Разработка проекта модернизации питательных насосов для блоков 500МВт Рефтинской ГРЭС

Система разгрузки

Система разгрузки осевых сил представляет собой гладкий поршень в комбинации с упорным подшипником двустороннего действия для восприятия остаточных осевых сил. Система состоит из не вращающейся части (гильзы разгрузочного поршня) и вращающегося в ней разгрузочного поршня, установленного на валу по горячей посадке без каких-либо вторичных уплотнений и, таким образом, составляет единое целое с валом насоса, что обеспечивает наибольшую эксплуатационную надежность.  
        Перепад давления между двумя сторонами поршня образует                   осевое усилие, направленное в сторону, противоположную гидравлическому   осевому усилию, создаваемому рабочими колесами.  
        Какими бы ни были условия работы насоса, остаточные осевые усилия полностью воспринимаются упорным подшипником. Так как применяемое  фирмой “Sulzer” разгрузочное устройство не имеет осевых зазоров, упорный подшипник не требует пружинного эффекта и работает в обоих направлениях действия осевых усилий. Смазка подшипника осуществляется непосредственным впрыском масла в сегменты подшипника.  
Преимущества системы разгрузки поршнем по сравнению со ступенчатым поршнем:

- отсутствуют малые осевые зазоры характерные для гидропяты или ступенчатого поршня, как следствие большая надежность  
- нет необходимости в сложной процедуре выставления ротора, как это  
требуется при использовании ступенчатого поршня, (зазор в ступенчатом  
поршне и зазор в упорном подшипнике должны согласовываться друг с  
другом)  
        - компенсируемые силы не зависят от износа прямого поршня, изменения остаточных осевых усилий вызываются только изменением распределения давления в рабочем колесе. Для повышения к.п.д. нет необходимости уменьшать зазоры как в ступенчатом поршне, следовательно  нет уменьшения к.п.д. через короткое время после начала работы, (к.п.д. насосов “Sulzer” основан на улучшенной геометрии рабочих колес, но не на уменьшенных зазорах)  
       - отсутствует гидравлическая нестабильность, если остаточные осевые силы действуют в сторону напорной части насоса. Если осевые силы действуют в сторону напорной части насоса, конструкции со ступенчатым поршнем гидравлически нестабильны, и наружная половина упорного подшипника оказывается сильно перегружена и даже может быть разрушена, во время быстрых пусков - остановов, в переходных режимах, при потере давления на входе, или при работе в режиме кавитации. Система разгрузки, применяемая фирмой “Sulzer” - единственная система, использующая двусторонний упорный подшипник в обоих направлениях без всякого пружинящего эффекта. 
        Ступенчатый поршень зависит от пружинящего эффекта в упорном подшипнике, (получаемого при помощи пружины или карданного кольца), для обеспечения осевого смещения ротора, необходимого для функционирования дисковой части ступенчатого ротора. Поскольку применяемая “Sulzer” система разгрузки работает без дискового эффекта, насос может работать от 10 об/мин и до полной частоты вращения, при полном расчетном давлении начиная от режима рециркуляции и кончая подачами при режимах значительных перегрузов, возможна даже работа в режиме кавитации. Поршень в насосах “Sulzer” посажен на вал с большим  натягом. Поэтому нет необходимости во вторичном уплотнении между валом и поршнем, также увеличивается жесткость вала, уменьшается естественный прогиб вала и гарантируются низкие уровни вибрации во всем рабочем диапазоне.  
      

 Подшипники  
       Опорами ротора насоса являются радиальные масляные                   подшипники скольжения, по одному с каждой стороны, и упорный     подшипник со стороны разгрузочного устройства. 
        Радиальные подшипники представляют собой подшипники сегментного типа с принудительной смазкой, рассчитанные на работу при высоких частотах вращения, а также на работу при частотах валоповорота вплоть до 10 об/мин.    С приводной и полевой стороны подшипники одинакового размера.  
        Для уменьшения потерь мощности и улучшения условий смазки, упорный подшипник Митчеля двустороннего действия смазывается принудительным впрыском масла к каждому сегменту. Подпятник упорного подшипника установлен на валу по горячей посадке.

Уплотнение вала 
       Уплотнение    вала    осуществляется    двумя    торцовыми    уплотнениями производства  фирм  “Джон  Крейн”  или  “Бургманн”.  
       Для    предотвращения    перегрева    уплотнений    предусмотрена    рубашка охлаждения с внешним контуром охлаждения.  
       Внешний    контур  охлаждения   является   контуром   замкнутого   типа,   что позволяет   с   помощью   встроенных   в   контур    теплообменников    отводить генерируемое  трущимися   парами   тепло   и   очищать   с   помощью  фильтров циркулирующую через уплотнения воду.  
       Для  контроля  температуры  воды  в  этом  контуре  устанавливаются датчики температуры, а для контроля работы фильтра дифференциальный манометр.

К.П.Д. насоса  
       Как    правило,    К.П.Д.    насосов   фирмы    “Sulzer”     всегда    основывается  на  оптимизированной  геометрии  рабочих  колес  и  направляющих аппаратов. Эта  геометрия  обеспечивает  уровень  К.П.Д.  максимально  возможным    для данной рабочей точки насоса.  
       Поскольку   высокий   уровень   К.П.Д.   обеспечивается   только   геометрией рабочих   колес  и  направляющих  аппаратов,  уменьшение  К.П.Д.   вследствие износа  незначительно,  и  общий  к.п.д.  насоса  остается постоянным в течение длительного времени работы.  
   КПД=84,5-85,5 % 

  Как правило, фирма “Sulzer” не использует чрезмерного снижения уровня или величины зазоров в уплотнениях с целью повышения К.П.Д., так как это дает кратковременный эффект и снижает надежность насоса.  Такая регулярная перфорация позволяет увеличить К.П.Д. примерно на 1% при достаточно низком износе, так как между отверстиями остаются обширные зоны металла.  
        Но главным преимуществом этого конструктивного решения является то, что такие кольца легко могут быть изготовлены в местных условиях, и заказчик не должен покупать эти запчасти у изготовителя насоса.

Насосы фирмы «КSВ»  
      Питательные насосы типа СНТD 7/9 фирмы «КSВ» представляют собой модернизированный насос ПН 1500-350, предназначены для работы в тепловой схеме энергоблока. После модернизации от старого насоса сохранился только наружный корпус. Проточная часть насоса, вал рабочие колеса, направляющий аппарат изготовлено фирмой «КSВ» с использованием самых современных технологий.

        Питательный насос при расходе 1170 т/ч , частоте вращения 4665 об/мин, давлении на выходе насоса 313 бар и температуре перекачиваемой            среды 165 0С имеет К.П.Д.= 86,1%.  
         Высокая эффективность и надежность агрегата определяется высоким уровнем технологий, применяемых при изготовлении. Рабочие колеса выполняются литьем под давлением по выплавляемым моделям с последующей обработкой проточной части. Направляющие аппараты выполняются с высокой точностью на станках с программным управлением.

Осевые силы, в отличие от фирмы “Sulzer”, компенсируются двухступенчатым разгрузочным устройством с упорным подшипником. Использование двухступенчатого разгрузочного устройства позволяет создать минимальные нагрузки на упорный подшипник даже при повышенном износе проточной части, и иметь стабильные характеристики на нерасчетных режимах.  
         Использование торцовых уплотнений фирмы «Вurgman» позволяет практически полностью устранить протечки в концевых уплотнениях вала. 
Использование сотовых, или как их еще называют ячеечных, уплотнений в проточной части позволяет существенным образом, до 1,5% повысить внутренний К.П.Д. насоса относительно щелевых уплотнений. Эти уплотнения высокотехнологичны, эффективны, но при износе должны закупаться у изготовителя насосов.  
        В отличие от фирмы “Sulzer” “КSВ” не использует в насосах поставляемых в Россию конструкцию полного картриджа.   

Важным критерием надежности насоса являются его вибрационные свойства, которые отвечают требованиям VDI 2056, группе Т. В соответствии с этими требованиями  виброскорости  на корпусах подшипников не должны превышать 2,8 мм/с.

Применение оптимально приспособленной к эксплуатационным данным гидравлики, улучшенной (с точки зрения температурной деформации)  конструкции и оптимизированных щелевых уплотнений между вращающимися и неподвижными частями, позволило повысить КПД насоса приблизительно на 5% процентов. Так как потребление энергии играет важнейшую роль для расчета экономической эффективности, заказчик потребовал соблюдения  допусков определения КПД по DIN 1994, класс точности  1. Определение КПД осуществляется на испытательном стенде, на холодной воде, и пересчитывается  при помощи специальных формул для эксплуатационных оборотов и температуры. Гарантированный КПД базируется на результатах применения гидравлических моделей и изготовленных машин. Отрицательные отклонения значения КПД не допускаются. Кроме того, при сдаче агрегата, производится определение КПД термодинамическим методом, при эксплуатационных условиях.

Основной насос является  двухкорпусным насосом с промотбором после первой ступени. Его конструкция обеспечивает возможность монтажа и демонтажа проточной части, гидравлики, уплотнений и подшипников в кратчайшие сроки. Вследствие этого становится возможным сокращение сроков техобслуживания.

   Модернизированный насос выполнен, также как и старый с 7-ю ступенями. Благодаря конструктивной подгонке стало возможным применение обычного для новых конструкций расстояния между подшипниками в старом корпусе российского производства. Таким образом, исключается отрицательное влияние на статический прогиб и на критическую частоту вращения.

      Пространство между проточной частью насоса и наружным корпусом разделено на несколько областей давления так, что промотбор может осуществляться с требуемым давлением. Области давления разделены специальными уплотнениями для высоких температур и давлений. Эластичность и свойства уплотнений при резком изменении температуры  согласованы  друг с другом. Входной корпус насоса изолирован от воздействия рабочего давления. Его конструктивное исполнение обеспечивает оптимальное распределение потока на входе в насос. Уплотнение между секциями различных ступеней осуществляется путём прижатия металлических поверхностей друг к другу в осевом направлении при помощи основных стяжных шпилек и напорной крышки насоса.

   Вал изготовлен из коррозионноустойчивой, хромистой стали. Специальные покрытия  в области рабочих колес облегчают монтажные и демонтажные работы. Рабочие колеса посажены на вал с натягом и закреплены отдельно. Это обеспечивает прекрасные динамические характеристики вращения и низкий статический прогиб вала. Каждое рабочее колесо дополнительно зафиксировано в осевом направлении при помощи шаблонной техники. Применение этой технологии было вызвано необходимостью достижения высокого КПД насоса.

     Уравновешивание осевых сил ротора насоса происходит при помощи омываемого рабочей средой гидравлического разгрузочного устройства, в сочетании с упорным подшипником с самоустанавливающимися сегментами.

   Разгрузочное устройство представляет собой двухступенчатый поршень с дроссельными втулками. По сравнению с обычным поршнем двухступенчатый разгрузочный поршень имеет преимущество саморегулирования в случае увеличения зазоров щелевых уплотнений, кроме того, он обеспечивает надежное демпфирование ротора насоса. Помимо этого он может выполнять, функцию разгрузочной шайбы в случае выхода из строя упорного подшипника с принудительной смазкой, обеспечивает оптимальную надежность эксплуатации питательного насоса, даже при одновременном возникновении нескольких неполадок.

     Радиальные силы уравновешиваются двумя опорными подшипниками с принудительной смазкой и омываемыми в осевом направлении щелевыми уплотнениями. Гидродинамический подшипниковый эффект приводит к возникновению центрирующих сил в области ротора, обеспечивающих высокую стабильность работы насоса. Применение сотовых уплотнений обеспечивает снижение потерь в зазорах и повышение несущих  сил при более благоприятных демпфирующих качествах.

   Вместо применяемых ранее дроссельных уплотнений в новом агрегате в качестве уплотнений вала используются торцовые уплотнения патронного типа с комбинацией материалов SiC и промысленного угля. Охлаждение осуществляется при помощи циркуляционного контура, состоящего  из охладителей и магнитных фильтров. При работающем насосе циркуляция обеспечивается внутренней подающей системой; при остановке насоса - за счет термосифонного эффекта.

Насосы ОАО «ЛМЗ»

Ленинградский Металлический Завод (ЛМЗ) восстановил производство мощных питательных насосов. Разработаны базовые конструкции и унифицированные решения для блоков ТЭС мощностью 300, 500, 800 и 1200 МВт. Создана экспериментальная база насосостроения, разработаны проточные части.

Подача насоса- 1150 м3/ч,  
Давление на входе в насос - 2,04 МПа,                                                                   Давление на выходе насоса - 34,7 МПа,                                                                            Температура питательной воды - 165 0С                                                                       Частота вращения - 6000 об/мин                                                                                    Число ступеней -6.  
К.П.Д. - 84%.

В конструкции насоса применено современное разгрузочное устройство в виде поршня и новая конструкция современного подшипникового устройства и подпятника питательного насоса. Здесь использована новая рычажная уравновешивающая система и новые антифрикционные материалы. На основе унифицированных решений разработаны базовые конструкции питательных насосов для энергоблоков мощностью 300 МВт. Подача насоса 1150 м3 /ч, давление на входе - 2,0 МПа, давление на выходе - 34,0 МПа, частота вращения 4990 об/мин, число ступеней - 6.

Для энергоблоков мощностью 500 МВт разработан насос типа ПН 950- 350-М1. Этот насос рассчитан на расход 950 м3/ч, давление на входе -2, МПа, на выходе 35,0 МПа, частотой вращения 4700 об/мин. Применительно к использованию в тепловой схеме энергоблоков мощностью 800 и 1200 МВт разработаны две конструкции насосов. Первая ПН 1500-350-М1, представляет собой модернизированный насос ПН 1500-350, вторая конструкция представляет собой конструкцию в которой уменьшено число ступеней до 6, увеличена частота вращения до 5200 об/мин, расход через насос, давление на входе и выходе остались прежними и составляют, соответственно: 1500 м3/ч, 2,25 и35,0 МПа.[5]