ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В КОНДЕНСАЦИОННЫХ УСТАНОВКАХ

FEATURES OF PROCESSES OCCURING IN CONDENSING PLANTS

Ruslan Iliyev

 Master's student, Department of Heat & Power Units, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

Alexander Genbach

Supervisor, Dr. of Technical Sciences, prof, Department of Heat & Power Units, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

Из раздела термодинамики известно, что термический КПД паротурбинного цикла тем выше, чем ниже температура пара в конце расширения. Для получения низкой температуры в выпускном патрубке турбины, как следует из свойств водяного пара, давление должно быть ниже атмосферного, т.е. должен быть создан вакуум. Это достигается в результате конденсации отработавшего пара, охлаждаемого циркуляционной водой; образующийся конденсат откачивается насосами. При конденсации скрытую теплоту парообразования отработавшего пара принимает циркуляционная вода, температура которой возрастает.

ABSTRACT

From the section of thermodynamics it is known that the thermal efficiency of the steam turbine cycle is higher, the lower the steam temperature at the end of the expansion. To obtain a low temperature in the turbine outlet, as follows from the properties of water vapor, the pressure must be below atmospheric, i.e. a vacuum must be created. This is achieved by condensing the exhaust steam cooled by the circulating water; the resulting condensate is pumped out. During condensation, the latent heat of vaporization of the exhaust steam is taken by the circulating water, the temperature of which increases.

Ключевые слова: конденсационная установка, циркуляционная вода, паровоздушная смесь.

Keywords: condensing unit, circulating water, steam-air mixture.

Создание разрежения в конденсаторе обусловлено тем, что в объеме аппарата устанавливается некоторое равновесное давление между паром и конденсатом, определяемое температурой в этом объеме. Эта зависимость для насыщенного пара однозначна—каждой температуре конденсирующегося насыщенного пара соответствует определенное значение давления. Температура пара в объеме конденсатора формируется рядом параметров, определяющих эффективность его работы: температурой циркуляционной воды на входе в аппарат, расходами циркуляционной воды и пара, количеством воздуха в аппарате и др.

Весь объем конденсационной установки по эффективности процесса конденсации пара можно условно разделить на две зоны: зону массовой конденсации и зону охлаждения паровоздушной смеси [1].

Для зоны массовой конденсации характерно небольшое влияние содержания воздушных масс на температуру пара, в этой зоне конденсируется основная масса пара при незначительном изменении температуры [1].

Зона охлаждения паровоздушной смеси отличается не только более резким понижением температуры паровоздушной смеси, но и характером процесса теплоотдачи от смеси к охлаждающей воде; эта зона служит для завершения процесса конденсации и называется иногда также зоной воздухоохладителя [1].

Понижение парциального давления и температуры насыщенного пара из-за присосов воздушных масс и парового сопротивления конденсатора влечет за собой переохлаждение конденсата, под которым понимают разность температуры насыщенного пара при давлении паровоздушной смеси р_к на входе в конденсатор и температуры конденсата t_к при выходе из конденсатора, как правило, на входе в конденсатосборник [4].

При конденсации пара из паровоздушной смеси температура образовавшегося конденсата определяется не давлением смеси, а парциальным давлением конденсирующегося пара. Чем выше содержание воздуха в паровоздушной смеси, тем меньше парциальное давление пара р_п, а следовательно, и температура t_к образующегося конденсата. В зоне массовой конденсации пара переохлаждение также незначительно, а в зоне охлаждения паровоздушной смеси может достигать 6…7 С [2].

Переохлаждение конденсата зависит от конструкции конденсатора, его паровой нагрузки, температуры охлаждающей воды, воздушной плотности аппарата, а также эффективности работы эжектора. Переохлаждение конденсата без соответствующего снижения давления в горловине конденсатора означает уменьшение теплосодержания рабочего тела, поступающего в систему регенерации, а затем в паровой котел. Это приводит к дополнительным затратам топлива для достижения требуемых параметров свежего пара.

Основным отрицательным последствием переохлаждения образовавшегося конденсата является его насыщение кислородом, который способствует коррозии тракта конденсата от конденсатора до деаэратора; образовавшиеся продукты коррозии попадают также в парогенератор и в турбоагрегат, понижая их эффективную способность и отрицательно сказываются на надежности. Насыщение конденсата кислородом объясняется тем, что при охлаждении конденсата ниже температуры насыщения происходит интенсивное поглощение молекул кислорода из парогазовой смеси. Явление абсорбции кислорода в жидкую фазу начинается при конденсации пара на пленке конденсата, образующейся на охлаждаемых трубках [5].

Для того, чтобы свести к минимуму процесс переохлаждения конденсата современные конденсаторы выполняются регенеративными - в них конденсат, сливающийся с поверхности теплообмена в конденсатосборник, забирает тепло от встречного течения основного потока пара. Этой же цели служат различные конструктивные решения по компоновке трубных пучков конденсаторов (организация проходов пара в застойные зоны, установка различных направляющих щитов и устройств, разбрызгивающих конденсат при сливе его в конденсатосборник, и др.).

На основе длительного опыта проектирования и эксплуатации конденсаторов различных паровых турбин можно сформулировать основные принципы и рекомендации по проектированию высокоэффективных конденсаторов:

1. Рекомендуется равномерное распределение поступающего в конденсатор пара по его длине и открытой для доступа пара части периметра трубного пучка, что обеспечит лучшее использование площади охлаждения и сократит сопротивление устройства по пару. Это может быть достигнуто соответствующими геометрическими размерами и формой выходного патрубка турбоагрегата, а также организацией проходов для пара в трубном пучке конденсатора. Направление этих проходов должно быть учтено с аэродинамическими показателями парового потока, поступающего в трубный пучок из выхлопного патрубка турбины, а их размеры — обеспечить умеренные скорости пара в проходах [6].

2. Наличие проходов для пара и конструктивных разрывов между рядами трубок в пучке (например, в местах расположения перегородок в водяных камерах) не должно приводить к образованию островных пучков трубок, в которые по всему периметру может поступать снаружи пар, а внутри — образовываться застойные зоны. Для предотвращения этого рекомендуется установка в соответствующих местах заградительных перегородок (щитов).

3. В живом сечении трубного пучка на входе в зону интенсивной конденсации пара и в пределах этой зоны во избежание значительного умньшения давления пара его скорость на расчетном режиме (номинальном режиме работы турбины) должна быть ограничена 60—70 м/с. По тем же соображениям количество рядов трубок по пути движения парового потока от входа к выходу из этой зоны должно быть максимально-возможно маленьким. Понижение скорости пара на входе в трубный пучок может быть достигнуто возрастанием шага между трубками или увеличением протяженности доступного для поступающего пара периметра трубного пучка, а также организацией движения потока пара по более короткому пути — устройством каналов для отвода пара (паровоздушной смеси) из зоны массовой конденсации в зону воздухоохладителя [7].

4. Для более эффективного процесса охлаждения отсасываемой из конденсатора паровоздушной смеси и уменьшения содержания в ней пара скорость смеси в зоне воздухоохладителя должна быть повышена по сравнению с ее скоростью на выходе из зоны интенсивной конденсации. Это может быть достигнуто подбором живого сечения на входе и в пределах зоны воздухоохладителя, обычно отделяемого от остального пучка системой перегородок, а иногда — выполнением его с паровой стороны многоходовым. Скорость смеси, однако, не должна превышать 40—50 м/с, а длина пути ее движения быть чрезмерно большой, так как при этом отрицательное влияние роста парового сопротивления воздухоохладителя может свести на нет или даже превзойти положительный эффект, достигающийся в результате большего охлаждения паровоздушной смеси [5].

5. В воздухоохладитель должна поступать паровоздушная смесь в основном только из зоны интенсивной конденсации пара. Попадание в него через проходы в трубном пучке или зазоры между пучком и корпусом конденсатора части пара, не прошедшего через основную зону трубного пучка, должно быть максимально исключено, так как это существенно снижает эффективность воздухоохладителя. В последний может отводиться выпар из устройства для деаэрации конденсата, расположенного под трубным пучком или в деаэрационном конденсатосборнике.

6. В крупных конденсаторах с высоким трубным пучком целесообразно улавливание стекающего конденсата на двух–трех уровнях по высоте пучка при помощи перегородок или желобов, направляющих конденсат на трубные доски и промежуточные перегородки. При этом из-за освобождения от конденсатного дождя проходов для пара уменьшается паровое сопротивление аппарата [6].

При проектировании конденсаторов паровых турбин конструктор стремится соблюсти следующие основные требования, обеспечивающие, как правило, эффективность работы конденсационной установки в целом:

• высокая интенсивность процессов тепло- и массообмена в трубном пучке аппарата;
• сниженные массогабаритные характеристики аппарата и трудоемкость его изготовления;
• минимально возможные переохлаждение и кислородсодержание конденсата;
• низкое паровое сопротивление конденсатора;
• технологичность изготовления, сборки, транспортировки и монтажа аппарата на электростанции;
• простота и надежность эксплуатации всей конденсационной установки на различных режимах работы турбины.

Необходимо иметь в виду, что некоторые из этих требований противоречивы, например увеличение скорости пара, с одной стороны, интенсифицирует теплообмен при конденсации, а с другой — увеличивает паровое сопротивление трубного пучка аппарата; повышение надежности работы конденсаторов обеспечивается, как правило, за счет повышения трудоемкости их изготовления и др. Критерием оценки принимаемых конструктором решений для выполнения вышеуказанных требований обычно является опыт проектирования, испытаний и эксплуатации действующих конденсаторов паровых турбин [6].

Наиболее сложным вопросом, который приходится решать при проектировании конденсатора, является вопрос рационального проектирования и размещения поверхности охлаждения в корпусе конденсатора. С одной стороны, это определяется сложностью процессов, происходящих в развитых трубных пучках современных конденсаторов, а с другой — предопределяет массогабаритные характеристики аппарата, а также технологичность и трудоемкость его изготовления, сборки, транспортировки и монтажа на электростанции.

В конденсаторах современных паровых турбин соединение трубок с трубными досками обычно выполняется за счет развальцовки трубок. Исключение составляют отдельные специальные конденсационные установки, в которых для повышения надежности данного соединения используется последующая (после развальцовки) обварка или пайка концов трубок к трубным доскам (со стороны водяных камер).

Как показал опыт эксплуатации конденсаторов, метод развальцовки обоих концов трубок в трубных досках, при условии соблюдения тщательно отработанного технологического процесса, является надежным и удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к креплению и уплотнению трубок. Исключением является требование легкой замены трубок, вышедших из строя, так как при выемке развальцованной трубки в трубных досках всегда происходят повреждения. Обычно смена части или отдельных трубок производится после 7—8 летнего срока эксплуатации [3].

Несмотря на высокую плотность вальцованных соединений, обеспечиваемую при заводской сборке конденсаторов, в условиях эксплуатации надежность этого соединения со временем ослабевает от действия термических напряжений, вибрации трубок и других факторов. Поэтому в конденсаторах применяются особые конструктивные меры, уменьшающие присосы охлаждающей воды в паровое пространство, или такие устройства, которые способны предотвратить попадание солевых соединений в конденсат даже при неплотности вальцованного соединения.

Важной задачей при модернизации конденсационной установки является интенсификация процессов теплообмена. Одним из перспективных и эффективных способов является использование в теплообменных устройствах пористых элементов. Физическую основу этого способа составляет чрезвычайно высокая интенсивность теплообмена между проницаемой матрицей и протекающим сквозь нее теплоносителем, вследствие очень развитой поверхности ее соприкосновения.

Для расчета коэффициента теплообмена в конденсаторе с пористыми вставками a_к, воспользуемся критериальным уравнением [2]

.

Для процесса конденсации в качестве фитиля выбрана сетчатая пористая структура, составленная из трех слоев сетки из латуни с шириной ячейки 2dr = 0,28×10^-3 м (диаметр проволоки dr = 0,14×10^-3 м; толщина структуры δФ = 3×0,25-3 = 0,75×10^-3 м) [2].

Также зададимся начальными параметрами:

Распишем критерии подобия:

Выразим из полученного уравнения плотность теплового потока:

.

Из опытов принимаем t_ст.к ориентировочно на 8 °С меньше, чем t_п:

.

Таким образом, благодаря пористым структурам за счет увеличения коэффициента теплоотдачи обеспечивается высокая форсировка процесса теплопередачи и равномерное распределение температурных полей за счет фазового превращения.

Список литературы:

1. Руководящие указания по тепловому расчету поверхностных конденсаторов мощных турбин тепловых и атомных электростанций. М.: СТО Союзтехэнерго, 1982.
2. Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю., Илиев Р.А. Исследование теплообмена в конденсаторе паровых турбин с пористыми структурами. «СибАК», №4(174), Студенческий научный журнал, 2022, с. 23-28.
3. Бродов Ю.М. Родин В.Н. Ремонт паровых турбин. Учебное пособие. Екатеринбург: ГОУ УГТУ - УПИ, 2002. — 203 с.
4. Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 640с.
5. Костюк А. Г., Фролов В. В., Булкин А. Е., Трухний А. Д. Турбины тепловых и атомных электрических станций / Под ред. Костюка А. Г., Фролова В. В. — М.: Изд. МЭИ, 2001. — 488 с.
6. Кирсанов И.Н. Конденсационные установки. - М. - Л.: Энергия,1965, с.376.
7. Бененсон Е.И., Иоффе Л.С. Теплофикационные паровые турбины. – М.: Энергоатомиздат, 1986, с.272.