Разработка проекта модернизации питательных насосов для блоков 500МВт Рефтинской ГРЭС

В конструкцию насосов предполагалось ввести следующие изменения:  
       Изменить   соотношение  количества   лопастей  рабочего   колеса  и   лопаток направляющего аппарата — 7/12;  
       Секции направляющего аппарата выполнить в виде неразборных блок-секций, поэтому для осуществления сборки насоса ротор выполнен разборным, рабочие колеса  должны  быть  посажены  на  вал  по переходной  посадке;  
       Концевые  уплотнения  предполагалось  выполнить торцовыми,  используя уплотнения фирмы «Burgman»;                                                                                            Корпуса подшипников жестко соединены с корпусами концевых уплотнений, с целью устранить резонанс системы «ротор-опоры»;  
        Рабочее колесо первой ступени с расширенным входом, с целью устранения кавитации.

Отличительные, конструктивные особенности  насоса ПН 1500-350

Насос имеет масляный подшипник  скольжения на входе и пусковой подшипник, работающий на подводимом конденсате на выходе насоса. В корпусе пускового подшипника установлено отжимное устройство,             также работающее на конденсате, которое предназначено для гарантированного наличия зазора между разгрузочным диском и пятой во время пуска — останова и работы на валоповороте.

 Что выполнено реально при реконструкции насосов.  
        Насос ПН 1500-350-3 установлен на энергоблоке 800 МВт №3 Сургутской ГРЭС-2. В этом насосе остались без изменения узлы крепления подшипниковых опор, не внедрены торцовые уплотнения, сохранена гидропята. Изменено соотношение количества лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата - 7/12. Секции направляющего аппарата выполнены в виде неразборных блок-секций, ротор выполнен разборным, рабочие колеса посажены на вал по переходной посадке.  
        Насос ПН 1500-350-4 установлен на энергоблоках 1-6 Сургутской ГРЭС-2 и на энергоблоках 1-2 Нижневартовской ГРЭС. В этом насосе внедрен пусковой подшипник, работающий на воде (конденсате), укорочен вал, снижен прогиб ротора. Изменено соотношение количества лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата - 7/12. Аналогично насосу ПН 1500-350-3 секции направляющего аппарата выполнены в виде неразборных блок-секций, ротор выполнен разборным, рабочие колеса посажены на вал по переходной посадке.

 

Особенности эксплуатации и проблемы связанные с реконструированными насосами. Проблемы насосов ОАО «Пролетарский завод»

 

В результате изменения соотношения количества лопастей рабочего колеса и лопаток направляющего аппарата - 7/12 на насосах ПН 1500-350-3 и ПН 1500-350-4, практически решена проблема лопастной вибрации, которая не превышает 2-3 мм/с. Общий уровень вибрации не превышает 3-4,5 мм/с,   в том случае если отсутствует оборотная вибрация.  
       Уровень вибрации может достигать 10-15 мм/с в этом случае необходима балансировка ротора насоса, как это было в октябре-ноябре 2003 года на питательных насосах энергоблока №2 Нижневартовской ГРЭС. 
       Основной проблемой реконструированного насоса является невозможность работы насоса на валоповороте и заклинивания ротора при пусках и остановах. Пуск турбонасосного агрегата приходится проводить на частоте вращения выше 1000 об/мин. При этом перегревается выхлоп приводной турбины, датчик осевого сдвига работает не более двух, трех недель, затем требует замены. С целью нормализации работы пускового подшипника, организован подвод конденсата в зону смазочного клина водяного подшипника. Подвод конденсата осуществляется через специально фрезерованные канавки и отверстия. Примерно через пять, шесть тысяч часов работы пусковой подшипник приходится менять, так как поверхность подшипниковой опоры становится неработоспособной из-за задеваний при пусках и остановах. Подшипник представляет собой бронзовую втулку с лазерным упрочнением на валу и корпус подшипниковой опоры, выполненный из высоколегированной стали. За время эксплуатации питательных насосов ПН-1500-350-4, основного типа насосов ОАО “Пролетарский завод” произошло несколько серьезных аварий.  
  

На Сургутской ГРЭС-2 при пуске из ремонта блока №1 (20 октября 2003 года) произошло разрушение пятой и шестой ступеней проточной части а также полное разрушение пускового водяного подшипника. Расследование технологического происшествия проводили шеф-инженеры ОАО «Пролетарский завод» Райский Борис Михайлович и Яхлаков Фидель Александрович. Ступени проточной части разрушены по сварному соединению (по сварным швам). Обратные каналы отсутствуют. И видны (но плохо) отверстия, из которых вырваны шпильки. При разрушении проточной части ротор сместился в осевом направлении, рабочие колеса получили натиры на поверхности, гидропята и подпятник также имеют кольцевые натиры. Ротор остался цел. Кроме разрушения проточной части полностью разрушен пусковой подшипник. Корпус подшипника в результате усталостного разрушения разделился на две половины. Очень хорошо видно хрупкое разрушение корпуса подшипника и обугленная поверхность бронзовой втулки приваренной к корпусу подшипника. Разрушение корпуса произошло по концентратору напряжений, которой стала в данном случае, острая кромка фрезерованной канавки для подачи конденсата и организации гидростатического подъема ротора насоса.

На Нижневартовской ГРЭС при пуске энергоблока №2 произошло заклинивание насоса с полным разрушением пускового подшипника и поломкой вала.

В соответствии с приказом № КЛ-24/р создана комиссия по расследованию причин аварии питательного насоса ПТН-А энергоблока 800 МВт №2 Нижневартовской ГРЭС.

 

Состояние и причины:

14.10.03 при проведении работ по расхолаживанию 2ПТН-А блока №2 произошло техническое происшествие.

Насос работал на частоте вращения - 2000 об/мин на линию рециркуляции с давлением на выходе - 87 кгс/см² и температурой воды -149 0С.

В 17-21 произошло внезапное ограничение подачи питательной воды на вход бустерного насоса ПТН. В результате чего произошёл кавитационный

срыв бустерного насоса. Давление на выходе бустерного насоса снизилось с 8,4 кГс/см2 до 2,8 кгс/см2, что равно давлению на входе бустерного насоса.

Как следствие, произошёл кавитационный срыв 2ПТН-А со снижением давления на выходе от 87 кгс/см² до 8 кгс/см². Показание осевого сдвига изменилось с -0,2 мм до -0,147 мм. Уровень вибрации до ограничения подачи не превышал 2 мм/с. После кавитационного срыва насоса уровень вибрации скачкообразно повысился с 2 до 5 мм/с.  
        С указанным кавитационным срывом насос работал в течение 20 минут. При этом показания осевого сдвига изменились (плавно) от -0,147 до -1,17.

В 17 часов 41 минуту после закрытия задвижки на вход бустерного насоса подача была увеличена, и 2ПТН-А вышел из кавитационного срыва.

При этом уровень вибрации вернулся в исходное положение и составлял примерно 2 мм/с. Осевой сдвиг остался на уровне -1,0333,давление на выходе восстановилось до величины 73 кгс/см².

2ПТН-А остановлен в 18 часов 30 минут. После останова осевой разбег составил 0,65 мм. Во время  останова разборка насоса не проводилась.

С 14.10.03 по 21.10.03 было проведено 4 пуска и останова ПТН. При этом показания прибора осевого сдвига не соответствовало расчётным величинам.

При останове 21.10.03 был вскрыт насос, при вскрытии обнаружены повреждения, описанные в Акте дефектации от 23.10.03.

Вероятной причиной повреждений явилась работа насоса в кавитационном режиме.

Разрушение корпуса подшипниковой опоры на Нижневартовской  ГРЭС произошло аналогично разрушению на Сургутской ГРЭС-2.

Усталостная трещина по концентратору напряжений в районе фрезерованного паза для гидростатической подачи конденсата в смазочный слой. Отличием является то, что разрушение в Нижневартовске произошло с дополнительным разрушением мелких фрагментов корпуса подшипника. Бронзовая втулка с лазерным упрочнением разрушена и разделена на несколько фрагментов.

Разрушение пускового подшипника сопровождалось поломкой вала. Разрушение подшипника и вала насоса сопровождалось также и натирами гидропяты и подпятника. Разрушение вала произошло при незначительном уровне вибрации питательного насоса от 2-3 мм/с до 4 мм/с. Так как уровень вибрации был достаточно низок, момент разрушения не был зафиксирован. Разрушение было выявлено только при останове насоса.

По характеру задеваний гидропяты можно предположить, что ротор совершал прецессионное движение с максимальной амплитудой в районе разгрузочного устройства и пускового подшипника. 

 

Проблемы работы насосов в режимах развитой кавитации и работы в двухфазной среде.

Рассмотрим еще раз аварию, произошедшую на питательных насосах Нижневартовской ГРЭС. При работе питательного насоса на частоте вращения 2000 об/мин на линию рециркуляции с давлением на выходе 87 кгс/см2 и температурой воды 149 0С произошло внезапное ограничение подачи питательной воды на вход бустерного насоса ПТН. В результате чего произошел кавитационный срыв бустерного насоса.  Давление на выходе бустерного насоса снизилось с 8,4 кгс/см2 до 2,8 кгс/см2, как следствие, произошел кавитационный срыв 2ПТН-А со снижением давления на выходе от 87 кгс/см2 до 8 кгс/см2. Показание осевого сдвига изменилось с -0,2 до -0,147мм.  Уровень вибрации до ограничения подачи не превышал 2 мм/с. После кавитационного срыва насоса уровень вибрации скачкообразно повысился с 2 до 5 мм/с.  
        Здесь необходимо отметить, что при срыве насоса (работе в двухфазной среде) и снижении давления на выходе насоса происходит следующее:  
   - практически становятся равными нулю гидростатические силы в щелевых уплотнениях (силы Ломакина), поддерживающие ротор в проточной части насоса;  
   - работа разгрузочного устройства становится нестабильной и возможно разрушение проточной части, при условии, что разгрузочное устройство представляет собой один из разновидностей гидропяты.  
        Для классического питательного насоса отсутствие гидростатических подъемных сил в щелевых уплотнениях (силы Ломакина) не является критическим, так как ротор в этом случае опирается на масляные подшипники. Если прогиб ротора не превышает зазора в уплотнениях проточной части, то насос может работать в таком состоянии некоторое время даже без воды.  
        Использование в качестве разгрузочного устройства поршня, аналогичного поршню фирмы “Sulzer”, насосу не грозит и неустойчивость в осевом направлении, так как осевой небаланс в полном объеме воспринимает упорный подшипник. 
        С таким разгрузочным устройством насос может работать в диапазоне от 10 об/мин и до номинальной частоты вращения, при полном расчетном давлении начиная от режима рециркуляции и кончая подачами при режимах значительных перегрузок, возможна также работа в режиме кавитации,  
        В нашем случае, при работе насоса типа ПН-1500-350-4 конструкции ОАО «Пролетарский завод» произошло разрушение пускового подшипника и поломка вала насоса. Это говорит о том, что пусковой подшипник в нестационарном режиме (в режиме пуска или останова, частота вращения 2000 об/мин) не способен воспринять нагрузку вала насоса. Пусковой подшипник на водяной смазке не выполняет свою основную функцию. В качестве пусковых подшипников работают щелевые уплотнения проточной части.  
        В дальнейшем на ОАО “Пролетарский завод”, в результате проведения серьезных исследований, были устранены все указанные недостатки. Применив опыт зарубежных производителей, была представлена доработанная конструкция питательного насоса типа ПН-1500-350-4.[4]

 

 

 

 

6. Модернизация ПТН

Описание модернизации ПТН

Отличительные конструктивные особенности  насоса ПН 1500-350-4М

Насос имеет масляный подшипник  скольжения на входе и пусковой подшипник, работающий на подводимом конденсате на выходе насоса. В корпусе пускового подшипника установлено отжимное устройство,  также работающее на конденсате, которое предназначено для гарантированного наличия зазора между разгрузочным диском и пятой во время пуска — останова и работы на валоповороте.  

Проточная часть с пусковым устройством  ЦЕИР. О67539.004 предназначена для замены находящихся в эксплуатации проточных  частей питательных насосов ПН 1500-350. После установки проточной части  с пусковым устройством ЦЕИР. О67539.004 насос получает новое обозначение ПН 1500-З50-4М.

Проточная часть с пусковым устройством  ЦЕИР. О67539.004 имеет ряд существенных конструктивных улучшений по сравнению  с предыдущими конструкциями, находящимися в эксплуатации в составе ранее  изготовленных питательных насосов ПН 1500-350:

- в проточную часть ЦЕИР .067539.004 введено пусковое устройство, которое  полностью исключило из питательного  насоса ПН 1500-350 детали и сборочные  единицы концевого уплотнения  нагнетания и опорного подшипника;

- в пусковом устройстве проточной части установлены 3 канала контроля осевого сдвига ИКОП СВКА1-02.06/21.

- исключается возможность возникновения  трещин на валу.

- увеличен диаметр вала под  рабочими колесами, а также введены  другие улучшения конструкции  вала, что позволяет уменьшить статический прогиб вала, а это в свою очередь уменьшает виброактивность насоса и улучшает его работу при пуске, остановке;

- оптимизированы: разворот рабочих  колес и направляющих аппаратов  по ступеням, а также радиальный  зазор между направляющим аппаратом и рабочим колесом;

- передние уплотнения рабочего  колеса выполнены гладкими, щелевыми.

Введение в конструкцию проточной  части перечисленных выше конструктивных изменений значительно улучшает технические характеристики питательного насоса, в котором установлена проточная часть с пусковым устройством ЦЕИР. О67539.004:

- улучшается допускаемый кавитационный  запас до 80 м, что расширяет  диапазон одиночной работы питательного  насоса;

- увеличен кпд питательного  насоса до 85% на номинальном режиме;

-уменьшена потребляемая мощность  до 15819 кВт на номинальном режиме;

-уменьшена вибрация подшипников  насоса с 12,1 мм/с до 4,5 мм/с;

-увеличен срок службы до капитального  ремонта до 5 лет, а ресурс работы  до 40 тыс. часов;

-уменьшен расход масла за счет установки пускового подшипника на водяной смазке и в связи с этим произошло улучшение экологичности и повышение пожаробезопасности

 - проточная часть ЦЕИР .067539.004 имеет самоцентровку к крышке насоса. Данное конструктивное улучшение достигнуто за счет использования эффекта изгиба крышки насоса при ее закреплении и под действием давления воды в камере нагнетания, что ведет к увеличению ресурса проточной части и улучшению ее виброшумовых характеристик;

- статор выполнен из неразборных  секций, не имеющих деталей с горизонтальным разъемом, при этом значительно сокращается количество посадочных поверхностей и узлов крепления деталей, что уменьшает трудоемкость сборки-разборки проточной части и ремонта насоса в целом. Кроме того, данное конструктивное улучшение позволяет уменьшить эксцентриситет по уплотнениям рабочих колес и создает условия, близкие к идеальному равновесию динамических сил, действующих на ротор, что в свою очередь ведет к стабильной работе насоса без повышенных вибраций и увеличению его ресурса;

- применен 12-ти канальный направляющий  аппарат новой конструкции, что  улучшает гидродинамические качества  ступени насоса (снижение пульсаций  давления, вибрации на лопастной  частоте и увеличение кпд насоса);

- ротор разборный, позволяющий  производить замену рабочих колес без повреждения вала. Сокращена длина посадочного участка рабочего колеса на валу, введена осевая фиксация каждого рабочего колеса на валу;

-рабочее колесо 1 ступени новой  конструкции, что улучшает кавитационные  качества ступени и расширяет диапазон одиночной работы насоса;

-осевое усилие от разгрузочного  диска на вал передается через  закладное кольцо из двух половин,  исключена резьба, являющаяся концентратором  напряжений и, таким образом,  снижена трудоемкость ремонта  питательного насоса в 1,5 раза.

Для установки в питательный  насос ПН 1500-350 проточной части  с пусковым устройством ЦЕИР. О67539.004 вместо проточной части 329714 требуется  доработка крышки насоса.

Доработанная крышка позволяет  также собрать питательный насос  с проточной частью старой конструкции.

Описание модернизированной  проточной части с пусковым устройством и упругой пластинчатой муфты

 

Проточная часть с пусковым устройством  питательного насоса ПН-1500-350-4М изготавливается  на предприятии ОАО «Пролетарский завод».