Analyse- und technische Upgrades beheben den Ausfall einer Ringabschnittspumpe

In einem großen Kraftwerk in den Vereinigten Staaten kam es zu starken Vibrations- und Rezirkulationsproblemen bei mehreren Kesselspeisepumpen im Ringabschnitt (BB4), was zu mehreren katastrophalen Ausfällen und ungeplanten Ausfällen führte. In dieser Fallstudie wird detailliert eine der Pumpen beschrieben, die zur vollständigen Analyse, Fehlerbehebung, Reparaturplanung, Überholung und Leistungsprüfung an ein Aftermarket-Pumpenservicezentrum geschickt wurde.

GuD-Kraftwerke sind die „Neulinge“ der Energieerzeugungsbranche. Kombikraftwerke sind für die Kombination von Gas- und Dampfturbinen konzipiert und können bei gleichem Brennstoffverbrauch bis zu 50 Prozent mehr Strom erzeugen als Kraftwerke mit einfachem Kreislauf. Moderne GuD-Kraftwerke können außerdem schnell auf die Anforderungen des Stromnetzes reagieren und in weniger als 10 Minuten mit der Energieerzeugung beginnen und in weniger als 60 Minuten mit voller Kapazität laufen. Dies stellt eine effiziente Ergänzung zur intermittierenden erneuerbaren Technologie dar.

Da sich die Stromnachfrage verändert hat und Kombikraftwerke begonnen haben, herkömmliche fossile und thermische Kraftwerke zu ersetzen, hat sich auch die Art der verwendeten Pumpen geändert. In fossilen Kraftwerken kommen häufig robuste und langlebige Fasspumpen zum Einsatz. Diese Pumpen arbeiten über lange, ununterbrochene Zeiträume, und Anlagen sind im Allgemeinen mit zwei 100-Prozent- oder drei 50-Prozent-Pumpen pro Einheit ausgestattet.

In Kombikraftwerken ging die Nachfrage nach robusten, aber teuren Fasspumpen zurück, da die Industrie auf kostengünstigere Segmentringpumpen umstieg. Aufgrund der jüngsten Veränderungen in der Energiebranche sind Betreiber bei neu installierten Einheiten häufig mit einer kürzeren mittleren Reparaturzeit (MTBR), internem Verschleiß und starken Vibrationsproblemen konfrontiert.

Hintergrund Nachdem in seinem Kraftwerk zahlreiche Leistungs- und Zuverlässigkeitsprobleme bei der Kesselspeisepumpe aufgetreten waren, entschied sich der Anlagenbesitzer für die Durchführung einer umfassenden Ursachenanalyse und eines Reparaturplans mit einem Aftermarket-Pumpen-Servicecenter in Los Angeles, Kalifornien. Die Untersuchung ergab letztendlich eine Reihe zugrunde liegender Probleme im Zusammenhang mit den Leistungsproblemen und unerwarteten Pumpenausfällen.

Erkenntnisse, technische Lösungen und Empfehlungen Bei der ersten Inspektion und Analyse der ersten Einheit wurde festgestellt, dass die Ausgleichshülse im Verhältnis zur Welle eine konische Passung aufwies. Diese Art der Konstruktion ist ungewöhnlich, da sie einen hohen Druck und ein Spezialwerkzeug erfordert, um die Ausgleichshülse von der Welle zu installieren oder zu entfernen. Dies ist auch ein großes Sicherheitsrisiko.

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, was zu Bereichen mit hoher Spannungskonzentration führte. Der Außendurchmesser verlief nicht genau zur Welle, was zu einem ungleichen Umfangsdruck oder einer ungleichen Kraft um die Ausgleichshülse führte. Im Gegenzug wurde ein Szenario geschaffen, in dem sich der Schaft verbiegen könnte. Die umgekehrte Kraft oder das Biegemoment entsteht 3.550 Mal pro Minute und verursacht erhebliche Biegemomente an der Wurzel der Ausgleichshülse, die schließlich zu einer Ermüdung der Pumpenwelle führen.

Es wurde vorgeschlagen, die Ausgleichshülse neu zu gestalten, indem man sie gerade passt und länger macht, um den axialen Spalt zwischen dem Laufrad der letzten Stufe und der Ausgleichshülse zu verringern (Bild 1). Dies verhindert ein „Ausrücken“ des Verschleißrings, was zu einer Destabilisierung des Rotors führt.

Das Phänomen, dass die Laufräder nach vorne springen und dann in ihre ursprüngliche Position zurückkehren, besteht immer noch, aber aufgrund des verringerten Spalts kann das Laufrad den Fluss zur Ausgleichsvorrichtung nicht einschränken.

Das Servicecenter stellte fest, dass das ursprüngliche Design der Pumpe eine Montage in Face-to-Face-Konfiguration mit Anti-Rotationsstiften erforderte. Da der Diffusor der letzten Stufe 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 Ausfall des O-Rings und schränkte zudem die Drucktragfähigkeit ein. Um sowohl die Zuverlässigkeit der Pumpe als auch die Drucktragfähigkeit der Endstufenverbindung zu verbessern, wurden die Stirnflächen des Diffusors präzisionsgeschliffen. Durch die Verschärfung der Stapeltoleranzen wird auch die Drucktragfähigkeit der Endstufenverbindung verbessert.

Eine weitere wichtige Erkenntnis war, dass sich die Schiebelaufräder mit Hilfe der Nabenflächen gegenseitig an der richtigen Stelle auf der Welle hielten. Allerdings waren die Flächen nicht senkrecht, was den Rotor zwang, sich zu verbiegen, was zu starken Vibrationsproblemen führte.

Als der Rotor zur Prüfung des Rundlauffehlers auf Rollen gelegt wurde, schien der TIR (Total Indicator Runout) innerhalb der Toleranz zu liegen. Allerdings würde sich die Welle verbiegen, da die Flächen nicht genau senkrecht zur Bohrung standen, sobald die Pumpe lief und hydraulische Kräfte auf die Laufräder wirkten. Es war schwierig, das Problem zu erkennen, ohne die hydraulische Kraft nachzuahmen.

Das Servicecenter hat ein spezielles Spannwerkzeug entworfen und entwickelt, um die Rechtwinkligkeit und Parallelität aller Laufräder zu überprüfen. Durch den Einsatz dieses Werkzeugs wurde verhindert, dass sich der Rotor unter dynamischen Bedingungen verbiegt (Bild 2).

Das Servicecenter hat die Abdeckungsflächen neu berechnet und bearbeitet, um einen künstlichen Abdeckungsdurchhang zu erzeugen, der perfekt dem natürlichen Rotordurchhang folgt.

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 (psig) reduziert, was auch die MTBR verlängerte.

Herausforderungen Anfangs zögerte das Kraftwerk, das ursprüngliche Design der Pumpe zu ändern und eine technische Modernisierung durchzuführen, was für das Servicecenter eine Herausforderung darstellte, das Problem und den möglichen Wellenbruch vollständig zu beheben. Während der Modernisierungsverhandlungen fiel unerwartet eine weitere Kesselspeiseeinheit des Kraftwerks mit gebrochener Welle aus. Wie vom Servicecenter erwartet, bestätigte dieser zusätzliche Fehler das vorliegende Problem und verdeutlichte die dringende Notwendigkeit einer Designänderung.

Aufgrund der Dringlichkeit der Situation und der bereitgestellten Daten entschied sich das Kraftwerk dafür, die zusätzliche Pumpe zur weiteren Analyse einzusenden und fuhr mit den vorgeschlagenen Designverbesserungen fort.

Leistungstests zur Validierung Kraftwerke nutzen den Ausgleichsleitungsdruck als Hauptbezugspunkt bei der Festlegung einer Basislinie für den Gesamtzustand einer BB4-Pumpe. Der Ausgleichsleitungsdruck erhöht sich zusammen mit größeren internen Spielen kritischer Passungen, Toleranzen und anderen mildernden Faktoren, die bei der Montage leicht übersehen werden können. Daher ist eine Leistungsprüfung, die die tatsächlichen Bedingungen einer in Betrieb befindlichen Pumpe genau nachbildet, ein entscheidender Schritt im Reparaturprozess.

Nach der Reparatur wurde die Pumpe an ein vom Hydraulic Institute zertifiziertes Pumpentestlabor in Chicago geschickt. Dabei wurden die Pumpen Standardtestprotokollen zur Messung von Vibration, Druck und Durchfluss unterzogen. Aus Gründen der Zuverlässigkeit ist der wichtigste erfasste Datenpunkt der Ausgleichsleitungsdruck, ein einzigartiges Merkmal beim Testen von Segmentringpumpen. Mit der technischen Unterstützung des Testlabors konnte das Servicecenter ein Testverfahren entwerfen und einrichten, das die Feldbedingungen der installierten Pumpe genau nachahmt.

Zurück im Dienst Nach Abschluss der Reparatur und Prüfung sowie der Installation der Pumpen erhielt das Servicecenter eine Reihe identischer Segmentringpumpen von mehreren Kraftwerken, bei denen die gleichen Probleme auftraten. Mithilfe der Erkenntnisse aus den vorherigen Umbauten war das Servicecenter in der Lage, eine Reihe ähnlicher Reparaturen für diese zusätzlichen Kesselspeisepumpen in einem beschleunigten Zeitrahmen durchzuführen.

Heute sind alle Segmentringpumpen wieder in Betrieb genommen worden und funktionieren ordnungsgemäß und ohne Zuverlässigkeitsprobleme.

Zur Durchführung dieser Reparaturen nutzte das Servicecenter einen gründlichen Inspektionsprozess, umfassende Prozesskontrollverfahren und strenge Abnahmekriterien.

Robby Byrom ist Vizepräsident für Vertrieb bei Evans Hydro. Evans Hydro befindet sich in der Nähe von Los Angeles, Kalifornien, und ist eine Pumpenreparaturwerkstatt, die sich der Betreuung von Pumpenbenutzern an der Westküste und anderen Gebieten Nordamerikas widmet. Weitere Informationen finden Sie unter www.evans-hydro.com.