Общие принципы расчета гидравлической части питательного сверхмощного турбонасоса
Растет востребованность сверхмощного оборудования для крупных теплоэлектростанций, в связи с чем необходим учет особенностей эксплуатации (критических режимов работы) и разработки новых методов расчета и конструирования. Опытом создания и эксплуатации одного из самых мощных в мире питательных насосов, который работает на немецкой угольной электростанции Нидерауссеме (блок K), делятся специалисты KSB. В первой части цикла статей на эту тему речь пойдет о специфике расчета гидравлической части сверхмощного агрегата с учетом условий его использования.
Специфика работы насоса и ее влияние на расчет проточной части
Турбонасос с максимальной приводной мощностью 40 МВт эксплуатируется на энергоблоке 1000 МВт электростанции Нидерауссеме, недалеко от Кельна. Насос обеспечивает 100%-ную нагрузку блока, КПД которого (более 43%) является наивысшим для энергоблоков, работающих на буром угле. Для достижения такой эффективности все компоненты электростанции, в частности питательный насос, должны иметь максимальный КПД, а их совместная работа должна быть полностью оптимизирована для всех режимов нагрузки.

Обычно работа блока на частичной нагрузке осуществляется с помощью пусковых электронасосов с 35%-ной производительностью, но пуск блока можно осуществлять и от главного питательного насоса со 100%-ной производительностью — из холодного состояния, при использовании пара от постороннего источника.

Все это должно было учитываться при разработке гидравлики проточной части — помимо достижения проектных значений расхода, напора и КПД. Также много внимания было уделено улучшению всасывающей способности рабочего колеса первой ступени. В частности, необходимость повышения наработки на отказ до 50 000 ч и более без кавитационного износа проточной части потребовала специального профилирования лопаток рабочего колеса первой ступени. Численное моделирование течения жидкости в проточной части и экспериментальные исследования позволили получить проточную часть, в которой полностью отсутствует кавитация на всех режимах работы насоса при достаточном кавитационном запасе.
Расчет гидравлики проточной части
При условии 100%-ной нагрузки были получены следующие характеристики питательного насоса:

✅ расход массовый m = 698 кг/с;

✅ расход объемный Q = 2898 м³/ч;

✅ напор Δp = 285,7 бар, H = 3361 м;

✅ температура t = 198,4 °C;

✅ плотность среды = 867 кг/м³;

✅частота вращения n = 4620 мин-1;

✅ мощность P = 26,47 МВт;

✅ КПД = 86,9%.

Привод основного и бустерного насоса осуществляется паровой турбиной, что позволяет плавно изменять частоту вращения. Предельно допустимая частота вращения (давление срабатывания предохранительных клапанов) составляет 5217 мин-1. В этой точке расход питательной воды достигает 893 кг/с, и полная мощность насоса составляет 42 МВт (2 дополнительных МВт приходятся на бустерный насос). Она находится на верхней границе так называемых «больших» питательных насосов по общепринятой в Германии классификации.

Напор насоса создается пятью ступенями (с отбором после первой ступени, рис. 1).
Рис. 1. Питательный насос CHTA 140/5, ТЭЦ
Для определения гидравлического качества рабочего колеса (в том числе и одноступенчатого насоса) был введен специальный параметр — удельная частота вращения
где
n — частота вращения, мин–1;
Hst — напор, м;
Q — объемный расход, м³/с.

Этот параметр, по опыту, полностью определяет возможность достижения максимального КПД и кавитационного запаса для высоконапорного насоса определенного типа. Оптимальные гидравлические характеристики проточной части из 2−5 ступеней получены использованием стандартных рабочих колес и направляющих аппаратов.

Ступень насоса смоделирована на основе высоконадежного прототипа с соблюдением гидравлического подобия. Незначительные изменения внесены лишь в конструкцию входной втулки; увеличение ее диаметра потребовалось вследствие высокой мощности приводной турбины. Аналогичное увеличение выходной спирали последней ступени патрубка нагнетания и входной камеры между первой ступенью и всасывающим патрубком потребовалось из-за большой мощности насоса; они были сконструированы специально для него. Несмотря на ограниченное пространство, применение выходной спирали сыграло решающую роль в обеспечении наивысшего КПД насоса.

Проектирование рабочего колеса первой ступени со 100%-ной нагрузкой блока потребовало новых методов при разработке конструкции насоса и гидравлики проточной части: использования специального профилирования лопаток, проведения теоретических и экспериментальных исследований, разработки мероприятий по гарантированному отсутствию кавитации рабочего колеса первой ступени.

Системный подход к анализу условий эксплуатации насосов позволяет инженерам KSB создавать конструкции с наивысшей для таких условий надежностью и эффективностью. В следующей статье этого цикла мы расскажем о специфике и приемах расчета первого рабочего колеса супермощного питательного насоса с учетом жестких требований заказчика по кавитационному запасу.

Если у вас возникли вопросы по этой теме, наш специалист обязательно постарается на них ответить!


Задайте вопрос!
У вас появился вопрос? Просто задайте его здесь и мы ответим на него по электронной почте или телефону.
Задайте вопрос