Цзянсу Хайфа Машиностроение Лтд.

В системах транспортировки высокотемпературных расплавленных солей насос для расплавленной соли всегда был ключевым оборудованием, определяющим долгосрочную стабильную работу установки. Ранее, при разработке химических технологических насосов, насосов для расплавленной мочевины,осов для высокотемпературного теплоносителя и высокотемпературных высоконапорных технологических насосов, мы уже сталкивались со многими подобными проблемами: высокая температура среды, сильная коррозионная активность, заметное тепловое расширение, высокий риск уплотнений, чувствительность подшипников к повышению температуры, склонность среды к кристаллизации или затвердеванию после остановки. В случае насосов для расплавленной соли, особенно в контурах с хлоридными расплавами и высокотемпературных системах накопления энергии, эти проблемы усугубляются. Традиционный подход к насосам длялавленной соли часто предполагает использование консистентной смазки для подшипников с одновременным снижением температуры в зоне подшипников с помощью холодной воды или охлаждающих рушек. Такая схема может работать в определенном диапазоне температур и относительно проста для понимания. Однако с точки зрения длительной эксплуатации у нее есть несколько недостатков: во-первых, консистентная смазка сама по себе не подходит для длительногоствия высокотемпературного теплового излучения; во-вторых, охлаждение холодной водой создает значительный температурный градиент между зоной подшипников и высокотемпературной зоной корпуса насоса; в-третьих, при несоответствии теплового расширения различных материалов изменяются соосность вала, зазоры в уплотнениях и подшипниках; в-четвер, при перебоях в подаче охлаждающей воды или старении смазки быстро проявляются повышение температуры и вибрация подпников. Поэтому при обсуждении конструкции насосов для расплавленной соли четвертого поколения наша основная идея заключается не в простом увеличении размера старых подшипников или объема охлаждающей воды, а в пересмотре подхода с точки зрения конструктивной схемы, метода смазки подшипников, типа уплотнения, компоновки двигателя, контроля термических напряжений и онлайн-диагностики. По моему мнению, насос четвертого поколения должен решать не проблему отдельной детали, а проблему надежности всей высокотемпературной насосной системы.

1. Путь развития насосов для расплавленной соли: от консоль конструкции к высокотемпературной интегрированной структуре четвертого поколения

С инженерно-эксплуатационной точки зрения, развитие насосов для расплавленной соли можно условно разделить на несколько этапов. Насосы первого поколения часто имели консольную конструкцию. Ее преимущества: относительная простота, удобство обслуживания, не слишком высокая сложность изготовления, подходит для условий, не предъявляющих экстремальных требований к температуре, расходу и напору. Однако консольная конструкция имеет длинный вал, и подшипники с уплотнениями необходимо располагать далеко от высокотемпературного расплава, что часто требует воздушной теплоизоляции, охлаждения холодной водой и смазки консистентной смазкой С повышением температуры, удлинением вала насоса и ужесточением требований к вибрации такая конструкция становится ограничена прогибом вала, тепловыми деформациями и ресурсом подшипников.    Насосы второго и третьего поколений стали чаще использовать магнитную муфту. Преимущество насосов с магнитной муфтой заключается в возможности отказаться от традиционного вращающегося торцевого уплотнения, снижая риск утечки расплава или покровного газа. Для систем с расплавленной солью, являются высокотемпературными, токсичными, коррозионно-активными или требуют строгого контроля атмосферы, герметизирующая структура магнитной муфты имеет большое значение. Она позволяет передавать крутящий момент через внешний и внутренний магнитные роторы, а также разделять среду и атмосферу с помощью защитной гильзы, уменьшая точки утечки, связанные с вращающимся уплотнением. Однако и у конструкции с магнитной муфтой есть сложности. Необходимо рассчитывать и проверять риск размагничивания магнитов при высокой температуре, нагрев защитной гильзы вихревыми токами,ность передачи крутящего момента, охлаждение внутреннеготора, стабильность ротора, а также вопросы обслуживания и разборки/сборки. Для малодебитных экспериментальных установок магнитная муфта реализуется относительно легко; для крупнотоннажных, высокомоментных коммерческих систем с расплавленной солью в конструкции магнитной муфты необходимо уделять особое внимание запасу по крутящему момту и терморегулированию.    Насос четвертого поколения мы склонны рассматривать как направление НИОКР, нацеленное на «высокотемпературную интеграцию, герметичность, минимальное обслуживание и диагностируемость». В нем могут использоваться электромагнитные подшипники, или встроенный двигатель в паре с высокотемпературными смачиваемыми подшипниками, или комбинированная конструкция с уплотнением на магнитной муфте и подшипниками скольжения, смазываемыми расплавленной солью. Конкретные проекты могут различаться, но направление едино: уменьшить зависимость от внешней смазки и охлаждения, сократить точки утечки через вращающиеся упнения, спроектировать подшипники, ротор, двигатель, систему терморегулирования и мониторинга с учетом условий работы в высокотемпературном расплаве соли.

1. Почему необходимо заменить старую схему «консистентная смазка + охлаждение подшипников холодной водой»

Традиционный подход, заключающийся в поддержании температуры в зоне подшипников в пределах, допустимых для консистентной смазки, является довольно прямолинейным методом. Однако в насосах для расплавленной с охлаждение не всегда полезно. Нижняя часть корпуса насоса находится в контакте с высокотемпературным расплавом, а верхняя подшипниковая камера охлаждается холодной водой, образуя между ними протяженную зону температурного перехода. Вал насоса, втулки вала, корпус подшипника, соединительная стойка, уплотнительная камера изготавливаются из разных материалов с разными коэффициентами теплового расширения. Хорошая соосность при холодной сборке не гарантирует ее сохранения в горячем состоянии. Более того, расплавленная соль имеет температуру застывания. Локальное понижение температуры может вызвать высаливание, кристаллизацию или затвердевание. Неправильное расположение охлаждающей воды может холодные точки в некоторых переходных зонах. Если расплав осядет на втулке вала, в уплотнительноймере, зазорах или в тупиковых зонах для выхода газа, последующий запуск и обслуживание станут очень сложными. Поэтому в конструкции насоса четвертого поколения мы стремимся минимизировать зависимость основной подшипниковой системы от консистентной смазки и внешней охлаждающей воды. Для конструкций, где возможно применение электромагнитных подшипников, подшипники больше не опираются на традиционный контактный износ, что теоретически позволяет значительно уменьшить проблемы износа и смазки. Для конструкций с высокотемпературными смачиваемыми подшипниками материалы подшипников и вкладышей адаптируются непосредственно к среде расплавленной соли, используя сам расплав для создания условий смазки и охлаждения. Однако это предъявляет высокие требования к материалам, зазорам, коэффициенту трения, скорости износа и контролю химического состава соли3.  Ядро насоса четвертого поколения: электромагнитный подвес, смачиваемые подшипники и встроенный двигатель    Ключевой особенностью насоса для расплавленной соли электромагнитным подвесом является минимизация механического контакта ротора во время работы с помощью активных магнитных подшип или электромагнитной опоры. Его преимущества очевидны: отсутствие проблемы старения консистентной смазки, характерной для традиционных подшипников качения, а также снижение износа подшипников и частоты технического обслуживания при высоких температурах. Это очень привлекательно для систем циркуляции расплавленной соли, работающих в непрерывном режиме в течение длительного времени. Однако электромагнитный подвес — это не просто установка магнитного подшипника. Ротор высокотемпературного насоса для расплавленной соли длинный, перепад температур велик, плотность и вязкость среды меняются с температурой. Процессы пуска, останова, нагрева и охлаждения могут приводить к различным состояниям роторной динамики. При проектировании необходимо учитывать критические частоты вращения, жесткость ротора, тепловой изгиб, резервные защитные подшипники, термостойкость датчиков, резервирование системы управления и способ безопасного опускания в случае потери питания.    Другое направление это встроенный двигатель, то есть создание более компактной герметичной конструкции, объединяющей двигатель и корпус насоса, что позволяет уменьшить длинный вал и количество внешних уплотнений. Если в насосе четвертого поколения используется высокотемпературный встроенный двигатель, необходимо решить три проблемы: обмотки высокотемпераного двигателя, изоляционные материалы обмоток и внутренние смачиваемые подшипники. Обычные обмотки и изоляционные системы двига не выдерживают длительного воздействия высоких температур вблизи насоса для расплавленной соли, поэтому требуются обмоточные материалы, изоляционные конструкции и схемы терморегулирования, подходящие для высокотемпературной среды.    Выокотемпературные смачиваемые подпники — еще один важный аспект. Раньше привыкли защищать подшипники маслом или консистентной смазкой. Теперь, когда вкладыши должны работать в среде расплавленной соли, необходимо заново проверять трение и износ материалов. Вкладыши, втулки вала, ступицы рабочих колес, дроссельные втулки и другие детали должны быть одновременно термостойкими, устойчивыми к коррозии расплавленной солью и обладать стабильными фрикционными характеристиками. Для погружных вкладышей мы уделяем особое внимание сочетанию материалов, твердости поверхности, адгезии покрытий, тепловому расширению зазоров, износу на этапе низкоскоростного пуска и влиянию загрязнений.

1. Испытания на коэффициент трения дисков и крупномасштабные испытания подшипников на трение — обязательная верификация для насоса четвертого поколения

При оценке насоса для расплавленной соли нельзя полагаться только на марку материала. Хорошие характеристики материала в воздухе при комнатнойтуре не гарантируют его надежность в расплаве соли при 550°C, 650°C или даже выше 700°C. При разработке насоса четвертого поколения мыляем больше внимания коэффициенту трения, скорости износа и совместному эффекту коррозии и износа в реальнойреде расплавленной соли. Например, испытания на коэффициент трения дисков, аналогичные тесту Pin-on-Disk, позволяют наблюдать изменение трения различных материалов вкладышей, втулок вала и покрытий в высокотемпературном расплаве соли. Регулируя нагрузку, скорость, температуру и состав соли, можно предварительно определить, какая группа материалов больше подходит для смачиваемых подшипников. Однако маломасштабные испытания не могут полностью имитировать работу реального насоса. Настоящий подшипник насоса для расплавленной соли испытывает совместное воздействие радиальных и осевых сил, тепловых деций, дисбаланса ротора и возмущений потока жидкости. Поэтому необходимы более крупномасштабные стенды для испытаний подшипников на трение с использованием вкладышей, втулок вала и скоростей, близких к реальным размерам. Мы будем уделять особое внимание износу при пусках и остановах, повышению температуры при установившейся работе, образованию солевой пленки, изменению зазоров отслаиванию материала и долговременной коррозии. Только после таких испытаний конструкция смачиваемых подшипников насоса четвертого поколения получит инженерное обнование.

1. Выбор материалов: высоконикелевые сплавы и стойкие к расплавленной соли покрытия как основа

Выбор материалов для насоса расплавленной соли не может следовать той же логике, что и для обычных химических насосов. Хлоридныелавы более агрессивны к материалам, и чем выше температура, тем осторожнее нужно подходить к выбору. При проектировании мы рассматриваем высоконикелевые сплавы, такие как Inconel 625, Hastelloy, никелевые сплавы, а также износо- и коррозионностойкие покрытия. Требования к материалам для различных частей, таких как рабочее колесо, корпус насоса, втулка вала, вкладыш подшипника, дроссельная втулка, защи гильза, неодинаковы. Рабочее колесо, постоянно погруженное в расплав, должно выдерживать эрозию потока, термические напряжения и коррозию. Для вкладыша и втулки вала более важны фрикционные характеристики. Защитнаяльза должна сочетать коррозионную стойкость, прочность, устойчивость к термической усталости и низкие потери на вихревые токи. Вал насоса должен обладать прочностью, жесткостью и устойчивостью к высокотемпературной ползучести. При комбинировании различных материалов необходимо также учитывать разницу в коэффициентах теплового расширения, иначе горячие зазоры будут отличаться от расчетных. Мы обычно не решаем проблему простым утверждением «использовать один высококачественный сплав для всего насоса». Действительно рациональный подход заключается в зональном выборе материалов в зависимости от рабочей температуры каждой детали, ее напряженного состояния, контакта с расплавом, наличия трения и восприятия давления. Это обеспечивает как надежность, так и контроль над производственными затратами.

1. Преимущества герметизирующей конструкции с магнитной муфтой в насосах для расплавленной соли

Самое страшное для насоса расплав соли — это утечка, особенно когда неконтролируемый контакт высокотемпературного расплава с воздухом, влагой или системой покровного газа приводит к кристаллизации, коррозии и рискам безопасности. Традиционные торцевые уплотнения хорошо зарекомендовали себя в обычных химических насосах, но в высокотемпературных насосах для расплавленной соли перед уплотнительными поверхностями, упругими элементами, вспомогательными уплотнительными кольцами и системами охлаждения и промывки встают серьезные вызовы. Преимущество насоса с магнитной муфтой заключается в возможности отказаться от вращающегося торцевого уплотнения. Внешний магнитный ротор приводится двигателем, внутренний магнитный ротор вращает рабочее колесо а между ними находится защитная гильза, обеспечивающая статическое уплотнение. Это позволяет передавать требуемый крутящий момент и одновременно уменьшить количество точек утечки через вращающиеся уплотнения. Для систем с расплавленной солью, требующих защиты покровным газом, герметичный насос с магнитной муфтой имеет дополнительное преимущество: он позволяет снизить расход покровного газа, уменьшить утечки газовой фазы и упростить контроль химического состава. Конечно, при использовании магнитной муфты также необходима тепловаяция. Необходимо рассчитывать характеристики магнитов при высокой температуре, нагрев защитной гильзы, потери на вихревые токи, ослабление крутящего момента и пути охлаждения. Для крупнотоннажных насосов расплавленной