Retrofit della pompa del motore in scatola per le pompe di depurazione dell'acqua del reattore
Nei reattori ad acqua bollente (BWR), esistono sistemi di purificazione dell'acqua del reattore (RWCU) progettati per mantenere la qualità dell'acqua di un reattore mediante filtrazione e scambio ionico. La qualità dell'acqua è importante per ridurre al minimo la corrosione e prevenire l'incrostazione degli scambiatori di calore all'interno del reattore. Questo sistema utilizza pompe per far circolare una parte del fluido di lavoro del reattore, in genere circa l'1% della portata dell'acqua di alimentazione, attraverso il sistema di filtrazione.1
IMMAGINE 1: Tipico design e caratteristiche di una pompa a motore in scatola (Immagini per gentile concessione di Hayward Tyler)
Tipicamente, i BWR sono stati progettati e costruiti con pompe di aspirazione accoppiate che fanno uso di una tenuta meccanica tra l'albero della pompa e il corpo della pompa. A seconda del design del reattore, queste pompe funzionano prima o dopo gli scambiatori di calore, con temperature del fluido pompato che vanno da ambiente a 575 F. Sviluppano tipicamente da 500 a 575 piedi di prevalenza a 160 a 500 galloni al minuto (gpm) e sono progettato per 1.400 a 1.420 libbre per pollice quadrato (psi).
Problema
L'alta pressione e talvolta l'alta temperatura di questa applicazione rende difficile per le tenute meccaniche tradizionali avere una vita operativa adeguata. Questo caso di studio si concentra su una centrale nucleare che presentava guasti alle tenute meccaniche all'incirca ogni tre mesi nei suoi BWR. Oltre ai guasti alle guarnizioni, queste pompe presentavano occasionalmente anche guasti ai cuscinetti reggispinta. L'impianto utilizza due pompe RWCU per reattore.
IMMAGINE 2: Gruppo completo di retrofit della pompa motore in scatola con monitoraggio delle condizioni personalizzato
Le pompe sono progettate per 1.410 psi a 150 F e sviluppano 500 piedi di prevalenza a 180 gpm ciascuna. L'acqua pompata attraverso questo sistema è radioattiva, il che significa che i guasti ai cuscinetti di tenuta e reggispinta richiedono una manutenzione che espone i lavoratori a dosi elevate di radiazioni. Oltre all'esposizione alle radiazioni e agli alti costi associati ai guasti, una delle due pompe non funziona comporta un degrado della qualità dell'acqua che può raggiungere livelli che richiedono l'arresto del reattore in pochi giorni.
Soluzione
L'impianto ha appreso che era stata implementata con successo il retrofit di pompe senza tenuta per questo in altri siti che funzionavano senza guasti o manutenzione da più di sei anni. Dopo aver esaminato i costi di capitale rispetto alle implicazioni delle perdite, sia dal punto di vista finanziario, ma soprattutto sulla base di una maggiore sicurezza, l'impianto ha deciso di implementare un retrofit del motore incapsulato delle pompe di aspirazione accoppiate esistenti.
Utilizzando un retrofit orizzontale del motore in scatola, sono stati in grado di mantenere i corpi pompa esistenti ed evitare la necessità di qualsiasi modifica delle tubazioni nella stanza. Parte della fornitura per questo progetto consisteva in giranti retroingegnerizzate per abbinare le prestazioni idrauliche originali insieme a scambiatori di calore progettati su misura per il retrofit del motore in scatola.
Progetto
IMMAGINE 3: Analisi modale per determinare i carichi sismici
La motopompa incapsulata utilizza un albero motore/pompa comune che è completamente bagnato e all'interno di un limite di pressione valutato per la temperatura e la pressione di progetto secondo la sezione III del codice per caldaie e recipienti a pressione dell'American Society of Mechanical Engineers (ASME).
Il retrofit è costituito da cinque gruppi principali: il gruppo collo termico, il gruppo cassa motore/statore, il gruppo coperchio motore, il gruppo rotante e lo scambiatore di calore. Il gruppo del collo termico separa il fluido caldo pompato dalla cavità raffreddata del motore, dove i cuscinetti e gli avvolgimenti del motore vedono prestazioni e durata maggiori con temperature più basse.
Il gruppo cassa motore/statore ospita gli avvolgimenti del motore incapsulati in una resina (resina omessa per chiarezza nell'immagine 1) dietro una sottile scatola dello statore resistente alla corrosione che funge da barriera alla cavità del motore riempita di fluido. Ospita anche i cuscinetti radiali e la sede per il reggispinta principale.
Il gruppo del coperchio del motore offre spazio per il cuscinetto reggispinta e alloggia il cuscinetto reggispinta inverso, oltre a fornire un punto di collegamento per le tubazioni dello scambiatore di calore.
Il gruppo rotante è costituito da un albero con i suoi componenti elettrici (lamierini, barre del rotore, anelli di cortocircuito) protetti dalla cavità piena di fluido da un contenitore del rotore, oltre a superfici del perno placcate, un disco di spinta e una girante a ingegneria inversa. Lo scambiatore di calore è uno scambiatore di calore a fascio tubiero che trasferisce il calore dal fluido del motore a un flusso di acqua di raffreddamento fornito dall'esterno.
Caratteristiche
Nessuna tenuta meccanica
Questa è la caratteristica principale di questo design. L'assenza di tenuta meccanica praticamente elimina la possibilità di perdite o guasti che potrebbero causare perdite, aumentando la sicurezza della pompa. Il motore inscatolato offre un doppio contenimento, primario essendo la scatola dello statore e secondario la cassa del motore.
Senza possibilità di perdite non c'è tempo ALARA (il più basso ragionevolmente ottenibile) trascorso nella stanza per ripulire l'acqua di circolazione del reattore a causa di problemi alla pompa. Inoltre elimina la necessità di sostituire le parti soggette a usura della tenuta.
Cuscinetti idrodinamici
I cuscinetti idrodinamici sono lubrificati dal prodotto e non richiedono alcun sistema fluido esterno, riducendo la necessità di sistemi ausiliari. Il cuscinetto reggispinta principale è progettato per la spinta assiale generata dalla girante durante il funzionamento tipico. Il disco di spinta rotante crea cunei di pellicola fluida contro i cuscinetti inclinabili fissi. I cuscinetti inclinabili e il loro alloggiamento sferico consentono la correzione del disallineamento e un funzionamento dinamico stabile del rotore.
Il cuscinetto reggispinta inverso è progettato per condizioni di funzionamento fuori servizio, anormali e di avvio/arresto. Il disco di spinta rotante crea cunei di pellicola fluida contro il cuscinetto a gradino nel coperchio del motore.
I cuscinetti radiali sono progettati per il peso del rotore, i carichi radiali della girante e l'attrazione magnetica sbilanciata del motore elettrico durante il funzionamento. Le superfici dei perni rotanti sul rotore creano una pellicola fluida contro due cuscinetti a manicotto.
I cuscinetti idrodinamici si usurano solo durante l'avvio e lo spegnimento, quando si sta sviluppando il film fluido. Ciò consente intervalli di manutenzione più lunghi rispetto ai cuscinetti a contatto.
Girante ausiliaria nel disco di spinta
I fori radiali praticati nel disco di spinta fungono da girante ausiliaria per far circolare il fluido motore attraverso lo scambiatore di calore per massimizzare il trasferimento di calore all'acqua di raffreddamento attraverso lo scambiatore di calore.
Purificazione continua
Uno spurgo continuo con acqua non irradiata consente il lavaggio continuo della cavità del motore, scorrendo infine attraverso l'anello tra il rotore e il collo termico nel fluido di processo. Ciò consente una riduzione dei livelli di radiazione all'interno del motore, portando a una dose inferiore assunta dai lavoratori durante la manutenzione.
Costruzione in acciaio inossidabile
Tutte le superfici bagnate sono in acciaio inossidabile, prevenendo la corrosione all'interno del retrofit
e contaminazione all'interno del reattore e del sistema RWCU.
Design personalizzato
Questo retrofit è stato fornito con un pacchetto di sensori progettato su misura che includeva RTD dell'avvolgimento dello statore, termocoppie della cavità del cuscinetto, trasduttori di corrente, accelerometri per la misurazione delle vibrazioni e un pannello con software di monitoraggio della salute e memorizzazione dei dati.
Il limite di pressione è stato progettato su misura in base al codice ASME per caldaie e recipienti a pressione, sezione III, in base all'anno di progettazione dell'impianto, alla pressione/temperatura di progetto richiesta e ai criteri di carico sismico dell'impianto richiesti. Un'analisi modale per il retrofit è mostrata nell'immagine 3.
Poiché i carichi idraulici originali non erano noti, questi dovevano essere modellati utilizzando la fluidodinamica computazionale. I cuscinetti personalizzati sono stati progettati per l'uscita del carico radiale e assiale dalla fluidodinamica computazionale associata al progetto idraulico esistente. Il design garantisce che, alle temperature e al carico di esercizio, i cuscinetti operino nella regione idrodinamica e vi sia stabilità rotodinamica.
Il retrofit del motore in scatola è stato progettato su misura per adattarsi e utilizzare l'alloggiamento della pompa esistente. La girante esistente è stata decodificata utilizzando una combinazione di tecniche tra cui la scansione 3D e la misurazione manuale per garantire che i percorsi delle pale fossero corretti.
IMMAGINE 4: Design della girante con ingegneria inversa
La tradizionale scansione 3D delle giranti può essere difficile, data la geometria ampia delle pale e le superfici interne cieche. Ciò può richiedere al modellatore CAD di interpolare la geometria che non può essere scansionata al centro del passaggio idraulico, causando differenze tra il modello e la geometria effettiva della girante.
Data l'importanza dell'intero passaggio idraulico per generare il lavoro richiesto, è stata utilizzata una nuova tecnica proprietaria per scansionare l'intero passaggio e creare il modello. Questa nuova tecnica non è distruttiva e fornisce dati per tutte le superfici.
La girante decodificata è stata verificata utilizzando la modellazione al computer e poi durante i test delle prestazioni in fabbrica. In questa applicazione, la girante retroingegnerizzata è stata progettata per fornire prestazioni identiche a quelle dell'originale, ma può essere progettata su misura per un punto di lavoro diverso o per prestazioni completamente nuove.
Un modello 3D della girante decodificata per questa applicazione è mostrato nell'immagine 4.
https://www.pumpsandsystems.com/