Requalifizierung der kritischen Restwärmepumpen im AKW Electrabel Doel, Belgien - Praktikerkonferenz Technische Universität Graz 16 - 18 April, 2012
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Praktikerkonferenz
Technische Universität Graz
16 – 18 April, 2012
Requalifizierung der kritischen Restwärmepumpen
im AKW Electrabel Doel, Belgien
Gerard van Loenhout
Inhalt:
• Erläuterung der Anlage und Anwendung
• Problematik
• Entwicklungen im Laufe der Zeit (1975 – 1992)
• Vorgehensweise Ursachenanalyse and Requalifizierung
– Testprogramm:
• Hydraulische Tests
• Mechanische Tests
• Ergebnisse
• Modifikationen der Pumpen
• Arbeiten im Kraftwerk
• Schlussfolgerungen
• Fragen
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Der Anlage
• Ca. 25 km nordöstlich von
Antwerpen, an der Schelde, südlich
AKW Electrabel Doel der Holländische Grenze
Daten und Fakten: • Insgesammt vier
Druckwasserreaktoren des Bautyps
Westinghouse PWR
• Block 1 & 2, 433 MWe Leistung
(Beide am Netz seit 1975)
• Block 3 & 4, 1000 MWe Leistung
(D3 am Netz seit 1982, D4 in 1985)
• Nettoleistung ± 30% des
gesammten belgischen
Elektrizitätsbedarfes,
Jahresproduktion 21 Mega KWh
• 940 Electrabel Mitarbeiter,
zusätzlich 600 externe Mitarbeiter
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Die Anwendung
Restwärmepumpen, ASME III Klasse 2
Pumpentyp: ACEC 6 x 13 DSTCX
Installiert: 2 x 3 Pumpen (Doel Block 1-2)
Projektausführung: 1993
Funktion:
• Wärmeregulierung Primärkreislauf, während Starten und Stoppen der Anlage
• Wärmeabfuhr Primärkreislauf / Unfallsituation im Reaktorbehälter
• Kalter Funktionstest der Pumpen einmal pro Monat, (Dauer 1 Stunde)
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Die Anwendung
Die Restwärmepumpen sind während des
Abschalten des Reaktors im Betrieb z.B. während
des Be- oder Entladen des Kerns
Restwärmepumpen sind nicht ausgelegt für den
primären Kreislaufdruck (± 155 bar) , d.h. Druck
und Temperatur müssen reduziert werden, während
die Hauptkühlmittelpumpen noch im Betrieb sind und
Dampf erzeugen
Nach der Druck- und Temperatur- 3 x 100%
absenkung, werden die
Hauptkühlmittelpumpen
3 x 100%
abgeschaltet und
die Restwärmepumpen übernehmen
die Kühlung des Primärkreislaufs,
und des Reaktorkerns
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Die Anwendung
Nukleare Kühlkette
RHR Kühler RHR
System
Component Cooling System Kühler Component
Cooling
System RHR Pumpen
Essential
Fluß Service Water
System Component
Cooling
Pumpen
Essential
Service Water
Pumpen
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Die Problematik
Probleme, während der monatlichen Testläufe:
1. Hohe Schwingungen (bis zur 20 mm/sec RMS - insgesamt)
2. Hohe Druckpulsationen (bis zur 12% vom TDH)
3. Hohe Druckstutzenbelastung weit über die API-610 Kriterien
4. Strukturresonanzen bei 150 Hz gemessen am Lagerträger (Schaufelfrequenz)
5. Saugleitungverlauf ungünstig für ein doppelflutiges Laufrad
6. Vermutung möglicher Rezirkulationseffekte im Saugteil des Laufrades
7. Hohe mechanische Belastung durch thermische Ausdehnung
8. Verfärbung des Öls (verbrennen des Öls)
9. Hohe Lagertemperaturen und Lagerausfallrate
10. Gleitringdichtungsausfälle
11. Wellenversatz, gebrochenen Wellen
• Die Pumpenfunktion innerhalb dieser Anlage definiert das diese Restwärmepumpen im
Notfall-Szenario ein Jahr kontinuierlich im Betrieb sein müssen, ohne zwischenzeitliche
Wartung
• Es wurde in Erwägung gezogen, alle sechs Pumpen komplett zu ersetzen, inklusive Antrieb
und Fundament und einer Änderung am Rohrleitungssystem ( System ist Radioaktiv).
Geschätzte Kosten: ± € 575K pro Pumpe (1992).
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Entwicklungen im
Laufe der Zeit
Modifikationen zwischen 1975 – 1991:
• Montage einer Unterstützungsplatte an der
Rückseite des Lagerträgers (Wobbel plate)
• Zusätzliche Lagerträgerkühlung
• Ausstausch der orginalen Zahnradkupplung
durch eine hochwertige, flexibele leichtere
Kupplung
• Mindestmengendurchflusssystem
Technische Analyse in 1992 ergab weiterhin:
• Orginal doppelflutiger Laufradentwurf für
feststoffenbeladene Flüssigkeiten;
o Rückschaufeln an beide Seiten mit sehr geringem
Laufspalt zum Gehäuse (0.4 – 0.8 mm)
o Undefinierte axiale Belastung, möglicher Wellenversatz
o Laufradlagerung mit Nuten, radiale Lagerdämpfung
wird negativ beeinflusst
• Schwache Lagerkonstruktion mit Rollenlager
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Orginalpumpe
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Zuverlässigkeitsproblematik Restwärmepumpen
Ersetzten der existierenden Ursachenanalyse
Pumpen durch neue Pumpen Problematik Pumpen + System
Modifizierung
existierender Pumpen
Erhält man hiermit die absolute
Requalifizierung modifizierter
Gewissheit dass alle Probleme
Pumpen
tatsächlich gelöst werden ?
10Ursachenanalyse
Die Problemanalyse ergab das warscheinlich weitere
Pumpenmodifikationen nötig wären, so wie:
1. Austausch des dreischaufeligen Laufrades durch ein Laufrad mit 5 Schaufeln
(Reduzierung der Schaufelfrequenz)
2. Ersetzen der Rückenschaufeltechnologie durch sogenannten Gap Narrow
Ringe (Raffinerie FCC Technologie), zur Optimierung des
Axialschubausgleiches.
3. Ersetzen der Pendelrollenlager durch Schrägkugellager
(möglich wenn die Rückschaufeln entfallen)
4. Ersetzen der orginale Zahnradkupplung durch einen Membran-Kupplung
(erlaubt mehr Wellenversatz und weniger Wartung)
Diese zusätzlich geplanten Modifikationen wurden weiterhin
untermauert durch:
– Vielzahl von gesammelten Testdaten
– Vorläufiges Designreview
11Testprogramm
Wie?
Testprogramm mittels einer ähnlichen Pumpe auf dem Prüfstand
(full scale test)
Spezifische Anwendungsbedingungen:
– Nachbau der Saug- und Druckstutzenverrohrung
(2 verschiedenen Konfigurationen der Saugleitung)
– Hohe Flüssigkeitstemperatur (180 ºC)
– Verschiedene Saugdrücke, bis zur 25 Bar
– Extrem niedrige NPSH Bedingungen: 3.7 m (Nss = 13,000 US)
– Hohe Umgebungstemperaturen (bis zur 60 ºC)
– Abrasive Flüssigkeit, während Notlaufbetrieb sollen Beton-Partikel und
Sand mit gepumpt werden
12Testpumpe
13Untersuchungsthemen
• Hydraulik
– Pumpe:
• Schaufelverteilung (Original mit 3 Schaufeln, neue Laufräder mit 5 Schaufeln)
• Einströmung Laufrad und Flüssigkeitsverteilung im Pumpengehäuse
• Einfluss von Cheng Rotating Vanes (CRV)
• Einfluss des Suction Eye Ring (Bull ring)
• Untersuchung des Einflusses der Rückenschaufeln
– Pumpenverrohrung:
• Vorhandenen Saugleitung
• Optimale Saugleitung
• Mechanische Komponenten
– Lagerkonstruktion abhängig von Rückenschaufeluntersuchung
– Zusätzliche Lagerträgerkühlung
– Einfluss der zusätzlich montierten Gehäuseunterstützung auf Druckstutzenbelastung,
Schwingungen und Spannungsaufbau
– Neue Gleitringdichtung und GLRD Kühlung
– Neue Kupplung
14Testprogramm
• Beton
Fundament
• Federhänger
identisch wie in
der Anlage
• Verrohrung
identisch wie in
der Anlage
15Testprogramm
Einfluss der zusätzlich montierten Gehäuseunterstützung an der Rückseite
des Lagerträgers zur:
– Minimierung der Auslenkung des Wellenendes durch Druckstutzenbelastung
– Reduzierung der Schwingungen
– Reduzierung der mechanischen Spannungen
16Testprogramm
Einfluss der Rohrleitungsauslegung:
Vergleich der bestehenden Ausführung (links) mit der optimalen Ausführung
(rechts). Optimale Ausführung basierend auf der durch Flowserve ausgeführte
Hydraulik Studie
Originale Ausführung Optimale Ausführung (Hot Loop Test)
(wie in der Anlage)
17Testprogramm
Mögliche Verbesserung der Pumpenleistung durch den Einsatz von
sogenannten CRV’s (Cheng Rotating Vanes) in der bestehenden
Verrohrung
Die Testergebnisse ergaben, dass
diese CRV’s nicht den
gewünschten Erfolg brachten wie
vorher eingeschätzt
18Testprogramm
Kurve neue hydraulische Lösung
Ohne den Suction Eye Ring
“S-förmige” Druckverlustkurve
(Bull rings)
Orginal NPSH Kurve
Benötigter NPSHr viel höher als
vom Original Hersteller Optimalisierte NPSH Kurve
angegeben
Signifikante Verbesserung
durch Reduzierung der
Saugmundquerschnitts
(suction recirculation on-set)
NPSH Test Orignalhydraulik
19Testprogramm
Saugmund des Laufrades:
Rezirkulationsmessung
(relative Geschwindigkeitsmessung
mit einem Pitotrohr)
20Testprogramm
Untersuchung Saugraum
Durchflussmengenmessung für das
doppelflutige Laufrad (Pitotrohr)
21Testprogramm
Experimentelle
Druckstutzenbelastungs-
tests gem.
API 610 7th Edition (1993) Blindflansche, Hebel
und
Dehnungsmesszelle
Tests ausgeführt
mit und ohne
Gehäuse-
unterstützung
Validierung laut API Spezifikationen
22Testprogramm
Materialspannungsmessung durch Dehnungsmeßstreifen
– Druckstutzenbelastung
– Innendruck
23Testprogramm
Experimentelle
Modalanalyse
(Bumptest)
24Testprogramm
(Wiederholen des) Tests mit
sogenannten ‘Hot Alignment’
Vorkehrungen und weiteren
Sockeländerungen
25Ergebnisse
• Akzeptabele, niedrige Lagertemperaturen, sogar während der
extremen Betriebsbedingungen
• Reduzierte Schwingungen (2.8 mm/sec RMS, max. für den grösseren
Durchflussmengenbereich)
• Die modifizierte Pumpe kann 2-mal die API-610
Druckstutzenbelastung absorbieren
• NPSH3% @ 3.7m wurde erfüllt, ohne eine S-form in der NPSH Kurve
• Bildung von Rezirkulationsströmungen an der Saugseite des
Laufrades liegt außerhalb der normalen Betriebsbedingungen
• Verrohrung in der Anlage blieb unverändert (sehr großer Vorteil für
den Betreiber). Lediglich die Rohrhalterungen wurden modifiziert um
die thermische Ausdehnung der Pumpe zu ermöglichen
26Modifikationen der Pumpen
• Neues Lagerträgergehäuse, inklusive neuer Welle
(power-end assembly)
• Kühlwasserverrohrung (nach ASME III)
• Neues Laufrad, verbesserte Saugmund Geometrie
• Spalt Reduzierungsplatten (Gap-narrowing plates)
• Neue Gleitringdichtung (GLRD Deckel und GLRD Kühler nach
ASME III)
• Neue Kupplung (Membran Type)
• Sockeländerungen (6 Stück), Auslegung gem. ASME Code
27Arbeiten im Kraftwerk
Komplettes Qualitätsprogramm inklusive alle Inspektionen,
Kontrollen, Registrierung, Witness und Hold points:
– Modifizierung Pumpensockel
– ‘In situ’ Bearbeitung der Sockel (notwendig als Folge des Schweissen
der Versteifungsplatten)
– Modifizierung Rohrhalterungen (Fremdfirma)
– Ersetzen der GLRD Kühler
– Nacharbeit vom Pumpengehäuse und Deckel im ‘Hot Shop’ (in der
Anlage, durch einen Flowserve Techniker durchgeführt)
– Zusammenbau der Pumpen im ‘Hot Shop’ (in der Anlage, durch einen
Flowserve Techniker durchgeführt )
– Installation der Pumpen, durch Flowserve Techniker durchgeführt
– Validierungstest – Schwingungen und Leistung
28Schlussfolgerungen
• Die Pumpen funktionierten ohne Probleme – Alle Tests
wurden bestanden !
• Reduzierung der geschätzten Budgetkosten für den
Einsatz von Neupumpen auf weniger als 25% für den
Betreiber, Electrabel (Flowserve Teil)
29Fragen ?
Danke fur Ihre Aufmerksamkeit !
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