Grundlagen von Kesselspeisepumpen

Bei Kesselspeisepumpen (BFPs) wird einem Dampferzeuger (z. B. einem Kessel) eine Speisewassermenge zugeführt, die der erzeugten Dampfmenge entspricht. Betriebsparameter (Durchfluss, Förderhöhe, Temperatur) des Kesselspeisewassers werden von einem Kesselkonstrukteur berechnet.

Heutzutage sind fast alle BFPs Kreiselpumpen. Die Konstruktion von BFPs hinsichtlich Wellenleistung, Material, Pumpentypen und Antrieb orientiert sich an den Entwicklungen der Energietechnik. Der Trend bei fossil befeuerten Kraftwerken geht kontinuierlich hin zu größeren Kraftwerksblöcken.

Bis 1950 lag der durchschnittliche Austrittsdruck von BFPs im Bereich von 200 bar. Bis 1955 stieg er auf 400 bar. Die Massenströme lagen 1950 bei etwa 350 Tonnen pro Stunde (t/h) und sind in konventionellen Kraftwerken auf 2.500 t/h (4.000 t/h) gestiegen. BFPs arbeiten bei Temperaturen von 160 °C bis 180 °C, in Ausnahmefällen auch höher.

Bis in die 1950er Jahre wurden BFPs aus unlegiertem Stahl hergestellt. Seitdem sind 13 bis 14 % auf Chromstahl (A743 Gr. CA6NM) umgestiegen. Dieser Materialwechsel wurde durch die Einführung neuer Speisewasseraufbereitungsverfahren notwendig. Die Entwicklung hochfester, korrosionsbeständiger Chromstähle mit Notlaufeigenschaften ebnete den Weg für die heutigen BFP mit Drehzahlen von 5.000 bis 6.000 Umdrehungen pro Minute (U/min). Die Durchflussrate der BFPs stieg mit der Steigerung der Leistungsblockleistungen. Heutige Volllast-BFPs für herkömmliche 750-Megawatt-Antriebsstränge (MW) sind mit vier bis fünf Stufen und einem Stufendruck von bis zu 80 bar aufgebaut.

Für den Antrieb der Förderpumpen werden Elektromotoren (Asynchronmotoren) eingesetzt. Die Geschwindigkeitsanpassung eines elektrisch angetriebenen BFP kann auf verschiedene Weise erreicht werden, einschließlich der Verwendung einer Flüssigkeitskupplung, eines Frequenzumrichters (VFD) in Motor und Getriebe. Steht in einer Anlage ausreichend Dampf zur Verfügung, kann als Antriebseinheit auch eine Dampfturbine eingesetzt werden. In einigen Fällen werden Kondensationsturbinen mit einer Drehzahl von 5.000 bis 6.000 U/min eingesetzt. Allerdings erhöht der Einsatz einer Kondensatdampfturbine den Bedarf an Ausrüstung im Zug. Für eine effektive Nutzung des Gerätes ist der Einsatz eines Wärmetauschers, einer Kondensatabsaugpumpe o.ä. unbedingt erforderlich.

Wenn ein BFP für hohen Druck und hohe Drehzahlen benötigt wird, ist eine Druckerhöhungspumpe erforderlich. In einem solchen Fall ist es schwierig, eine ausreichende Netto-Positiv-Saughöhe (NPSHa) zu erreichen, und die Druckerhöhungspumpe erfüllt die Anforderung. Um die erforderliche positive Nettosaughöhe (NPSHr) zu reduzieren, ist es möglich, die Pumpen, die die erste Stufe (Saugleistung) erzeugen, als Doppelsaugpumpe auszuwählen. NPSH ist nur in der Saugphase am signifikantesten.

Es gibt zwei Arten von Konstruktionen, die hauptsächlich für BFP-Anwendungen verwendet werden. Bei der einen handelt es sich um eine mehrstufige Fasspumpe, die gemäß American Petroleum Institute (API) 610 als Pumpe vom Typ „zwischen Lagern (BB) 5“ definiert ist. Bei der anderen handelt es sich um eine mehrstufige Pumpe mit Ringabschnitt, die als Pumpe vom Typ BB4 definiert ist. Allerdings erfüllt eine Ringsegmentpumpe nicht die Kriterien der API 610 und stellt somit eine Ausnahme dar. In manchen Fällen können auch axial geteilte mehrstufige Pumpen eingesetzt werden. Sie ist gemäß API 610 als Pumpe vom Typ BB3 definiert.

Für Hochdruckkonstruktionen werden Fasspumpen verwendet, dies kann jedoch je nach Benutzer variieren. Aufgrund einiger Vorteile gegenüber Ringabschnittspumpen bevorzugen Anlagenbetreiber tendenziell die Verwendung von Fasspumpen, auch wenn dies anfangs eine hohe Investition darstellt. Wenn eine Fasspumpe zur Reparatur ausgebaut werden muss, muss der Rotor ausgetauscht werden, das Gehäuse (Fass) kann jedoch mit der Saug- und Druckleitung an Ort und Stelle bleiben. Dies ist wichtig im Hinblick auf die Verfügbarkeit der Notstromversorgung, wenn keine 100 % Standby-Pumpe installiert ist.

Die Pumpengehäuse von BFPs müssen unter zwei Gesichtspunkten betrachtet werden: Die Wandstärke muss auf der einen Seite tragbar sein, um den Druckbelastungsanforderungen gerecht zu werden, und auf der anderen Seite muss sie sich an die auftretenden vorübergehenden Temperaturschwankungen anpassen.

Fassgehäuse bestehen in der Regel aus duktilem Schmiedestahl, und alle mit dem Speisewasser in Berührung kommenden Oberflächen werden durch ein Plattierverfahren mit dem austenitischen Material beschichtet. Zum Einschweißen des Pumpengehäuses in die Rohrleitung wird ein zum Einschweißen in die Rohrleitung und das Pumpengehäuse geeignetes Zwischenstück an den Saug- und Druckstutzen der Pumpe angeschweißt. Der Deckel von Fasspumpen wird durch das Abflachen einer Spiraldichtung aus Wabenmetall (Abdichtung) abgedichtet.

Die Gehäuse von Ringsegmentpumpen bestehen je nach Anwendung und vom Benutzer definierten Anforderungen aus gegossenem oder geschmiedetem Kohlenstoffstahl – manchmal auch Gusseisen. Die Abdichtung der einzelnen Gehäuse (Stufen) gegeneinander erfolgt durch Metall-auf-Metall-Kontakt – die einzelnen Gehäuse werden durch Verbindungsschrauben zwischen den Saug- und Druckpumpengehäusen axial zusammengeklemmt. Der Metall-zu-Metall-Kontakt ist einer der Nachteile der Ringabschnittspumpe, da er den Einsatz der Pumpen in Hochtemperaturanwendungen einschränkt. Temperaturschocks werden durch zusätzliche Belastungen der Zugbolzen und Dichtflächen der Stufengehäuse abgefangen.

Die Gehäuse axial geteilter Pumpen sind in zwei Teile geteilt, einen unteren und einen oberen. Die Demontage des Gehäuses erfolgt senkrecht zum Schacht. Diese Pumpen haben einen Vorteil beim Schubausgleich, da die Anzahl der Stufen in entgegengesetzter Richtung montiert werden kann. Es gleicht den Schub mit minimalem Kraftaufwand aus.

Normalerweise wird der Einsatz von Pumpen des Typs BB3 bis zu einer Flüssigkeitstemperatur von 200 °C oder weniger empfohlen. API 610 enthält klare Richtlinien. Wenn die Pumptemperatur 200 °C oder mehr beträgt, sind Radialpumpen mit geteiltem Gehäuse zu verwenden. Ein wichtiger Hinweis: Aufgrund der axial geteilten Anordnung gelten Gehäuseschrauben bei dieser Pumpe nicht als benetzte Teile.

Eine Wassereinspritzung mit einem Druck, der zwischen dem Saug- und Förderdruck der Pumpe liegt, ist eine häufige Wartungsanforderung. Dies wird durch die Entnahme von Wasser aus einer der Pumpenstufen erreicht – sowohl bei Fasspumpen als auch bei Ringgliederpumpen. Diese Druckzonen werden durch flexible Spiraldichtungen gegeneinander abgedichtet und die Flexibilität und das Thermoschockverhalten sind passend aufeinander abgestimmt.

BFPs sind mit Pumpenwellen ausgestattet, die einen entsprechenden Lagerabstand aufweisen und mit einem großen Wellendurchmesser kombiniert sind. Die Laufräder sind in der Regel auf die Welle aufgeschrumpft, weshalb der statische Wellendurchhang gering ist. Die Welle ist vibrationsunempfindlich und im normalen Laufzustand leichtgängig, ohne unerwünschten radialen Kontakt zum Gehäuse. Der Nabendurchmesser ist an der Rückseite des Laufrads vergrößert und die Laufradeintrittsgeometrie ist darauf ausgelegt, den Durchmesser so klein wie möglich zu halten, um die Axialkräfte zu reduzieren, die von der Ausgleichsvorrichtung aufgenommen werden müssen.

Bei einer mehrstufigen Pumpe (Fasstyp oder Ringabschnittstyp) sind die Laufräder auf einer langen Welle (je nach Stufe) und zwischen den Lagern angeordnet. Diese Anordnung ist die Ursache für die Schuberzeugung. Wenn die Pumpe startet, bewegt sich der Fluss vom Ansaugen zum Ausstoß (Niederdruckzone zur Hochdruckzone), und nachdem er am Auslass angekommen ist, kann der Druck nicht zu 100 % abgelassen werden und es entsteht kein Schub in Richtung Ansaugung. Während des Betriebs der Pumpe hängt die Größe dieses Axialschubs jedoch von der Position des Betriebspunkts auf der Drosselkurve und dem Ausmaß des Verschleißes an den Innenspielen ab.

Wenn Pumpen unter anormalen Bedingungen betrieben werden, können zusätzliche Störkräfte auftreten. Wenn die Pumpe beispielsweise zu kavitieren beginnt, bedeutet das, dass der NPSH-Wert nicht ausreicht, um die Pumpe reibungslos zu betreiben. Bei den größeren BFPs erfolgt der Ausgleich des Axialschubs auf den Pumpenrotor über eine Ausgleichsvorrichtung, durch die die gepumpte Flüssigkeit fließt, kombiniert mit einem ölgeschmierten Axiallager. Die hydraulische Ausgleichseinrichtung kann aus einer Ausgleichsscheibe mit Ausgleichsscheibensitz oder einem Ausgleichskolben bzw. Doppelkolben mit zugehörigen Drosselbuchsen bestehen. Kolben und Doppelkolben können auch mit einer Ausgleichsscheibe kombiniert werden. Es ist wichtig zu beachten, dass API 610 die Verwendung einer Auswuchtscheibe nicht zulässt, daher sollte eine Trommel verwendet werden. API 610 bezieht sich jedoch ausschließlich auf Petrochemie-, Öl- und Gasanwendungen. In mehreren Fällen haben Kraftwerke die Verwendung einer Ausgleichsscheibe für die BFPs in typischen Kraftwerken verboten.

Radialkräfte entstehen durch das Gewicht des Rotors, mechanische Unwucht und Radialschub. Der Ausgleich der Radialkräfte erfolgt durch zwei ölgeschmierte Radiallager und durch axial durchströmte Drosselspalte. Diese vom Fluid axial durchströmten Drosselspalte befinden sich am Laufradhals, bzw. bei mehrstufigen BFPs bei konventionellen Kraftwerken in den Drosselbuchsen der Diffusorplatten und am Ausgleichskolben. Wenn der Rotor leicht exzentrisch ist, wird in diesen Spalten eine zentrierende Rückstellkraft erzeugt, die von der Druckdifferenz und der Spaltgeometrie abhängt. Diese wiederherstellende Wirkung wird üblicherweise als Lomakin-Effekt bezeichnet. Sie verringert sich, wenn das Oberwasser in der Spaltströmung nicht in einer rein flüssigen Phase vorliegt. Die hydrostatische Wirkung der Drosselspalte kann hinsichtlich der mechanischen Steifigkeit die Wellensteifigkeit übersteigen. Das System ist so abgestimmt, dass die kritische Drehzahl stets von der Betriebsdrehzahl entfernt bleibt. Zusätzlich können hydraulische Erregerkräfte, insbesondere im Teillastbetrieb, aufgenommen werden.

Zur Abdichtung können bei BFPs weichgepackte Stopfbuchsen, Gleitringdichtungen, schwimmende Dichtungen und Labyrinthdichtungen eingesetzt werden. Die Einsatzgrenze weichgepackter Stopfbuchsen richtet sich nach den vorhandenen Möglichkeiten der Reibungswärmeabfuhr. Bei hochbelastbaren, weichgepackten Stopfbuchsen erfolgt in der Regel eine Vorkühlung des Leckwassers und eine Umkühlung des Stopfgehäuses, der Wellenschutzhülse und der Stopfbuchse. Das Packungsmaterial besteht meist aus geflochtenem Teflongarn. Diese Wellendichtung wird erfolgreich bei Volllast-Förderpumpen mit einer Antriebsleistung von bis zu 150 MW eingesetzt.

Die kleine Leckage von Gleitringdichtungen wird am Austritt dampfförmig in die Atmosphäre abgegeben. Die entstehende Reibungswärme ist geringer als bei weichgepackten Stopfbuchsen. Im Allgemeinen wird ein Kühlsystem mit geschlossenem Kreislauf verwendet, das bei laufender Pumpe von einer Zirkulationsvorrichtung am rotierenden Dichtungsring und bei gestoppter Pumpe durch die Thermosiphonwirkung angetrieben wird.

Bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten und hohen Dichtungsdrücken kann eine schwimmende Dichtung eingesetzt werden. Die schwimmende Dichtung besteht aus einer Reihe kurzer Drosselringe, die radial verschoben werden können. Um sicherzustellen, dass kein heißes Wasser aus der Pumpe austreten kann, wird ein Strahl kaltes Sperrwasser in die Dichtung eingespritzt. Diese Sperrwasserzufuhr muss aufrechterhalten werden, während die Pumpe unter Druck läuft. Die Steuerung der Einspritzung des Sperrkondensats in eine schwimmende Dichtung kann durch Differenzdruck, Regelung oder durch Differenztemperaturregelung des Sperrkondensats erfolgen.

Bei Hochtemperaturanwendungen über 80 °C verwenden Sie zusammen mit dem Kühler eine einfach wirkende Gleitringdichtung, die gemäß API 682 als Plan-23 klassifiziert ist.

Wenn BFP häufig ein- und ausgeschaltet wird, ist es wünschenswert, einen Thermoschock und eine Verformung des Gehäuses nach dem Stoppen der Pumpe zu vermeiden, um einem vorzeitigen inneren Verschleiß am Dichtspalt vorzubeugen. Grundsätzlich sind die Baumaterialien so ausgewählt, dass die BFP aus jedem thermischen Zustand heraus in Betrieb genommen werden kann. Allerdings kann ein physischer Kontakt zwischen Rotor und Gehäuse an Stellen mit geringem Spiel unter bestimmten Umständen eines anormalen Betriebs nicht vermieden werden – z. B. wenn Kavitation auftritt oder während eines Halbwarmstarts, wenn das BFP verzogen ist. Betroffen sind die Drosselspalte am Laufradeintritt, die Drosselbuchse im Diffusor und die Ausgleichsvorrichtung. Durch die Abstimmung geeigneter Konstruktionswerkstoffe an diesen Stellen, bestehend aus korrosionsbeständigen Chromstählen mit speziellen Legierungszusätzen, sind auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten gute Notlaufbedingungen gewährleistet. Ein hoher Verschleiß bei engen Spaltspalten ist immer mit einem Wirkungsgradabfall verbunden.

Ein sogenanntes Mindestdurchflussventil (z. B. ein automatisches Leckageventil, Ventile und Armaturen) wird stromabwärts des Auslassrohrs angeordnet, wenn das BFP dafür sorgt, dass immer ein Mindestdurchfluss vorhanden ist und Schäden verhindert werden, die bei niedrigem Durchfluss entstehen könnten B. im Lastbetrieb, durch übermäßige Überhitzung und Verdunstung des Pumpeninhalts oder durch Kavitation im Teillastbetrieb.

Einige zusätzliche Punkte, die bei der Untersuchung der Kesselspeisewasserpumpe gelernt werden müssen, sind in Gleichung 1 aufgeführt:

Wesentliche Grundlagen, die bei BFPs hervorzuheben sind, sind das ordnungsgemäße Aufwärmen der Pumpe, das Aufwärmen im Standby-Modus und die Kontrolle der Abflusstemperatur der Wellendichtung (feste Buchse). Diese Eigenschaften sind immer wichtiger geworden, da zentrale Stationsanlagen getaktet werden und große Förderpumpen mit unterschiedlichen Lasten und im Standby-Modus betrieben werden. Das Vorwärmen der Pumpe und das Aufrechterhalten des Aufwärmstroms zu einer im Leerlauf befindlichen Pumpe, um eine thermische Gleichmäßigkeit der Abmessungen sicherzustellen, ist für die Aufrechterhaltung des Innenspiels, der Pumpeneffizienz und einer langen Lebensdauer von entscheidender Bedeutung. Dieser Prozess ist für mehrstufige Pumpen von entscheidender Bedeutung, um thermische Verformungen zu minimieren. Die Verformung führt zu den folgenden möglichen Fehlerarten: Gratbildung, inneres Reiben, vergrößertes Verschleißringspiel, Pumpenfresser, verschlissenes Dichtungsbuchsenspiel und übermäßige Leckage, Verlust der Pumpenleistung und -effizienz, starke Pumpenvibration und verschlissene Lager/Lagerspiele.

Installationsmerkmale und -praktiken, die die Lebensdauer, Effizienz und Zuverlässigkeit verlängern, sind:

KSB-Lexikon

Pumpenhandbuch von Igor J. Karassik

API 610, API 682

Ashutosh Mishra ist ein Experte für Projekt- und Anwendungstechnik mit Erfahrungen in Ingenieurs- (EPCs) und Fertigungsunternehmen. Er erwarb einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau und einen zertifizierten Diplom-Ingenieur vom Institutes of Engineers in Indien. Er kann unter [email protected] erreicht werden.