6.1. Совершенствование систем охлаждения конденсаторов С учетом неизбежного роста дефицита водных ресурсов проводятся исследования по разработке систем охлаждения конденсаторов с минимальной потребностью воды либо вообще безводных систем охлаждения. В общем случае системы охлаждения конденсаторов можно подразделить на мокрую (сбросная теплота передается холодному источнику посредством промежуточного водяного теплоносителя, сухую (сбросная теплота непосредственно передается холодному источнику) и гибридную (мокросухую) системы охлаждения. По мнению большинства специалистов, в условиях дефицита охлаждающей воды наиболее перспективными являются системы сухого и мокросухого охлаждения. В настоящее время именно такие системы охлаждения применены, заказаны или намечаются к установке на ТЭС, расположенных в маловодных районах ив районах непосредственной близости к источникам топлива (США, ФРГ, Франция, Нидерланды. В США, например, находится в эксплуатации энергоблок мощностью 330 МВт с воздушным конденсатором на ТЭС
"Wyodek" (система сухого охлаждения) и блок с гибридной
(мокросухой) охладительной башней на ТЭС "San Juan III". Для повышения охлаждающей способности сухой системы охлаждения в жаркое время года к ней обычно подключается
256
дополнительная система, содержащая элементы испарительного охлаждения. Рядом энергетических исследовательских центров США проводится комплексное исследование новой системы охлаждения, в которой промежуточным теплоносителем вместо воды служит аммиак, испаряющийся в поверхностном конденсаторе турбины и конденсирующийся затем в охладительной башне, где теплота конденсации передается наружному воздуху. Такая система обеспечивает существенное снижение затратна установку при незначительном возрастании затратна конденсатор. Однако в связи с токсичностью аммиака должны быть предусмотрены соответствующие меры безопасности. Разрабатывается и другой тип системы сухого охлаждения также с применением аммиака в качестве промежуточного теплоносителя для передачи теплоты от отработавшего в турбине пара к окружающей воздушной среде. Система представляет собой сборку заполненных аммиаком тепловых трубок, которые выполняют роль поверхности конденсатора, эффективно передавая теплоту конденсации на большую поверхность. Массачусетским технологическим институтом (США) разрабатывается конструкция охладителя, состоящая извращаю щихся дисков, наполовину погруженных в лотки с охлаждающей водой, покрытой масляной пленкой. Погруженные половины дисков нагреваются вводе, а затем охлаждаются в потоке воздуха. На рис. 6.1—6.6 в качестве примера представлен ряд принципиальных
схем различных систем охлаждения конденсаторов, активно разрабатываемых в настоящее время. На рис. 6.1 представлена система мокросухого охлаждения, включающая поверхностный конденсатор 1, независимые трубные пучки 2 и 3 которого с помощью трубопроводов 4 и 5 с регулирующей и запорной арматурой подключены соответственно к мокрой 6 и сухой 7 градирням. Наличие вспомогательных трубопроводов 12, насосов 8, 9, 10, 11 и емкости 13 позволяет регулировать теплопроизводительность каждой градирни в зависимости от температуры окружающей среды. У каждой из градирен предусмотрена механическая тяга 14. На рис. 6.2 представлена система мокросухого охлаждения, использующая в качестве промежуточного теплоносителя для сухой градирни низкокипящее вещество, например аммиак. В этой схеме между трубным пучком 2 и сухой градирней 4
257
Рис. 6.1. Система мокросухого охлаждения конденсатора (обозначения см. в тексте) Рис. 6.2. Система мокросухого охлаждения конденсатора с низкокипящим веществом в качестве промежуточного теплоносителя (обозначения см. в тексте) установлен сепаратор 5 для разделения парожидкого потока аммиака на выходе из трубного пучка 2 и подачи жидкого аммиака по трубопроводу 6 на вход трубного пучка 2. Конденсатор выполнен двухсекционным, в каждой из секций размещено по одному трубному пучку 2 и 3, и каждый пучок автономно подключен соответственно к сухой и мокрой градирням. На рис. 6.3 представлена система охлаждения с параллельным подключением мокрой и сухой частей гибридной градирни. Водном корпусе 1 размещены сухая часть 2 и мокрая часть 3. Сухая часть 2 выполнена в виде нескольких рядов
258
Рис. 6.3. Система охлаждения конденсатора с параллельным подключением мокрой и сухой частей гибридной градирни (обозначения см. в тексте) труб 4, равномерно размещенных в верхних воздухоотводных окнах 5. Мокрая часть 3 представляет собой градирню испарительного типа, размещенную в нижней части корпуса 1. Вода, нагретая в конденсаторе 6, поступает по трубопроводами параллельными потоками всухую и мокрую 3 части градирни. Охлаждение воды происходит параллельными потоками воздуха, поступающими в корпус 1 соответственно через верхние
5 и нижние 9 воздуховодные окна. Для уменьшения потерь охлаждающей воды над разбрызгивающими устройствами 10 части 3 размещен водоуловитель 11. После охлаждения в градирне вода по трубопроводу 12 возвращается в конденсатор. Наличие запорно-регулйрующей арматуры 13 позволяет регулировать теплопроизводительность частей 2 ив зависимости от метеорологических условий окружающей среды. Показанные выше системы мокросухого охлаждения могут работать в двухосновных режимах. В первом режиме предусматривается работа мокрой градирни в течение минимального времени. По мере снижения температуры наружного воздуха расход охлаждающей воды на мокрую градирню уменьшается. Второй режим предусматривает непрерывную работу мокрой градирни до тех пор, пока не будет достигнута температура
259
наружного воздуха, при которой расчетный вакуум может быть обеспечен работой только сухой градирни. При достижении этой температуры мокрая градирня отключается, а тепловая нагрузка полностью передается на сухую градирню.
Мокросухие системы, работающие в первом режиме, позволяют сэкономить больше воды при большей потере энергии, а системы, работающие повтором режиме, больше экономят энергии за счет больших потерь воды на испарение. В системах сухого охлаждения можно выделить две принципиально отличные друг от друга схемы прямого и косвенного охлаждения. На рис. 6.4 представлена схема прямого сухого охлаждения с полным орошением теплообменной поверхности. Система содержит коллекторы 1, снабженные вертикально установленными тепловыми трубами 2,
каждая из которых заполнена теплоносителем, например аммиаком, передающим тепловую энергию от отработавшего в турбине пара 3 окружающей среде. Испарительные части тепловых труб размещены в паровых коллекторах 1, а конденсирующие 4 установлены вертикально снаружи с образованием нескольких рядов теплообменных поверхностей, орошаемых водой сверху и сбоку по направлению движения охлаждающей среды. Вода после орошения теплообменной поверхности собирается в емкости 5 и насосом 6 по трубопроводам 7 через разбрызгивающие устройства 8 вновь подается на теплообменную поверхность, образованную конденсирующими частями тепловых труби размещенными на них ребрами. При орошении теплообменной поверхности происходит конвективно-испарительная передача теплоты от труб 2 к ребрам, затем к водяной пленке к омывающему поверхность теплообмена воздуху. На рис. 6.5 показана схема конденсатора с воздушным охлаждением. Пар, отработавший в турбине 1, по паропроводу
2 поступает в коллектора затем в охлаждающие элементы 4 воздушного конденсатора 5. Образовавшийся в охлаждающих элементах конденсат по трубопроводу 6 поступает в конден- сатосборник 7, из которого насосами 8 по трубопроводу 9 возвращается в паровой контур электростанции. Часть конденсата после насосов 8 поступает в испаритель 10, в который встроен трубный пучок 11, соединенный трубопроводами 12 с системой охлаждения основного оборудования электростан-
260
Рис. 6.4. Схема прямого сухого охлаждения конденсатора с полным орошением теплообменной поверхности (обозначения см. в тексте)
261
Рис. 6.5. Схема воздушного охлаждения конденсатора (обозначения см. в тексте) ции (например, электрогенератора. Пар, образовавшийся в испарителе 10, поступает в паропровод 2. На рис. 6.6 представлен пример схемы косвенного сухого охлаждения с пиковым охладителем. Отработавший в турбине пар по трубопроводу 1 поступает в поверхностный конденсатор 2. Теплота конденсации воспринимается промежуточным теплоносителем и передается воздушной окружающей среде в двух, размещенных в вытяжной башне 3, воздушных теплообменниках 4 и 5, которые с помощью трубопроводов 6 и 7 и арматуры 8, 9 соединены параллельно. Охлажденный в башне 3 промежуточный теплоноситель по трубопроводу 10 возвращается в конденсатор 2. Циркуляция промежуточного теплоносителя между конденсатором и теплообменниками 4 и 5 обеспечивается насо-
262
Рис. 6.6. Схема косвенного сухого охлаждения конденсатора с пиковым охладителем обозначения см. в тексте) сом 11, установленным на трубопроводе 10. В период максимума электрической нагрузки для поддержания номинального противодавления на турбине открывается задвижка 12, и часть пара поступает в поверхностный пиковый охладитель 13. Охлаждение и конденсация пара в охладителе 13 обеспечиваются холодным теплоносителем, накопленным в нижней части емкости 14. Нагретый в охладителе 13 теплоноситель по трубопроводу 15 возвращается в верхнюю часть емкости 14. В период провала электрической нагрузки горячий теплоноситель из емкости 14 по трубопроводу 16 поступает в водо- водяной теплообменник 17; теплообменник 5 при помощи арматуры 8 и 9 отключается от теплообменника 4, и охлаждение горячего теплоносителя в теплообменнике 17 обеспечивается промежуточным теплоносителем, хранящимся в баке 18 и циркулирующим между теплообменниками 17 и 5 при помощи насоса 19.
6.2. Применение вертикальных модульных конденсаторов Вертикальная трубка в сравнении с горизонтальной сточки зрения теории теплообмена имеет более низкий коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке. Однако
263
общая эффективность развитого трубного пучка определяется конкретными условиями тепло- и массообмена в различных его зонах, которые, в свою очередь, зависят от большого числа факторов и параметров. Вертикальный трубный пучок конденсатора по сравнению с горизонтальным в общем случае имеет как преимущества, таки недостатки. К преимуществам можно отнести, например, облегчение в решении вопросов компоновки турбоуста- новки в целом (возможность применения модульных блоков, а также ряд эксплуатационных удобств. К недостаткам например, возможность более сильного переохлаждения конденсата и ухудшения его деаэрации. В США в х годах было построено 12 турбоагрегатов мощностью от 15 до 208 МВт с вертикально расположенными конденсаторами. Применение таких конденсаторов было вызвано потребностью меньшей площади машинного зала для их размещения по сравнению с горизонтальными конденсаторами. В настоящее время рядом отечественных и зарубежных турбинных заводов вновь начата проработка вариантов применения вертикальных конденсаторов. Возвращение к такому варианту расположения конденсаторов определяется прежде всего трудностями, возникающими при компоновке турбоагрегатов большой единичной мощности (с большой поверхностью теплообмена. Наиболее перспективной в этом направлении является разработка ХТЗ с рядом организаций вертикальных модульных конденсаторов для низкооборотной турбины АЭС мощностью примерно 2000 МВт. Конструктивная схема одного блока-модуля представлена на рис. 6.7. Жесткость блока обеспечивается наружной обшивкой, скрепляющей трубные доски и промежуточные перегородки (с паровой стороны) с одной из боковых сторона также с тыльной стороны пучка. С двух других сторон (фронтальной и боковой) перегородки скреплены при помощи стержней. Конденсатор выполнен из трех транспортабельных блоков, которые соединяются между собой на монтаже при помощи сварки. Конденсатор двухходовой — подводи слив охлаждающей воды осуществляются в нижней водяной камере, разделенной перегородкой на два отсека. В промежуточных перегородках выполнены окна для выравнивания давления пара по высоте пучка. По периметру окон предусмотрена приварка буртиков,
264
Рис. 6.7. Конструктивная схема одного блока-модуля вертикального конденсатора
265
которые служат для предотвращения слива конденсата на нижележащие уровни. Конденсат отводится к
задней стенке и сбрасывается вниз по каналам, проложенным вдоль нее, и далее по специальному коробу отводится в деаэрационное устройство, расположенное в нижней части (подводя ной камерой. В каждом блоке-модуле размещено четыре трубных пучка (рис. 6.8), каждый из которых имеет собственный воздухоохладитель, что улучшает условия отвода неконденсирующихся газов. Одной из конструктивных особенностей данного конденсатора является система удаления в нем конденсата. Конденсат, образующийся на трубках, стекает по ним вниз и улавливается промежуточными перегородками. Чтобы избежать попадания конденсата на поверхность трубок нижележащих отсеков, перегородки или весь корпус устанавливаются с некоторым уклоном (примерно 5:1000), обеспечивающим отвод конденсата к задней стенке корпуса, вдоль которой по специальным каналам он опускается вниз и выводится за пределы парового пространства конденсатора. Предлагаемая конструктивная схема выполнения и расположения вертикального конденсатора, по мнению разработчиков, обеспечит возможность размещения необходимой поверхности охлаждения конденсатора при ограниченных осевых габаритах ЦНД; выемку трубок конденсатора вверх, что исключает необходимость резервирования площади машинного зала для этих целей и облегчает размещение оборудования в непосредственной близости от турбины
266 Рис. 6.8. Компоновка трубного пучка вертикального конденсатора (половина блока- модуля)
возможность компоновки поверхности охлаждения конденсатора из блоков-модулей, изготовленных в условиях специализированного производства, что позволит сократить сроки и трудоемкость монтажных и ремонтных работ на электростанции равномерный подвод пара к трубным пучкам конденсатора. Одним из возможных направлений повышения тепловой эффективности вертикальных модульных конденсаторов разработчики рассматривают применение в них профилированных труб (см. ниже.
6.3. Интенсификация теплообмена в конденсаторах Интенсификация процесса теплообмена в конденсаторах является одним из основных направлений совершенствования конденсационных установок паровых турбин. В связи с этим
УПИ выполнено расчетное исследование коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи в конденсаторах паровых турбин различных турбинных заводов. Целью исследования являлось определение возможных направлений при разработке (выборе) методов интенсификации теплообмена. При этом использовались значения коэффициентов теплопередачи в конденсаторах (для технически чистой воды и допустимых нормами
ПТЭ содержаниях воздуха в паре) согласно данным [43, 56]. Как показали расчеты, процесс теплообмена практически во всех конденсаторах турбин мощностью 100—800 МВт при указанных выше условиях лимитируется теплоотдачей с паровой стороны, уровень которой в среднем на 25—30% ниже, чем по водяной стороне аппаратов. Полученные результаты показали, что для конденсаторов при технически чистой воде и допустимых нормами ПТЭ содержаниях воздуха в паре) повышение эффективности работы может быть достигнуто прежде всего за счет интенсификации теплообмена с паровой стороны аппаратов. Необходимо также учитывать, что загрязнение конденсаторов в условиях эксплуатации может выровнять уровни теплоотдачи по паровой и водяной сторонам при повышенном загрязнении поверхности охлаждения и высокой температуре охлаждающей воды процесс теплообмена будет лимитироваться водяной стороной аппаратов. Применение профилированных трубок рассматривается в настоящее время как одно из наиболее перспективных на
1 Рис. 6.9. Общий вид профильных труб
а—профильная витая труба 6— профильная кольцевая труба правлений повышения эффективности энергетических теплообменных аппаратов, в том числе конденсаторов паровых турбин [19, 25, 31]. На рис. 6.9 показан общий вид наиболее исследованных профильных витых трубок и профильных кольцевых трубок. Эти трубки изготавливаются из обычных гладких труб при обкатке их на специальных прокатных станах методом безоправного волочения. Поверхность трубок представляет собой дискретное чередование выступов и впадин, выполненных либо по винтовой линии, либо перпендикулярно оси трубки. Эффективность применения профильных витых и профильных кольцевых трубок определяется возможностью интенсификации теплообмена как со стороны конденсирующегося пара, таки охлаждающей воды. Интенсификация теплообмена с паровой стороны определяется изменением гидродинамики пленки конденсата на профилированной поверхности трубки — уменьшением за счет сил поверхностного натяжения средней толщины пленки конденсата, изменением траектории ее движения и турбулиза- цией. Интенсификация с водяной стороны также определяется изменениями в гидродинамике потока — нарушением упорядоченного течения жидкости в вязком подслое за счет его турбулизации и закрутки. Гидравлическое сопротивление профильных витых и профильных кольцевых трубок выше, чему гладких трубок, что требует соответствующего увеличения мощности на прокачку теплоносителя через них. На рис. 6.10 в качестве примера представлены расчетные и осредненные опытные данные по эффективности применения профильных витых трубок в ряде конденсаторов паровых турбин на номинальном режиме их работы. Наблюдения эксплуатационного персонала подтверждают результаты промыш-
268
Рис. 6.10. Эффективность применения профильной витой трубы в конденсаторах паровых турбин
I - ПТ-25-90/10, ТЭЦ Ленэнерго; II- Т, ТЭЦ Мосэнерго;
III— ПТ-12-35/10, Камышинская ТЭЦ IV— К, Кураховская ГРЭС V— К Свердловская ТЭЦ расчетные данные 2— осредненные опытные данные а — изменение коэффициента теплопередачи б — изменение гидравлического сопротивления ленных испытаний. Гарантированный эффект увеличения коэффициента теплопередачи в конденсаторах с профильными витыми трубками при рационально выбранной геометрии трубок и соответствующих нормам ПТЭ условиях эксплуатации, по мнению большинства специалистов, составляет 15—
20%. При оценке конечного эффекта от применения различно профилированных трубок необходимо также учитывать стоимость их изготовления, эксплуатационные характеристики (за- грязняемость, возможность очистки известными методами, а также показатели надежности (коррозионная стойкость, прочностные и вибрационные характеристики и т. д. Решение вопроса о целесообразности применения профилированных трубок в конденсаторе конкретной турбины и выборе наиболее эффективной геометрии их профилирования должно производиться только на основе всестороннего технико-экономическо¬ го анализа для всей турбины (турбоустановки) — см. §6.4. Известно [34, 35], что при капельной конденсации чистого водяного пара теплоотдача может быть во много (2—10) раз
269
больше, чем при пленочной. Это объясняется тем, что пленка конденсата обладает большим термическим сопротивлением передаче освобождающейся теплоты фазового перехода от поверхности конденсации к стенке. При капельной конденсации в силу разрыва пленки это сопротивление гораздо меньше. Капельная конденсация имеет местно, если конденсат не смачивает поверхность теплообмена. В этом случае стенка покрыта отдельными каплями малого размера (менее 1 мм, которые в процессе
конденсации растут как сами по себе, таки за счет слияния друг с другом. Поверхность между каплями, составляющая до 50% от всей поверхности теплообмена, покрыта ультратонкой (порядка 1 мкм) пленкой конденсата, имеющей очень незначительное термическое сопротивление. При капельной конденсации силы межмолекулярного сцепления (когезии) конденсата больше сил притяжения (адгезии) конденсата к поверхности. Благодаря действию сил межмолекулярного сцепления, жидкость стремится занять минимальный объем, те. принять сферическую форму. Достигнув некоторого критического размера, капли под действием силы тяжести скатываются срываются) с поверхности, освобождая последнюю для образования новых капель. В общем случае несмачиваемость металлической поверхности и организация на ней капельной конденсации могут быть получены одним из следующих способов нанесением на поверхность трубок органических гидрофобизаторов, неорганических соединений, ультратонкого слоя благородных металлов или тонкой пленки полимеров, а также периодической или непрерывной инжекцией стимулятора капельной конденсации в рабочее тело цикла либо обработкой поверхности труб дисульфидами. К недостаткам отдельных из вышеперечисленных способов следует отнести высокую токсичность, наличие в составе используемых веществ ряда редких элементов, дороговизну и сложность технологии нанесения вещества также постепенное старение и механический унос покрытий и др. Осаждение на покрытиях различных примесей, содержащихся в паре, приводит к их гидрофилизации и, как следствие, к резкому снижению эффективности теплообмена. Основным недостатком большинства из вышеперечисленных способов организации капельной конденсации является ограниченный срок их действия время жизни.
270
Как показывает анализ состояния вопроса поданному направлению исследований, наиболее перспективным является направление по применению стимуляторов капельной конденсации, созданных на базе дисульфидов. Было установлено, что в результате химической реакции дисульфида с металлом получается прочная гидрофобная пленка мономолекулярной толщины.
УПИ при участии НПО ЦКТИ и ряда других организаций на базе дисульфидов синтезирован высокоэффективный стимулятор капельной конденсации (полифторалкилдисульфид), который позволяет создать режим капельной конденсации водяного пара на медесодержащих поверхностях (например, сплав МНЖ-5-1) и при однократной обработке им поверхности теплообмена поддерживать его в течение длительного времени (свыше 4500 ч. Разработана и прошла апробацию технология нанесения данного стимулятора.
Поданным авторов разработки, коэффициент теплопередачи в опытном (модельном) конденсаторе, испытанном в условиях ТЭС с использованием вышеназванного стимулятора капельной конденсации, на 25—40% выше, чем в этом же конденсаторе при пленочном режиме конденсации. Применение капельной конденсации, несомненно являясь одним из наиболее перспективных направлений интенсификации теплообмена при конденсации пара, требует продолжения исследований как в стендовых условиях, таки особенно в реальных условиях эксплуатации. Одним из способов повышения эффективности конденсаторов с горизонтальными трубными пучками является разработка конструктивных мероприятий, направленных на устранение заливания конденсатом нижележащих трубок. Наиболее простым решением этого вопроса является наклон трубного пучка к горизонту [75]. При наклоне трубки к горизонту происходит изменение характера течения конденсатной пленки по наружной поверхности трубок, где образуются две характерные зоны течения конденсата основная зона и поддонный слой (рис. 6.11). В верхней части периметра слабонаклоненной к горизонту трубки (основная зона) течение пленки конденсата происходит преимущественно в поперечном к трубке направлении. Режим течения в этой зоне является ламинарным. Поддонный слой
(60 ° периметра) формируется под трубкой благодаря действию сил поверхностного натяжения. При отклонении трубки от
271
Рис. 6.11. Схема течения конденсата по поверхности наклонной трубы
1 — труба 2— пленка конденсата 3— промежуточные перегородки а — основная схема б поддонный слой горизонтального положения конденсат в зоне поддонного слоя течет вдоль трубки. В поддонном слоев зависимости от угла наклона и паровой нагрузки, наблюдаются различные режимы течения. Установлено, что при наклоне трубного пучка к горизонту, начиная с 3—4° при удельных паровых нагрузках до 100 кг/(м
2
*ч), обеспечивается безотрывное стекание конденсата по трубкам между соседними перегородками и заливание конденсатом нижерасположенных трубок устраняется. Тепловые испытания наклонных пучков с различным числом рядов по глубине позволили оценить долю влияния на теплообмен со стороны конденсирующегося пара как турбулизации поддонного слоя, таки устранения заливания. Поданным, суммарный эффект интенсификации теплообмена при углах наклона к горизонту 2—15° составил от 8% трехрядный пучок) до 25% (двенадцатирядный пучок. Опыты проводились в диапазоне скоростей пара 0—40 мс. Необходимо иметь ввиду, что не все специалисты однозначно высказываются в пользу применения наклона конденсаторов паровых турбин. Поданным ВТИ, например, безотрывный сток конденсата по трубкам от перегородки до перегородки, устраняющий или уменьшающий за счет наклона трубного пучка натекание конденсата с верхних рядов трубок в пучке на нижние, действительно может приводить при некоторых условиях к повышению коэффициента теплоотдачи с паровой стороны. Но это повышение существенно зависит от режимных условий и геометрических параметров пучка, а главное — оно подтверждается опытами лишь для небольших трубных пучков. Наклон трубных пучков в настоящее время реализован в конденсаторах турбин К и К ЛМЗ (см. §3.3). Поданным завода, испытания этих конденсаторов в различных условиях эксплуатации показали, что значения коэффициентов теплопередачи в них
хорошо согласуются с расчетными значениями, а тепловые нагрузки распределены по трубному пучку достаточно равномерно. Наклон трубного пучка конденсатора с целью интенсификации теплообмена реализован [75] также в паротурбинной установке ОК-18ПВ КТЗ.
Скачать 1.86 Mb.