PG008-Polish

Zastosowania

Tennesee Valley Authority
Kingston, Tennessee

Przedłużyła trwałość łopatek wentylatora ciągu wymuszonego z 5-8 miesięcy do ponad 30.
Download PDF here (155KB)

Elektrownia Kingston należąca do agencji TVA

Budowa elektrowni Kingston należącej do agencji TVA (Tennessee Valley Authority) została zakończona w 1955 roku; jest ona obecnie jedną z jedenastu elektrowni węglowych, których właścicielem i podmiotem obsługującym jest TVA. Elektrownia ta znajduje się na zachód od miasta Knoxville w stanie Tennessee, u zbiegu rzek Emory i Clinch.
Przez ponad dziesięć lat od jej ukończenia Kingston była największą elektrownią węglową na świecie. Obecnie spala się tu węgiel o niskiej zawartości siarki, pochodzący z centralnych Appalachów.
W elektrowni Kingston działa dziewięć opalanych węglem kotłów, które wytwarzają około dziesięć miliardów kilowatogodzin rocznie, przez co dostarczają energię do ponad 700 000 gospodarstw domowych. Aby sprostać tak ogromnemu zapotrzebowaniu, elektrownia ta spala około 14 000 ton węgla dziennie. We wszystkich dziewięciu kotłach stosuje się węgiel o niskiej zawartości siarki w celu ograniczenia emisji SO2. Aby zredukować emisję związków NOx, w kotłach modułów 1-4 oraz modułu 9 wykorzystywana jest regulacja spalania oraz optymalizacja pracy kotła, natomiast moduły 5-8 wyposażone są w palniki o niskiej emisji związków NOx.
W roku 1977 do modułów kotła dodano elektrostatyczne elementy strącające. Ze względu na ograniczenia przestrzenne i fi nansowe, wentylatory ciągu wymuszonego (ang.: ID – induced draft fans) dla modułów 5-9 pozostały od strony dopływu do elektrostatycznych elementów strącających i mechanicznego kolektora popiołu lotnego, natomiast w modułach 1-4 wentylatory ID zostały przesunięte na stronę wypływu z elektrostatycznych elementów strącających.
Po upływie sześciu miesięcy od zamontowania elektrostatycznych elementów strącających obsługa konserwująca kotły zauważyła, iż wentylatory ID w modułach 5-9 w znacznym stopniu uległy erozji na skutek działania popiołu lotnego. Wentylatory te narażone były na ogromne obciążenia pyłem, wynoszące około 3,6 grama/acfm¹ (128 gr/m³min). Przeciętnie po 12-14 miesiącach pracy stalowe łopatki wentylatorów, elementy konstrukcyjne oraz piasta wymagały naprawy lub wymiany. Wreszcie łopatki uległy erozji na tyle, że wiele z nich nie nadawało się do dalszej eksploatacji, powodując awarię wentylatora i konieczność wyjęcia go z betonowej podstawy.
¹ acfm — actual cubic feet per minute , amerykańska jednostka przepływu gazu; 1 acfm = 28 l/min
Profilaktyka
W ramach stałego programu profi laktyki, inżynierowie z elektrowni TVA raz w tygodniu przeprowadzali pomiary drgań wszystkich wentylatorów ID. Chociaż drgania są generalnie dobrym wskaźnikiem erozji, wynikom pomiarów nie zawsze można ufać. Zdarzyły się dwa osobne przypadki, gdy poziom drgań wentylatora mieścił się w dopuszczalnych granicach, a wentylator był już całkowicie zniszczony na skutek erozji.
Dan Cowser, Kierownik projektów Outages & Capital Projects w elektrowni Kingston twierdzi, iż „wydatki ponoszone wskutek erozji wentylatorów miały największy udział w kosztach utrzymania elektrowni i wynosiły ponad pół miliona dolarów rocznie za same części i robociznę. Niejednokrotnie rozważaliśmy przeniesienie wentylatorów ID tak, aby zredukować lub wyeliminować erozję wynikającą z działania lotnego popiołu. Jednak obliczyliśmy, że koszty takiej operacji zwróciłyby nam się dopiero za 20 lat. Takie przedsięwzięcie wiązałoby się z zasadniczą przebudową samego wentylatora oraz potężnym wzrostem mocy jego silnika tak, aby utrzymać wymagany poziom wydajności”.
Testowanie łopatek wentylatorów

Niechronione stalowe łopatki wentylatora po trzech miesiącach pracy w znacznym stopniu ulegały erozji

Cowser, który rozpoczął pracę w elektrowni Kingston w roku 1997, zwrócił uwagę, iż wentylatory ID pracowały pomiędzy naprawami 12 do 14 miesięcy. W roku 1999 elektrownia zamontowała nowe zdmuchiwacze sadzy i trwałość wentylatorów z modułów 5-9 skróciła się do 5 — 8 miesięcy. Cowser mówi, że „było oczywiste, iż trwałość wentylatorów zmniejszyła się na skutek przepompowywania przez układ bardziej erozyjnego popiołu”.
Wprawdzie do naprawy wentylatora nie demontuje się całych modułów kotłów, ale zawsze na czas wymiany łopatek potrzebne jest znaczące obniżenie wartości znamionowych.
Ze względu na wzrastające koszty związane z krótszym czasem eksploatacji wentylatorów i koniecznością pracowania z pełną wydajnością w okresach maksymalnego zapotrzebowania na energię, załoga elektrowni Kingston poprosiła o pomoc grupę TVA’s Energy Research & Technology Applications (ER&TA) oraz Instytut Electric Power Research Institute (EPRI). ER&TA prowadzi badania i opracowuje nowe technologie dla elektrowni należących do TVA oraz dla operatorów układów przekazujących.

EPRI, będąca organizacją non profi t, która dostarcza naukowych i technicznych rozwiązań dla światowych klientów sektora energetycznego, przeprowadziła we współpracy z ER&TA badania mające na celu ustalenie, jaki materiał ochronny mógłby wytrzymać tak silną erozję, jakiej ulegają wentylatory z modułów 5-9 w elektrowni Kingston.
Donna Dearmon, Kierownik Projektu dla Centrum Instrumentation & Control Center organizacji EPRI’s przeprowadziła poszukiwanie dostawców materiałów odpornych na zużycie oraz koordynowała codzienną pracę z załogą agencji TVA.

Pomiary powłoki z węglika wolframu wykonywane przez grupę pracowników TVA ER&TA

Projekt ten został zainicjowany jesienią 2001 r. Badanie przeprowadzono na szesnastu chronionych przed erozja łopatkach wentylatora od sześciu dostawców komercyjnych. Testowane były między innymi powłoka napawana węglikiem chromu, węglik wolframu ręcznie nakładany przez natrysk płomieniowy, dwa rodzaje powłok z węglika wolframu nanoszonych w procesie natryskiwania cieplnego (HVOF), napylanie plazmowe węglika wolframu oraz powłoka Conforma Clad® otrzymywana przez przenikanie węglika wolframu w głąb podłoża stalowego w trakcie lutowania twardego.
Łopatki wentylatora były testowane przez 69 dni w wentylatorze ID modułu 9 elektrowni Kingston. Był to wentylator o podwójnym wlocie i pojedynczym wylocie oraz wydajności 400 000 stóp sześciennych na minutę (11 326 m³/min), model Westinghouse 16MVID, z łopatkami zagiętymi do przodu. Wentylator składał się ze 120 łopatek, a prędkość obrotu wałka wynosiła 593 obroty na minutę.
Oryginalne łopatki wentylatora ważyły 34 funty (15,436 kg) każda. Ponieważ okładzina Conforma Clad zwiększała masę każdej łopatki o pięć funtów (2,27 kg), zaprojektowano nową łopatkę. Usunięto podkładkę zużywającą się oraz użyto spoiny całkowicie chowanej zamiast spoiny pachwinowej, co zmniejszyło ciężar całkowity oraz zwiększyło wytrzymałość łopatki.
Łopatki z ochroną przed zużyciem zostały rozłożone po całym obwodzie wentylatora. Aby ułatwić jego wyważenie, cięższe łopatki z powłoką Conforma Clad zostały umieszczone naprzeciw siebie. Ze względu na nieznane współczynniki zużycia materiału, organizatorzy testu uważnie rozmieścili łopatki tak, aby mieć pewność, że zmiana ciężaru spowodowana erozją nie będzie oznaczała konieczności ponownego wyważania wentylatora.

„Powłoka Conforma Clad otrzymywana przez przenikanie węglika wolframu w głąb podłoża stalowego w trakcie lutowania twardego wykazuje wyjątkową odporność na erozję”

- EPRI CS6068,
Projekt 1649-4

Po upływie 69 dni testu wszystkie łopatki, za wyjątkiem tych zabezpieczonych okładziną Conforma Clad, zostały usunięte. Łopatki chronione przez powłokę napawaną węglikiem chromu oraz powłoką z węglika wolframu nanoszonych w procesie HVOF zostały usunięte ze względu na całkowite zużycie powłok ochronnych. Utrata materiału dla łopatek chronionych przez powłokę napawaną węglikiem chromu wynosiła 0,150˝ (3,81 mm), pojawiło się pęknięcie na środkowej płytce łączącej, a także ogromne zużycie krawędzi wlotu. Pomiary łopatek pokrytych powłoką Conforma Clad® wykazały stratę materiału poniżej 0,010˝ 0,254 mm) na krawędzi wlotu.

Wyniki te potwierdzały dane uzyskane przez przeprowadzone w 1988r. badanie TVA/EPRI (EPRI CS-6068, Projekt 1649-4), które również sprawdzało zjawisko erozji wywołanej lotnym popiołem w elektrowniach. W wysoce erozyjnym środowisku kotła umieszczono kółko pokryte dziesięcioma różnymi rodzajami powłok ochronnych. Po przeprowadzeniu testu centrum badawcze Westinghouse Research and Development Center, które przygotowało opracowanie na jego temat, odnotowało w raporcie końcowym EPRI, że „powłoka Conforma Clad otrzymywana przez przenikanie węglika wolframu w głąb podłoża stalowego w trakcie lutowania twardego, wykazuje wyjątkową odporność na erozję.”
Zainstalowanie nowych, chronionych przed erozją łopatek

Zużycie łopatek wentylatora z modułu 8B, pokrytych powłoką Conforma Clad® wynosiło po siedmiu miesiącach pracy 0,35 mm pracy 0,35 mm

W oparciu o wyniki badań elektrownia Kingston rozpoczęła modernizację wentylatorów ID z modułów 5-9 poprzez wprowadzanie łopatek z Conforma Clad. Pierwsze z nich zostały zamontowane w październiku 2002r. w wentylatorze modułu 8B. Po siedmiu miesiącach pracy zużycie łopatek pokrytych powłoką z węglika wolframu wynosiło 0.014˝ (0,35 mm) lub mniej, głównie na krawędzi wlotu. Na podstawie grubości nałożonej powłoki z węglika wolframu szacuje się, iż łopatki powinny pracować przez ponad 30 miesięcy, czyli czterokrotnie dłużej, niż łopatki bez ochrony.
Wyniki badań wykazują, iż gęsto naniesiona powłoka z węglika wolframu zużywa się z podobną, przewidywalną, szybkością. Wiązania o dużej sile, ponad 70 000 psi (ok. 490 N/mm²), tworzą barierę ochronną, odporną na kruszenie się, pękanie i łuszczenie.
Wyniki wspólnych badań są obiecujące. Ograniczone zużycie materiału w wentylatorze modułu 8B w elektrowni Kingston po siedmiu miesiącach pracy potwierdziło je. Organizacja EPRI jest w trakcie opracowywania raportu końcowego.