Аналитические и инженерные усовершенствования решают проблему отказа насоса кольцевой секции
На крупной электростанции в США возникли проблемы с высокой вибрацией и рециркуляцией нескольких насосов подачи котла с кольцевой секцией (ВВ4), что привело к многочисленным катастрофическим отказам и незапланированным отключениям. В этом тематическом исследовании подробно описан один из насосов, который был отправлен в сервисный центр послепродажного обслуживания насосов для полного анализа, устранения неполадок, составления плана ремонта, восстановления и проверки производительности.
Электростанции с комбинированным циклом — это «новички в электроэнергетике». Электростанции с комбинированным циклом, разработанные для сочетания газовых и паровых турбин, могут производить на 50% больше электроэнергии при том же расходе топлива, что и электростанции простого цикла. Современные электростанции с комбинированным циклом также могут быстро реагировать на потребности электросети, поскольку они могут начать производство энергии менее чем за 10 минут и выйти на полную мощность менее чем за 60 минут. Это обеспечивает эффективное дополнение к прерывистой возобновляемой технологии. 
Поскольку спрос на электроэнергию изменился, и электростанции с комбинированным циклом начали заменять традиционные электростанции, работающие на ископаемом топливе, и тепловые электростанции, тип используемых насосов также изменился. На ископаемых электростанциях часто используются надежные и долговечные бочковые насосы. Эти насосы работают в течение длительного времени без перерыва, и заводы обычно оснащены двумя 100-процентными или тремя 50-процентными установленными насосами на единицу. 
Фон 
Столкнувшись с многочисленными проблемами производительности и надежности питательного насоса котла на своей электростанции, владелец станции решил провести всесторонний анализ основных причин и план ремонта в сервисном центре насосов послепродажного обслуживания в Лос-Анджелесе, Калифорния. Расследование в конечном итоге выявило ряд основных проблем, связанных с проблемами производительности и неожиданными отказами насосов.
Выводы, инженерные решения и рекомендации
Во время первоначального осмотра и анализа первого узла было отмечено, что уравновешивающая втулка имеет конусообразную посадку по отношению к валу. Этот тип конструкции является необычным, поскольку требует высокого давления и специального инструмента для установки или снятия уравновешивающей втулки с вала. Это также является серьезной проблемой безопасности.
Кроме того, рядом с пределом текучести на вал была установлена балансировочная втулка с конической посадкой. Высокое давление и коническая посадка привели к нежелательной посадке на вал, что привело к возникновению областей концентрации высоких напряжений. Внешний диаметр не соответствовал валу, что приводило к неравному периферийному давлению или силе вокруг уравновешивающей втулки. В свою очередь, это создало сценарий, при котором вал мог изгибаться. Обратная сила, или изгибающий момент, накапливается 3550 раз в минуту, вызывая значительные изгибающие моменты в основании уравновешивающей втулки, что в конечном итоге утомляет вал насоса. 
Было предложено изменить конструкцию уравновешивающей втулки, сделав ее прямой посадкой и удлинив ее, чтобы уменьшить осевой зазор между рабочим колесом последней ступени и уравновешивающей втулкой. Это предотвращает «выход» компенсационного кольца, что приводит к дестабилизации ротора.
Явление, когда крыльчатки прыгают вперед, а затем возвращаются в исходное положение, все еще существует, но из-за уменьшенного зазора крыльчатка не может ограничивать поток к уравновешивающему устройству.
Сервисный центр обнаружил, что первоначальная конструкция насоса требовала сборки лицом к лицу с использованием стопорных штифтов. Поскольку диффузор последней ступени в насосе не имел штифта в оригинальной конструкции, крышка должна была «сжимать» диффузор, чтобы предотвратить вращение. Зазор, создаваемый этой конструкцией, приводил к преждевременному выходу из строя уплотнительного кольца, а также ограничивал способность выдерживать давление. Чтобы повысить как надежность насоса, так и способность выдерживать давление соединения последней ступени, поверхности диффузора были прецизионно отшлифованы. За счет ужесточения допусков на укладку также улучшается способность выдерживать давление соединения последней ступени.
Еще одним важным открытием было то, что рабочие колеса со скользящей посадкой удерживали друг друга на валу в нужном месте с помощью поверхностей ступиц. Однако поверхности не были перпендикулярны, что заставляло ротор изгибаться, вызывая сильные вибрации. 
Когда ротор был помещен на ролики для проверки биения, МДП (общее биение индикатора) оказалось в пределах допуска. Однако вал изгибался из-за того, что поверхности не были точно перпендикулярны отверстию, когда насос работал и к рабочим колесам прикладывались гидравлические силы. Проблема была сложной для обнаружения без имитации гидравлической силы.
В сервисном центре пересчитали и обработали поверхности крышки, чтобы создать искусственный прогиб крышки, который идеально соответствует естественному провисанию ротора. 
Пересчитанные смещения для крышек позволили использовать более узкие зазоры между уравновешивающей втулкой и уравновешивающей втулкой, что уменьшило поток через уравновешивающую линию. Давление в уравновешивающей линии в среднем было снижено примерно на 30 фунтов на квадратный дюйм манометра (фунт/кв. дюйм изб.), что также увеличило среднее время безотказной работы.
Проблемы
Первоначально электростанция не решалась изменить первоначальную конструкцию насоса и выполнить инженерную модернизацию, что создало проблему для сервисного центра, чтобы полностью решить проблему и потенциальную поломку вала. Во время переговоров по модернизации неожиданно вышел из строя еще один из питающих агрегатов котла станции со сломанным валом. Как и предполагал сервисный центр, эта дополнительная неисправность послужила подтверждением имеющейся проблемы и подчеркнула настоятельную необходимость изменения конструкции. 
Тестирование производительности для проверки
Электростанции используют уравновешивающее давление в трубопроводе в качестве основного ориентира при установлении исходного уровня общего состояния насоса ВВ4. Давление в уравновешивающей линии будет увеличиваться вместе с увеличением внутренних зазоров критических посадок, допусков и других смягчающих факторов, которые легко могут быть упущены во время сборки. Таким образом, проверка производительности, точно воспроизводящая фактические условия эксплуатации насоса, является важным этапом в процессе ремонта.
После ремонта насос был отправлен в испытательную лабораторию насосов, сертифицированную Гидравлическим институтом в Чикаго. Здесь насосы прошли стандартные протоколы испытаний для измерения вибрации, давления и расхода. Для надежности наиболее важной точкой сбора данных является давление в уравновешивающей линии, что является уникальной характеристикой при тестировании сегментно-кольцевых насосов. При инженерной поддержке испытательной лаборатории сервисный центр смог разработать и настроить процедуру испытаний, которая точно имитировала полевые условия установленного насоса.
Снова в эксплуатации
После завершения ремонта и испытаний и установки насосов в сервисный центр поступило несколько идентичных секционных сегментных насосов с нескольких электростанций, обнаруживших одинаковые проблемы. Используя опыт предыдущих ремонтов, сервисный центр смог выполнить ряд аналогичных ремонтов для этих дополнительных питательных насосов котла в сжатые сроки.
Сегодня все сегментные насосы с кольцевой секцией снова введены в эксплуатацию и работают правильно, без проблем с надежностью. 
Сервисный центр использовал тщательный процесс проверки, обширные процедуры контроля процесса и строгие критерии приемки для выполнения этого ремонта.