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.