвижки Dy (измеряемый в мм) нетрудно оценить требуемый диапазон частоты вращения приводного вала:

/ £

Nv ■ Nv mm-60; —max60

Dy

Dy

об/мин.

(2)

Расчет диапазона частоты вращения вала электропривода, управляющего работой вентиля (клапана), имеет немного другой вид. Это связано с тем, что полное открытие прохода в вентилях достигается при подъеме тарелки над седлом на высоту hп = (0,25+ -+0,30)•Dу, поэтому полное открытие клапана происходит за путь в 3+4 раза более короткий, чем путь перемещения клина в задвижке [1]. Следовательно, вентили должны закрываться со скоростью в 3+4 раза меньшей, чем задвижки, т.е. V = 1+1,7 мм/с. Получаем

/кл £

3Nv ■ 4Nv

mm 60; -max60

Dy

Dy

об/мин.

(3)

где М^ - наибольший крутящий момент приводного вала, Н-м; Ма - крутящий момент на шпинделе арматуры, необходимый для нормального управления ее работой, Н-м.

Необходимость обеспечения нужной скорости перемещения шпинделя вызвано возможностью возникновения гидравлического удара из-за слишком быст-

При выполнении расчетов необходимо дополнительно руководствоваться требованиями ГОСТ 7192-89, в котором говорится, что значения скорости перемещения выходного органа не должны превышать:

- 1,5 об/мин - для однооборотных механизмов;

- 63 об/мин - для многооборотных механизмов.

Обычно запорная арматура управляется многооборотными электроприводами, поэтому необходимо следить, чтобы частота вращения вала привода не превышала 63 об/мин.

Также нужно взять во внимание указания НП-068-05, согласно которым требуемое время закрытия (открытия) арматуры, если иное не указано в ТУ, не должно превышать:

- 60 с - для клапанов с электроприводом;

- 1,5 мин - для задвижек, кранов 50 < Dy < 400;

- 3,0 мин - для задвижек, кранов Dy >400.

Таким образом, частота вращения приводного вала должна быть:

- для клапанов

- для задвижек 50 < Dy < 400

- для задвижек Dy > 400

f > N •

J кл — '

/> N • /> N.

Л" 3

(4)

(5)

(6)

Также следует отметить, что в момент закрытия арматуры, когда запорный орган (клин, тарелка и т.п.) и корпус арматуры соприкасаются, происходит резкое торможение движения, при этом момент на выходном валу электропривода возрастает за счет использования кинетической энергии ротора двигателя [1]. Чрезмерное повышение момента при закрытии арматуры затрудняет последующее открытие и может вызвать поломку деталей.

То есть, чтобы обеспечить нормальную работу арматуры, закрытие должно производиться с определенным моментом, достаточным для обеспечения плотности замка затвора. Для этого каждый электропривод имеет определенный интервал регулировки крутящего момента приводного вала для полного закрытия арматуры. Ограничение крутящего момента может осуществляться при помощи механической или электромеханической муфты ограничения крутящего момента, а также реле максимального тока (электрическая муфта).

Применение механической и электромеханической муфты для ограничения крутящего момента на приводном валу допустимо на приводах, управляющих запорной арматурой, любого типа. Ограничение же крутящего момента при помощи реле максимального тока может быть применено только на приводах для управления задвижками, поскольку вентили имеют малый ход и жесткий упор, в связи с чем при закрытии создается удар под действием инерции масс движущихся деталей после выключения тока [2].

Следовательно, при подборе электроприводов для управления клапанами необходимо выбирать только привода, оборудованные электромеханической муфтой ограничения момента на валу.

В результате определен следующий порядок выполнения действий и расчетов в рамках методики подбора электроприводов для запорной арматуры:

1. Выяснить, является ли данная арматура задвижкой или клапаном.

2. Выписать ее характеристики и представить, например, в виде табл. 1.

Таблица 1

Обозначение Тип запорной Dy, Ma, N,

исполнения арматуры мм Н-м об

ПТ 26164-080-02 клапан 80 120 4

3. С помощью формулы (1) найти наибольший крутящий момент приводного вала:

е [80;200] Н-м.

4. Найдем диапазон допустимых скоростных характеристик. В случае, если арматура является задвижкой, воспользуемся формулами (2), (5), (6); если

клапаном, то (3), (4). Также необходимо учесть требования ГОСТ 7192-89.

Для клапана ПТ 26164-080-02 получаем: /кл е[9;20].

5. Проверяем соответствие полученного диапазона значений частоты вращения приводного вала требованиям нормативной документации НП-068-05 и ГОСТ 7192-89. Если диапазон полностью удовлетворяет ее требованиям, то оставляем его без изменений. Иначе нижняя или верхняя граница интервала частот берется согласно указанным документам (нижняя граница согласно НП-068-05, верхняя - ГОСТ 7192-89).

Для клапана ПТ 26164-080-02:

- согласно НП-068-05 /кл > 4 ;

- согласно ГОСТ 7192-89 /кл < 63 .

То есть полученный диапазон значений укладывается в регламентируемые указанной нормативной документацией пределы, поэтому его границы не нуждаются в коррекции.

6. Основываясь на полученных диапазонах силовых и скоростных характеристик электропривода, допустимого для применения совместно с данной арматурой, и соответствующими каталогами электроприводов различных изготовителей, выписываем наименования исполнения приводов, пригодных для рассмотрения.

Например, для клапана ПТ 26164-080-02 подходят электроприводы, указанные в табл. 2.

Таблица 2

Типовое обозначение Крутящий момент на выходном валу, Н-м Частота вращения приводного вала, об/мин

MO EEx 160/210 -16 100-160 16

MO EEx 125/160-11 80-125 11

2ОА-34 60-100 12

0А-05 60-100 12

7. Если управление будет осуществляться задвижкой, то берем в рассмотрение все выбранные в п. 6 электроприводы.

Если привод предназначен для управления клапаном, то необходимо дополнительно выяснить, какой в нем используется механизм ограничения крутящего момента приводного вала при затяге. Рекомендуется использовать электропривод с механической или электромеханической муфтой ограничения крутящего момента. Электроприводы с электрической муфтой (реле максимального тока) желательно исключить из рассмотрения.

Продолжаем рассмотрение примера с клапаном ПТ 26164-080-02. Приводы, указанные в табл. 2, соответствуют данному требованию. Оставляем их в полном составе для дальнейшего рассмотрения.

8. Руководствуясь рекомендациями эксперта или другими принципами, осуществляем выбор наиболее

подходящего электропривода для эксплуатирующей организации.

Выводы

1. Предложена методика подбора электроприводов запорной арматуры, позволяющая решать эту задачу даже при отсутствии ТУ на интересующую арматуру.

2. Использование данной методики существенно расширяет диапазон альтернатив старому электроприводу для управления запорной арматурой. Это дает

Поступила в редакцию

большую свободу выбора руководителю, ответственному за закупки данного оборудования.

Литература

1. Гуревич Д.Ф. Расчет трубопроводной арматуры. Л.: Машиностроение, 1968. 888 с.

2. Гуревич Д.Ф. Трубопроводная арматура: справочное пособие. Л.: Машиностроение, 1981. 368 с.

18 февраля 2010 г.

Кавришвили Зураб Омарович - канд. техн. наук, доцент, Волгодонский институт (филиал) ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. (86392)250271. E-mail: [email protected]

Новожилов Антон Станиславович - младший научный сотрудник НИИ «Энергомашиностроение», Волгодон-ский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. (86392)250271.

Kavrishvili Zurab Omarovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86392)250271. E-mails: [email protected].

Novozhilov Anton Stanislavovich - junior scientist, Scientific Research Institute «Power Mechanical Engineering», Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86392)250271.

УДК 621.039

УНИФИКАЦИЯ КРАНА МОСТОВОГО КРУГОВОГО ДЕЙСТВИЯ РЕАКТОРНОГО ОТДЕЛЕНИЯ ГОЛОВНЫХ ЭНЕРГОБЛОКОВ АЭС-2006

© 2010 г. М.Э. Пинчук, И.А. Якубенко

Волгодонский институт (филиал) Volgodonsk Institute (branch)

Южно-Российского государственного of South-Russian

технического университета (Новочеркасского State Technical University

политехнического института) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Разработан единый проект на кран кругового действия, подходящий для герметичной оболочки как Нововоронежской АЭС-2, так и Ленинградской АЭС-2 с учетом всех особенностей строительной и технологической частей головных энергоблоков. Проведена детальная проработка новой конструкции концевых балок и ходовых тележек крана для «АЭС-2006». Выполнена экспертно-аналитическая работа по достижению максимального единообразия конструкций полярных кранов НВАЭС-2 и ЛАЭС-2, что привело к унификации двух проектов верхней части герметичной оболочки «АЭС-2006».

Ключевые слова: унификация; головной образец; кран кругового действия; герметичная оболочка; система безопасности; интегрирование; экспертно-аналитическая работа.

The unified project on the circular action crane suitable for hermetic cover both of Novovoronezh NPP-2, and Leningrad NPP-2 is developed. All factors of building and technological parts of head power units are taken into account. Elaboration of a new design of final beams and carriages of the crane for the NPP-2006 is done. Expert-analytical work on the achievement of maximal uniformity of designs of NVNPP-2 and LNPP-2 polar cranes is executed, that has resulted in unification of two projects of an upper part of NPP- 2006 hermetic cover.

Keywords: unification; head sample; circular action crane; hermetic cover; safety system; integration; expert-analytical work.

Установленные в [1] масштабы ввода АЭС определили необходимость разработки проекта станции с показателями, превышающими достигнутые на дейст-

вующих энергоблоках с реакторами ВВЭР-1000. В новом эволюционном проекте «АЭС-2006» был применен реактор ВВЭР-1150 и учтен накопленный опыт

эксплуатации подобных реакторов, построенных за последние десятилетия в России, Украине, Китае и Индии. Разработанное техническое задание на проект «АЭС-2006» выдано заказчиком для технического и рабочего проектирования головных образцов двух АЭС двум генеральным проектировщикам: Нововоронежской АЭС-2 - институту «Атомэнергопроект», г. Москва (ОАО «АЭП»); Ленинградской АЭС-2 -институту «Атомэнергопроект», г. Санкт-Петербург (ОАО «СПб АЭП»).

При единстве выданных исходных целевых показателей традиции и опыт каждого из институтов привели к проектным решениям, несколько отличающимся друг от друга. Рассмотрим дуализм в проектах куполов герметичных оболочек реакторных отделений. Принятые различные высотно-компоновочные решения куполов и схемы транспортировки оборудования при монтаже и ремонте привели к разработке различных исходных технических требований на проекты кранов кругового действия. Несоответствие проектов означало, что о серийном производстве столь габаритного и дорогостоящего оборудования не могло быть и речи.

В связи с этим заказчик потребовал разработать единый проект на кран, вписывающийся в герметичную оболочку как одной, так и другой АЭС с учетом всех особенностей строительной и технологической частей головных энергоблоков. Решение этой задачи было поручено ОАО «ВНИИАМ».

Подробный анализ конструкции полярного крана, компоновки строительной части как НВАЭС-2, так и ЛАЭС-2, а так же анализ планируемых нагрузок и режимов работы во время монтажа и ремонта оборудования реакторного отделения выявил следующие существенные нестыковки конструкции кранов, которые потребовали детальной проработки:

1. В проектах кранов НВАЭС-2 и ЛАЭС-2 была заложена различная грузоподъемность подвески главного подъема крана: 380 т и 340 т соответственно. При столь различной грузоподъемности главного подъема и соответственно всего крана в целом, не имело смысла говорить об идентичности конструкций. Грузоподъемность крана является его основным -базовым критерием, на основании которого выстраивается вся конструкция крана и ведется прочностной расчет. От грузоподъемности зависят расчетные схемы нагружения и конструкция основных несущих элементов, а соответственно и их сечение, мощность и прочностные характеристики приводов. Как следствие, от грузоподъемности зависит общая масса крана и в конечном итоге - его стоимость.

Рассмотрев и проанализировав монтажные и ремонтные потоки перемещаемого оборудования в реакторном отделении проекта «АЭС-2006», был сделан следующий вывод, что максимальная нагрузка на кран возникает при подъеме и перемещении парогенератора ПГВ-1000МКП с оснасткой, в период его монтажа, и составляет 352 т. Максимальная нагрузка на кран в период эксплуатации и планово-предупредительных ремонтов составляет не более 205 т. Данная нагрузка соответствует подъему и перемещению верхнего блока ректора с приводами системы управления и защиты. Следуя стандартному ряду грузоподъемности [2], в обоих случаях следует принять главные подъемы кранов грузоподъемностью 360 т при монтаже оборудования и 205 т при выполнении операций с верхним блоком реактора при эксплуатационных ремонтах.

2. Одним из важнейших критериев, которые так же необходимо учитывать при конструировании крана, являются параметры среды под герметичной оболочкой, внутри которой работает полярный кран.

Рис. 1. Профили куполов герметичных оболочек ЛАЭС-2 и НВАЭС-2 и металлоконструкции крана кругового действия

Параметры среды задают определяющие условия (температуру, влажность, мощность дозы радиационного облучения и объемную активность парогазовой среды), при которых будет работать металл крана и, самое главное, его электрооборудование. Вариантность, даже незначительная, приводит к резкому ужесточению требований по защите электрооборудования и обеспечению его надежной эксплуатации особенно при проектных и запроектных авариях.

Сравнение проектных параметров среды под гер-мооболочкой во время проектных и запроектных аварий реакторной установки для НВАЭС-2 и ЛАЭС-2 выявило, что они существенно разняться, причем в основных значениях. Учитывая, что проект реакторной установки, разработанный генеральным проектировщиком, был общий для всех блоков «АЭС-2006», то правомерен вопрос, за счет чего же возникают различия. Рассмотрев влияние всех факторов, было выявлено, что проектировщиками ОАО «АЭП» и ОАО «СПб АЭП» был принят различный подход к организации систем безопасности, в частности систем, локализующих аварии.

Проведя детальную проработку этого вопроса с проектными институтами, удалось добиться достаточно серьезного сближения проектных параметров, а те значения, которые, в конечном счете, не удалось привести к единому знаменателю, уже не оказывали существенного влияния на конструкцию крана.

3. Изначально основной задачей унификации крана было интегрирование металлоконструкции его в профили герметичных оболочек НВАЭС-2 и ЛАЭС-2 (рис. 1).

Диаметр обеих герметичных оболочек одинаков и составляет 44,0 м, однако конструкция их купольной части значительно разнится. Герметичная оболочка ЛАЭС-2 отличается вытянутой вверх конструкцией и большим объемом подоболочечного пространства,

Поступила в редакцию

соответственно проблем с привязкой в ней крана не будет. Герметичная оболочка НВАЭС-2 имеет шарообразный купол, и ее сужение начинается в районе концевых балок крана. Учитывая, что с одной стороны зона обслуживания крана должна быть максимально большой, и как можно ближе подходить к стенам герметичной оболочки, с другой стороны, проектировщиками выдвигалось требование, что металлоконструкции крана не должны приближаться к стенам купола менее чем на 700 мм, ОАО «ВНИИАМ» была проведена детальная проработка новой конструкции концевых балок и ходовых тележек крана для НВАЭС-2.

Новый проект металлоконструкций крана обеспечивает как все необходимые прочностные и ходовые характеристики крана, так и хорошо интегрируется в строительные части герметичных зданий обеих АЭС с обеспечением всех нормативных проектных требований. Вписать перепроектированный кран для НВАЭС-2 в строительную часть здания ЛАЭС-2 уже не представляло затруднений, учитывая, что герметичная оболочка ЛАЭС-2 имеет большие размеры, о чем упоминалось выше.

Выполненная экспертно-аналитическая работа по достижению максимального единообразия конструкции полярных кранов НВАЭС-2 и ЛАЭС-2 привела к положительному результату и к унификации двух проектов верхней части герметичной оболочки «АЭС-2006».

Литература

1. Развитие атомного энерго-промышленного комплекса России на 2007 - 2010 годы и на перспективу до 2015 года : Федеральная целевая программа М.: Энергоатом-издат, 2006.

2. ГОСТ 1575 - 87. Краны грузоподъемные. Ряды основных параметров. М.: Стандарт, 1987.

18 февраля 2009 г.

Пинчук Михаил Эдуардович - инженер, ассистент, кафедра «Теплоэнергетические технологии и оборудование», Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 22-52-10.

Якубенко Игорь Алексеевич - канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Электротехника и автоматика», Волго-донский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 22-78-66. E-mail: [email protected]

Pinchuk Michael Eduardovich - engineer, assistant, department «Heat Power Technologies and Equipment» Vol-godonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 2252-10.

Yakubenko Igor Alexeevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, head of department «Electrical Engineering and Automatics», Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 22-78-66. E-mail: [email protected].