Analyse- und Konstruktions-Upgrades beheben Pumpenfehler im Ringabschnitt
Bei einem großen Kraftwerk in den Vereinigten Staaten kam es bei mehreren Kesselspeisepumpen mit Ringabschnitt (BB4) zu starken Vibrations- und Rückführungsproblemen, was zu mehreren katastrophalen Ausfällen und ungeplanten Ausfällen führte. Diese Fallstudie beschreibt eine der Pumpen, die für eine vollständige Analyse, Fehlerbehebung, Reparaturplan, Umbau und Leistungstests an ein Aftermarket-Pumpen-Servicezentrum geliefert wurde.
GuD-Kraftwerke sind die „New Kids on the Block“ der Stromerzeugungsindustrie. Kombikraftwerke, die Gas- und Dampfturbinen kombinieren, können mit dem gleichen Brennstoffverbrauch bis zu 50 Prozent mehr Strom erzeugen als Kraftwerke mit einfachem Zyklus. Moderne Kombikraftwerke können auch schnell auf Stromnetzanforderungen reagieren, da sie in weniger als 10 Minuten mit der Energieerzeugung beginnen und in weniger als 60 Minuten mit voller Kapazität laufen können. Dies bietet eine effiziente Ergänzung zur intermittierenden erneuerbaren Technologie.
Da sich die Stromnachfrage geändert hat und GuD-Kraftwerke begonnen haben, herkömmliche fossile und thermische Kraftwerke zu ersetzen, hat sich auch die Art der verwendeten Pumpen geändert. Fossile Kraftwerke verwenden oft robuste, langlebige Fasspumpen. Diese Pumpen laufen über lange, ununterbrochene Zeiträume, und Anlagen sind im Allgemeinen mit zwei zu 100 Prozent oder drei zu 50 Prozent installierten Pumpen pro Einheit ausgestattet.
Hintergrund
Nachdem in seinem Kraftwerk zahlreiche Probleme mit der Leistung und Zuverlässigkeit der Kesselspeisepumpe aufgetreten waren, entschied sich der Anlagenbesitzer für eine umfassende Ursachenanalyse und einen Reparaturplan mit einem Aftermarket-Pumpen-Servicecenter in Los Angeles, Kalifornien. Die Untersuchung ergab schließlich eine Reihe zugrunde liegender Probleme im Zusammenhang mit den Leistungsproblemen und unerwarteten Pumpenausfällen.
Erkenntnisse, technische Lösungen und Empfehlungen
Während der anfänglichen Inspektion und Analyse der ersten Einheit wurde festgestellt, dass die Ausgleichshülse in Bezug auf die Welle eine konische Passung hatte. Diese Konstruktionsart ist ungewöhnlich, da sie hohen Druck und ein Spezialwerkzeug erfordert, um die Ausgleichshülse von der Welle zu installieren oder zu entfernen. Dies ist auch ein großes Sicherheitsproblem.
Zusätzlich wurde eine Ausgleichshülse mit konischer Passung in der Nähe der Streckgrenze auf der Welle installiert. Der hohe Druck und die konische Passung führten zu einer unerwünschten Passung auf der Welle, wodurch Bereiche mit hoher Belastungskonzentration erzeugt wurden. Der Außendurchmesser lief nicht rund zur Welle, was zu ungleicher Umfangspressung oder -kraft um die Ausgleichshülse führte. Im Gegenzug wurde ein Szenario geschaffen, in dem sich die Welle verbiegen könnte. Die Gegenkraft oder das Biegemoment tritt 3.550 Mal pro Minute auf und verursacht erhebliche Biegemomente am Fuß der Ausgleichshülse, die schließlich die Pumpenwelle ermüden.
Es wurde vorgeschlagen, die Ausgleichshülse umzugestalten, indem man sie gerade anpasst und länger macht, um den axialen Spalt zwischen dem Laufrad der letzten Stufe und der Ausgleichshülse zu verringern. Dadurch wird ein „Ausrücken“ des Schleißrings verhindert, was zu einer Destabilisierung des Rotors führt.
Das Phänomen, bei dem die Laufräder nach vorne hüpfen und dann in ihre ursprüngliche Position zurückkehren, existiert immer noch, aber aufgrund des verringerten Spalts kann das Laufrad den Fluss zur Ausgleichsvorrichtung nicht einschränken.
Das Service-Center stellte fest, dass das ursprüngliche Design der Pumpe eine Montage durch eine Face-to-Face-Konfiguration mit Antirotationsstiften erforderte. Da der Diffusor der letzten Stufe in der Pumpe im ursprünglichen Design keinen Stift hatte, musste die Abdeckung den Diffusor „zusammendrücken“, um eine Drehung zu verhindern. Der durch diese Konstruktion entstehende Spalt führte zu einem vorzeitigen Versagen des O-Rings und schränkte zudem die Druckbelastbarkeit ein. Um sowohl die Pumpenzuverlässigkeit als auch die Druckbelastbarkeit des Gelenks der letzten Stufe zu verbessern, wurden die Stirnseiten des Diffusors präzisionsgeschliffen. Durch die Verschärfung der Stapeltoleranzen wird auch die Druckbelastbarkeit des Gelenks der letzten Stufe verbessert.
Eine weitere wichtige Erkenntnis war, dass sich die Gleitpassungslaufräder mit Hilfe der Nabenflächen an der richtigen Stelle auf der Welle hielten. Die Flächen waren jedoch nicht senkrecht, was den Rotor zwang, sich zu biegen, was zu starken Vibrationsproblemen führte.
Als der Rotor auf Rollen platziert wurde, um den Schlag zu prüfen, schien der TIR (Gesamtindikatorschlag) innerhalb der Toleranz zu liegen. Die Welle würde sich jedoch verbiegen, da die Flächen nicht genau senkrecht zur Bohrung stehen, sobald die Pumpe lief und hydraulische Kräfte auf die Laufräder ausgeübt wurden. Das Problem war schwer zu erkennen, ohne die hydraulische Kraft zu imitieren.
Das Servicezentrum berechnete und bearbeitete die Deckelflächen neu, um einen künstlichen Deckeldurchhang zu erzeugen, der dem natürlichen Rotordurchhang perfekt folgte.
Die neu berechneten Versätze für die Abdeckungen ermöglichten die Verwendung engerer Abstände zwischen der Ausgleichshülse und der Ausgleichsbuchse, wodurch der Durchfluss durch die Ausgleichsleitung verringert wurde. Der Ausgleichsleitungsdruck wurde im Durchschnitt um etwa 30 Pfund pro Quadratzoll Überdruck (psig) reduziert, was auch die MTBR verlängerte.
Herausforderungen
Anfangs zögerte das Kraftwerk, das ursprüngliche Design der Pumpe zu ändern und eine technische Aufrüstung durchzuführen, was das Servicezentrum vor die Herausforderung stellte, das Problem und den möglichen Wellenbruch vollständig zu lösen. Während der Modernisierungsverhandlungen fiel eine weitere Kesselspeiseeinheit der Anlage unerwartet mit einer gebrochenen Welle aus. Wie vom Service-Center erwartet, diente dieser zusätzliche Fehler dazu, das vorliegende Problem zu bestätigen, und betonte die dringende Notwendigkeit einer Konstruktionsänderung.
Leistungstests zur Validierung
Kraftwerke verwenden den Ausgleichsleitungsdruck als Hauptbezugspunkt bei der Festlegung einer Basislinie für den Gesamtzustand einer BB4-Pumpe. Der Ausgleichsleitungsdruck erhöht sich zusammen mit größeren internen Abständen von kritischen Passungen, Toleranzen und anderen mildernden Faktoren, die während der Montage leicht übersehen werden können. Daher ist ein Leistungstest, der die tatsächlichen Bedingungen einer Pumpe im Betrieb genau nachahmt, ein entscheidender Schritt im Reparaturprozess.
Nach der Reparatur wurde die Pumpe an ein vom Hydraulic Institute zertifiziertes Pumpenprüflabor in Chicago geschickt. Hier wurden die Pumpen standardmäßigen Testprotokollen unterzogen, um Vibration, Druck und Durchfluss zu messen. Aus Gründen der Zuverlässigkeit ist der wichtigste erfasste Datenpunkt der Ausgleichsleitungsdruck, ein einzigartiges Merkmal beim Testen von Segmentringpumpen. Mit der technischen Unterstützung des Testlabors war das Servicezentrum in der Lage, ein Testverfahren zu entwerfen und einzurichten, das die Feldbedingungen der installierten Pumpe genau nachahmte.
Wieder im Dienst
Nachdem die Reparatur und Prüfung abgeschlossen und die Pumpen installiert waren, erhielt das Servicezentrum eine Reihe identischer Segmentringpumpen von mehreren Kraftwerken, die die gleichen Probleme aufwiesen. Mit dem Wissen aus früheren Umbauten war das Servicezentrum in der Lage, eine Reihe ähnlicher Reparaturen für diese zusätzlichen Kesselspeisepumpen in einem beschleunigten Zeitrahmen durchzuführen.
Heute wurden alle Segmentringpumpen wieder in Betrieb genommen und arbeiten ohne Zuverlässigkeitsprobleme ordnungsgemäß.
Das Servicezentrum wendete einen gründlichen Inspektionsprozess, umfangreiche Prozesskontrollverfahren und strenge Abnahmekriterien an, um diese Reparaturen durchzuführen.