Подшипниковая революция

Российские ученые предлагают технологию, благодаря которой оборудование сможет работать не на масле, а на обычной воде

Ольга Рубан

Один из самых крупных за всю историю отечественной энергетики пожаров случился в начале 80-х на Сырдарьинской ГРЭС. Огонь, разбушевавшийся на одном из турбогенераторов мощностью 300 МВт, добрался до кровли машзала, которая обрушилась, уничтожив остальные шесть таких же агрегатов. Менее страшные пожары, когда огонь "съедает" не более одного энергоблока, согласно статистике Всероссийского теплотехнического института (ВТИ), происходят в среднем по три раза в год. Прошлый год, к примеру, был ознаменован пятью подобными происшествиями.

Причиной всех этих пожаров было возгорание нефтяного масла, которое применяется для смазки подшипников основных агрегатов теплоэлектростанций - турбин, генераторов, насосов, компрессоров и т. п. По словам специалистов, из-за этого электростанция очень похожа на ту самую бочку с порохом, на которой сидишь и гадаешь, когда рванет. Только вместо пороха "бочка" в данном случае наполнена маслом: маслобаки и паутина маслопроводов есть во всех машзалах электростанции. Это "вездесущее" нефтяное масло имеет обыкновение самовоспламеняться при температуре порядка 375 градусов, в то время как рабочие поверхности действующего турбогенератора нагреваются до температуры 500-540 градусов. Поэтому малейшая неплотность маслопровода (а масло в нем находится под давлением), не говоря уж о его обрыве, приводит к вытеканию масла и неизбежному возникновению пожара.

По свидетельству очевидцев, "масляный" пожар на станции - это настоящая стихия. Предпринимались попытки просчитать хотя бы закономерности его распространения, однако жизнь каждый раз опровергала все теоретические модели. Еще одна неприятная особенность "масляных" пожаров в том, что они крайне редко бывают локальными. В отечественной статистике не принято прямо указывать ущерб от подобного рода ЧП, но в сводках часто встречается такая итоговая характеристика: "в результате пожара произошло обрушение крыши машзала". Это значит, что в помещении цеха выгорело все.

За рубежом электростанции тоже горят по той же причине, и не хуже наших. Например, в 1986 году вытекшее масло загорелось на ТЭЦ Ханасаари (Финляндия). Крыша машзала рухнула через пятнадцать минут после возникновения пожара. Ущерб составил 12 млн немецких марок. В 1987 году обрыв маслопровода обернулся пожаром на электростанции Texas Utilities (США). Ущерб составил 41,4 млн долларов. В 1989 году по той же причине дотла сгорел турбогенератор мощностью 480 МВт на станции Ванделлос (Испания).

Вероятность возникновения "масляных" пожаров на теплоэлектростанциях растет пугающими темпами. Так, по данным специализированного издания Power Engineering, в 50-х за год работы горел один турбогенератор из каждых двухсот, в 70-х - уже один из ста, а сейчас риск возрос до одного случая на каждые сорок турбогенераторов за год работы. В результате каждого такого пожара энергоблок вынужденно простаивает в среднем 270 суток.

Можно ли избавиться от "пороха" на электростанции? Оказывается, можно. Российские ученые предлагают оригинальную и относительно дешевую панацею от пожаров. Суть идеи состоит в том, что нужно немного переделать подшипники, и тогда для их смазки вместо масла можно будет использовать обычную воду.

Нужно всего лишь сменить прокладки

Вкладыш подшипника скольжения представляет собой широкую половинку полого стального цилиндра (см. рисунок), на внутреннюю рабочую поверхность которого для уменьшения трения и износа наплавляется тонкий слой из особого материала. Обычно это сплав олова с сурьмой и медью - баббит. Эта наплавка постоянно смачивается маслом, которое подводится по маслопроводу. Вал турбины как бы всплывает на слое масла и вращается с огромной скоростью, не задевая неподвижные части конструкции. Таким же образом подшипники функционируют во всех остальных агрегатах станции: масляная прослойка не позволяет подвижным металлическим деталям соприкасаться с металлом подшипника. Ключевым параметром здесь является большая вязкость масла, благодаря которой и возможен эффект всплытия.

Теперь перейдем собственно к ноу-хау. Группа ученых из Самарского государственного аэрокосмического университета (СГАУ) предлагает сначала заменить традиционную баббитовую наплавку подшипника на другой материал - металлопластмассу, которая представляет собой плотную металлическую сетку (так называемая металлическая резина), залитую фторопластом.

Второй шаг на пути к "электростанциям без пожаров" - замена масла на воду. На первый взгляд эта идея кажется бредовой, так как вязкость воды в 25 раз меньше, чем вязкость масла. Однако многолетние исследования на стендах УралВТИ (Челябинск) показали, что новый материал позволяет ее реализовать. В отличие от твердого баббита упругий и скользкий фторопласт сам выступает как смазка, поэтому в паре с маловязкой водой им удается обеспечить необходимую прослойку между двумя металлами.

Основа новой технологии - композитный материал из металла и пластика - как почти все лучшее в нашей стране, был придуман для нужд оборонки. В середине 60-х годов начали выходить из строя подшипники на силовых установках новых советских эсминцев. "Виноватым" оказался баббит, не выдерживавший огромных нагрузок, и специалисты Куйбышевского авиационного института (ныне СГАУ) придумали замену баббиту - металлопластмассу. Проблему боевых кораблей тогда решили другим способом, а новый материал с тех пор зажил собственной жизнью.

В конце 60-х, когда одна за другой вводились в строй первые крупные ГЭС (Волгоградская, Братская, Красноярская), у всех у них обнаружился один системный дефект: в момент пуска турбины баббит во вкладышах подшипников плавился, не выдерживая всплеска нагрузки и температуры. С тех пор на всех без исключения отечественных ГЭС стоят эластичные металлопластмассовые (ЭПМ) подшипники - именно так называют "старые" подшипники с новой наплавкой. В качестве смазки в них используется традиционное нефтяное масло.

А с водой в качестве смазки эти подшипники впервые в мире были запущены в действие в 1987 году на Славянской ГРЭС (Украина). Там турбогенератор мощностью 100 МВт проработал с подшипниками "на воде" более 1200 часов во всех режимах эксплуатации и тем самым доказал жизнеспособность идеи. После развала Союза работы продолжились на Безымянской ТЭЦ ("Самараэнерго"), где на смазку водой были успешно переведены подшипники сетевого и питательного насосов. Кстати, именно благодаря этой модернизации на станции однажды удалось предотвратить аварию.

Насосы "на воде" - это, конечно, хорошо, но наиболее пожароопасным узлом на электростанции является все-таки турбогенератор. Поэтому в феврале прошлого года в РАО "ЕЭС России" было принято решение попытаться перевести на "водяные" подшипники один из турбогенераторов Безымянской ТЭЦ.

Главное - покончить с пожарами

Попробуем разобраться, какие выгоды получит станция в результате внедрения ноу-хау и с какими техническими трудностями ей придется столкнуться на этом пути.

Первым делом мы бросились считать, сколько средств сможет сэкономить станция, если отпадет необходимость покупать масло. А покупать его приходится в среднем по 9-13 тонн в год на каждые 100 МВт мощности. Тонна нефтяного масла стоит сейчас 12-13 тыс. рублей. Таким образом, Безымянская ТЭЦ (мощность 182,5 МВт), полностью перейдя "на воду", сэкономила бы порядка 330 тыс. рублей в год (11 тыс. долларов), а, например, одна из московских ТЭЦ (мощность 1370 МВт) - около полутора миллионов рублей (50,5 тыс. долларов). Деньги не так велики, но в масштабах страны экономия была бы ощутимой. По приблизительным оценкам, в маслосистемы всех отечественных тепловых электростанций залито порядка 200 тыс. тонн нефтяного масла. В денежном исчислении это примерно 85 млн долларов.

Но оказалось, что на самой станции финансовую выгоду даже не подсчитывали, поскольку основным плюсом нововведения энергетики считают возможность "слезть" наконец с "пороховой бочки". "Экономия денег - это во-вторых. Гораздо важнее то, что снижается пожароопасность, - сказал корреспонденту 'Эксперта' заместитель главного инженера по эксплуатации Безымянской ТЭЦ Олег Прошкин. - Если нет масла, то и нечему гореть; значительно упрощается эксплуатация оборудования - это кардинально меняет ситуацию".

Кроме того, переход на ЭМП-подшипники со смазкой водой даст еще и ресурсосберегающий эффект. Во-первых, отказываясь от масла, мы тем самым экономим нефть. Во-вторых, разработчики утверждают, что при замене баббитовых наплавок на металлопластмассовые с водяной смазкой в 8-10 раз уменьшатся потери мощности на трение, и за счет этого на 0,1-0,2% возрастет кпд турбогенератора. При пересчете на годовую выработку электроэнергии получается, что без дополнительных затрат топлива станция сможет выработать еще порядка 700 тыс. кВтщч (в денежном исчислении при тарифе 0,6 рубля за 1 кВт это составляет 14 тыс. долларов) на каждые 100 МВт мощности. Ну а воду для смазки удобно брать непосредственно из конденсатора турбины - тогда в ней заведомо не будет механических примесей, а это единственное, что от нее требуется.

Финансирование работ на Безымянской ТЭЦ предусмотрено Отраслевой научно-технической программой РАО ЕЭС. По оценкам сотрудников СГАУ, модернизация первого турбогенератора обойдется в 22,5 млн рублей (в ценах прошлого года). "В любом случае затраты на реконструкцию станций под новые подшипники не сравнимы с ущербом, который наносят пожары", - полагает разработчик ЭМП-подшипников лауреат Государственной премии СССР в области науки и техники Юрий Байбородов.

Отметим, что перевод подшипников на воду - не единственный возможный способ покончить с пожарами. Можно, например, подшипники не трогать, а заменить нефтяное масло на синтетическое огнестойкое, которое в условиях электростанции можно считать практически негорючим (его температура самовоспламенения - 720 градусов). Перевести станцию с одного масла на другое проще, чем на воду. Однако, по мнению заместителя директора УралВТИ Анатолия Языкова, переход на воду все же предпочтительнее. Причин тому несколько. Синтетическое масло в отличие от воды не обеспечивает полной пожаробезопасности. Зато оно разъедает фундамент турбогенератора и предъявляет повышенные требования к конструкционным материалам - электроизоляции кабелей, покровным лакам, прокладкам и т. п. Увеличения кпд с ним тоже не получается. Кроме того, для экологии будет гораздо лучше, если при работе станции будет испаряться вода, а не химическая масляная субстанция. Помимо всего прочего, тонна синтетического масла стоит порядка 10 тыс. долларов, тогда как тонна воды - всего около 20 рублей.

Промышленное производство ЭМП-подшипников было освоено еще в 1982 году на чебоксарском заводе "Энергозапчасть". В настоящее время эти подшипники изготавливают также на питерском заводе "Электросила" и на производственно-ремонтном предприятии ОАО "Самараэнерго".

На самом деле станциям не придется покупать новые подшипники, поскольку на стальную основу вкладыша никто не покушается. Предстоит лишь заменить наплавку. Сейчас в случае необходимости станции заменяют поврежденные баббитовые наплавки своими силами. Для перехода на металлопластмассу придется лишь незначительно изменить технологию, что в свою очередь потребует от персонала приобретения новых рабочих навыков.

Правда, некоторыми предприятиями и этот этап уже пройден. Эластичные металлопластмассовые подшипники со смазкой нефтяным маслом уже около десяти лет работают во вспомогательном оборудовании на Сургутской ГРЭС-2, Нижневартовской ГРЭС, Чебоксарской ТЭЦ - всего на 28 агрегатах нескольких 800-мегаваттных энергоблоков. По свидетельству специалистов РАО ЕЭС, после внедрения новых подшипников в 3-5 раз уменьшился износ поверхностей вращающихся частей оборудования в местах трения, а также удалось погасить вибрацию механизмов.

Революцию тормозит генератор

Если результаты эксперимента в Самаре окажутся положительными, в РАО ЕЭС скорее всего будет принято решение о переводе на новые подшипники с водяной смазкой турбогенераторы и других станций. Однако сам переход будет осуществлен не сразу.

Дело в том, что "прямо сегодня" можно установить новые подшипники только там, где работают генераторы нового поколения, охлаждаемые водой или воздухом. Здесь проблем с внедрением не возникнет. Но таких генераторов в нашей теплоэнергетике единицы (примерно 5%), и устанавливаются они только на новых энергоблоках.

Подавляющее же большинство (95%) генераторов на отечественных электростанциях охлаждается водородом, который несовместим с водой, предназначенной на роль смазки. Сейчас водород удерживается около вращающегося ротора масляной пленкой, которая препятствует его выходу наружу. Но раз мы хотим полностью отказаться от масла на турбогенераторе (а именно в этом состоит основная цель нововведения), нужно придумать новый способ изоляции водорода, причем эта новая изоляция должна быть "абсолютной", то есть не допускающей контакта водорода с водой-смазкой, так как это приведет к взрыву.

Тотальной замены "водородных" генераторов на более современные "воздушные" и "водяные" в обозримом будущем ждать не приходится. Именно поэтому в руководстве "Самараэнерго" считают, что если уж внедрять новшество, то сразу на "водородных" генераторах. "Если удастся полностью отказаться от использования масла на станциях, то можно будет говорить о революции в энергетике. Решать же задачу перевода подшипников турбогенератора на воду по частям не имеет смысла, - полагает технический директор 'Самараэнерго' Владимир Дикоп. - Нужно не разовое, а отраслевое решение. Для разового эксперимента эти работы слишком дороги. Проблема должна быть решена сразу полностью, чтобы можно было изменить ситуацию во всей энергетике". Сейчас над проблемой работают специалисты из Самарского политехнического университета под руководством профессора Дмитрия Грамаковского.

Заграница отстает

А собираются ли слезать с масляной "бочки" в других странах? Отечественные специалисты в этой области говорят, что видели "у них" только отдельные научные публикации на тему перевода электростанций с масла на воду. К тому же тормозом исследований в этой области стала, как это ни странно, хорошо отлаженная в ведущих западных странах система страхования: если станция после пожара укладывается в нормативные сроки ремонта, не пытаясь внедрить никаких новшеств, то получает страховку, которая компенсирует все убытки. (По данным Всемирной страховой компании, прямой ущерб, нанесенный пожаром типовому энергоблоку мощностью 600 МВт, оценивается в 27,4 млн долларов, если энергоблок не оборудован системой пожаротушения, и только в 0,8 млн, если такое оборудование установлено. В первом случае восстановление энергоблока обойдется в 45 млн долларов, во втором - в 7,5 млн.)

Между тем Самарский университет уже запатентовал технологию изготовления металлопластмассового покрытия для подшипников и в России, и за рубежом - в США, Бразилии, Аргентине, Италии, Индии, Великобритании. Хотя до настоящего времени речь шла о внедрении ЭМП-подшипников только в энергетике, можно с большой долей уверенности предположить, что у подшипников, которые могут работать без масла, большое будущее. Они наверняка найдут применение и в других отраслях, в продукции которых используются подшипники скольжения.