Реферат: Разработка на ЛМЗ модернизированных питательных насосов для крупных блоков ТЭС

Разработка на ЛМЗ модернизированных питательных насосов для крупных блоков ТЭС

В.А. Демьянов, И.М. Пылев, С.Я. Ильин, В.А. Александров

Представлена концепция нового модернизированного питательного турбонасоса ПТН 1150-340-М и электронасоса ПЭН 600-320-М для блока ТЭС 300 МВт. Приведены описание конструкции насоса и результаты модельных и натурных испытаний.

Задачи модернизации насосного оборудования

Номенклатура оборудования, выпускаемого «Ленинградским Металлическим заводом» (ЛМЗ) - это гидравлические, газовые, паровые турбины, питательные турбо и электронасосы различных мощностей, а также вспомогательное оборудование к ним.

«Металлический Завод», как акционерная компания, был основан в Санкт-Петербурге в 1857 году и к концу XIX столетия стал одной из самых больших машиностроительных компаний в России. Производство насосов на ЛМЗ начато в 1890 году. С 1907 года изготавливались насосы для нужд судостроения с давлением Р = 1,0 МПа и мощностью до N = 1000 КВт. С 1924 года выпускались насосы для энергетики с давлением Р = 2,0 МПа и подачей Q = (50... 250) м3/ч. С 1930 года изготавливались многоступенчатые питательные, циркуляционные и конденсатные насосы для турбоблоков мощностью N=24, 50, 100 МВт (Р=14,0 МПа, Q=270 м3/час). С 1948 по 1955 годы были разработаны многоступенчатые крекинговые и пропановые насосы (Р = 6,5 МПа, Q = 500 м3/ч). С 1953 года изготавливались насосы для блоков ТЭС мощностью 150, 200, 300, 500, 800 МВт (Р = = 35,0 МПа, Q = 1350 м3/ч). В шестидесятые годы XX столетия ЛМЗ изготовил крупную серию из 64 турбонасосов и 64 электронасосов для энергоблоков ТЭС мощностью 300 МВт.

Питательные насосы с маркой ЛМЗ зарекомендовали себя как высокоэффективные, надежные и удобные в эксплуатации машины. Тем не менее, обобщив опыт эксплуатации выпущенного ранее насосного оборудования, работающего на крупнейших ТЭС России и СНГ, ЛМЗ в конце 90-х годов ХХ столетия приступил к модернизации питательных турбо- и электронасосов. В первую очередь был спроектирован, изготовлен и испытан головной образец питательного турбонасоса для блока 300 МВт ПТН 1150-340-М взамен морально устаревшего насоса СВПТ 340-1000, выпускавшегося серийно на ЛМЗ до 1975 года.

Были определены следующие задачи модернизации насосного оборудования:

увеличение коэффициента готовности;

увеличение эффективности и надежности работы;

уменьшение уровня вибрации;

использование без изменений фундамента, существующего турбопривода, масляной системы, главных трубопроводов, наружного корпуса насоса, а также сохранение количества отбора и параметров среды из промежуточной ступени.

Для выполнения вышеуказанных задач была принята следующая концепция модернизации существующих насосов на ТЭС:

применение новой проточной части с направляющими аппаратами лопаточного типа с соотношением числа лопастей рабочего колеса и числа лопаток направляющего аппарата 7/12, что позволяет получить более устойчивую характеристику насоса и улучшить вибрационное состояние насоса в целом;

замена гидропяты на разгрузочный поршень, что позволяет избежать поломок при нестационарных режимах работы насоса и режимах пуска-останова;

замена крепления разгрузочного устройства гайкой на крепление стопорным кольцом, что позволяет избежать пропаривания резьбового соединения и отказаться от трудоемкого процесса изготовления и затяга резьбовых деталей;

применение вместо концевых уплотнений щелевого типа торцевых механических уплотнений, что позволяет избежать протечек, и, следовательно, увеличить объемный КПД;

применение конструкции внутреннего корпуса насоса секционного типа, что снижает трудоемкость изготовления внутреннего корпуса, упрощает сборку насоса и исключает возникновение эрозионных размывов при работе насоса по разъемам корпуса и в месте уплотнения внутреннего корпуса с внешним;

исключение возможности самопроизвольного ослабления и отвинчивания крепежа элементов внутреннего корпуса и попадания его в проточную часть;

применение в качестве подпятника самоустанавливающегося упорного подшипника двойного действия сегментного типа, что дает возможность более равномерного распределения усилий с сохранением жесткости подшипника;

применение конструкции зубчатой муфты и системы ее смазки, обеспечивающие более равномерное распределение усилий между зубьями и уменьшение чувствительности к перекосам;

применение новой схемы сборки-разборки насоса с использованием приспособления для выема внутреннего корпуса рюмочного типа, что позволяет свести к минимуму общий цикл сборки-разборки насоса при ремонте оборудования.

Модельные и натурные исследования модернизированного насоса

Определяемые характеристики и программа исследований

Для исследования и отработки, вновь создаваемых питательных насосов (ПН) необходимо определение их основных характеристик. Согласно ГОСТ 6134-87 этими характеристиками являются:

напорная,

энергетическая,

кавитационная,

вибрационная.

Программа исследований включала:

испытание моделей ПН с натурными размерами рабочего колеса и уменьшенным до 2-3 количеством ступеней,

испытание головного образца ПН на натурном стенде (ГРЭС № 8, Ленэнерго) при промышленных параметрах (температура, частота вращения, напор, расход).

Модельные исследования

Модельные испытания проведены на стенде ЛМЗ.

Стенд представляет собой систему трубопроводов с замкнутой циркуляцией воды. Циркуляция воды создается испытуемой моделью ПН. Для получения напорной характеристики в стенде предусмотрено переменное гидравлическое сопротивление типа «игольчатый регулятор». Подача насоса измеряется с помощью камерной диафрагмы, установленной на длинном прямом участке трубопровода в соответствии с требованиями ГОСТ. Для измерений напора, перепада давлений на диафрагме, абсолютного давления на входе в насос, крутящего момента на валу используются вибростержневые преобразователи высокого класса точности. Сбор и обработка сигналов преобразователей производится с помощью специальной измерительной системы и персонального компьютера. Градуировка преобразователей проводится с помощью образцовых средств измерений, аттестованных при госповерке. Градуировка диафрагмы проводится на образцовой расходометрической установке весовым способом.

Кроме основных параметров на модели питательного насоса изучались пульсация давления в проточной части и вибрация корпусных и опорных узлов модели.

Схема установки датчиков вибрации и датчиков пульсации давления представлена на рис. 1.

Условия испытаний.

Диаметр рабочего колеса D2 = 0,36 м.

Число ступеней - 2 (первая и последняя ступень натурного насоса).

Испытания проводились при n = 1000 мин-1 и n = 1200 мин-1 и средней температуре воды t = 20 °C

воды

Рис. 1. Схема установки датчиков вибрации и датчиков пульсации давле-

Характеристики модельного насоса ПТН-1150-340-М построены с нулевым значением внешних объёмных протечек и определением затраченной мощности, идущей только на создание водотока (протечки через уплотнение вала добавлялись к подаче, создаваемой насосом; момент трения в подшипниках модели вычитался из полного крутящего момента, измеренного на балан- сирном электродвигателе).

Объёмные протечки определялись измерением расхода воды через баббитовый подшипник, который выполняет также функцию уплотнения.

Механические потери в подшипниках определялись на воздухе в диапазоне частот вращения вала 900-1400 мин-1. Момент взаимодействия рабочих колёс с воздухом определялся пересчётом данных полученных на воде при нулевой подаче.

Погрешность.

Относительная предельная погрешность измерений:

напора составляет ±0,1%;

подачи - ±0,3%;

частоты вращения - ±0,01%;

крутящего момента - ±0,1%;

КПД - ±0,5%.

На стенде испытан двухступенчатый вариант базового насоса и двухступенчатый вариант модернизированного насоса.

Напорная характеристика в приведённых коэффициентах и кавитационная характеристика модернизированного питательного насоса приведена на рис. 2.

Формулы приведения:

QnD = 60Qm/(nm D23);

EnD = 3600Pm/(R nm2 D22).

Энергетическая характеристика модели ПТН 1150-340М представлена на рис. 3.

Пульсации давления, замеренные в выходном патрубке модельного насоса, приведены на рис. 4. Двойная амплитуда пульсаций давления в рабочей зоне составляет <1,5%.

КПД модели модернизированного питательного насоса превосходит КПД базового насоса на 3%

Натурные испытания ПН

Натурные испытания головного образца ПН были проведены на натурном стенде ГРЭС № 8, г. Кировск Ленинградской области.

На стенде возможно проведение испытаний на рабочих параметрах питательных турбона- сосных агрегатов, предназначенных для атомных и тепловых электростанций, длительных ресурсных испытаний на максимальные параметры: подача 1800 м3/ч, давление на всасывании 2,2 МПа, давление на нагнетании 40,0 МПа, частота вращения 5220 мин-1, температура перекачиваемой воды 165 °С.

Рис. 2. Напорная и кавитационная характеристика питательного насоса

Рис. 3. Энергетическая характеристика модели ПТН 1150-340М

Рис. 4. Пульсации давления в выходном патрубке модельного питательного насоса

Стенд состоит из приводной паровой турбины типа ОК-18 (К-17-15П) мощностью 17,5 МВт производства Калужского турбинного завода для энергоблоков мощностью 800 МВт, бустерного насоса ПД-1600-180 (подача 1600 м3/с, давление нагнетания 1,8 МПа) с приводом от турбины через редуктор, деаэраторного бака типа БД-120-1 (емкость 120 м3, максимальное давление 1,2 МПа), конденсатного насоса КСВ-125-55, платформы для установки ПН с системой трубопроводов, систем управления и контроля режимов работы рабочих органов, систем защиты и блокировок, систем обеспечения проточной смазкой подшипников (давление масла 0,15 МПа) с масляным баком емкостью 17 м3, систем измерения рабочих параметров ПН, местного и центрального пультов управления и контроля, системы дренажа с насосом КС-32-150 и дренажным баком емкостью 160 м3, системы ручного и двигательного поворота роторов турбины и ПН для центровки валов.

Паровая турбина и ПН стенда запитаны от действующего энергоблока станции. Приемным элементом стенда для испытаний ПН является деаэратор, в котором поддерживается давление в диапазоне 0,1... 1,5 МПа. Вода из деаэратора поступает на вход бустерного насоса. На выходе бустерного насоса имеются два регулируемых дросселя для создания нужного давления на входе в ПН в диапазоне 1,6. 2,2 МПа. На выходе из ПН на длинном трубопроводе установлена диафрагма для измерения подачи. Во входном и выходном патрубках ПН установлены измерительные и контрольные приборы для измерения давлений и температуры. После прохождения диафрагмы вода поступает на дроссельные устройства затем на линии малых и больших подач, где установлены дополнительные диафрагмы и струевыпрямители, и через камеру захолаживания в деаэратор. При малых оборотах вода идёт на линию рециркуляции (270 м3/ч) через два последовательно установленных дросселя и далее в деаэратор. Имеется трубопровод соединения камеры, находящейся за устройством разгрузки осевого усилия, с всасывающим патрубком ПН. На концевые уплотнения ПН подается охлажденный до 90 °С конденсат, который вместе с протечками уходит затем в деаэратор. Питание маслом баббитовых подшипников скольжения ПН производится от общей с турбиной масляной системы питания. Схема стенда для натурных испытаний представлена на рис. 5.

При испытаниях измерялись следующие параметры: частота вращения, объемная подача, давление на выходе, давление на входе, температура перекачиваемой воды, температура баббита вкладышей упорного и опорных подшипников, температура баббита вкладышей упорного и опорных подшипников, температура воды, выходящая с концевых уплотнений насоса, разность температур между верхом и низом корпуса насоса при прогреве и остывании, давление масла на подводе к подшипникам, расход разгрузки.

Подача питательной воды измеряется с помощью диафрагмы с измерением перепада давления в двух диапазонах: линия малых подач до 500 м3/ч и линия больших подач до 1600 м3/ч. Используются камерные диафрагмы с прямыми калиброванными участками трубопроводов (длины входного и выходного участков строго по ГОСТу). Измерение перепада давления - преобразователи типа «Сапфир» 22М-ДД, класса точности 0,25. Диафрагма (шайба) и преобразователи проходят аттестацию «Ростест».

Давления на входе и выходе измеряются преобразователями типа «Сапфир» 22М-ДИ, класса точности 0,25.

Температура питательной воды на входе и выходе измеряется платиновыми термопреобразователями сопротивления 100П, точность измерения 0,1 °С.

Измерение виброскоростей производится пьезоэлектрическими вибропреобразователями, устанавливаемыми на подшипники ПН. Штатные проходят аттестацию в «Ростест».

Измерение частоты вращения производится с помощью зубчатого диска, устанавливаемого на валу ПН, и индуктивного преобразователя.

Измерение осевого смещения вала производится датчиком, изготовленным заводом производителем ПН.

Погрешность измерения объемной подачи включает погрешность определения коэффициента расхода диафрагмы - 1 %, погрешность измерения перепада давления - 0,5 % и его случайную погрешность, вызванную динамикой потока и высокой температурой среды, эта погрешность оценивается величиной в 1 %. Полная погрешность измерения подачи составит 1,5 %.

Рис. 5. Схема стенда для натурных испытаний

Погрешность определения напора, разность полных давлений на выходе и входе в ПН, включает погрешность измерения входного и выходного давлений- 0,5 % каждое и случайной погрешности измерения каждого давления - 1 %. Полная погрешность составит 1,6 %.

Полная погрешность определения полезной мощности ПН оценивается величиной в 2 %.

В процессе испытаний отрабатывалась конструкция насоса и определялась напорная и вибрационная характеристики.

Напорная характеристика представлена на рис. 6 и соответствует модельной.

Подача, м3/час

Рис. 6. Напорная характеристика питательного насоса ПТН-1150-340-М

Вибрационная характеристика представлена на рис. 7. Вибрации подшипников не превосходят 4 мм/с во всём рабочем диапазоне подач.

Рис. 7. Вибрационная характеристика питательного насоса ПТН-1150-340-М: поперечная (П), вертикальная (В) и осевая (О) вибрация передней и задней опоры

В процессе испытаний отрабатывалась система подачи масла на упорный подшипник, испытывались два варианта упорного подшипника - баббитовый и бронзофторопластовый. Отрабатывалась система охлаждения концевых уплотнений питательного насоса (были исследованы два варианта холодильников). Концевые уплотнения торцевого типа обеспечивают практически полное отсутствие протечек.

Результаты модельных и натурных испытаний нового модернизированного насоса ЛМЗ свидетельствуют о соответствии параметров техническим требованиям эксплуатации. Существенно повышен КПД, исключены внешние протечки, улучшены вибрационные характеристики.

Конструкция насоса

Питательный турбонасос ПТН 1150-340-М разработан на параметры, указанные в табл. 1.

Таблица 1

Питательный турбонасос ПТН-1150-340-М - центробежный, шестиступенчатый с промежуточным отбором воды за первой ступенью, обеспечивающий замену внутреннего корпуса без разборки переднего подшипника и зубчатой полумуфты. Для обеспечения высокой надежности и герметичности насоса, при работе в условиях высоких значений давления и температуры перекачиваемого конденсата, корпус насоса выполнен двойным. Крепление внутреннего корпуса во внешнем корпусе обеспечивает возможность независимого теплового расширения отдельных элементов без нарушения взаимной центровки. Тепловые расширения внутреннего корпуса направлены в сторону нагнетания. Концевые уплотнения ротора - механические торцевые. Осевое усилие ротора уравновешено гидравлическим разгрузочным устройством (поршнем) и упорным подшипником. Ротор опирается на подшипники скольжения, закрепленные на внутреннем корпусе и задней крышке насоса.

Принципиально конструкция насоса ПТН-1150-340-М показа на рис. 8. Сварно-кованый внешний корпус 1 устанавливается на фундаментной раме насоса. Внутренний корпус 3 секционного типа с ротором насоса 2 размещается во внешнем корпусе и центруется со стороны всасывания - по заточке на наружной поверхности всасывающего патрубка, со стороны нагнетания - по внутренней поверхности направляющего аппарата последней ступени.

Рис. 8. Конструкция насоса ПТН-1150-340-М

Положение внутреннего корпуса в осевом направлении определяется торцевым буртом секции первой ступени, упирающимся через мерное кольцо в кольцевое усиление внешнего корпуса. Место упора в наружном корпусе является уплотнением области нагнетания питательной воды в промперегреватель. При работе насоса уплотнение по мерному кольцу осуществляется за счет напорного давления. При сборке предварительное поджатие осуществляется шпильками во всасывающем патрубке через переднюю крышку. Внутренний корпус состоит из отдельных секций с направляющими аппаратами и с неподвижными втулками передних и задних щелевых уплотнений рабочих колес, всасывающего патрубка и обтекателя. Конструкция секций из отдельных деталей позволяет обработать элементы проточной части внутреннего корпуса с высокой точностью на станках с ЧПУ. Всасывающий патрубок выполнен из чугуна, остальные элементы внутреннего корпуса выполнены из нержавеющей стали. Для обеспечения высокоточной соосности всех направляющих аппаратов и щелевых уплотнений рабочих колес сборка секций внутреннего корпуса осуществляется по специальной технологии. Ротор насоса представляет собой стальной кованый вал с насаженными на него рабочими колесами, рубашками, втулками, поршнем разгрузки осевого усилия ротора и упорным диском подпятника. Рабочие колеса выполнены из нержавеющей стали методом точного литья по выплавляемым моделям. Посадка рабочих колес на вал осуществляется с натягом, обеспечивающим отсутствие зазоров при номинальной частоте вращения. Для облегчения сборки ротора, вал в месте посадки рабочих колес выполнен ступенчатым. Для обеспечения независимого теплового расширения рабочих колес, предусмотрены разрезные упорные кольца, устанавливаемые на валу с осевым зазором. Со стороны нагнетания внешний корпус насоса закрывается напорной крышкой 4, которая крепится к нему специальными шпильками. Ротор насоса установлен на двух опорных подшипниках скольжения 5 и 6. В качестве антифрикционного слоя во вкладышах подшипников применяется баббит. Вкладыши опорные установлены в корпусе на сферических опорах, которые обеспечивают самоустановку вкладыша по оси вала в процессе сборки. Центровка ротора с учетом статического прогиба относительно внутреннего корпуса осуществляется установкой нижних половин корпусов подшипников при помощи трех установочных винтов и последующей штифтовкой половин корпусов относительно корпусных деталей насоса. В корпусе заднего подшипника 5 установлен упорный подшипник двойного действия с самоустанавливаю- щимися сегментами на каждой стороне упорного диска, которые воспринимают остаточное осевое усилие ротора насоса. Смазка подшипников принудительная, от централизованной системы смазки турбоустановки. Со стороны всасывания и нагнетания насоса установлены концевые уплотнения ротора 7 и 8 с внутренними охладителями. Предусмотрен также внешний контур охлаждения уплотнений, охладители которого размещаются на раме насоса. Уплотнения - механические торцевого типа. Охлаждение уплотнений осуществляется холодным конденсатом. Циркуляция воды по внешнему контуру охлаждения осуществляется за счет работы самих уплотнений, по внутреннему контуру - принудительно. Рабочее давление обоих уплотнений - давление всасывания. С приводной турбиной насос соединяется с помощью зубчатой муфты 9, смазка которой осуществляется через специальные сопла от централизованной системы смазки турбоустановки. Насос также укомплектован защитным кожухом, обратным клапаном со сбросным устройством, необходимой аппаратурой системы термо- и виброконтроля.

Эксплуатация насоса на действующем турбоблоке

После проведения полного цикла испытаний на натурном стенде и доработки конструкции головной образец питательного турбонасоса ПТН 1150-340-М в 2002 году был установлен на действующем блоке 300 МВт ОАО «Киришская ГРЭС-19». Параметры насоса, зафиксированные в процессе приемо-сдаточных испытаний, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Нагрузка блока на момент проведения испытаний составляла 270 МВт. Уровень вибрации подшипниковых опор, зарегистрированный в диапазоне нагрузок блока от 30 до 100 %, не превышал значений, указанных в табл. 2.

После проведения приемо-сдаточных испытаний головного образца насоса ПТН 1150-340-М, были проведены специальные испытания по определению КПД, с привлечением специалистов института УралВТИ. По результатам испытаний КПД насоса составил 83 %.

На сегодняшний день головной образец питательного турбонасоса ПТН 1150-340-М отработал на Киришской ГРЭС-19 около двух лет без каких-либо существенных замечаний и изменений параметров, указанных выше.

5. Проект питательного электронасоса и разработка номенклатуры питательных турбо- и электронасосов

В 2002 году на ЛМЗ был разработан рабочий проект электронасосного агрегата для блока 300 МВт ПЭН 600-320-М. В состав электронасосного агрегата (рис. 9) входят насос 1 соединенный через повышающий редуктор 2 с гидромуфтой жеклерного типа 3. Привод насосного агрегата осуществляется электродвигателем 4.

Рис. 9. Электронасосный агрегат ПЭН 600-320-М

Новые гидромуфта и редуктор не претерпели существенных изменений при проектировании по сравнению с разработанными и выпускаемыми на ЛМЗ ранее. Принципиально была изменена конструкция насоса. Насос ПЭН 600-320-М был разработан взамен насоса ЛМЗ СВПЭ 320-550 на базе концепции, изложенной выше, и является аналогичным по конструкции насосу ПТН 1150340-М. Техническая характеристика насоса ПЭН 600-320-М приведена в табл. 3.

Таблица 3

Окончание табл. 3

В настоящее время на базе насоса ПТН 1150-340-М на ЛМЗ проработана номенклатура питательных турбо- и электронасосов для турбоблоков ТЭС мощностью 500, 800, 1200 МВт, а также проработаны варианты модернизации насосного оборудования других фирм.