die richtige Pumpe für Stromerzeugungsanwendungen
Kombikraftwerke mit Gasturbinen (CCGT) stellen Pumpen und zugehörige Ausrüstung wie Ventile und Dichtungen vor schwierige Herausforderungen.
Hohe Betriebstemperaturen und -drücke sind charakteristisch für viele Anwendungen in GuD-Anlagen. Von CCGT-Anlagen wird auch erwartet, dass sie schnelle Lastschwankungen bewältigen und häufig starten und stoppen müssen. Infolgedessen müssen die Pumpen so ausgelegt und ausgewählt werden, dass sie schwierigen vorübergehenden Betriebsbedingungen standhalten.
BILD 1: Pumpe mit Diffusorring (Bilder mit freundlicher Genehmigung von Flowserve)
Ein typisches Kombikraftwerk kann zwischen 50 und 100 Pumpen haben. Zu diesen Pumpentypen gehören typischerweise:
mehrstufige, zwischengelagerte Gliederpumpen (BB4)
vertikale, einstufige Nassgrubenpumpen (VS1)
Vertikale, mehrstufige Spaltrohrpumpen (VS6)
horizontale, einstufige, axial geteilte Pumpen (BB1, BB2)
Endsaugpumpen für den allgemeinen Einsatz (OH1)
Hochdruck- und Temperatur-Endsaugpumpen (OH2)
Sumpfpumpen (VS4, VS5)
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen
BILD 2: Doppelgehäuse-Fasspumpe
Hauptspeisewasserpumpen
Der Zweck einer Hauptspeisepumpe besteht darin, Speisewasser von der Niederdrucktrommel (LP) zu den Economizer-Einlässen der Mitteldruck- (IP) und Hochdruck-(HP)-Sektionen des Abhitzedampferzeugers (HRSG) zu fördern.
Mehrstufige Inline-Diffusor-Pumpen mit Ringgliedern werden am häufigsten für diesen Service in Kombikraftwerken spezifiziert.
Gelegentlich spezifizieren Kunden für diese Anwendungen ein Doppelgehäuse-Design.
Kesselspeisewasser wird chemisch auf ein hohes Reinheitsniveau aufbereitet, wodurch es korrosiver wird als unbehandeltes Wasser. Daher müssen die flüssigkeitsführenden Komponenten (z. B. Stufengehäuse, Diffusoren und Laufräder), die hohen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten ausgesetzt sind, mit 12 % Chrom (CA6NMN) versehen werden, um Schäden durch Erosion und Korrosion zu vermeiden.
BILD 3 (links): Kondensatpumpe mit einflutigem Laufrad der ersten Stufe.
BILD 4 (rechts): Zweiflutige Kondensatpumpe der ersten StufeDas Ergebnis ist ein zuverlässiges, duktiles Teil mit maximierter Oberflächenhärte, die die ideale Mischung der Teileeigenschaften darstellt. DLD ist ein Schweißverfahren, das ein Metallpulver metallurgisch mit dem Grundmaterial verbindet. Aufgrund einer kontrollierten und lokalisierten Wärmezufuhr kann dieses Verfahren auf verschiedene Grundmetalle ohne Verformung oder die Notwendigkeit einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen angewendet werden.
Die Saugleistung ist zwar für alle Pumpen wichtig, aber für Hochenergiepumpen im Kesselspeisebetrieb ein Problem.
Die verfügbare positive Netto-Saughöhe (NPSHa) ist durch die physische Höhe des Saugbehälters begrenzt, aber bestimmte NPSHa- und NPSH-erforderliche (NPSHr) Randverhältnisse müssen eingehalten werden, um eine optimale Leistung und eine lange Lebensdauer zu erreichen. Das Laufrad der ersten Stufe ist besonders sorgfältig ausgewählt und weist oft ein größeres Saugauge oder in einigen Fällen eine doppelt saugende Ausführung auf.
Die Pumpen bieten einen zwischengeschalteten Entnahmeanschluss, um den Durchfluss zum IP-Abschnitt des HRSG bereitzustellen. Kesselspeisepumpen unterliegen plötzlichen Lastwechseln und einem Betrieb unter zahlreichen Betriebsbedingungen. Infolgedessen besteht die typische Lageranordnung bei Anwendungen mit mehr als 4.000 PS aus Gleitradiallagern und Kippsegment-Axiallagern.
Förderpumpen können Direktantriebe oder drehzahlgeregelte Antriebe unter Verwendung von Flüssigkeitskupplungen oder Antrieben mit variabler Frequenz (VFDs) sein.
Die häufigste Konfiguration ist 2 x 100 Prozent pro HRSG.
Kondensatabsaugpumpen
Kondensatabsaugpumpen werden verwendet, um Kondensat aus dem heißen Brunnen des Kondensators zum Einlass des LP-Economizers des HRSG zu pumpen. Die gebräuchlichsten Konfigurationen sind 2 x 100-Prozent- oder 3 x 50-Prozent-Pumpen pro Verflüssiger (nicht pro HRSG).
Das Laufraddesign der ersten Stufe ist kritisch, da Kondensatpumpen mit niedrigem NPSHa betrieben werden müssen. Der Kondensator arbeitet bei einem Vakuum von etwa 0,65 Pfund pro Quadratzoll absolut (psia) bar (0,045 bar absolut). Das Kondensat befindet sich nahe seinem Verdampfungspunkt mit einer typischen Temperatur von 35 °C bis 40 °C (95 °F bis 105 °F). Dies bedeutet, dass der NPSHa auf dem Flüssigkeitsniveau im Kondensator-Hotwell Null ist. Infolgedessen wird typischerweise eine vertikale Mehrstufenpumpe mit Spaltrohr ausgewählt
Diese Anwendung.
Für einen zuverlässigen Betrieb sollte das Design für das Laufrad der ersten Stufe Folgendes umfassen:
saugspezifische Drehzahl (NSS) von weniger als 12.000, um die Strömungsstabilität über einen großen Betriebsbereich zu gewährleisten
eine Laufradeinlassumfangsgeschwindigkeit (Einlassspitzengeschwindigkeit), die unter 70 Fuß pro Sekunde (ft/s) liegt
kavitationsbeständiges Material, wie z. B. 12 Prozent Chrom
Aufgrund des hohen Drucks bei dieser kritischen Anwendung wird eine Gleitringdichtung in Patronenbauweise zur Abdichtung der Flüssigkeitspumpen empfohlen. Die zugehörigen Pumpenabdichtungssysteme müssen verhindern, dass Luft in die Pumpe eindringt, wenn sie unter Vakuum steht. Die API-Pläne 13 und 32 erfüllen dies.
Kondensator-Kühlwasserpumpen (CCW).
Alle thermischen Kraftwerke geben große Mengen an Wärme an die Umgebung ab, und ein GuD-Kraftwerk ist da keine Ausnahme. Ein typisches Kombikraftwerk mit einem thermischen Wirkungsgrad von 57 Prozent gibt 43 Prozent der durch den Brennstoff zugeführten Wärme ab. Ungefähr 9 Prozent werden aus dem HRSG-Stapel herausgehen. Der Rest wird durch das durch den Kondensator gepumpte Kühlwasser entfernt.
Kondensatoren wurden traditionell mit Wasser gekühlt, wobei entweder Durchlauf- oder geschlossene (Kühlturm-)Systeme verwendet wurden. Der Kühlwasserbedarf einer typischen GuD-Anlage mit Kühlturm kann auf etwa 250 gpm pro Megawatt (MW) geschätzt werden. Infolgedessen benötigt ein 750-MW-Kombikraftwerk einen Kühlwasserdurchfluss von etwa 187.500 gpm, der normalerweise auf zwei Pumpen aufgeteilt würde.
Umweltauflagen lassen in vielen Regionen eine Durchlaufkühlung aus Flüssen oder Seen nicht mehr zu. Sogar herkömmliche nassgekühlte Kühltürme können ein Problem darstellen, da immer noch Wasserentnahmen erforderlich sind, um das Abblasen sowie die Verdunstung und Abdrift aus dem Turm auszugleichen. Infolgedessen werden luftgekühlte Kondensatoren immer häufiger. Ihre anfänglichen Kapitalkosten sind viel höher und der thermische Wirkungsgrad der Anlage kann an Standorten mit hoher Umgebungstemperatur um bis zu 3 oder 4 Prozent reduziert werden.
Die häufigste Wahl für diese Anwendung ist eine vertikale, einstufige Pumpe mit halboffenem Laufrad.
Je nach Präferenz des Endbenutzers können jedoch auch einstufige, doppelflutige, horizontal geteilte oder Betonspiralpumpen verwendet werden.
ABBILDUNG 5-7: Kondensator-Kühlwasserpumpentypen (CCW).
CCW-Pumpentypen
Unabhängig von der Bauart müssen diese kritischen Punkte überprüft werden, um eine optimale und zuverlässige Leistung in allen Betriebsmodi zu gewährleisten:
Stellen Sie sicher, dass der Niedrigwasserstand ausreichend eingetaucht ist, um Verwirbelungen zu unterdrücken, und sorgen Sie für ausreichend NPSHa, um Kavitation bei maximalem Durchfluss oder Auslaufbedingungen zu verhindern.
Evaluieren Sie Materialoptionen für alle kritischen Komponenten, insbesondere beim Umgang mit Brack- oder Meerwasser. Die Materialoptionen reichen von beschichtetem Kohlenstoffstahl bis hin zu Superduplex. Beim Umgang mit Meerwasser oder anderen chloridreichen Lösungen sollte eine Edelstahllegierung mit einer Lochfraßwiderstandsäquivalentzahl (PREN) von mehr als 40 in Betracht gezogen werden. (Der PREN ist ein Maß für die relative Lochfraßkorrosionsbeständigkeit von Edelstahl in einer chloridhaltigen Umgebung.) Die Elemente, die einen signifikanten Einfluss haben, sind Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Stickstoff (N). Die PREN-Formel, die ihren jeweiligen Beitrag quantifiziert, ist in Gleichung 1 dargestellt: PREN = 1 × %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N
Höhere PREN-Werte weisen auf eine höhere Korrosionsbeständigkeit hin.
Bei der Bewertung von Materialien sollten die Anschaffungskosten zwar wichtig, aber nicht der einzige Faktor sein. Die gesamten Lebenszykluskosten der Ausrüstung sollten berücksichtigt werden.
Die Leistung und Zuverlässigkeit dieser CCW-Pumpen mit hohem Durchfluss werden stark von der Konstruktion der Einlassstrukturen beeinflusst, in denen sie installiert sind. Stabile Pumpenbedingungen erfordern eine gleichmäßige Verteilung des Flusses, der sich dem Saugeinlass der Pumpe nähert. Der Hydraulic Institute Standard ANSI/HI 9.8-2019 „Rotodynamic Pumps for Pump Intake Design“ enthält Richtlinien für Pumpeneinlassdesigns. Eine der bewährtesten Methoden zur Vorhersage der Leistung einer Installation besteht darin, sie mit einem Modelltest im physischen Maßstab zu duplizieren.
Pumpen & Systeme (pumpsandsystems.com)