la pompa giusta per le applicazioni di produzione di energia
Le centrali elettriche con turbina a gas a ciclo combinato (CCGT) presentano sfide difficili per le pompe e le apparecchiature associate, come valvole e tenute.
Temperature e pressioni di esercizio elevate sono caratteristiche di molte applicazioni che operano all'interno di impianti CCGT. Gli impianti CCGT devono inoltre gestire rapide variazioni di carico e devono avviarsi e arrestarsi frequentemente. Di conseguenza, le pompe devono essere progettate e selezionate per gestire condizioni operative transitorie gravose.
IMMAGINE 1: Pompa con sezione ad anello diffusore (Immagini per gentile concessione di Flowserve)
Un tipico impianto a ciclo combinato può avere da 50 a 100 pompe. Questi tipi di pompa includono tipicamente:
multistadio, tra cuscinetti, pompe a sezione anulare (BB4)
pompe verticali, da pozzetto, monostadio (VS1)
pompe verticali, incapsulate, multistadio (VS6)
pompe orizzontali, monostadio, a divisione assiale (BB1, BB2)
pompe end-suction per servizi generali (OH1)
pompe ad aspirazione assiale ad alta pressione e temperatura (OH2)
pompe di pozzetto (VS4, VS5)
pompe per vuoto ad anello liquido
IMMAGINE 2: pompa a barilotto a doppia cassa
Principali pompe dell'acqua di alimentazione
Lo scopo di una pompa di alimentazione principale è fornire acqua di alimentazione dal fusto a bassa pressione (LP) agli ingressi dell'economizzatore delle sezioni a pressione intermedia (IP) e ad alta pressione (HP) del generatore di vapore a recupero di calore (HRSG).
Le pompe multistadio, con diffusore in linea e sezione anulare sono più tipicamente specificate per questo servizio negli impianti a ciclo combinato.
Occasionalmente, i clienti specificheranno un design a doppio case per queste applicazioni.
L'acqua di alimentazione della caldaia è trattata chimicamente a un livello di purezza elevato, che la rende più corrosiva dell'acqua non trattata. Di conseguenza, i componenti di gestione dei fluidi (ad es. involucri degli stadi, diffusori e giranti) soggetti a elevate velocità del fluido devono essere forniti in cromo al 12% (CA6NMN) per evitare danni da erosione-corrosione.
IMMAGINE 3 (a sinistra): Pompa per condensa con girante di primo stadio a singola aspirazione.
IMMAGINE 4 (a destra): Pompa per la condensa di primo stadio a doppia aspirazioneIl risultato è un pezzo affidabile e duttile, con la massima durezza superficiale, che è la combinazione ideale delle caratteristiche del pezzo. DLD è un processo di saldatura che lega metallurgicamente una polvere metallica al materiale di base. Grazie a un apporto termico controllato e localizzato, questo processo può essere applicato a vari metalli di base senza distorsioni o necessità di trattamenti termici post-saldatura.
Le prestazioni di aspirazione, pur importanti per tutte le pompe, sono un problema per le pompe ad alta energia nel servizio di alimentazione delle caldaie.
La prevalenza netta di aspirazione positiva disponibile (NPSHa) è limitata dall'altezza fisica del vaso di aspirazione, ma è necessario mantenere determinati rapporti di margine NPSHa e NPSH richiesti (NPSHr) per ottenere prestazioni ottimali e una lunga durata. La girante del primo stadio è scelta con particolare cura e spesso presenta un occhio di aspirazione più grande o, in alcuni casi, un design a doppia aspirazione.
Le pompe offrono una connessione di decollo intermedia per fornire il flusso alla sezione IP dell'HRSG. Le pompe di alimentazione della caldaia sono soggette a improvvise oscillazioni del carico e al funzionamento in numerose condizioni operative. Di conseguenza, la disposizione tipica dei cuscinetti è costituita da cuscinetti radiali a manicotto e cuscinetti reggispinta a cuscinetto inclinabile per applicazioni che superano i 4.000 cavalli (hp).
Le pompe di alimentazione possono essere a trasmissione diretta o a velocità variabile con l'uso di giunti idraulici o azionamenti a frequenza variabile (VFD).
La configurazione più comune è 2 x 100 percento per HRSG.
Pompe per l'estrazione della condensa
Le pompe di estrazione della condensa vengono utilizzate per pompare la condensa dal pozzo caldo del condensatore all'ingresso dell'economizzatore LP dell'HRSG. Le configurazioni più comuni sono pompe 2 x 100 percento o 3 x 50 percento per condensatore (non per HRSG).
Il design della girante del primo stadio è fondamentale, poiché le pompe della condensa devono funzionare con NPSHa basso. Il condensatore funziona a un vuoto di circa 0,65 libbre per pollice quadrato assoluto (psia) bar (0,045 bar assoluti). La condensa è prossima al punto di vaporizzazione con una temperatura tipica compresa tra 35 C e 40 C (95 F e 105 F). Ciò significa che l'NPSHa a livello del liquido nel pozzo caldo del condensatore è pari a zero. Di conseguenza, in genere viene scelta una pompa multistadio verticale inscatolata
questa applicazione.
Per un funzionamento affidabile, il progetto della girante del primo stadio dovrebbe includere:
velocità specifica di aspirazione (NSS) inferiore a 12.000 per garantire la stabilità del flusso su un'ampia gamma di operazioni
una velocità periferica di ingresso della girante (velocità di punta dell'ingresso) inferiore a 70 piedi al secondo (ft/s)
materiale resistente alla cavitazione, come il 12% di cromo
A causa dell'elevata pressione su questa applicazione critica, si consiglia una tenuta meccanica a cartuccia per sigillare le pompe del fluido. I sistemi di tenuta della pompa associati devono impedire all'aria di entrare nella pompa quando è in standby sotto vuoto. I piani API 13 e 32 realizzano questo.
Pompe dell'acqua di raffreddamento del condensatore (CCW).
Tutte le centrali termoelettriche emettono grandi quantità di calore nell'ambiente e un impianto CCGT non fa eccezione. Un tipico impianto a ciclo combinato con un'efficienza termica del 57% espellerà il 43% del calore immesso dal combustibile. Circa il 9 percento uscirà dallo stack HRSG. Il resto viene rimosso dall'acqua di raffreddamento pompata attraverso il condensatore.
I condensatori sono stati tradizionalmente raffreddati dall'acqua utilizzando sistemi a passaggio singolo o chiusi (torri di raffreddamento). Il fabbisogno di acqua di raffreddamento di un tipico impianto CCGT che utilizza una torre di raffreddamento può essere stimato a circa 250 gpm per megawatt (MW). Di conseguenza, un impianto a ciclo combinato da 750 MW richiederà un flusso di acqua di raffreddamento di circa 187.500 gpm, che normalmente sarebbe condiviso tra due pompe.
I requisiti ambientali in molte regioni non consentono più il raffreddamento una tantum da fiumi o laghi. Anche le tradizionali torri di raffreddamento raffreddate a umido possono essere un problema, poiché i prelievi d'acqua sono ancora necessari per compensare lo scarico, l'evaporazione e la deriva dalla torre. Di conseguenza, i condensatori raffreddati ad aria stanno diventando sempre più comuni. Il loro costo di capitale iniziale è molto più elevato e l'efficienza termica dell'impianto può essere ridotta fino al 3 o 4 percento in luoghi con temperature ambiente elevate.
La scelta più frequente per questa applicazione è una pompa monostadio verticale con girante semiaperta.
Tuttavia, a seconda delle preferenze specifiche dell'utente finale, è possibile utilizzare pompe monostadio, a doppia aspirazione a divisione orizzontale o a voluta per calcestruzzo.
IMMAGINE 5-7: Tipi di pompa dell'acqua di raffreddamento del condensatore (CCW).
Tipi di pompe CCW
Indipendentemente dal tipo di costruzione, questi elementi critici devono essere rivisti per garantire prestazioni ottimali e affidabili in tutte le modalità operative:
Assicurarsi che vi sia un'ampia sommersione dal livello dell'acqua bassa per sopprimere il vortice e fornire un NPSHa sufficiente per prevenire la cavitazione alla massima portata o condizione di runout.
Valutare le opzioni dei materiali per tutti i componenti critici, in particolare quando si maneggia acqua salmastra o di mare. Le opzioni di materiale vanno dall'acciaio al carbonio rivestito al super duplex. Quando si maneggia acqua di mare o altre soluzioni ad alto contenuto di cloruri, è necessario prendere in considerazione una lega di acciaio inossidabile con un numero equivalente di resistenza alla vaiolatura (PREN) maggiore di 40. (Il PREN è una misura della relativa resistenza alla corrosione per vaiolatura dell'acciaio inossidabile in un ambiente contenente cloruri.) Gli elementi che hanno un impatto significativo sono il cromo (Cr), il molibdeno (Mo) e l'azoto (N). La formula PREN, che quantifica il loro rispettivo contributo, è mostrata nell'Equazione 1: PREN = 1 × %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N
Valori PREN più alti indicano una maggiore resistenza alla corrosione.
Quando si valutano i materiali, il primo costo, sebbene importante, non dovrebbe essere l'unico fattore. Dovrebbe essere considerato il costo totale del ciclo di vita dell'apparecchiatura.
Le prestazioni e l'affidabilità di queste pompe CCW ad alta portata sono fortemente influenzate dal design delle strutture di aspirazione in cui sono installate. Le condizioni stabili della pompa richiedono una distribuzione uniforme del flusso che si avvicina all'ingresso di aspirazione della pompa. Hydraulic Institute Standard ANSI/HI 9.8-2019 "Rotodynamic Pumps for Pump Intake Design" fornisce linee guida per i progetti di aspirazione delle pompe. Uno dei metodi più collaudati per prevedere le prestazioni di un'installazione consiste nel duplicarlo con un test su modello in scala fisica.
Pompe e sistemi (pumpsandsystems.com)