Выбор подходящего насоса в энергетической отрасли

В данной статье рассматривается несколько критически важных аспектов работы электростанций с комбинированным циклом: питательная вода, отвод конденсата и охлаждение конденсатора.

Газотурбинные электростанции с комбинированным циклом представляют сложности для насосов и связанного с ними оборудования, например, клапанов и уплотнителей.

 

Высокая рабочая температура и давление характерны для многих операций, выполняемых на подобных электростанциях. Предполагается, что газотурбинные электростанции с комбинированным циклом должны справляться с резкими изменениями нагрузок и частым циклами включения/выключения. Поэтому насосы для них проектируются таким образом, чтобы справляться с жесткими условиями неустановившихся режимов работы.

 

На стандартной электростанции с комбинированным циклом может устанавливаться от 50 до 100 насосов. Как правило, это насосы следующих типов:

 

  • многоступенчатые, двухопорные, секционные насосы (BB4);
  • вертикальные, полупогружные, одноступенчатые насосы (VS1);
  • вертикальные, герметичные, многоступенчатые насосы (VS6);
  • горизонтальные, одноступенчатые насосы с осевым разъемом корпуса (BB1, BB2);
  • насосы общего назначения с односторонним всасыванием (OH1);
  • насосы с односторонним всасыванием, предназначенные для работы с высоким давлением и температурой (OH2);
  • водоотливные насосы (VS4, VS5);
  • жидкостно-кольцевые вакуумные насосы.

В данной статье рассматривается несколько критически важных аспектов работы электростанций с комбинированным циклом: питательная вода, отвод конденсата и охлаждение конденсатора.

 

Главные насосы питательной воды

 

Главный насос питательной воды предназначен для подачи питательной воды из резервуара низкого давления на входы экономайзера секций промежуточного и высокого давления парогенератора-рекуператора.

 

Многоступенчатые, линейные, секционные насосы с направляющим аппаратом чаще всего используются для этих целей на электростанциях с комбинированным циклом. Периодически клиенты предпочитают использовать для этого двухкорпусные насосы.

 

Котловая питательная вода проходит химическую обработку до высокого уровня чистоты, что делает ее еще более агрессивной, чем необработанная вода. В результате, компоненты, соприкасающиеся с жидкостями (секции, диффузоры, рабочие колеса) и подвергающиеся воздействию высокой скорости жидкостей, должны содержать 12% хрома (CA6NMN), чтобы избежать эрозионных и коррозионных разрушений. При работе с более высоким давлением для всасывающих и нагнетательных патрубков также рекомендуется использовать материалы с содержанием хрома 12%. При использовании ходовых посадок рекомендуется лазерное упрочнение или прямое лазерное напыление, чтобы сделать насос устойчивым к повреждениям, которые могут быть вызваны работой в условиях переходных процессов, включая потерю давления на всасывании. Лазерное упрочнение воздействует только на внешнюю сторону детали; основной материал не затрагивается.

 

В результате получается надежная пластичная деталь с максимальной твердостью поверхности, что делает ее характеристики идеальными. Прямое лазерное напыление - это процесс сварки, при котором металлический порошок соединяется с основным материалом. Благодаря контролируемому и локальному воздействию тепла этот процесс можно применять к различным металлам без деформации и термообработки после сварки.

Рисунок 1. Секционный насос с направляющим аппаратом (изображение предоставлено компанией Flowserve)

 

Рисунок 2. Двухкорпусный насос

 

Рисунок 3 (слева). Конденсатный насос с рабочим колесом первой ступени с односторонним всасыванием. (справа). Конденсатный насос первой ступени с двусторонним всасыванием

 

Характеристики всасывания, важные для всех насосов, особенно критичны в мощных насосах для перекачивания котловой питательной воды. Имеющийся кавитационный запас ограничен физической высотой всасывающей камеры, однако необходимо поддерживать определенное отношение имеющегося и требуемого кавитационного запаса, чтобы добиться оптимальных характеристик и продолжительного срока службы. Рабочее колесо первой ступени выбирают особенно тщательно, и зачастую останавливаются на большем размере отверстия рабочего колеса, а в некоторых случаях - на двухстороннем всасывании.

 

Насосы обеспечивают промежуточное соединение для подачи потока в секцию промежуточного давления парогенератора-рекуператора. Питательные насосы котла подвергаются внезапным колебаниям нагрузки и различным условиям. В результате, стандартное решение - это радиальные подшипники скольжения и упорные подшипники с самоустанавливающимися сегментами, если мощность превышает 4000 л.с.

 

В данном случае используется система принудительной смазки. Если мощность меньше, можно рассмотреть другие варианты.

 

Питательный насос может работать от прямого привода или привода с регулируемой частотой вращения с гидродинамическими муфтами или частотно-регулируемыми приводами. Самая распространенная конфигурация 2x100% на парогенератор-рекуператор.

 

Конденсатные насосы

 

Конденсатные насосы используются для отвода конденсата из сборника конденсатора на вход экономайзера низкого давления парогенератора-рекуператора. Самые распространенные конфигурации: насосы производительностью 2x100% или 3x50% на конденсатор (не на парогенератор-рекуператор).

 

Конструкция рабочего колеса первой ступени имеет решающее значение, поскольку конденсатные насосы должны работать с низким имеющимся кавитационным запасом. Конденсатор работает при вакууме примерно 0,65 фунтов/дюйм2 абс. (0,045 бар абс.). Температура конденсата близка к его точке испарения, как правило, 35-40 C (95-105 F). Это означает, что имеющийся кавитационный запас при таком уровне жидкости в сборнике конденсатора равен нулю. Поэтому для таких применений, как правило, выбирают герметичный, вертикальный, многоступенчатый насос.

 

Настройки или длина насоса должны обеспечивать достаточный кавитационный запас для рабочего колеса первой ступени. На небольших газотурбинных электростанциях используются вертикальные многоступенчатые герметичные насосы с рабочим колесом первой ступени с односторонним всасыванием. На более крупных электростанциях рабочее колесо первой ступени с двухсторонним всасыванием может способствовать сокращению длины насоса и подходит для перекачивания насосом объемов, превышающих 4000 галлонов/мин.

 

Для надежной работы конструкция рабочего колеса первой ступени должна обеспечивать следующее:

 

  • кавитационный коэффициент быстроходности ниже 12000 для обеспечения стабильности потока в широком спектре операций;
  • периферическую (окружную) скорость на входе рабочего колеса ниже 70 футов/с;
  • стойкий к кавитации материал, например, сплав с содержанием хрома 12%.

Из-за высокого давления в критически важных областях применения для герметизации жидкостных насосов рекомендуется использовать патронное торцевое уплотнение. Системы уплотнения насосов должны предотвращать попадание воздуха в насос, когда он находится в режиме ожидания в условиях вакуума. Это указано в планах API 13 и 32.

 

Рисунки 4. Типы насосов охлаждающей воды конденсатора

 

Насосы охлаждающей воды конденсатора

 

Все тепловые электростанции вырабатывают большое количество тепла, и газотурбинные электростанции не исключение. Типичная электростанция с комбинированным циклом с тепловым КПД 57% вырабатывает 43% тепла, подводимого с топливом. Около 9% выходит через парогенератор-рекуператор. Остальная часть удаляется охлаждающей водой, перекачиваемой через конденсатор.

Конденсаторы традиционно охлаждаются водой в системах прямоточного охлаждения или системах с замкнутой циркуляцией и градирнями. Стандартной газотурбинной электростанции с комбинированным циклом с градирней на 1 МВт мощности может требоваться приблизительно 250 галлонов охлаждающей воды в минуту. В результате, электростанции с комбинированным циклом мощностью 750 МВт требуется расход охлаждающей воды около 187 500 галлонов/мин, который, как правило, разделяют на два насоса.

 

Настройки или длина насоса должны обеспечивать достаточный кавитационный запас для рабочего колеса первой ступени.

 

Согласно требованиям по охране окружающей среды во многих регионах больше нельзя использовать проточное охлаждение водой из рек и озер. Даже обычные мокрые градирни могут вызывать проблемы, поскольку для компенсации частичного сброса конденсата, а также испарения и уноса все равно требуется водозабор. В результате, все большее распространение получают конденсаторы с воздушным охлаждением. Первоначальные капитальные вложения в них гораздо выше, а тепловой КПД может снизиться на 3-4% в местах с высокой температурой окружающей среды.

 

Наиболее распространенным выбором в подобных случаях является вертикальный, одноступенчатый насос с полуоткрытым рабочим колесом. Однако, в зависимости от конкретных предпочтений конечного пользователя, также могут использоваться одноступенчатые насосы с двухсторонним всасыванием и горизонтальным разъемом или бетононасосы со спиральным отводом.

 

Рисунок 5. При испытании реальной модели виден вихревой поток на полу (изображение предоставлено компанией Clemson Engineering Hydraulics, Inc.)

 

Типы насосов охлаждающей воды конденсатора (CCW)

 

Независимо от типа конструкции, необходимо уделить особое внимание следующим критически важным аспектам, чтобы обеспечить надежную работу во всех режимах эксплуатации:

 

  • обеспечить погружение с достаточным запасом от минимального уровня воды, чтобы избежать завихрения и обеспечить достаточный имеющийся кавитационный запас для предотвращения кавитации при максимальном расходе или биении;
  • оценить возможные материалы для всех критически важных компонентов, особенно при работе с солоноватой или морской водой. Выбор материалов варьируется от углеродистой стали с покрытием до супердуплексной стали. При обработке морской воды или других растворов с высоким содержанием хлоридов следует выбирать нержавеющую сталь с числовым эквивалентом стойкости к питтинговой коррозии (PREN) выше 40. (PREN — это показатель относительной стойкости нержавеющей стали к питтинговой коррозии в хлоридсодержащей среде.) Существенное влияние оказывают такие элементы, как хром (Cr), молибден (Mo) и азот (N). Количественно это выражается следующим образом:

 

PREN = 1 × %Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N

 

Уравнение 1

 

 

  • чем выше значение PREN, тем выше коррозионная стойкость;
  • при выборе материалов первоначальная стоимость, хоть она и важна, не должна быть единственным определяющим фактором. Необходимо учитывать затраты на весь срок службы оборудования;
  • производительность и надежность насосов охлаждающей воды конденсатора в значительной степени зависят от конструкции водоприемных устройств, в которых они установлены. Для стабильной работы насоса требуется равномерное распределение потока, поступающего во всасывающий патрубок насоса. Рекомендации по конструкции всасывающего патрубка можно найти в стандарте института гидравлики ANSI/ HI 9.8-2019Динамические насосы. Конструкция всасывающего патрубка". Одним из проверенных методов прогнозирования производительности установки является испытание на масштабной модели с соблюдением подобия.

 

Заключение

 

Данная статья посвящена электростанциям замкнутого цикла, в которых используются высокотемпературные выхлопные газы из газовых турбин в качестве источника тепла для парогенерации. Любая энергетическая установка, использующая цикл Ренкина с паром в качестве рабочей жидкости независимо от того, источник тепла - уголь, биомасса, масло, отходы или солнцетребует рассмотрения одних и тех же вопросов касательно работы насосов.

 

Майк Радио уже более 40 лет работает над энергетическими системами в компании Flowserve Corporation. Дополнительная информация представлена на сайте www.flowserve.com.