Разработка проекта модернизации питательных насосов для блоков 500МВт Рефтинской ГРЭС

3. Литературный  обзор

 

В конце 1980-х в СССР ежегодно вводилось в строй около 10-12 тыс. МВт новых мощностей, а за последнее десятилетие не более 3 тыс. МВт. Последними из завершенных крупных проектов стали Сочинская и Калининградская ТЭЦ-2, до этого Северо-Западная ТЭЦ в Петербурге. По данным Advanced Research, возраст оборудования электростанций превышает 30 лет, износ зашкалил за 70%. Сегодня можно говорить, что энергетика стала тормозом в развитии экономики страны: достаточно вспомнить зимние ограничения в потреблении электричества и тепла, с которыми с завидной регулярностью сталкиваются промышленность и население. РАО не в состоянии выполнить заявки от участников экономической деятельности на 50 млрд. кВт/ч электроэнергии.

Надежность работы и ресурс теплотехнического оборудования в значительной мере зависит от степени износа рабочих поверхностей оборудования. Производитель электрической и тепловой энергии, как в нашей стране, так и за рубежом, в своей практической деятельности сталкиваются с интенсивным износом различного оборудования турбин, парогенераторов,  теплообменников, запорной и регулирующей арматуры, насосов и др. Для отечественной энергетики проблема износостойкости, физического и морального старения оборудования ТЭС, в современных условиях и на ближайшую перспективу приобретает особую значимость, обусловленную, в первую очередь, состоянием теплотехнического оборудования, часто уже исчерпавшего свой ресурс, но по-прежнему находящегося в эксплуатации.

В настоящее время наиболее результативным путем повышения эффективности работы электростанций в условиях замедленного строительства новых объектов является модернизация оборудования, выработавшего свой ресурс.[1]

 

 

Анализ работы энергетических насосов

 

Гидросистемы основных технологических циклов электростанций (конденсата, питательной воды, теплофикационного и др.) характеризуются переменными режимами работы в процессе эксплуатации. Изменения расходов рабочей среды происходят в широком диапазоне в зависимости от времени суток и имеют ярко выраженный сезонный характер. Элементы их оборудования в течение длительного времени вынуждены работать в режимах, значительно отличающихся от расчетных, вследствие чего может появиться комплекс отрицательных последствий. Прежде всего, это относится к лопастным насосам, обеспечивающим движение жидкости в системе. В результате снижается надежность работы, как самих насосов, так и электростанции в целом.

Длительная эксплуатация лопастного насоса в нерасчетных, неоптимальных режимах и, тем более, вне его рабочей зоны (по подаче) приводит к ряду негативных явлений:

_ заметному снижению КПД насоса;

_появлению значительной неравномерности скоростей потока и давлений на выходе из рабочего колеса (РК), возникновению и усилению пульсаций потока в колесе и в отводе и, как следствие, росту шумов и вибраций;

_ возникновению существенной радиальной силы, действующей на вал со стороны РК, величина которой для насосов со спиральными отводами (сетевые, бустерные и др.) на один или два порядка может превышать весовые и монтажно-технологические нагрузки, что приводит к преждевременному износу и выходу из строя подшипников, а иногда и к поломке вала;

_ возникновению кавитационных явлений, влекущих за собой появление ряда дополнительных негативных факторов, вплоть до полного прекращения подачи жидкости вследствие "запаривания" насоса;

_ появлению в гидросистеме при определенных условиях резких периодических колебаний расхода, сопровождающихся гидравлическими ударами, что может привести к разрушению элементов системы. Вероятность возникновения таких колебаний возрастает, а предсказуемость их появления снижается, если работают несколько параллельно соединенных насосов, что как раз характерно для большинства гидросистем электростанций.

Для недопущения или ослабления влияния указанных факторов на работу насосов необходимо изучение характерных режимов работы конкретной гидросистемы на конкретной электростанции. Выбор насоса для данной гидросистемы производится унифицированно, без учета множества индивидуальных особенностей той системы, в которой ему предстоит работать.

Эти особенности зависят от трассировки трубопроводов, размещения насосов и другого оборудования в системе, режимов работы электростанции, различия характеристик оборудования в пределах заводских допусков и др.[2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Центробежные насосы

 

Рассмотрим типы насосов, применяемых на энергетических объектах.

Центробежные насосы составляют весьма обширный класс насосов. Перекачивание жидкости или создание давления производится в центробежных насосах вращением одного или нескольких рабочих колес. Большое число разнообразных типов центробежных насосов, изготовляемых для различных целей, может быть сведено к небольшому числу основных их типов, разница в конструктивной разработке которых продиктована в основном особенностями использования насосов. В результате воздействия рабочего колеса жидкость выходит из него с более высоким давлением и большей скоростью, чем при входе. Выходная скорость преобразуется в корпус насоса в давление перед выходом жидкости из насоса. Преобразование скоростного напора в пьезометрический частично осуществляется в спиральном отводе 1 (см. рисунок 1) или направляющем аппарате 3. Несмотря на то что жидкость поступает из колеса 2 в канал спирального отвода с постепенно возрастающими сечениями, преобразование скоростного напора в пьезометрический осуществляется главным образом в коническом напорном патрубке 4. Если жидкость из колеса попадает в каналы направляющего аппарата 3, то большая часть указанного преобразования происходит в этих каналах.

 
рис. 1. Схема насоса со спиральным отводом a — без направляющего аппарата; б —с направляющим аппаратом

Направляющий аппарат был введен в конструкцию насосов на основании опыта работы гидравлических турбин, где наличие направляющего аппарата является обязательным. Насосы ранних конструкций с направляющим аппаратом назывались турбонасосами. 
Наиболее распространенным типом центробежных насосов являются одноступенчатые насосы с горизонтальным расположением вала и рабочим колесом одностороннего входа. На рисунке 2 показана насосная установка, состоящая из центробежного насоса 3 типа НЦС, электродвигателя 5, служащего приводом для насоса и смонтированного вместе с ним на раме 6.

 
рис. 2. Схема центробежного самовсасывающего насоса НЦС-1

Этот насос применяется в основном для откачивания чистой воды при разработке котлованов под фундаменты и траншеи, также для других подобных работ в различных отраслях промышленности и строительства. Насос оборудован всасывающим рукавом 2, снабженным фильтром 1 и напорным патрубком 4. Привод насосов этого типа, помимо электродвигателя, может осуществляться бензиновыми двигателями внутреннего сгорания. Характеристика насоса НСЦ-1 приведена на рисунке 3.

 
рис. 3. Характеристика насоса НЦС-1

Одноступенчатые насосные установки могут быть оборудованы насосами консольного типа — типа К (см. рисунок 4) с приводом от электродвигателя через соединительную муфту, предназначенными для подачи чистой воды и других малоагрессивных жидкостей. Насос типа К состоит из корпуса 2, крышки 1 корпуса, рабочего колеса 4, узла уплотнения вала и опорной стойки. Крышка корпуса отлита за одно целое со всасывающим патрубком насоса. Рабочее колесо закрытого типа закреплено на валу 9 насоса с помощью шпонки и гайки 5. У насосов мощностью до 10 кВт рабочие колеса неразгруженные, а у насосов мощностью 10 кВт и выше разгруженные от осевых усилий. Разгрузка осуществляется через разгрузочные отверстия в заднем диске рабочего колеса и уплотнительный поясок на рабочем колесе со стороны узла уплотнения. Благодаря разгрузке снижается давление перед узлом уплотнения вала насоса.

 
рис. 4. Схема консольного насоса одностороннего всасывания типа К

Для увеличения ресурса работы насоса корпус (только у насосов мощностью 10 кВт и выше) и сменные корпуса (у всех насосов) защищены сменными уплотняющими кольцами 3. Небольшой зазор (0,3— 0,5 мм) между уплотняющим кольцом и уплотнитель-иым пояском рабочего колеса препятствует перетоку перекачиваемой насосом жидкости из области высокого давления в область низкого давления, благодаря чему обеспечивается высокий КПД насоса. 
Для уплотнения вала насоса применяют мягкий набивной сальник. Для повышения ресурса работы насоса и предотвращения износа вала в зоне узла уплотнения на вал надета сменная защитная втулка 7. Набивка сальника 6 поджимается крышкой сальника 8. Опорная стойка представляет собой опорный кронштейн 10, в котором в шарикоподшипниках 11 установлен вал насоса. Шарикоподшипники закрыты крышками. Смазка шарикоподшипников консистентная. 
Рабочие колеса одностороннего всасывания подвержены воздействию осевой силы, которая направлена в сторону входа жидкости в рабочее колесо. Осевая сила возникает из-за того, что расположенная против входного сечения колеса площадь A1 = π D12 / 4 передней стороны заднего диска находится под действием давления всасывания р1, а также по величине площадь задней стороны этого диска — под давлением нагнетания р2. 
Осевая сила Т может быть вычислена из уравнения

T = π / 4 (D12 - Ds2)(p2 - p1).

где D1 — диаметр входа в рабочее колесо; Ds — диаметр вала. 
В действительности осевая сила несколько меньше, чем вычисленная по этой формуле. Это объясняется тем, что, во-первых, разность давлений p2 - p1 меньше, чем полный напор насоса, так как жидкость за колесом находится во вращении, и, во-вторых, в связи с изменением направления движения жидкости в рабочем колесе от осевого к радиальному возникает противоположно направленное осевое усилие. Однако разгружающая осевая сила существенно мала по сравнению с той, которая возникает под действием разности давления на задний диск рабочего колеса. 
Если в одноступенчатых насосах одностороннего всасывания осевая сила может быть надежно воспринята упорным подшипником, то это будет самым экономичным решением. В противном случае необходимо принять меры для уменьшения осевой силы, действующей на упорный подшипник. Это уменьшение может быть достигнуто только при понижении КПД насоса. 
Обычно применяют один из двух методов устранения или уменьшения осевой силы. По первому методу за рабочим колесом располагают камеру 4 (см. рисунок 5), отделенную от напорной полости уплотнительными кольцами с малым радиальным зазором. Камера сообщается с входной полостью 1 рабочего колеса 2 через отверстия 5, просверленные в заднем диске 3. В некоторых случаях разгрузочную камеру 4 с помощью канала 6 сообщают с входным патрубком. Устройство специального канала, соединяющего разгрузочную камеру с входным патрубком, является лучшим решением, чем сверление отверстий в диске колеса, так как струя жидкости, выходящая через эти отверстия, направлена против потока на входе в рабочее колесо и нарушает его.

 
рис. 5. Схема возможной разгрузки рабочего колеса от осевого усилия

При втором методе уравновешивания осевой силы применяют ребра, расположенные с наружной стороны заднего диска. При вращении рабочего колеса вследствие наличия ребер снижается давление в полости между колесом и корпусом. На рисунке 6 изображены характерные кривые осевой силы для неуравновешенного колеса (кривая 1), для колеса с разгрузочной камерой у заднего диска и девятью отверстиями диаметром 10 мм в ступице (кривая 2) и ребрами на заднем диске (кривая 3). 
Как видно из графиков, изображенных на рисунке, второй метод является более дешевым и эффективным по сравнению с первым; при этом увеличение мощности соответствует мощности, теряемой в обычных условиях из-за утечек.

рис. 6. График изменения осевой силы

Однако самым эффективным способом разгрузки ротора одноступенчатого насоса от осевого усилия является применение насосов с колесами двустороннего всасывания — типа Д (см. рисунок 7), у которых благодаря симметрии не возникает осевого усилия. У этих насосов имеется раздваивающийся полуспиральный подвод 3. В рабочем колесе 1 эти потоки соединяются и выходят в общий спиральный отвод. Разъем корпуса насоса горизонтальный, благодаря чему обеспечивается возможность вскрытия, осмотра, ремонта, замены отдельных деталей и всего ротора без демонтажа трубопроводов (напорный и всасывающий патрубки подсоединены к нижней части корпуса). Вал насоса защищен от износа закрепленными на валу сменными втулками. Эти же втулки крепят рабочее колесо в осевом направлении. Сальники, уплотняющие подвод насоса, имеют кольца гидравлического затвора 2. Жидкость подводится к ним под давлением из отвода насоса по трубам. Радиальная нагрузка ротора воспринимается подшипниками скольжения. Для фиксации вала в осевом направлении и восприятия осевого усилия, которое может возникнуть при неодинаковом изготовлении или износе одного из уплотнения рабочего колеса, в левом подшипнике имеются радиально-упорные шарикоподшипники 4. Насосы двухстороннего всасывания имеют большую высоту всасывания, чем насосы одностороннего всасывания при тех же подаче и частоте вращения вала.

 
рис. 7. Одноступенчатый насос двустороннего всасывания

Одноступенчатые насосы имеют ограниченный напор. Поэтому когда необходимый напор насоса не может быть создан достаточно экономично одним рабочим колесом, в конструкции многоступенчатого насоса применяют ряд последовательно расположенных колес. Схема многоступенчатого секционного центробежного насоса показана на рисунке 8. Каждая ступень такого насоса состоит из рабочего колеса 1 и направляющего аппарата 2, который направляет поток к следующему рабочему колесу. В таком насосе напор повышается пропорционально числу колес.

 
рис. 8. Схема многоступенчатого секционного центробежного насоса

На рисунке 9 изображен разрез многоступенчатого питательного турбонасоса секционного типа. Поток жидкости из всасывающей секции 1, проходя через четыре промежуточные секции 2, попадает в напорную секцию 3. Осевое усилие воспринимается гидравлическим разгрузочным устройством.

 

 

 

 

Питательные насосы

 

В группу питательных насосов входят насосы двух типов ПЭ и ЦВК, они предназначены для питания котлов водой, не содержащей твердых частиц.

Питательные электронасосы типа ПЭ. обеспечивают подачу воды с температурой до 165°С в барабанные и прямоточные паровые котлы.

Конструктивно они представляют собой горизонтальные секционные многоступенчатые насосы с односторонним расположением рабочих колес и делятся на однокорпусные и двухкорпусные.

Шестиступенчатые однокорпусные насосы ПЭ65/40, ПЭ65-53, ПЭ150-53 и ПЭ150-63 предназначены для котлов давлением пара 40 кгс/см2. Материал проточной части чугун СЧ20.

Десятиступенчатый однокорпусной насос  ПЭ270-150-3 предназначен для   котлов давлением 100 и 140 кгс/cм2. Материал проточной части - сталь.

Опорами вала служат два   подшипника скольжения с камерами водяного охлаждения.

Конструкцией насосов предусмотрено охлаждение сальников водой. Воде подается в узел уплотнения для конденсации   паров перекачиваемой жидкости, которые могут просачиваться через уплотнение.

Осевое усилие, воздействующее на вал насоса, воспринимается гидравлической пятой, отлитой из модифицированного чугуна.

Двухкорпусную конструкцию представляют насосы: десятиступенчатые ПЭ380-185-3, ΠЭ500-180-3, ΠЭ580-195 и одиннадцатиступенчатые ПЭ380-200-3 для котлов с давлением пара 140 кгс/см2, семиступенчатый насос ПЭ600-300-3 для котлов с давлением пара 255 кгс/см2

С развитием атомной энергетики были созданы специальные питательные насосы для АЭС, которые не предназначены для широкого круга потребителей.