ボイラー給水ポンプの基礎

ボイラー給水ポンプ (BFP) は、発生した蒸気の量に対応する量の給水を蒸気発生器 (ボイラーなど) に供給することで構成されます。 ボイラー給水の動作パラメータ (流量、揚程、温度) はボイラー設計者によって計算されます。

現在、ほぼすべての BFP は遠心ポンプです。 シャフトの動力、材料、ポンプの種類、駆動に関する BFP の構造は、動力技術の発展によって決まります。 化石燃料発電所の傾向は、継続的にパワーブロックユニットの大型化に向かっています。

1950 年まで、BFP の平均吐出圧力は 200 bar 付近でした。 1955 年までに 400 バールまで上昇しました。 質量流量は、1950 年には 350 トン/時 (t/h) 程度でしたが、従来の発電所では 2,500 t/h (4,000 t/h) まで増加しました。 BFP は 160 C ～ 180 C の温度で動作しますが、例外的な場合にはさらに高い温度で動作します。

BFP は 1950 年代まで非合金鋼で作られていました。 それ以来、13% ～ 14% がクロム鋼 (A743 Gr. CA6NM) に移行しました。 この材料の変更は、新しい給水処理プロセスの導入によって必要になりました。 緊急走行特性を備えた高強度、耐食性のクロム鋼の開発により、毎分 5,000 ～ 6,000 回転 (rpm) の速度を備えた現在の BFP への道が開かれました。 パワーブロックの出力上昇に伴いBFPの流量も上昇しました。 従来の 750 メガワット (MW) パワートレイン用の今日の全負荷 BFP は 4 ～ 5 つのステージで構成されており、ステージ圧力は最大 80 bar です。

供給ポンプの駆動には電気モーター (非同期モーター) が使用されます。 電動 BFP の速度調整は、流体カップリング、モーターとギアボックスへの可変周波数ドライブ (VFD) の使用など、いくつかの手段で実現できます。 プラントに蒸気が豊富にある場合には、ドライバーユニットに蒸気タービンを使用することもできます。 場合によっては、5,000 ～ 6,000 rpm で動作する凝縮タービンが使用されます。 ただし、復水式蒸気タービンを使用すると、列車に搭載する機器の要件が増加します。 ユニットを有効に使用するには、熱交換器やドレン抜きポンプなどの使用が必須です。

高圧および高回転で BFP が必要な場合は、ブースター ポンプが必要です。 このような場合、適切な正味正味吸引揚程 (NPHa) を達成することは困難であり、ブースター ポンプが要件を満たします。 必要な正味吸引ヘッド (NPSHr) を削減するために、第 1 段階 (吸引) を二重吸引にするポンプを選択することができます。 NPSH は吸引段階でのみ最も顕著です。

BFP アプリケーションには主に 2 つのタイプの構造が使用されます。 1 つは多段バレル型ポンプで、米国石油協会 (API) 610 によりベアリング間 (BB) 5 型ポンプとして定義されています。もう 1 つはリングセクション多段ポンプで、BB4 型ポンプとして定義されています。 ただし、リングセクションポンプは API 610 の基準を満たしていないため、例外となります。 場合によっては、軸分割多段ポンプも使用できます。 API 610ではBB3型ポンプとして定義されています。

バレル型ポンプは高圧設計に使用されますが、これはユーザーによって異なる場合があります。 リングセクションポンプに比べていくつかの利点があるため、プラントユーザーは、初期投資が高額であっても、バレルタイプポンプの使用を好む傾向があります。 修理のためにバレルポンプを取り外す必要がある場合は、ローターを交換する必要がありますが、ケーシング（バレル）は吸入および吐出配管とともに所定の位置に残すことができます。 これは、100% スタンバイ ポンプが設置されていない場合、電源バックアップのサービスの可用性に関して重要です。

BFP のポンプ ケーシングは 2 つの観点から考慮する必要があります。壁の厚さは、片側では圧力負荷要件を満たすために持続可能なものでなければならず、もう一方では、発生する一時的な温度変化に適応する必要があります。

バレルケーシングは通常延性鍛造鋼で作られており、供給水と接触するすべての表面はクラッドプロセスによってオーステナイト材料でコーティングされています。 ポンプケーシングをパイプラインに溶接するには、パイプラインとポンプケーシングへの溶接に適合するように作られた中間部品をポンプの吸入分岐と吐出分岐に溶接します。 バレルポンプのカバーは、気泡状の金属スパイラル巻きガスケット（シール）を平らにすることによってシールされます。

リングセクションポンプのケーシングは、ユーザーが定義した用途と要件に応じて、鋳造または鍛造炭素鋼 (場合によっては鋳鉄) で作られます。 各ケーシング (ステージ) の相互のシールは金属と金属の接触によって行われ、個々のケーシングは吸入ポンプ ケーシングと吐出ポンプ ケーシングの間のタイボルトによって軸方向に締め付けられます。 金属間の接触は、高温用途でのポンプの使用を制限するため、リングセクションポンプの欠点の 1 つです。 温度衝撃は、タイボルトとステージケーシングのシール面にかかる追加の応力によって吸収されます。

軸流分割ポンプのケーシングは下部と上部の 2 つの部分に分かれています。 ケーシングはシャフトに対して垂直に分解されます。 これらのポンプは、段数を逆方向に取り付けることができるため、推力バランスに有利です。 最小限の力で推力のバランスをとります。

通常、BB3タイプポンプは流体温度200℃以下までの使用を推奨します。 API 610 には、排気温度が 200 C 以上の場合、ラジアル スプリット ケーシング ポンプを使用する明確なガイドラインがあります。 重要な注意事項: このポンプでは軸方向に分割配置されているため、ケーシングボルトは接液部とみなされません。

ポンプの吸入圧力と吐出圧力の間の圧力での水の注入は、頻繁に必要となるサービス要件です。 これは、バレル ポンプとリング セクション ポンプの両方のポンプ ステージの 1 つから水道水を取り出すことによって処理されます。 これらの圧力ゾーンは、柔軟ならせん状に巻かれたガスケットによって相互に密閉されており、柔軟性と熱衝撃挙動が相互に適切に調整されています。

BFPには、適切な軸受間隔と大きな軸径を組み合わせたポンプシャフトが取り付けられています。 通常、インペラはシャフト上で収縮しているため、静的なシャフトのたわみは小さくなります。 シャフトは振動の影響を受けにくく、通常の運転条件ではケーシングとの望ましくない半径方向の接触がなく滑らかです。 ハブの直径はインペラーの後部で大きくなり、インペラーの入口の形状は、バランス装置によって吸収されなければならない軸方向の力を軽減するために、直径を可能な限り小さく保つように設計されています。

多段ポンプ（バレル型・リングセクション型）では、長い軸（段による）と軸受の間に羽根車が配置されています。 この配置が推力を生む原因となっている。 ポンプが起動すると、流れは吸入から吐出（低圧部から高圧部）に移りますが、吐出に到達しても圧力を100％放出することができず、吸入に向けて推力が発生します。 しかし、ポンプの運転中、この軸方向推力の大きさは、絞り曲線上の動作点の位置と内部すきまの摩耗量に依存します。

ポンプが異常な状態で動作している場合、さらに外乱力が発生する可能性があります。 たとえば、ポンプにキャビテーションが発生し始めた場合、NPSH がポンプをスムーズに動作させるのに十分ではないことを意味します。 大型の BFP では、ポンプ ローターの軸方向スラストのバランスは、オイル潤滑のスラスト ベアリングと組み合わされた、ポンプで送られる流体が流れるバランス デバイスによって影響を受けます。 油圧バランス装置は、バランスディスクシートを備えたバランスディスク、または関連する絞りブッシュを備えたバランスピストンまたはダブルピストンを備えていてもよい。 ピストンやダブルピストンもバランスディスクと組み合わせることができます。 API 610 ではバランス ディスクの使用が許可されていないため、ドラムを使用する必要があることに注意することが重要です。 ただし、API 610 は厳密に石油化学、石油、ガスのアプリケーションに関連しています。 いくつかのケースでは、一般的な発電所では BFP 用のバランシング ディスクの使用が禁止されています。

ラジアル方向の力は、ローターの重量、機械的バランスの崩れ、およびラジアル方向の推力によって発生します。 ラジアル力のバランスは、2 つのオイル潤滑ラジアル ベアリングと、流体が軸方向に流れる絞りギャップによって影響を受けます。 流体が軸方向に流れるこれらの絞りギャップは、インペラーネック、または多段式 BFP の場合、従来の発電所のディフューザープレートの絞りブッシュおよびバランスピストンにあります。 ローターがわずかに偏心している場合、これらのギャップにセンタリング復元力が生成され、この力は差圧とギャップ上の形状に依存します。 この回復作用は通常、ロマキン効果と呼ばれます。 ギャップ流の源流が純粋な液相ではない場合、この値は減少します。 機械的剛性に関する絞りギャップの静水圧作用は、シャフトの剛性を超える場合があります。 このシステムは、回転の臨界速度が常に動作速度から遠ざかるように調整されています。 さらに、特に部分負荷動作時の油圧加振力も吸収できます。

ソフトパックされたスタッフィング ボックス、メカニカル シール、フローティング シール、ラビリンス シールは、シール目的で BFP に使用できます。 ソフトパックされたスタッフィング ボックスの適用限界は、摩擦熱の除去に関する既存の可能性によって決まります。 高耐久のソフトパックされたスタッフィング ボックスの場合、通常、漏れ水とスタッフィング ハウジング、シャフト保護スリーブ、およびグランドの周囲の予冷が行われます。 梱包材は通常テフロン撚り線で構成されています。 このシャフト シールは、最大 150 MW のパワー トレイン容量の全負荷供給ポンプに使用され、成功を収めています。

メカニカルシールの微量の漏れは、出口から蒸気の形で大気中に放出されます。 発生する摩擦熱はソフトパックの詰め物箱の場合よりも少なくなります。 一般に閉回路冷却システムが採用されており、ポンプの動作中は回転シールリング上のサーキュレータ装置によって駆動され、ポンプの停止中は熱サイフォンの作用によって駆動されます。

フローティングシールは、高い周速度と高いシール圧力に使用できます。 フローティング シールは、半径方向に移動できる一連の短い絞りリングで構成されています。 冷たいシール水の流れがシールに注入され、ポンプから熱水が漏れないようになっています。 この封水の供給は、ポンプが圧力下で動作している間続けなければなりません。 フローティングシールへの封止凝縮水注入の制御は、封止凝縮水の差圧、調整、または差動温度調整によって影響を受ける可能性があります。

80 C を超える高温用途の場合は、API 682 に従って Plan-23 として分類される単動式メカニカル シールをクーラーとともに使用してください。

BFP のオンとオフを頻繁に切り替える場合は、シール ギャップでの早期の内部摩耗を防ぐために、ポンプ停止後の熱衝撃やケーシングの歪みを避けることが望ましいです。 原則として、構造材料は、BFP がどのような熱条件からでも起動できるように選択されます。 しかし、キャビテーション発生時や半温間始動時、BFP が歪んでいる場合など、特定の異常動作状況下では、隙間が狭い箇所でのロータとケーシングの物理的接触は避けられません。 影響を受ける箇所は、インペラ入口の絞りギャップ、ディフューザー内の絞りブッシュ、およびバランス装置です。 これらの場所に特殊な合金を添加した耐食性クロム鋼からなる適切な構造材料を組み合わせることで、高い周速度でも良好な緊急走行条件が保証されます。 狭いクリアランスギャップでの摩耗が大きい場合は、常に効率の低下につながります。

BFP が常に最小流量を確保し、低流量時に発生する可能性のある損傷を防止する場合、いわゆる最小流量バルブ (自動リークオフバルブ、バルブ、継手など) を出口パイプの下流に配置します。ポンプ内容物の過度の過熱と蒸発の結果、または部分負荷動作時のキャビテーションの結果として負荷動作が発生します。

ボイラー給水ポンプの研究中に学ぶべき追加の点が式 1 にあります。

BFP で強調すべき重要な基本は、適切なポンプのウォームアップ、スタンバイウォーミング、およびシャフト (固定ブッシング) シールのドレン温度制御です。 これらの特性は、中央ステーションのプラントが循環し、大型の供給ポンプがさまざまな負荷でスタンバイモードで動作するにつれて、より重要になってきています。 ポンプを予熱し、アイドル状態のポンプへのウォームアップ流を維持して寸法上の熱均一性を確保することは、内部クリアランス、ポンプ効率、長寿命を維持するために不可欠です。 このプロセスは、熱歪みを最小限に抑えるために多段ポンプにとって重要です。 歪みは次の潜在的な故障モードを引き起こす可能性があります：フラッシング、内部摩擦、ウェアリングクリアランスの増加、ポンプの焼き付き、シールブッシュクリアランスの摩耗と過剰な漏れ、ポンプの性能と効率の損失、ポンプの高い振動、ベアリング/ベアリングクリアランスの摩耗。

寿命、効率、信頼性を延ばす設置の特徴と実践方法は次のとおりです。

KSB レキシコン

ポンプハンドブック Igor J. Karassik 著

API 610、API 682

Ashutosh Mishra は、エンジニアリング (EPC) および製造会社での経歴を持つ、プロジェクトおよびアプリケーション エンジニアリングの専門家です。 彼は機械工学の学士号を取得し、インド工科大学から認定公認エンジニアを取得しました。 彼への連絡先は、[email protected] です。