Размещено на http://www.allbest.ru/

Учебное пособие

Пуск в работу питательного электронасоса после ремонта

Груздев В.Б.

Рассматривается методика подготовки и пуск питательного насосного агрегата с электрическим приводом. Подробно описана последовательность технологических операций при пуске питательного насоса и его масляной системы. Приведено краткое описание работы центробежных насосов в сети. В приложении приведены иллюстрации, поясняющие работу питательного насоса. Также приведены варианты аварийных ситуаций и успешное их решение. Составлены перечни контрольных вопросов к каждой главе.

Предназначено для студентов очно - заочной формы обучения при подготовке по специальности 140100 "Теплоэнергетика". Может полезно студентам других специальностей, при изучении дисциплины "Режимы работы и эксплуатация ТЭС", а также всем инженерно-техническим работникам и рабочим тепловых и атомных электрических станций.

насос электрический масляный центробежный

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава1. Основные параметры и классификация насосов

Глава 2. Питательные установки тепловых электростанций

2.1 Включение питательного насоса в тепловую схему электростанции

2.2 Пуск в работу после ремонта маслосистемы питательного электронасоса

Глава 3. Моделирование ситуации с аварийным отключением работающего маслонасоса

3.1 Исходное состояние оборудования

3.2 Возможные причины аварийного отключения работающего маслонасоса

3.3 Возможные причины аварийного отключения работающего маслонасоса

3.4 Действия оперативного персонала, при отключении работающего и включение по АВР резервного маслонасосов

3.5 Действия оперативного персонала, при отключении работающего и не включение резервного маслонасоса

3.6 Действия оперативного персонала при пожаре на маслосистеме ПЭН

3.7 Контрольные вопросы

Глава 4. Включение в работу после ремонта питательного электронасоса

4.1 Изучение технологической схемы

4.2 Пуск ПЭН в работу после ремонта

4.3 МПЭН выполняет следующую работу

4.4 Контрольные вопросы

Глава 5. Совместная работа двух и более питательных насосов на общую гидравлическую сеть

5.1 Параллельная работа центробежных насосов

5.2 Параллельная работа центробежных насосов с одинаковыми характеристиками

5.3 Параллельная работа центробежных насосов с разными характеристиками

5.4 Включение в параллельную работу двух питательных электронасосов

5.5 Контрольные вопросы

Приложения

Литература

Введение

Целью настоящего учебного Пособия является изучение студентами общей схемы обвязки трубопроводами и вспомогательным оборудованием питательного электронасоса и его системы маслоснабжения, а также их пуск в работу после ремонта.

При описании питательного электронасоса и пуска его в работу после ремонта с вариантами аварийных ситуаций, как самого питательного насоса, так и его вспомогательных систем, использовалась общеизвестная техническая литература по насосам [1-22] и более чем 20-ти летний опыт работы автора по эксплуатации Заинской ГРЭС (Татарстан), Ленинградской и Чернобыльской АЭС, что позволило обобщить и создать настоящее Пособие, и тем самым разработать методику подготовки к пуску и пуск питательных электронасосов в работу после ремонта энергоблоков тепловых и атомных электростанций.

В ходе изучения Пособия студенты получат навыки решения эксплуатационных задач при пуске в работу питательных насосов с электрическим приводом. Пуск же питательного насоса с турбоприводом, где вместо приводного электродвигателя применяется паровая турбина, существенно не отличается за исключением пусковых операций на приводной турбине. В следующем Пособии мы рассмотрим и такой пуск питательного насоса, тем более турбоприводами снабжен большой парк питательных насосов российских и зарубежных энергоблоков мощностью 300 и более Мвт.

Теперь вспомним, что насосами называются гидравлические лопастные машины, предназначенные для подъема и подачи жидкостей, в нашем случае - питательной воды из деаэратора.

Глава 1. Основные параметры и классификация насосов

Термины в области насосов установлены ГОСТ 17398--72 "Насосы. Термины и определения". Согласно этому ГОСТ насосы подразделяются на две основные группы: динамические и объемные.

Динамическими называют насосы, в которых жидкость под воздействием гидродинамических сил перемещается в камере (незамкнутом объеме), постоянно сообщающейся с входом и выходом насоса.

Объемными называют насосы, в которых жидкость перемещается путем периодического изменения объема жидкостной камеры, попеременно сообщающейся с входом и выходом насоса.

Динамические насосы подразделяются на лопастные, насосы трения и инерционные.

Лопастными называют насосы, в которых жидкость перемещается за счет энергии, передаваемой ей при обтекании лопастей рабочего колеса. Лопастные насосы объединяют две основные группы насосов: центробежные и осевые. В центробежных насосах жидкость перемещается через рабочее колесо от центра к периферии, а в осевых, через рабочее колесо в направлении его оси. Часто насосы поставляются в виде насосного агрегата, т е. насоса и соединенного с ним двигателя. В качестве двигателя могут быть как электрические, так и паровые машины.

Кроме того, существует понятие насосная установка, т. е. насосный агрегат с комплектом оборудования, смонтированного по определенной схеме, обеспечивающей работу насоса в заданных условиях.

Кроме терминов, относящихся к конструктивным и другим признакам насосов, ГОСТ 17398--72 устанавливает и терминологию основных технических показателей насосов и насосных агрегатов.

Основным из этих показателей является объемная подача насоса -- объем подаваемой насосом жидкости в единицу времени. Подача воды измеряется в м³/с или м³/ч. Допускается измерять подачу в л/с.

Существует понятие массовая подача -- масса подаваемой жидкости в единицу времени. Массовая подача измеряется в кг/с (т/с) или кг/ч (т/ч) и определяется, как вторым основным показателем насоса является развиваемое им давление или напор и определяется приростом удельной энергии воды при движении ее потока от входа к выходу насоса. Напор чаще всего измеряется в метрах водяного столба (м. вод. ст.) или в атмосферах (атм).

Для определения величины полного напора насоса Н применяются следующие формулы:

Н = P₂ /сg - P₁ /сg + Дh + (v² ₂ - v ²₁ ) / 2g, (м. вод. ст.) (1)

H = Hм + (v² ₂ - v ²₁) / 2g, ( м. вод. ст.), (2)

где P₂ , P₁ - давление воды соответственно в напорном и всасывающем патрубках насоса, атм;

Дh = (z₂ - z₁ ) -

расстояние по вертикали между точками установки манометра на напоре и вакуумметра на всасе, м;

v₂, v₁ - скорости воды в нагнетательном и всасывающем патрубках насоса, м/с;

с - плотность воды, кг/м³.

Hм - манометрический напор насоса, представляющий собой сумму показаний манометра на напоре насоса, вакуумметра на всасе, и геометрического напора между точками установки этих приборов Дh.

Напор насоса также может быть выражен в виде давления воды на выходе из него:

Р=Нсg, (м. вод.ст.) (3)

Давление измеряется в кПа, мПа, атм или кгс/см², а напор -- в метрах столба перекачиваемой жидкости. Например, метр водяного столба записывается как - м. вод. ст., а 10 м. вод. ст. = 1,0 атм. =1,0 кгс/см² = 0,1 МПа. Объемная подача Q насоса измеряется в м³/с, а массовая подача М - в кг/с, которая определяется как

M = сQ, (4)

где с - плотность среды, кг/м ³.

В свою очередь объемная подача практически одинакова по всей длине проточной части насосов и может быть рассчитана по средней скорости движения среды с помощью уравнения неразрывности потока:

Q = FC, (5)

где F - площадь поперечного сечения потока жидкости, м²;

С - скорость движения среды, м/с.

Количество энергии, затрачиваемое в единицу времени на привод насоса, определяет ее полезную мощность:

Nп =сg QH, (кВт) (6)

или

Nп =сQH / 102, (кВт) (7)

где Q - производительность насоса, м ³ /с;

с - плотность среды, кг/м³ ;

Н - полный напор насоса, м. вод.ст.

Потери энергии неизбежны в любом рабочем процессе и действительная мощность, затрачиваемая на привод насоса, больше теоретической величины:

N = Nп + ДN, (8)

где ДN - cумма всех энергетических потерь, возникающих из-за несовершенства насоса как лопастной машины.

Для оценки полноты использования энергии, подводимой к насосу от двигателя, применяют характеристику, называемую эффективным КПД агрегата:

з = Nп /N (9)

Таким образом, зная КПД, напор и подачу насоса можно расчетным путем найти потребляемую мощность насоса:

N= сg QH/з = Nп / з, (кВт) (10)

Но весьма важным для лопастных машин является безразмерная величина, которая называется коэффициентом быстроходности.

Коэффициент быстроходности ns используется для сопоставления геометрических параметров и технико-экономических показателей, подобных между собой насосов, имеющих различные значения напора, расхода и числа оборотов. Зачем это нужно? Коэффициент ns позволяет при проектировании и эксплуатации один насос заменять другим, что особенно важно в настоящее время. Физически под коэффициентом быстроходности понимается частота вращения виртуального модельного насоса, геометрически подобного во всех элементах натурному, с теми же гидравлическим и объемным коэффициентами полезного действия при условии, что модельный насос создает напор, равный 1 метру столба воды, при гидравлической мощности в 1 л.с., т.е. подача модельного насоса равна Q = 0,075 м³/с на режиме максимального к.п.д., если считать, что плотность воды 1000 кг/м³ при нормальных физических условиях.

Известно, что коэффициент быстроходности является функцией трех аргументов - производительности Q, напора H и числа оборотов n ротора насоса, т.е. ns = f (Q, H, n), и оценивает оптимальный режим работы лопастной машины. С его помощью также удобно классифицировать тип насоса по виду рабочего органа, оценивать выбор числа ступеней сжатия, обобщать технико-экономические показатели различных типов насосов. Формула для расчета ns выведена путем натурного моделирования процессов в лопастных машинах, т.е. эмпирическим путем, и записывается в следующем виде для насосов, подающим воду с плотностью с=10³ кг/м³

ns = 3,65 nvQ / H^3/4 , (11)

где n - число оборотов насоса, об/мин;

Q - подача (производительность) насоса, м³/час;

H - напор насоса, м. вод. ст. (для многоступенчатых насосов с одинаковыми рабочими колесами напор, приходящийся на одно колесо).

Таким образом, коэффициент быстроходности позволяет объединять различные колеса насосов в группы по признаку их геометрического подобия и является чисто расчетным параметром, с помощью которого удобно классифицировать тип насоса по рабочим органам, оценивать выбор числа ступеней для многоступенчатого насоса, обобщать технико-экономические показатели различных насосов.

Обычно применяют следующую классификацию рабочих колес центробежных насосов по величине коэффициента быстроходности:

1). тихоходные, n_s = 50-100;

2). нормальные, n_s = 100-200;

3). быстроходные, n_s = 200-350

Приведем пример практического применения коэффициента быстроходности. Например, нам необходимо определить количество ступеней выбранного питательного насоса с расходом Q = 650 м³/час, напором 2000 м. вод. ст. (200 атм), числом оборотов n = 2850 об/мин (привод от асинхронного электродвигателя).

Сначала определяем коэффициент быстроходности ns по формуле (11), который будет равен 663.

ns = 3,65 nvQ / H^3/4 .

Тогда ns = 3,65 х 2850 х v 650 / 2000 ^3/4 = 663,16 ? 663.

Теперь определяем напор одной ступени насоса Н1 по формуле:

Н1 = (3,65n vQ / ns) ^3/4

Н1 = (3,65n vQ / ns) ^? = (3,65 х 2850 х v650 / 663) ^? = 400 м. вод. ст.

Разделив требуемый полный напор 2000 м. вод. ст. на напор одной ступени, получаем число ступеней выбранного питательного насоса - 2000 / 400 = 5 ступеней в насосе, которые удовлетворяют заданным гидравлическим требованиям.

Подбор насоса обычно осуществляется для заданных рабочих условий внешней сети по требуемой подаче, напору, температуре, а также по физико-химическим свойствам перекачиваемой жидкости (коррозионные свойства, вязкость и плотность жидкости). Подача и напор насоса должны соответствовать характеристике гидравлического сопротивления внешней сети, которая состоит из системы трубопроводов и арматуры. При этом насос должен обеспечить максимально возможную подачу для данной сети. Но учитывая возможные отклонения характеристик выбранного насоса при изготовлении его на заводе, напор его все-таки выбираем на 3-5% выше требуемого напора для преодоления гидравлического сопротивления сети. Немало важно и правильная установка насоса. Насосы иногда устанавливают так, что уровень расположения всасывающего патрубка находится выше горизонта жидкости в приемном резервуаре или в камере.

В таких случаях во входном патрубке насоса необходимо создать разрежение (вакуум), за счет которого жидкость будет всасываться в насос под действием давления столба атмосферного воздуха. Высота всасывания, развиваемая лопастным насосом, определяется как:

Hвс = (P₀ - P₁ ) / сg, (12)

где Р₀ - атмосферное давление или давление в емкости, к которой подключен насос, атм; с - плотность жидкости, кг/ м³; g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²

В каталогах насосов всегда указывается допустимая вакуумметрическая высота всасывания Нвс, т.е. высота, при которой обеспечивается работа данного насоса без изменения его основных технических показателей. Известно, что от величины допустимой высоты всасывания зависит надежность и устойчивость работы энергетических насосов. Поэтому кратко вспомним, что такое высота всасывания насосов и особенно явление кавитации. Жидкость по всасывающему трубопроводу к рабочему колесу насоса подводится под действием разности давлений в приемном резервуаре и абсолютного давления в потоке у входа в колесо. Последнее зависит от расположения насоса относительно уровня поверхности жидкости в резервуаре и режима работы насоса. На практике встречаются три основные схемы установки центробежных насосов:



Рис. 1. Схемы установки центробежных насосов

1. ось насоса выше уровня воды (0-0) в приемном резервуаре (камере) - (рис. 1, а);

2. ось насоса ниже уровня воды (0-0) в приемном резервуаре (рис. 1, б), т.е. насос находится под гарантированным заливом воды;

3. ось насоса ниже уровня воды (0-0) в приемном резервуаре и находится она под избыточным давлением (рис. 1, в), поэтому насос находится под гарантированным заливом воды. Как следует из рис.1 самыми лучшими способами подключения насоса к источнику воды являются варианты б) и в), т.к. здесь имеется очень высокая гарантия того, что насос не сорвет в работе, т.е. на всасе всегда будет подпор воды, пока присутствует ее избыточный уровень на входе в насос, и самый неудобный способ - это вариант а). Здесь воду необходимо загнать в насос, а для этого необходимо создать во входе в насос разрежение и поставить обратный клапан на всасывающем трубопроводе, всегда выполнять заливку водой всасывающего трубопровода, при этом обратный клапан должен держать эту воду и не выпускать из насоса. При включении насоса в работу, он сам на всасе создать разрежение и вода будет поступать в насос под действием давления атмосферного воздуха. При отключении насоса обратный клапан должен не упустить воду из насоса и удержать ее в полости насоса, в противном случае, придется его опять заливать водой или ремонтировать обратный клапан. Как видно это неудобный способ подключения насоса, но он применяется, когда нужно откачивать воду из колодца, подземного резервуара или приямка. В любом случае все эти способы широко применяются как на электростанциях, так и на других промышленных предприятиях и в быту.

Из уравнения Бернулли для двух сечений (в нашем случае для уровня воды в приемном резервуаре 0 -- 0 и сечения на входе в насос (рис. 1.)) следует:

Hг.в. + h п.в. = pа / сg - pн / сg - v²_в / 2g, (13)

где h _п.в. -- потери во всасывающем трубопроводе, Па;

ра -- атмосферное давление, Па;

рв -- абсолютное давление на входе в насос, Па;

vв -- скорость воды на входе в насос, м/с.

Левая часть уравнения (13) представляет собой вакуумметрическую высоту всасывания насоса и измеряется в метрах водяного столба перекачиваемой жидкости.

Также можно записать, что высота всасывания насоса Hв

Hв = H г.в. + h п.в. (14)

Из анализа формул (13, 14) следует, что, если вода в насос поступает с подпором (рис. 1, б), то

Hв = h п.в. -- H г.в. (15)

Отрицательное же значение H_в указывает на работу насоса с подпором.

При работе насоса по схеме, показанной на рис. (1, в), выражение вакуумметрической высоты всасывания приобретает вид:

Hв = [P₀ - (P_в + с v_в / 2g )] / сg , (16)

где P₀ -- абсолютное давление среды над свободной поверхностью жидкости, Па.

В зависимости от конструкции лопастного насоса геометрическую высоту всасывания отсчитывают по-разному.

Для горизонтальных насосов H _г.в. -- это разность отметок оси насоса и уровня жидкости в приемном резервуаре.

Для насосов с вертикальным валом Н _г.в. отсчитывается от середины входных кромок лопастей рабочего колеса (в многоступенчатых насосах колеса первой ступени) до свободной поверхности жидкости в приемном резервуаре.

Необходимо помнить, что нормальная работа центробежного насоса обеспечивается только в таком режиме, когда абсолютное давление во всех точках его внутренней полости больше давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости при данной температуре.

Если такое условие не соблюдается, то начинаются явления парообразования и кавитации, которые приводят к уменьшению или даже прекращению подачи насоса (насос "срывает") и выходу его из строя.

Кавитация - с латинского языка (cavitas) означает - пустота. Так что же это за явление под таким красивым и звучным названием?

Кавитация - это есть процесс нарушения сплошности внутри потока жидкости, т.е. образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (кавитационные пузырьки или "каверны", т.е. пустоты). Обычно кавитационное течение характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):

, (17)

где

P -- гидростатическое давление набегающего потока, Па;

P_s -- давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;

с --плотность среды, кг/м?;

V -- скорость потока на входе в систему, м/с.

Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V = V_c, когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.

В зависимости от величины Ч можно различать четыре вида потоков:

· докавитационный -- сплошной (однофазный) поток при Ч>1;

· кавитационный -- (двухфазный) поток при Ч~1;

· пленочный - с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при Ч< 1;

· суперкавитационный -- при Ч<<1.

Требуемый кавитационный запас Дh_TP обычно вычисляют по характеристике, представляемой производителем насоса. Кривая Дh_TP начинается с точки нулевой подачи и медленно растет с увеличением. Когда подача превышает точку максимального КПД насоса, кривая Дh_TP резко возрастает по экспоненте. Зона справа от точки максимального КПД обычно является кавитационно опасной.

Кавитационный запас не поддается контролю с точки зрения механики и машинист насосной станции только слышит ее как металлический шум и щелчки, но это уже развитая кавитация.

К сожалению, еще мало приборов, позволяющих наблюдать и предотвращать кавитацию. Хотя датчик давления на всасывающей стороне насоса, подающий сигнал тревоги при падении давления ниже допустимого для данного насоса, должен применяться повсеместно.

По опыту эксплуатации насосов известно, что звуки потрескивания пропадают после прикрытия напорной задвижки. Но, снижая тем самым подачу и кавитацию, можно не достичь технологических параметров самого насоса.

Для того, чтобы правильно устранить кавитацию обязательно нужно использовать основной принцип - на входе в насос должно всегда быть жидкости больше, чем на выходе.

Приведу несколько простых способов как этого достичь:

1. замените диаметр всасывающего патрубка на большего размера. Необходимо помнить, что диаметр всаса насоса всегда должен быть больше диаметра напора;

2.переместите насос ближе к источнику воды или к питающему резервуару, но не ближе 5-10-ти диаметров всасывающей трубы;

3.понизьте сопротивление во всасывающей трубе, заменой ее материала на менее шероховатую;

4.замените всасывающую задвижку на шиберную, характеризующуюся меньшими местными потерями;

5.если всасывающая труба имеет повороты, то уменьшите их количество или замените отводы малых на большие радиусы поворота, сориентировав их в одной плоскости (иногда правильно заменить жесткую трубу гибкой);

6. увеличьте давление на всасывающей стороне насоса повышением уровня в питающем резервуаре либо снижением оси установки насоса, либо установите бустерный насос.

Общеизвестно, что кавитация возникает в результате местного уменьшения давления ниже критического значения и для реальной жидкости оно приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре. В результате этого наблюдается образование большого количества мельчайших пузырьков, наполненных парами жидкости и газами, выделившимися из нее. Образование пузырьков внешне похоже на кипение жидкости.

Возникшие в результате понижения давления пузырьки увеличиваются в размере и уносятся потоком.

При этом наблюдается местное повышение скорости движения жидкости вследствие стеснения поперечного сечения потока выделившимися пузырьками пара или газа.

Попадая в область с давлением выше критического, пузырьки разрушаются, при этом их разрушение происходит с большой скоростью и поэтому сопровождается местным гидравлическим ударом в данной микроскопической зоне. Так как конденсация занимает некоторую область и протекает непрерывно в течение длительного времени, это явление приводит к разрушениям значительных площадей поверхности рабочих колес или направляющих аппаратов насоса.

Практически появление кавитации при работе насоса можно обнаружить по характерному потрескиванию в области всасывания, нарастающему шуму и внезапному появлению повышенной вибрации насоса. Кавитация сопровождается также химическим разрушением (коррозией) материала насоса под действием кислорода и других газов, выделившихся из жидкости в области пониженного давления.

При одновременном действии коррозии и циклических механических воздействий прочность металлических деталей насоса быстро снижается. При этом воздействие кавитации на металлические детали насоса усиливается, если перекачиваемая жидкость содержит взвешенные абразивные вещества: песок, мелкие частицы шлака и т. п.

Под действием кавитации поверхности деталей становятся шероховатыми, губчатыми, что способствует быстрому их истиранию взвешенными веществами. В свою очередь эти вещества, истирая поверхности деталей насоса, способствуют усилению кавитации.

Кавитационному разрушению наиболее подвержены чугун и углеродистая сталь, и наименее - бронза и нержавеющая сталь.

Рис. 2. Разрушение рабочего колеса центробежного насоса под воздействием кавитации

В целях повышения устойчивости деталей насосов от разрушения применяют защитные покрытия. Для этого поверхности деталей наплавляют твердыми накладками из твердых сплавов (стеллиты), используют местную поверхностную закалку и другие способы защиты. Однако основной мерой борьбы с преждевременным износом проточной части насосов является предупреждение кавитационных режимов их работы.

В технической документации на насосы (каталогах, паспортах и пр.) обязательно должна указываться допустимая высота всасывания (или допустимый кавитационный запас) для нормальных физических условий, т. е. для атмосферного давления 0,1 МПа (что соответствует 760 мм рт. ст.) и температуры перекачиваемой жидкости 20°С.

Следовательно, основными техническими характеристиками, определяющими работу любого насоса, являются:

1. напор (Нн, м. вод. ст; атм.; кгс/см²; Па, кПа, МПа);

2. подача (Q, л/сек; м³ /час; кг/с; т/час);

3. потребляемая мощность (N, кВт);

4. коэффициент полезного действия (з, %);

5. частота вращения (n, об/мин);

6. высота всасывания насоса (Н вс, м. вод. ст.).

Из указанных параметров насоса подача и частота вращения являются независимыми переменными, а остальные параметры находятся в функциональной зависимости от подачи и частоты его вращения. Взаимосвязь параметров в различных режимах насоса обычно изображается графически в виде характеристик.

Для их получения необходимо проведение испытаний насоса в различных условиях всасывания, при различных напорах, подачах и мощностях, изменяющихся от минимальных до максимальных значений. Только в результате этих испытаний может быть получено представление о работе насоса и его энергетических показателях.

Экспериментальные характеристики насоса являются необходимым техническим материалом для оценки качества насоса, для выбора режима его работы и для осуществления правильной и надежной эксплуатации. Эти опытные характеристики получают на испытаниях каждого насоса на заводе-изготовителе и прилагаются к технической документации при продаже насоса.

Мы здесь не будем рассматривать построение нормальных и других характеристик насосов, а также применение математического аппарата для расчета насосов, ибо это не входит в задачу нашего Пособия, поэтому мы адресуем любознательного читателя к Литературе, которая приведена в конце Пособия [11, 13, 14, 15, 19].

По характеру физического и рабочего процесса в насосе происходит преобразование механической энергии приводного двигателя в гидравлическую энергию перемещаемой жидкости.

Мы уже знаем, что существуют десятки различных типов насосов, но из них основными и часто используемыми на электростанциях являются объемные и лопастные. В объемных насосах передача энергии производится принудительным воздействием рабочего органа (плунжер, поршень, ротор) на транспортируемую среду и ее вытеснение (плунжерные, поршневые, роторные насосы). В лопастных же насосах преобразование механической энергии в гидравлическую производится насаженным на вращающийся вал ротора рабочим колесом, снабженного лопастями (центробежные, осевые, вихревые, диагональные насосы). На современных электростанциях, как в России, так и за рубежом, в основном применяются ЦБН - центробежные насосы и ОН - осевые насосы. Обратный клапан на всосе насоса:

Рис. 3. Схема насосного агрегата центробежного типа

1 - открытый источник воды;

2 - всасывающий трубопровод;

3 - открытый нагнетаемый резервуар;

4 - расходомерная вставка в напорном трубопроводе;

5 - насос центробежный;

6 - электродвигатель;

М - манометр на напоре насоса;

V - мановакууметр на всасе насоса;

Р - атмосферное давление.

На рис. 4 показан разрез и устройство обычного центробежного одноступенчатого насоса.

Рис. 4. Схема центробежного насоса

1 - расширяющийся корпус насоса ("улитка");

2 - вал насоса;

3 - рабочее колесо;

4 - лопатки рабочего колеса;

5 - подводящий (всасывающий) патрубок насоса;

6 - отводящий (напорный) патрубок насоса.

Внутри корпуса насоса 1, имеющего, как правило, спиральную форму в виде улитки, на валу 2 насажено рабочее колесо 3. Рабочее колесо состоит из заднего и переднего дисков, между которыми установлены лопасти 4, отогнутые от радиального направления в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса.

С помощью патрубков 5 и 6 корпус насоса соединен со всасывающим и напорным трубопроводами. Если при наполненных жидкостью корпусе и всасывающем трубопроводе привести во вращение рабочее колесо, то жидкость, находящаяся в каналах рабочего колеса (между его лопастями), под действием центробежной силы будет отбрасываться от центра колеса к периферии. В результате этого в центральной части колеса создается разрежение, а на периферии -- избыточное давление. Под действием этого давления жидкость из насоса поступает в напорный трубопровод, одновременно через всасывающий трубопровод под действием разрежения жидкость поступает в насос. Таким образом, осуществляется непрерывная подача жидкости центробежным насосом.

Центробежные насосы могут быть не только одноступенчатыми (с одним рабочим колесом), как показано на рис. 2, но и многоступенчатыми (с несколькими рабочими колесами). При этом принцип их действия во всех случаях остается одним и тем же -- жидкость перемещается под действием центробежной силы, развиваемой вращающимся рабочим колесом.

За рубежом получили распространение так называемые диагональные насосы, конструкция которых совмещает в себе признаки центробежных и осевых насосов. В отличие от центробежных в диагональных насосах поток выходит из колеса под углом не в 90°, а в 45°.

У диагональных насосов поток жидкости, проходящий через рабочее колесо, направлен не радиально, как у центробежных насосов, и не параллельно оси, как у осевых, а наклонно, как бы по диагонали прямоугольника, составленного из радиального и осевого направлений.

Наклонное направление потока создает основную конструктивную особенность диагональных насосов -- наклонное к оси насоса расположение лопастей рабочего колеса. Это обстоятельство позволяет использовать при создании напора совместное действие подъемной и центробежной сил и по своим рабочим параметрам диагональные насосы занимают промежуточное положение между центробежными и осевыми насосами.

Как ЦБН и осевые, диагональные насосы выпускаются как в горизонтальном, так и с вертикально расположенным валом.



Рис. 5. Разрез диагонального насоса с горизонтальным ротором

Рис. 6. Насос осевого типа

1 - корпус насоса; 2 - направляющий неподвижный аппарат насоса; 3 - вращающийся ротор насоса; 4 - вращающиеся вокруг собственной оси рабочие лопасти ротора насоса.



Рис. 7. Струйный насос

1 - конфузор на подаче побудительной среды (вода, газ);

2 - патрубок отсасываемой жидкости (газа);

3 - рабочая камера смешивания подаваемой и отсасываемой среды (вакуумная камера);

4 - диффузорная часть нагнетательно-напорной части насоса.

Рис. 8. Насос зубчатый

1 - корпус насоса;

2 - всасывающая часть насоса;

3 - предохранительно-перепускной клапан;

4 - напорная часть насоса.



Рис. 9. Насос поршневой (плунжерный)

1 - корпус насоса;

2 - поршень (плунжер);

3 - цилиндр;

4 - шток поршня;

5 - кривошип;

6 - шатун;

7 - привод;

Кв - клапан на всасе в насос;

Кн - клапан нагнетательный со стороны напора насоса

На ТЭС в качестве питательных насосов применяются гидравлические насосы центробежного действия, имеющие весьма высокий коэффициент повышения напора, особенно многоступенчатого исполнения. Механическая энергия подводится в виде вращающегося момента и передается жидкости через лопатки вращающегося рабочего колеса. Действие лопаток на жидкость, заполняющую рабочее колесо, вызывает повышение гидродинамического давления и заставляет жидкость перемещаться в направлении от центра рабочего колеса к периферии, выбрасывая её в спиральный кожух. В дальнейшем движении жидкость поступает в напорный трубопровод. Отсюда следует, что основным рабочим органом центробежного насоса является свободно вращающееся внутри корпуса лопастное колесо. На рис. 10, 11 приведены фотографии рабочего колеса центробежного насоса. В свою очередь, рабочее колесо состоит из двух вертикальных дисков (переднего и заднего по потоку жидкости), как показано на рис. 10, отстоящих на некотором расстоянии друг от друга. Между дисками, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса (рис.9), т.е. по потоку жидкости. Внутренние поверхности дисков и поверхности лопастей образуют межлопастные каналы колеса, которые при работе насоса заполнены перекачиваемой жидкостью.

Рис.10. Рабочее колесо центробежного насоса в разрезе

Рис. 11. Рабочее колесо центробежного насоса в сборе

Из курса теоретической механики известно, что при вращении колеса с угловой скоростью щ (1/сек) на элементарную массу жидкости m (кг), находящейся в межлопастном канале на расстоянии R (м) от оси вала, будет действовать центробежная сила F_ц.б. , определяемая выражением:

F _ц.б = m щ² R (18)

В инженерных расчетах также применяется формула (19) эквивалентная формуле (18):

F _ц.б = m V² / R , (19)

где V (м/с) - линейная скорость движения элементарной массы вещества на радиусе R от центра вращения.

Мы уже говорили, что для обеспечения непрерывного движения жидкости через насос необходимо обеспечить постоянный ее подвод в насос и отвод из насоса. Поэтому жидкость поступает через отверстие в переднем диске рабочего колеса по всасывающему патрубку из всасывающего трубопровода.

Например, движение воды по всасывающему трубопроводу в питательный насос происходит вследствие избыточного давления в корпусе деаэратора и столба питательной воды, равной разности отметок установки аккумуляторного бака деаэратора и отметки установки питательного насоса в машинном зале главного корпуса электростанции.

Обычная отметка установки аккумуляторного бака блочного деаэратора составляет 20?24 метра в помещении деаэраторной этажерки электростанции в зависимости от мощности энергоблока, а установка питательного насоса выполняется на отметке 0,0 ? 5.0 метров в машзале главного корпуса электростанции. Отсюда следует, что разность отметок установки аккумуляторного бака деаэратора и питательного насоса может составлять 15,0 - 19,0 (24 - 5=19) метров и если учесть температуру и удельный объем питательной воды в аккумуляторном баке, а также гидравлическое сопротивление опускного трубопровода питательной воды до всаса питательного насоса, то получится, что подпор на всасе питательного насоса составит 13?17 м. вод. ст. или 1,3 -1,7 атм. Это дает возможность частично отстроиться от опасного явления кавитации, имея гарантированный запас по давлению питательной воды на всасе питательного насоса. На рис. 12 представлена гидростатическая схема питательного насоса в качестве иллюстрации вышесказанного.

Рис. 12. Гидростатическая схема питательного насоса

А - отметка установки аккумуляторного бака деаэратора;

Б - отметка установки питательного насоса;

H1- высота уровня питательной волы в аккумуляторном баке деаэратора;

H2 - разность отметок установки аккумуляторного бака деаэратора и питательного насоса.

Анализ уравнений (18,19) показывает, что центробежная сила, следовательно, и напор, развиваемый насосом, тем больше, чем больше частота вращения рабочего колеса.

Но увеличение скорости вращения ротора насоса ограничено частотой вращения электродвигателя, т.к. в качестве привода центробежного насоса в основном применяется любой высокооборотный электродвигатель, но чаще всего для этой цели служат электродвигатели асинхронного типа, скорость которых несколько ниже синхронной скорости.

Применение же других электродвигателей, а также электротехнических устройств по регулированию числа оборотов электродвигателя хотя и позволяют изменять скорость вращения ротора насоса, но они не получили широкого распространения на электростанциях в качестве привода питательных насосов из-за своей сложности и не надежности.

В связи с этим в последнее время на российских и зарубежных электростанциях получил широкое применение электропривод питательных насосов с гидромуфтой, которая приведена в Приложении, рис. П-1,2.

В зависимости от требуемых параметров, назначения и условий работы в настоящее время разработано большое число разнообразных конструкций центробежных насосов, которые можно классифицировать по нескольким признакам. Например, по числу рабочих колес различают одноступенчатые и многоступенчатые насосы. В многоступенчатых насосах перекачиваемая жидкость проходит последовательно через целый ряд рабочих колес, насаженных на общий вал.

Создаваемый таким насосом напор равен сумме напоров, развиваемых каждым колесом.

В зависимости от числа колес (ступеней) насосы могут быть двухступенчатыми, трехступенчатыми и т. д. По сути, на одном валу находятся сразу несколько одноступенчатых насосов в виде рабочих колес, которые последовательно повышают напор всего насоса, являющегося его основной напорно-расходной характеристикой.

По способу подвода воды к рабочему колесу различают насосы с односторонним подводом и насосы с двусторонним подводом или, так называемые, центробежные насосы двустороннего входа воды.

По способу отвода жидкости из рабочего колеса различают насосы со спиральным и турбинным отводом.

В насосах со спиральным отводом перекачиваемая жидкость из рабочего колеса поступает непосредственно в спиральную камеру и затем либо отводится в напорный трубопровод, либо по переточным каналам поступает к следующим рабочим колесам.

В насосах с турбинным отводом жидкость, прежде чем попасть в спиральную камеру, проходит через систему неподвижных лопаток, образующих особое устройство, называемое направляющим аппаратом, установленное в статоре насоса.

По компоновке насосного агрегата (расположению вала относительно опор) различают насосы горизонтального и вертикального исполнения.

По способу соединения с двигателем центробежные насосы разделяются на приводные (со шкивом или редуктором), соединяемые непосредственно с двигателями с помощью муфты, и моноблочные, рабочее колесо которых устанавливается на удлиненном конце вала электродвигателя - консольные насосы.

Например, насосы консольного типа обозначаются как К-120-15, т.е. насос консольный, производительностью 120 м³ / час и напором 15 атм.

Напор одноступенчатых центробежных насосов, серийно выпускаемых российской промышленностью, достигает 120 м. вод. ст. (1,2 МПа; 12 атм).

В свою очередь серийные многоступенчатые насосы развивают напор до 2500 м. вод. ст. (25 МПа; 250 атм) и более.

Параметры же центробежных насосов специального изготовления, как одноступенчатых, так и многоступенчатых, могут быть значительно выше.

Что касается КПД, то в зависимости от конструктивного исполнения он меняется в широких пределах -- от 0,85 до 0,90 у крупных одноступенчатых насосов и 0,55--0,60 у высоконапорных многоступенчатых.

Столь низкий к.п.д. многоступенчатых высоконапорных насосов связан с гидравлическими потерями в проточной части насоса и особенно с высоким трением разгрузочного стального диска гидравлической пяты в системе осевой разгрузки насоса.

В свою очередь трение этого монолитного чугунного диска толщиной 30-40 мм и диаметром около 300 мм при скорости вращения почти 50 об/сек в замкнутом водяном объеме (в камере гидропяты) приводит к заметному нагреву воды в насосе, температура которой учитывается в тепловом цикле Ренкина.

Также известно, что потребляемая мощность насоса при нулевой подаче, т.е. при закрытой выходной задвижке (это холостой ход насоса), не падает до нуля и составляет около 30-40% от номинальной мощности электродвигателя. Вот эта мощность также превращается в энергию теплоты, которая способна повысить температуру питательной воды до эффекта "запаривания" насоса, при котором механическому воздействию подвергаются рабочие колеса, разгрузочное устройство, опорные подшипники, уплотнения вала насоса и в итоге может привести к аварийному выходу насоса из работы. Повышение температуры питательной воды ?t в без расходном режиме определяется по формуле:

?t = 632N (1-) / 1000Q (^о С), (20)

где:

N - мощность электродвигателя, кВт;

- к.п.д. насоса;

Q - подача насоса, кг/с.

Из уравнения (20) следует, что с понижением подачи насоса Q повышается температура питательной воды.

Иногда этим способом повышения температуры питательной воды пользуются машинисты при пуске энергоблоков, что, конечно, является не экономично и не рационально с точки зрения надежности насосного агрегата. Из 15, стр. 68, следует, что максимально допустимое повышение температуры воды достигает 11 ^оС и основывается на том предположении, что лишь теплота, обусловленная гидравлическими потерями внутри насоса, способствует повышению температуры питательной воды в насосе на эту величину. Вообще-то предел повышения температуры воды в насосе чаще всего произвольный. Например, для насосов, не имеющих разгрузочных устройств (линия рециркуляции), иногда для поддержания минимального расхода через приоткрытую напорную задвижку, допускается повышение температуры до 30 ^оС во избежание его "запаривания".

Но в любом случае, работа центробежного насоса, особенно многоступенчатого, в безрасходном режиме не допустима более трех минут.

На современных крупных электростанциях мощность электродвигателей привода питательных насосов достигает нескольких тысяч киловатт. Отсюда можно представить насколько быстро и высоко может подняться температура питательной воды при нулевом расходе, когда эти тысячи киловатт электрической энергии будут преобразованы в тепловую энергию.

Но как бы там не было, центробежные насосы отличаются от других насосов уникальным свойством саморегулирования и возможностью принудительного регулирования в широком диапазоне их производительности и напора. Под саморегулированием понимается самостоятельное изменение режима работы с изменением сопротивления сети, что особенно важно для питательных насосов с электроприводом и маневренности энергоблоков. Это свойство ЦБН широко применяется при эксплуатации насосов, особенно при включении их в параллельную работу на общую гидравлическую сеть, как при плановом включении, так и при аварийном автоматическом включении резерва (АВР). В следующем разделе мы рассмотрим варианты включения питательной насосной установки в схему электростанции.

Глава 2. Питательные установки тепловых электростанций

2.1 Включение питательного насоса в тепловую схему электростанции

Нам известно, что питательный насос нагнетает питательную воду из деаэратора, повышая её давление до Р п.н._.=(1,25-1,3) Р₀, где Р₀ - давление острого пара перед турбиной, с учётом сопротивления питательного тракта и поверхностей нагрева парового котла. На современных электростанциях применяются несколько схем включения питательных насосов, но мы рассмотрим только две из них, наиболее применяемые.

1. Одноподъёмная схема, в которой питательный насос подаёт воду с конечным расчетным давлением через ПВД к питательному узлу парового котла:

Рис. 13. Принципиальная одноподъёмная схема включения питательного насоса

Данная схема применяется на энергоблоках мощностью до 200 МВт.

Достоинства этой схемы:

1. относительная простота регулировки расхода питательной воды питательным насосом.

Особенность: подогреватели высокого давления (ПВД) работают под очень высоким давлением, создаваемого питательным насосом. Из-за высокого перепада давлений на ПВД к ним предъявляются высокие требования к надёжности работы и повышенные капитальные затраты на ее обеспечение, связанные с увеличением толщины стенки корпуса теплообменника.

2. Двухподъёмная схема, при которой питательные насосы первого подъёма прокачивают воду через ПВД к питательным насосам второго подъёма, подающим воду в паровой котёл:

Рис. 14. Принципиальная двухподъёмная схема включения питательного насоса

Данная схема может применяться на энергоблоках мощностью 300 МВт и выше.

Достоинства этой схемы:

1. выполнение ПВД на меньшее давление, определяемое тем, что давление воды на входе в насосы второго подъёма должно для предотвращения кавитации несколько превышать давление насыщения при температуре воды перед насосами, поэтому требования к надёжности ПВД несколько меньше, чем в одноподъёмных схемах.

Недостатки:

1. пониженная надёжность питательных насосов второго подъёма, перекачивающих воду с высокой конечной её температурой;

2. усложнение и удорожание питательной установки;

3.повышенный расход электроэнергии на перекачку воды с более высокой температурой;

4. необходимость синхронизации насосов I и II подъёма и сложность их регулирования, т.к. питательный насос второго подъёма работает на горячей воде, которая при понижении давления мгновенно вскипит.

1.2. Привод питательных насосов

Существует два варианта приводов питательных насосов:

1) электрический;

2) турбинный.

Электрический привод питательных насосов

Достоинства:

1)простота конструкции (синхронный или асинхронный электродвигатель);

2) высокая надёжность.

Недостатки:

1) ограничена единичная мощность двигателя до 9000 кВт;

2) ограниченные возможности по регулировке расхода питательной воды.

Турбинный привод питательных насосов

Достоинства:

1) возможность регулирования частоты вращения, а также подачи воды в широком диапазоне;

2) компактность;

3) независимость от электрического питания.

Выбор электродвигателя ПН осуществляется на основе теплового и экономического сравнения вариантов.

В связи с этим мощность питательного насоса определяется по формуле:

, (21)

где:

Q п.в._. - расход питательной воды, кг/с;

- перепад давления воды в питательном насосе, кг/см²;

-средняя температура питательной воды на выходе из ПН, ^оС;

- КПД насоса;

- КПД гидромуфты (если она есть).

Условием тепловой экономичности турбинного или электрического привода служит следующее соотношение:

(22)

Коэффициенты полезного действия преобразования и передачи энергии при турбоприводе и электроприводе соответственно равны:

(23)

, (24)

где - внутренние относительные КПД главной и приводной турбин;

и - механические КПД главной и приводной турбин;

- коэффициент дросселирования при транспорте пара в тракте приводной турбины;

- КПД генератора;

- КПД электрического трансформатора и электрической сети собственных нужд;

- КПД приводного электродвигателя;

- КПД гидромуфты.

На ТЭЦ обычно применяется электропривод, а на конденсационных электростанциях (КЭС) тип привода зависит от мощности энергоблоков.

Например:

1) для энергоблоков мощностью 200 МВт и менее применяются электроприводы;

2) для энергоблоков мощностью 300 МВт:

· при Nэ<30 % - электроприводы;

· при 30 %<Nэ<100% - турбоприводы

В заключение хочу сказать, что питательный насос в схеме тепловой электрической станции, будь то классическая на природном топливе или атомная электростанция на ядерном топливе, является объектом повышенного наблюдения и контроля и не менее важным, нежели паровая турбина или паровой котел (ядерный реактор) и правильность его эксплуатации также сказывается на безаварийности работы энергоблока и его надежности.

В следующем разделе Пособия рассмотрим пуск в работу питательного электронасоса из ремонта, где будет рассмотрен поэтапный ввод в работу, как самого насоса, так и всех его вспомогательных систем: насосов маслосистемы и маслоохладителей.

2.2 Пуск в работу после ремонта маслосистемы питательного электронасоса

Рассмотрим технологическую схему обвязки маслосистемы питательного электронасоса (рис. 15), которая может быть как автономной, так и общей для нескольких ПЭН (питательный электрический насос).

Рис.15. Принципиальная технологическая схема масляной системы ПЭН

1, 2 - маслонасосы системы смазки;

3, 4 - маслоохладители, кожухотрубные;

ММ-1, 2 - манометры, типа ОБМ;

Р-1, 2 - вентили на линии рециркуляции маслонасоса;

ЭКМ-1, 2 - электроконтактные манометры;

МФ-1, 2 - маслофильтры, два на один маслоохладитель.

Система маслоснабжения ПЭН является автономной системой со своими маслобаком, группой электронасосов (обычно два электронасоса, из которых один работает, второй находится на АВР или в ремонте), маслоохладителями, масляными фильтрами, арматурой, фланцами и трубопроводами, а также автоматической защитой и технологическими блокировками, и при выходе из строя одного работающего ПЭН по аварийному сигналу включается резервный ПЭН, стоящий на АВР, у которого система маслоснабжения исправна, маслобак с номинальным уровнем масла и система с маслонасосами готова к включению в работу, через маслоохладитель настроена протока охлаждающей воды, которую после включения ПЭН и маслонасоса в работу, машинист ПЭН отрегулирует по мере повышения температуры масла, не допуская ее превышения номинального значения.

При невозможности регулирования температуры масла, срочно подключить резервный маслоохладитель по охлаждающей воде, а дефектный вывести из работы, для чего закрыть выходную арматуру по маслу тем самым, поставив маслоохладитель под опрессовку давлением маслонасоса, и промыть его обратным ходом охлаждающей воды и сообщить старшему машинисту турбинного цеха (СМТЦ).

Маслосистема ПЭН на всех тепловых и атомных электростанциях во многом унифицирована, что упрощает ее эксплуатацию и ремонтоспособность, что особенно важно для работающего персонала.

Маслосистема ПЭН работает следующим образом.

Отработанное горячее масло с температурой не выше 55 ^ОС из подшипников питательного насоса и его электродвигателя (по два подшипника скольжения у насоса и электродвигателя) самотеком возвращается по общему сливному маслопроводу насосного агрегата (линия "а") в маслобак ПЭН, где происходит его отстой и деэмульсация, время которой должно быть не более 3-5-ти минут, в противном случае масло необходимо отправить на очистку и заменить его на свежее масло из общестанционного маслопровода, поступающего из центрального маслохозяйства электростанции в машинный зал. Для смазки подшипников насосного агрегата применяется турбинное масло, что и для паровых турбин, в основном марки Т-22 или Тп-22, качество которого должно удовлетворять требованиям ГОСТ- 32-53-2000.

Для справки: (Т-22 - это масло Турбинное (Т), с кинематической вязкостью н = 22 сантистокса; Тп-22 - это масло Турбинное (Т), с кинематической вязкостью н = 22 сантистокса с присадкой (п) синтетического состава при температуре 20 ⁰С. Обе марки масел являются дистиллятными нефтяного крекинга. Число после марки масла - 22, 32 или других марок указывает, что кинематическая вязкость масла в 22, 32 раза выше кинематической вязкости дистиллированной воды. Время деэмульсации показывает на количество воды, присутствующей в масле и чем больше это время, тем более обводненное масло, тем меньше его кинематическая вязкость. Вода агрессивно воздействует на баббитовую заливку вкладыша (в сплаве баббита до 80% олова) подшипников насоса и электродвигателя ПЭН, что ведет к коррозионному износу вкладыша и уменьшению срока его эксплуатации).