Основные направления развития гидромашиностроения на Калужском турбинном заводе

Основные направления развития гидромашиностроения на Калужском турбинном заводе

С.Д. Циммерман, А.А. Анкудинов, В.А. Васин

Рассматриваются перспективы развития гидромашиностроения на Калужском турбинном заводе. Приводится ряд насосов, выпускаемых предприятием: питательные, включая для блоков 800 МВт; конденсатные для энергоблоков малой и средней мощности; насосы для нефтяной промышленности и др. Предлагаются перспективные направления по модернизации конденсатно-питательной системы энергоблоков с насосами, имеющими лучшие технические показатели.

Анализ проблем развития в промышленности, в частности электроэнергетике, показывает, что в ближайшей перспективе в России произойдет лавинообразное нарастание объемов практически полностью исчерпавшего свой ресурс оборудования, которого к 2010 году будет около 50 % [1]. Это в полной мере относится к продукции гидромашиностроения. Так, например, при эксплуатации крупных блоков тепловых электростанций на третьем месте в числе аварийных остановок является выход из строя главных питательных насосов. На большинстве энергетических блоков ресурс этого оборудования исчерпан, и особое значение для энергетики имеет их незамедлительная замена или модернизация. В тепловой и атомной энергетике насосы других типов также выработали свой ресурс, морально и физически устарели. В других областях промышленности проблема замены гидравлического оборудования, прежде всего насосов также стоит очень остро.

В области гидромашиностроения Калужский турбинный завод (КТЗ) имеет достаточно известные опыт и традиции. В 1970 г. завод начал выпуск питательных насосов типа НПН-1Б и НПН-1 А, которые изготавливались по документации завода «Экономайзер» для второго контура судовых энергетических установок. Позднее была проведена модернизация этих насосов, а затем были разработаны новые питательные насосы типа ВПН-3 с приводом паровой турбиной, регулируемой гидромуфтой и подшипниками на водяной смазке.

И в настоящее время ОАО «Калужский турбинный завод» наряду с турбинной продукцией выпускает различного типа насосное оборудование для энергетики, нефтяной, газовой и химической промышленности, специальные конденсатные и питательные насосы для энергетических судовых установок.

Изготавливается ряд конденсатных насосов с параметрами: подачей от 6 до 160 м3/ч и напором от 25 до 140 м, с высокими кавитационными качествами (допустимый кавитационный запас 0,6-1,8 м), с торцовыми уплотнениями и подшипниками скольжения, которые смазываются перекачиваемой водой, горизонтального и вертикального исполнения. Насосы предназначены как для комплектации турбоустановок собственного изготовления, так и для отдельных поставок. Анализ показал, что для этого типа насосов можно получить еще более высокие кавитационные качества, повысить КПД, снизить массу и габариты.

На рис. 1 представлен электроконденсатный насос типа ЭКН 125-140 вертикального исполнения.

На предприятии освоено серийное производство насосов для передвижной насосной установки типа ПНУ-1М для сбора разлитой нефти в составе: самовсасывающий насос типа ЦНС 150-50 с приводом от электродвигателя и насос ПН 150-50 с приводом от дизеля. На отечественном рынке большим спросом пользуются самовсасывающие насосы (рис. 2). Благодаря специальной конструкции камеры нагнетания и предвключенной осевихревой ступени насос имеет высокие параметры самовсасывания и кавитационные качества.

В 1998 г. изготовлена и поставлена заказчику (Новомосковский химкомбинат) партия насосов ПНХ 100-60 для перекачки химических отходов. Насос выполнен целиком из титанового сплава.

Рис. 1. Продольный разрез электроконденсатного насоса ЭКН 125-140

На предприятии разработаны и разрабатываются питательные насосы для паровых котлов малой и средней мощности. Создан и эксплуатируется питательный насос ПЭ 160-140 (рис. 3) [2]. В отечественном гидромашиностроении не выпускаются насосы такой мощности (1000 кВт), у которых применяются подшипники на водяной смазке. Отсутствие масляной смазки имеет большие преимущества. Это пожарная безопасность, отсутствие вероятности попадания масла в питательную воду, простота схемы. Замена проточной части насоса без изменения конструктивной схемы и узлов позволит иметь несколько модификаций насоса для широкого спектра насосов тепловой и атомной энергетики. Новый питательный насос ПЭ 160-140 предназначен для нужд собственной ТЭЦ, работает по назначению и в настоящее время. Насос имеет 9 ступеней, двухкорпусную конструкцию с приводом от электродвигателя.

Начиная с 1997 г, наше предприятие включилось в решение проблемы повышения надежности и эксплуатационных характеристик главных питательных насосов для энергоблоков мощностью 300-1200 МВт. За это время с привлечением научно-технических организаций России на заводе выполнен ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на улучшение технических характеристик насоса. В конструкторских бюро, лабораториях Научно-исследовательского центра КТЗ проводятся работы по повышению КПД, внедрению систем контроля, сигнализации и управления, созданию систем питания подшипников скольжения, работающих на перекачиваемой воде, увеличению надежности.

Рис. 2. Самовсасывающий насос ЦНС 150-50

Рис. 3. Питательный насос ПЭ 160-140

По договору с ОАО «Пермская ГРЭС» в феврале 2000 г. завершены ремонт и модернизация проточной части питательного насоса ПН 1500-350-1 [3] (рис. 4). После модернизации на КТЗ насос проработал более 5000 часов в составе 3-го энергоблока без замечаний. Сравнение эксплуатационных характеристик модернизированного насоса с питательным насосом фирмы KSB, работающего на том же блоке параллельно, показало их идентичность. Изготовлены и поставлены по две проточные части насосов типа ПН 1500-350 для Рязанской и Троицкой ГРЭС.

Рис. 4. Модернизированный питательный насос ПН 1500-350-1

Исследования, проведенные РАО ЕЭС России, АО «Урал ВТИ», ОАО «КТЗ» показали, что неисправности и отказы в работе питательных насосов типа ПН 1500-350 сводятся в основном к следующему: высокий уровень вибрации подшипниковых опор, проявляемых на лопаточной частоте, износ уплотнений из-за автоколебаний ротора, эрозионный износ первой ступени насоса, вызванный кавитацией.

В основу выполненной модернизации проточной части питательного насоса ПН 1500-350-1 положено следующее техническое решение: замена составных направляющих аппаратов на цельно фрезерованные с числом каналов равным 12 при сохранении числа лопастей рабочего колеса равного 7. Особенностью новых направляющих аппаратов является сопряжение диффузоров и обратных каналов по винтовой поверхности без резких изменений проходных площадей и направления потока. В этом случае уменьшается вероятность появления отрывных зон в потоке [4].

Для снижения пульсаций потока в проточной части насоса и повышения экономичности проведена оптимизация каналов направляющего аппарата на основании данных гидравлических расчетов трехмерного течения с целью исключения мест возникновения отрывных зон и вихрей. Направляющие аппараты изготавливаются по специальной технологии, разработанной на ОАО «КТЗ», и предусматривают обработку каналов фрезерованием на станках с ЧПУ, обеспечивающих высокую точность и чистоту обработки поверхности каналов. Направляющие аппараты, а также уплотнительные и промежуточные кольца выполнены без горизонтального разъема с возможностью осевой посекционной сборки проточной части, что повышает жесткость конструкции. Для уменьшения протечек в передних уплотнениях рабочих колес составные, «щелевого» типа уплотнительные кольца рабочих ступеней были замены на «сотовые» уплотнения. Это также повысило надежность за счет малой чувствительности к загрязнению и лучшей прирабаты- ваемости при задеваниях. Сотовые уплотнения нашли широкое применение у различных фирм, например: в компрессоростроении - Казанский компрессорный завод (Россия), ВНИИкомпрес- сормаш (Россия), «Dresser Clark» (США) и в насосостроении - «KSB» Германия. На ОАО «КТЗ» разработана и внедрена технология изготовления сотовых уплотнений путем электроэрозионной обработки специальными электродами непосредственно на кольцевой заготовке. Расходные характеристики и величины гидравлических подъемных сил, действующих на ротор при различной частоте вращения и эксцентриситете ротора в уплотнении, определены экспериментально при испытаниях моделей щелевого и сотового уплотнений на стенде ОАО «КТЗ». Испытания показали снижение протечек в сотовых уплотнениях на 25-35 % по сравнению с щелевыми уплотнениями и хорошую их прирабатываемость в случае задевания.

Применение в конструкции модернизированной проточной части системы гидростатической стабилизации положения ротора повысило надежность и снизило вибрацию. По данным расчетов, выполненных нашим предприятием, критическая частота вращения существующего ротора с учетом жесткости межступенчатых уплотнений составляет около 5400 об/мин, что выше рабочей частоты вращения, а без учета жесткости уплотнений около 1700 об/мин, т.е. ротор является «гибким». Для увеличения динамической жесткости ротора взамен переднего уплотнения колеса 4-й ступени выполнена промежуточная опора, состоящая из установленной на колесе и вращающейся вместе с ним втулки и неподвижного кольца, установленного в корпусе секции. Во внутренней расточке неподвижного кольца выполнены восемь симметрично расположенных камер, обеспечивающих на всех режимах эксплуатации насоса гидростатическую центровку ротора относительно внутреннего корпуса насоса за счет подвода в них питательной воды из камеры нагнетания насоса через специальные дроссели, выполненные в корпусе секции 4-й ступени. На эксплуатационных режимах работы насоса и при смещении ротора относительно оси расточки статорного кольца давление воды в камерах опоры со стороны меньшего зазора увеличивается, а со стороны большего зазора уменьшается, в результате возникает гидравлическая сила, стремящаяся вернуть ротор в среднее положение. Данное мероприятие направлено на повышение жесткости штатного ротора, а также на компенсацию расцентровки ротора, вызванной его статическим прогибом и тепловой деформацией на всех эксплуатационных режимах.

Преимуществом перед другими поставщиками у КТЗ является то, что поставщиком приводных турбин является наше предприятие и заказчику выгодно иметь поставщиков, которые осуществляют поставку всего турбонасосного агрегата. Предложения ОАО «КТЗ» по модернизации крупных питательных насосов носят гибкий характер и зависят от финансовых возможностей заказчика и условий работы насоса в блоке.

Рассматриваются 3 схемы модернизации.

Разборка проточной части, ревизия деталей, составление мероприятий по ремонту и модернизации, обеспечивающих продолжение длительной эксплуатации насоса после ремонта. При этом затраты заказчика минимальны.

Вариант, предусматривающий реконструкцию насоса с заменой проточной части, обеспечивающий наивысший для данной конструкции уровень экономичности и надежности, установку торцовых уплотнений, быструю замену внутреннего корпуса с проточной частью. Внедряются в конструкцию насоса все технические решения, имеющие положительный опыт эксплуатации.

В данном варианте проводится модернизация питательного насоса с установкой пред- включенной осевихревой ступени, применением подшипников и упорного устройства, работающих на перекачиваемой жидкости. Предусматривается реконструкция всей конденсатно- питательной схемы энергоблока с применением безбустерной схемы.

Попытка реализации безбустерной схемы была предпринята АО «Пролетарский завод» на блоке 800 МВт Пермской ГРЭС в 1993 году. С этой целью был проведен комплекс работ по расчету и конструкторской проработке первой ступени питательного насоса. Разработана новая первая ступень, включающая рабочее колесо, водорез, кольцо уплотнения и втулку.

Определялись напорные и кавитационные характеристики насоса на режимах полной нагрузки и недогрузки при работе в безбустерном варианте схемы энергоблока.

Для улучшения кавитационных качеств новая 1-я ступень ПН была спроектирована с увеличенной площадью входного участка. Были изменены элементы подвода к рабочему колесу 1-й ступени: входной патрубок, подводящая спираль и водорез.

Проведенные испытания показали, что разработанный вариант 1-й ступени насоса имеет повышенный напор и лучшие кавитационные качества. Так, на номинальном режиме критический кавитационный запас составил Аккр = 56 м (в штатном варианте АНкр = 93 м). Как показывают

расчеты, этого кавитационного запаса для нормальной работы схемы блока недостаточно.

После испытаний на рабочем колесе 1 ступени были обнаружены кавитационные разрушения лопастей. Зона разрушения имела эллиптическую форму 20 на 30 мм с максимальным разрушением в центре практически на всю толщину лопасти (5 мм).

Таким образом, полученный кавитационный запас не является достаточным для исключения местных кавитационных явлений в проточной части первой ступени. Это явилось основной причиной полученных разрушений на входных участках лопастей рабочего колеса.

Опыт эксплуатации конденсатных насосов с установкой осевихревой ступени (ОВС) на входе в насос показывает, что применение ОВС является наиболее перспективным способом улучшения кавитационных качеств, снижения шума, вибрации и низкочастотных пульсаций давления и подачи [5].

ОВС состоит из осевого колеса (шнека) и размещенной на его периферии неподвижной винтовой решетки, ход нарезки лопастей которой противоположен ходу лопастей шнека (рис. 5). Предварительная конструкторская проработка позволила сделать вывод о возможности модернизации ПН с установкой ОВС и новой первой центробежной ступени. ОВС по сравнению со шнеком имеет больший напор, лучшие кавитационные качества и работает с более низким уровнем вибрации и пульсаций. Эти качества проявляются наиболее значительно при малых подачах. В отличие от шнека, при работе которого на нерасчетных режимах наблюдаются мощные обратные токи, вызывающие пульсации давления, в осевихревой ступени, имеющей неподвижную винтовую решетку, они отсутствуют.

Рис. 5. Схема осевихревой ступени:

1 - осевое колесо; 2 - неподвижная решетка; 3 - центробежное колесо

В настоящее время предвключенная осевихревая ступень нашла широкое применение на Калужском турбинном заводе [5]. ОВС устанавливают в конденсатных, нефтяных и других насосах с повышенными требованиями к эксплуатационным характеристикам. Это позволило улучшить кавитационные характеристики, снизить пульсацию давления и подачи, уменьшить вибрацию. Осевихревая ступень имеет по сравнению со шнеком преимущества - более высокие кавитационные качества и коэффициент напора, низкие уровни пульсации и вибрации. Эти свойства ОВС определяют перспективность ее применения и возможность использовать как отдельный насос. Экспериментальные энергетические и кавитационные характеристики, полученные при испытаниях в Калужском филиале МГТУ им. Н.Э. Баумана, подтвердили выполненные расчеты [3]. Кавитационный запас на входе в ступень на срыве при испытаниях на расчетном режиме составил Дйср = 1,85 м. Кавитационный коэффициент быстроходности для данного режима составил С = 3455. Работа насоса при определении кавитационной характеристики оставалась стабильной, без низкочастотных пульсаций давления и подачи. Проведенный расчет кавитационного запаса для натурных размеров ступени показал, что при срыве напора кавитационный запас составит Дйср = 8,95 м. Расчеты и модельные испытания показали, что реализация проекта ОАО «КТЗ» с установкой предвключенной ступени и новой первой ступени питательного насоса даст возможность получить критический кавитационный запас на входе Дйкр = 10 + 15 м. Допускаемый кавитационный запас составит Дйкр = 20 + 25 м, что позволит реализовать безбустерную схему на блоках 300-1200 МВт.

ОАО «КТЗ» имеет перспективную программу производства питательных, конденсатных и вспомогательных насосов различных параметров и назначения для тепловых электростанций и атомной энергетики. Используя научный и производственный потенциал, Калужский турбинный завод предлагает новые разработки с улучшенными эксплуатационными характеристиками, обеспечивающие: снижение допускаемого кавитационного запаса за счет установки осевихревой ступени; повышение надежности и безопасности за счет применения подшипников на водяной смазке; применение полностью герметичных насосов с муфтой на постоянных магнитах; снижение вибрации и пульсаций давления за счет улучшенной гидродинамики и высокоэффективной балансировке в вакуумной камере и современной технологии изготовления основных элементов проточной части насосов.

Наше предприятие обладает широкими возможностями по проведению НИОКР, исследовательскими стендами, технологической и производственной базой для создания конкурентно способной базы гидромашиностроения. Имеются широкие возможности у предприятия для проведения ремонта, модернизации и разработки насосного оборудования для тепловых и атомных электростанций. Улучшение эксплуатационных характеристик питательных, конденсатных и других насосов может производиться за счет применения новых проточных частей, подшипников на водяной смазке, новых материалов пар трения. Изготовление элементов конструкций на предприятии производится с высокой точностью и чистотой обработки поверхности. Это позволяет создавать новое насосное оборудование, отвечающее современным требованиям по надежности и экономичности.

Список литературы

Кучеров Ю.Н., Волков Э.П. Стратегические направления и приоритеты развития электроэнергетики// Эффективное оборудование и новые технологии в российскую тепловую энергетику: Сб. докладов/Под общ. ред. Г.Г. Ольховского. - 2-е изд., доп. - М. : АООТ «ВТИ», 2001.

Анкудинов А.А., Васин В.А., Ермилов Л.Н., Пайчадзе Б.Б. Опыт ОАО КТЗ в разработке и эксплуатации насосов для тепловых электростанций// Труды 10 Международной научно-технической конференции. 10-13 сентября 2003, Сумы, Украина.

Кирюхин В.И., Циммерман С.Д., Семенов Ю.М., Анкудинов А.А., Васин В.А.. Модернизация питательных насосов энергоблоков 150-1200 МВт на ОАО КТЗ// Электрические станции. - 2003. - № 6.

Патент РФ 2220330 Направляющий аппарат центробежного насоса/ А.А. Анкудинов, В.А. Васин, Ю.М. Семенов, С.Д. Циммерман.

Патент РФ 2014509 Осевихревой насос/Б.Н. Зотов, А.А. Анкудинов.