Высоконагревостойкая электрическая изоляция - Применение изоляции высокой нагревостойкости в электромагнитных насосах

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ НАСОСЫ
Электроизоляционные материалы высокой нагревостойкости использовали в конструкциях электромагнитных насосов (ЭМН), предназначенных для перекачивания жидкометаллических теплоносителей в контурах ядерно-энергетических установок с реакторами на быстрых нейтронах; в промышленных установках, связанных с получением, дозированием и транспортировкой щелочных металлов; в технологических и исследовательских установках, применяемых для осуществления радиационных производственных процессов и материаловедческих работ [102—104].
Применение жаропрочных обмоточных проводов и высоконагревостойких электроизоляционных материалов позволило создать конструкции магнитогидродинамических насосов (МГД-насосов), надежно работающих без искусственного охлаждения при температурах 300—600 °С (табл. 11.2).
Успешно работают в контурах реактора БР-5 (БР-10) ЭМН ДЛИН 3/150 (0,3 МПа, 150 м3/ч), насосы ДЛИН 5/700, ДЛИН 5/850 (в реакторе БОР-60), изготовлен ЭМН на 1200 м3/ч (для исследовательского стенда) [105].

Таблица 11.2. Характеристики индукционных электромагнитных насосов

Индукционные насосы изготовляли с плоским, цилиндрическим и винтовым каналами. Они предназначены для работы при температурах до 600 °С, расходах от единиц до сотен кубических метров в час, давлениях до 1,5-2 МПа. Их КПД достигает 30-40%, а плотность - нескольких десятков килограмм на киловатт полезной мощности. Большинство насосов к настоящему времени проработало по 5—10 тыс.ч, а некоторые — до 40 тыс.ч, получив высокую оценку за надежность и простоту эксплуатации. В [104] на основании расчетов КПД индукционных насосов для перекачивания натрия с температурой 400 °С и расходом до 104 м3/ч, а также путем анализа вопросов надежности сделан вывод о возможности создания таких мощных насосов с КПД, превышающих 60%.
Принцип действия индукционных электромагнитных насосов основан на взаимодействии бегущего магнитного поля с токами, наведенными в перекачиваемом металле. Насосы выпускаются как в вертикальном, так и горизонтальном исполнении. Канал насосов герметичен. Регулировка производительности насосов от нуля до номинального значения осуществляется путем изменения напряжения питания. Точность, плавность и скорость регулирования определяются характеристиками пускорегулирующей аппаратуры. Насосы допускают кратковременную перегрузку на 15—20% сверх номинального значения.

По сравнению с механическими насосами для перекачивания жидких металлов описываемые насосы отличаются простотой регулирования, не имеют движущихся частей (подшипников), уплотнений, сальников, и их рабочие тракты полностью герметизированы, что обеспечивает более высокую надежность в работе и простоту в обслуживании. Насосы могут эксплуатироваться в необслуживаемых персоналом боксах.
Высокотемпературный индукционный трехфазный насос с вращающимся магнитным полем и винтовым каналом прошел испытания при различных режимах работы при температуре 500 °С. Электрическая изоляция этого насоса выполнена из материалов, способных длительно работать при температурах 500-600 °С.
Эксплуатация винтовых насосов показала, что они являются надежными циркуляционными агрегатами, требующими минимального эксплуатационного обслуживания. Вытеснив механические насосы центробежного типа, они нашли широкое применение в экспериментальных материаловедческих и теплофизических работах. В отдельных случаях их с успехом использовали в радиоактивных петлях ядерных реакторов. Электромагнитные насосы винтового типа для небольших расходов имеют преимущества перед индукционными насосами других типов.
Разработано несколько типов МГД-насосов (табл. 11.3), рассчитанных на работу при температурах до 800 °С и предназначенных для технологических операций перемешивания и разливки олова и его сплавов, а также для приготовления баббитов и припоев, выкачки металла из ванн горячего лужения и т.д.
Индукционные насосы для свинца и его сплавов прошли длительную проверку, проработав непрерывно по нескольку тысяч часов (табл. 11.4).
Эти насосы применяли для выкачки свинца из рафинировочных котлов, охлаждения футеровки печей жидкометаллическим теплоносителем (сплав свинец — висмут), а также для исследований в металловедении.

Таблица 11.3. Характеристики индукционных МГД-насосов для олова и его сплавов [106]

Таблица 11.4. Характеристики индукционных МГД-насосов цилиндрического типа для свинца и его сплавов [106]

Таблица 11.5. Характеристики цилиндрических индукционных насосов

Для перекачивания магния и других щелочных металлов и их сплавов разработаны индукционные и кондукционные насосы. Диапазон характеристик таких насосов весьма широк по давлению (0,1—6 МПа) и подаче (от одного до сотен кубических метров в час) [106]. Эти насосы рассчитаны для работы при различных температурах перекачиваемого металла (100-900 °С). Насосы различаются как конструктивно (цилиндрические, плосколинейные, спиральные, герметичные, открытые, погружные), так и по системам питания (постоянное и переменное напряжение, однофазные и многофазные).
В табл. 11.5 приведены основные характеристики цилиндрических индукционных насосов с водяным охлаждением, предназначенных для транспортировки расплавленных металлов в металлургических и энергетических установках. Для создания этих насосов использованы электроизоляционные материалы высокой нагревостойкости. Благодаря этому рабочая температура насоса ЭНЦ-29 достигает 500 °С, а насоса ЭНЦ-35 - 650°С.
В табл. 11.5 приведены характеристики для насоса ЭНЦ-29 по литию, а для насоса ЭНЦ-35 - по калию.
Насосы типа ЭНЦ-29 и ЭНЦ-35 нашли наиболее широкое применение в жидкометаллических контурах, на стендах и в установках для проведения различных научно-исследовательских и экспериментальных работ. Эти насосы успешно эксплуатируются на многих предприятиях в течение нескольких лет, проработав там более 10 тыс.ч. Кроме индукционных насосов для обеспечения небольших напоров и расходов жидкого

металла применяли однофазные кондукционные насосы, удобные для эксплуатации и не требующие специальных источников питания [107]. Кондукционный насос переменного тока со сплошными электродами типа КМН-0,1/0,2 предназначен для перекачки щелочных металлов или их смеси в ректификационной установке на высоту не менее 0,5 м при расходе 0,15 л/с. При изготовлении обмотки, магнитопровода и электровыводов также применены электроизоляционные материалы высокой нагревостойкости, что обеспечивает возможность работы конструкции при температурах до 500 °С без внешнего охлаждения обмоток.
В настоящее время продолжаются исследования, направленные на разработку и применение магнитогидродинамических машин (МГД-машин) в народном хозяйстве по трем направлениям: созданию серий ЭМН потребляемой мощностью до 10 кВт, разработке крупных ЭМН с подачей тысячи—десятки тысяч кубических метров в час для основных контуров атомных электростанций (АЭС) с реакторами на быстрых нейтронах, созданию единичных насосов для конкретных установок. Во всех этих случаях применяют электроизоляционные материалы высокой нагревостойкости. Так, в серии ЭМН, где применяют провод ПОЖ и стеклослюдинитовую изоляцию на кремнийорганическом лаке, установлено, что среднее значение наработки на отказ составило 40-50 тыс.ч при температуре обмотки 300—350 °С. С целью определения возможности использования фторфлогопита в качестве корпусной изоляции исследовали обмотанные секции с размерами, близкими к проектным. Корпусную изоляцию получали непрерывной навивкой фторфлогопитового слюдопласта толщиной 0,3 мм в шесть слоев с последующей запечкой в пресс-форме. При температуре 550 °С значение Unр составляло 13,7-13,8 кВ при номинальном напряжении обмотки 1,5-3 кВ [94]. С использованием такой изоляции изготовлена и испытана двухмодульная сборка плоских насосов, представляющая собой два параллельно соединенных электрически и гидравлически ЭМН с плоскими каналами. Общий расход Оборки - 290 м3/ч, развиваемое давление — 0,4 МПа, напряжение — 600 В, температура обмоток - 511 °С [108]. Проектируется насос на 0,5 МПа, 3500 м3/ч для реактора АЭС. Ряд потенциальных преимуществ ЭМН перед механическими стимулирует возможность их использования в основных контурах АЭС с быстрыми реакторами, где используются механические насосы. Вопрос о создании высокотемпературных индукционных насосов большой подачи (20000 м3/ч и более для одного насоса при давлениях 0,5—0,8 МПа) стал актуальным в последние годы [104, 109].

При его решении в качестве материала магнитопроводов предлагается динамная сталь Э330, работающая при 400-600 °С, в качестве электрической изоляции — фторфлогопит, работающий при 500 °С и напряжения 3-6 кВ [109], - эта изоляция выдержала облучение в контейнерах интегральным потоком 1019-1020 нейтр./см2 без повреждения. Применение ЭМН в ядерной энергетике стало уже традиционным, эти машины начинают внедряться и в другие отрасли промышленности, использующие щелочные и другие легкоплавкие металлы в технологических процессах. Здесь открывается широкое поле деятельности для разработчиков и изготовителей ЭМН.