Бродов - КОНДЕНСАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ ПАРОВЫХ ТУРБИН. Энергетика и энергомашиностроение и специальности Турбостроение москва энергоатомиздат 1994 ббк 31. 363 Б
 Скачать 1.86 Mb.
|
|
1.3. Общие представления о процессах, происходящих в конденсаторе Создание разрежения в конденсаторе определяется 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 пар соответствует определенное значение давления (см. Приложение. Температура пара в объеме конденсатора формируется рядом параметров, определяющих эффективность его работы температурной циркуляционной воды на входе в аппарат, расходами циркуляционной воды и пара, количеством воздуха в аппарате и др. (см. §1.4). Одним из основных параметров в этом ряду является температура воды на входе в конденсатор. Это определяется тем, что в некотором "идеальном" конденсаторе (G B = F = ; Dвозд = 0) в пределе наиболее низкая температура пара в объеме аппарата должна равняться температуре охлаждающей воды на входе в аппарат. При применяемых в конденсационных установках температурах охлаждающей воды, а также расходах воды и пара равновесное давление в объеме конденсатора значительно ниже барометрического, те. в объеме конденсатора создается разрежение. Последнее определяется тем, что удельный объем насыщенного пара значительно больше удельного объема воды конденсата чем сильнее будет охлажден пар в объеме конденсатора (чем ниже его температура, тем больше образуется конденсата и тем ниже будет давление. Например, при температуре насыщения t н С удельный объем образующегося конденсата враз меньше, чем объем насыщенного пара при этом в объеме конденсатора устанавливается равновесное давление р к =5 кПа (см. Приложение. Большинство современных паровых турбин работает с давлением в конденсаторе 3—6 кПа. Вопросы выбора давления в конденсаторах паровых турбин рассматриваются в §1.7. Присутствие в паровом пространстве конденсатора воздуха существенно ухудшает условия теплообмена между конденсирующимся паром и охлаждающей водой, приводит к росту парового сопротивления конденсатора, снижению температуры пара в конденсаторе и, как следствие, к переохлаждению конденсата. Значительные присосы воздуха, кроме того, приводят к снижению деаэрирующей способности конденсатора и повышению насыщения конденсата кислородом. Повышение содержания кислорода в питательной воде, в свою очередь, увеличивает коррозию тракта от конденсатора до деаэратора. Рассмотрим влияние присосов воздуха на распределение парциальных давлений в конденсаторе. Предположим, что в конденсатор при установившемся режиме поступает D K пара и воздуха Dвозд при давлении в переходном патрубке конденсатора р к . Давление в конденсаторе р к согласно закону Дальтона равняется сумме парциальных давлений пар р п и воздуха р возд : 20 Используя уравнение состояния для каждого компонента паровоздушной смеси , для водяного пара это не совсем точно, но погрешность незначительна, и принимая, что а где V — удельный объем, получаем Отношение газовых постоянных , введя относительное массовое содержание воздуха , получим Как следует изданной зависимости, с ростом содержания воздуха в паре парциальное давление пара уменьшается. Однако, даже при , что существенно ниже допустимых норм, разница в давлениях р к и р п незначительна. Например, при к кПа и получаем (р к — р п )=0,064 кПа. Рис. 1.10 качественно иллюстрирует изменение параметров паровоздушной смеси в конденсаторе на пути его движения от входного патрубка (горловины) до патрубка отсоса смеси за воздухоохладителем. При входе в конденсатор относительное содержание воздуха мало (например, поданным ВТИ в конденсаторе турбины К не превышает 0,3 кг/ч, что при номинальном расходе пара п т/ч соответствует значению В связи с этим парциальное давление пара р п , подсчитанное по (1.3), практически оказывается равным давлению р к (риса. По мере движения паровоздушной смеси от входного патрубка конденсатора к патрубку отсоса паровоздушной смеси пар конденсируется, а относительное содержание воздуха ε растет и на входе в эжектор может достигать 60—70%. Парциальное давление пара р п в соответствии спадает. Градиент давлений паровоздушной смеси между входом в конденсатор (горловина) 21 Рис. 1.10. Изменение параметров паровоздушной смеси в объеме конденсатора а — изменение парциального давления пара р п и давления в конденсаторе р к ; б — изменение температуры пара р п и относительного содержания воздуха ε; 0 — вход в конденсатор 1 — начало зоны воздухоохладителя; 2— отсос паровоздушной смеси и выходом из него (патрубок отсоса смеси) называется ПАРОВЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ конденсатора На рис. б представлена качественная зависимость изменения температуры пара пи относительного содержания воздуха ε в конденсаторе. По мере конденсации пара из паровоздушной смеси температура пара в конденсаторе уменьшается, так как снижается парциальное давление насыщенного пара. Это определяется наличием в паре воздуха и возрастанием его относительного содержания в паровоздушной смеси, а также наличием у трубного пучка конденсатора парового сопротивления и снижением общего давления паровоздушной смеси. Весь объем конденсатора сточки зрения эффективности конденсации пара можно условно разбить на две зоны (рис. 1.10): зону массовой конденсации и зону охлаждения паровоздушной смеси. Зона массовой конденсации (зона 0—1) характеризуется слабым влиянием содержания воздуха на температуру пара, в этой зоне конденсируется основная масса пришедшего в конденсатор пара при незначительном изменении температуры. Зона охлаждения паровоздушной смеси (зона 1—2) характеризуется не только более резким понижением температуры паровоздушной смеси, но и характером процесса теплообмена от 22 смеси к охлаждающей воде эта зона служит для завершения процесса конденсации и называется иногда также зоной воду- хоохладителя. Следствием понижения парциального давления и температуры насыщенного пара из-за присосов воздуха и парового сопротивления конденсатора является переохлаждение конденсата, под которым понимают разность температуры насыщенного пар п при давлении паровоздушной смеси р к на входе в конденсатор и температуры конденсата t K при выходе из конденсатора, как правило, на входе в конденсатосборник (рис. 1.10): 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 в соответствии с формулой (1.3) парциальное давление пара па следовательно, и температура t K образующегося конденсата. В зоне массовой конденсации пар, где ε мало, переохлаждение также незначительно, а в зоне охлаждения паровоздушной смеси может достигать 6—7 С. Пример 1.1. Оценить переохлаждение конденсата, образовавшегося из паровоздушной смеси в зоне ее отсоса из конденсатора (зона воздухоохладителя), при давлении смеси р' к= 4 кПа и относительном содержании воздуха ε=0,7. По таблицам водяного пара находим, что давлению 4 кПа соответствует температура насыщения t н С. Парциальное давление пара согласно формуле) Соответствующую этому давлению температуру конденсата находим по таблицам водяного пара t к С. Тогда переохлаждение составит Переохлаждение конденсата зависит от конструкции конденсатора, его паровой нагрузки, температуры охлаждающей воды, воздушной плотности аппарата, а также эффективности работы эжектора. Переохлаждение конденсата без соответствующего 23 снижения давления в горловине конденсатора означает уменьшение энтальпии рабочего тела, поступающего в систему регенерации, а затем в паровой котел (парогенератор. Это приводит к дополнительным затратам топлива для получения необходимых параметров свежего пара. Основным отрицательным последствием переохлаждения образовавшегося конденсата является его насыщение кислородом, который вызывает и активизирует коррозию тракта конденсата от конденсатора до деаэратора; продукты коррозии попадают также в паровой котел ив турбину, снижая их эффективность и надежность. Насыщение конденсата кислородом объясняется тем, что при охлаждении конденсата ниже температуры насыщения происходит интенсивное поглощение кислорода из парогазовой смеси. Процесс абсорбции кислорода в жидкую фазу начинается при конденсации пара на пленке конденсата, образующейся на охлаждаемых трубках. Для сведения до минимума переохлаждения конденсата современные конденсаторы выполняются так называемого регенеративного типа — в них основной поток пара подогревает конденсат, сливающийся с поверхности теплообмена в конден- сатосборник. Этой же цели служат различные конструктивные решения по компоновке трубный пучков конденсаторов (организация проходов пара в застойные зоны, установка различных направляющих щитов и устройств, разбрызгивающих конденсат при сливе его в конденсатосборник, и др. Более подробно описание конструктивных решений различных конденсаторов рассмотрено в гл. 3. 1.4. Основные параметры, определяющие эффективность работы конденсатора Основным показателем эффективности работы конденсатора является давление пара р к в его переходном (входном) патрубке горловине. В технической литературе ив эксплуатационной практике ПТУ широко применяется термин РАЗРЕЖЕНИЕ ИЛИ ВАКУУМ V, те. разность между барометрическим давлением В и давлением пара в конденсаторе 24 Вакуум V обычно выражается в процентах барометрического давления Исследования ВТИ показали, что эффективность работы конденсационной установки практически не зависит от барометрического давления и поэтому значение давления пара р к однозначно характеризует эффективность работы конденсатора (конденсационной установки в целом) и условия работы паровой турбины в части ее противодавления. Как показано выше (см. § 1.3), давление в конденсаторе р к однозначно определяется температурой насыщения t н, соответствующей этому давлению. Рассмотрим от каких параметров зависит эта температура. В конденсаторе, имеющем площадь поверхности теплообмена (охлаждения F, при расходе через него охлаждающей воды Ввода нагревается на и недогревается до температуры насыщения на Таким образом, температура насыщения (см. рис. 1.1) определяется Данная зависимость является основополагающей для анализа эффективности работы конденсатора и всей конденсационной установки в целом как на номинальном, таки переменном режимах работы турбины (турбоустановки). Температура охлаждающей воды на входе в конденсатор t lB зависит от географического месторасположения электростанции, времени года и системы водоснабжения. Сводные данные по среднегодовым температурам воды в различных географических районах приведены в табл. 1.2. При проектировании 25 турбин с учетом того, что они могут устанавливаться в самых различных районах страны, среднегодовую расчетную температуру охлаждающей воды обычно принимают из следующего ряда для ТЭС и АЭС — 10, 12, 15 или 20 С, а для ТЭЦ и АТЭЦ — 20 или 27 С. При этом необходимо иметь ввиду, что при рассмотрении переменного режима работы турбины выполняются расчеты и на более широкий диапазон температур 2-30 СВ отдельных случаях, например при последовательном соединении конденсаторов по охлаждающей воде или при оборотной системе водоснабжения с градирнями, температура воды на входе, в конденсатор может достигать 40 С. Таблица 1 2. Среднегодовые температуры охлаждающей воды в зависимости от системы технического водоснабжения и географического месторасположения электростанции,°С Географический район Средняя полоса европейской части России Юг европейской части России Урал и Сибирь Средняя Азия Прямоточная система водоснабжения 10-12 10-12 6 - 1 0 8 - 1 5 Оборотная система водоснабжения с прудами-охла¬ дителями 15-20 15-20 12-15 13—18 с градирнями или брызгальными бассейнами 18-22 20-24 18-22 20-26 Нагрев охлаждающей воды в конденсаторе Δt можно определить из уравнения теплового баланса для аппарата [14, 16, 35, 41] где D K — расход пара в конденсатор h п h K — энтальпия пара и конденсата соответственно G B — расход охлаждающей воды через конденсатор с — теплоемкость воды при постоянном давлении. Отношение расхода охлаждающей воды к расходу поступающего в конденсатор пара называется КРАТНОСТЬЮ ОХЛАЖДЕНИЯ 26 Это соотношение показывает, какое количество воды необходимо для конденсации 1 кг пара. Кратность охлаждения выбирается на основе технико-экономического анализа для ПТУ в целом. При этом учитывается, что увеличение m, с одной стороны, означает углубление вакуума в конденсаторе, ас другой требует больших капитальных вложений в систему водоснабжения электростанции (больше расход охлаждающей воды, больше мощность циркуляционных насосов и др. Выбор кратности охлаждения взаимосвязан и с конструкцией конденсатора, в частности с числом ходов воды в аппарате, а также со схемой включения конденсатора поводе (табл. 1.3). Таблица 1.3. Значения кратности охлаждения и нагрева охлаждающей воды в конденсаторах современных паровых турбин Число ходов охлаждающей воды в конденсаторе Одноходовой Двухходовой Трех- и четырехходовой Кратность охлаждения, кг/кг 80-120 50-70 4 0 - 5 0 Нагрев охлаждающей воды в конденсаторе, С 5 - 7 7 - 1 0 10-13 Величина (п в (1.10), представляющая собой в основном теплоту фазового перехода, для конденсаторов современных паровых турбин, работающих с p к 3 - 6 кПа, изменяется незначительно ив первом приближении для указанного диапазона давлений может быть принята 2430 кДж/кг. С учетом того, что при реальных уровнях средней температуры воды в конденсаторе ее теплоемкость при постоянном давлении с р =4,19 кДж/(кг • К, зависимость (1.10) для предварительных и оценочных расчетов может быть представлена в следующем виде Недогрев охлаждающей воды в конденсаторе δt до температуры насыщения с физической точки зрения определяется наличием термического сопротивления между конденсирующимся паром и охлаждающей водой. Недогрев определяется из совместного рассмотрения уравнений теплового баланса и теплопередачи где к — коэффициент теплопередачи в конденсаторе F — площадь поверхности теплообмена (охлаждения) конденсатора d K =D K /F— удельная паровая нагрузка конденсатора (количество пара, сконденсировавшегося на единице поверхности теплообмена в единицу времени 3,6 — переводной системны коэффициент. Недогрев охлаждающей воды в конденсаторе St до температуры насыщения зависит от удельной паровой нагрузки конденсатора, чистоты его поверхности теплообмена, воздушной плотности, температуры и скорости охлаждающей воды, материала трубок и ряда других факторов. Недогрев характеризует эффективность работы конденсатора, а также оптимальность подбора оборудования и его взаимодействия в схеме конденсационной установки в целом. Любые мероприятия, приводящие к увеличению коэффициента теплопередачи (интенсификация теплообмена) в конденсаторе, однозначно приводят к снижению недогрева. В конденсаторах современных паровых турбин недогрев охлаждающей воды до температуры насыщения обычно составляет С. Большие значения недогрева, как правило, относятся к одноходовым конденсаторам. Необходимо иметь ввиду, что в некоторой технической литературе, а также в условиях эксплуатации недогрев иногда называют температурным напором. Рассматривая совместно зависимости (1.9)—(1.13), можно записать общую функциональную зависимость давления в конденсаторе (температуры насыщения) от основных параметров, определяющих эффективность работы конденсатора, Эта зависимость называется ХАРАКТЕРИСТИКОЙ КОНДЕНСАТОРА. Таким образом, давление в конденсаторе зависит от следующих основных параметров температуры охлаждающей воды на входе, кратности охлаждения, коэффициента теплопередачи и удельной паровой нагрузки. Существенное влияние на эффективность работы конденсатора оказывают присосы воздуха (см. §1.3), а также эффективность работы воздушных насосов. Необходимо также иметь ввиду, что в общем случае на эффективность работы оказывают влияние паровое сопротивление конденсатора и переохлаждение конденсата. Расчетные данные по каждому конденсатору в соответствии с зависимостью (1.14) на номинальном и переменном режимах работы ПТУ обычно являются составной частью технической документации турбины, поставляемой заводом-изготовителем, и используются станционным персоналом при оценке эффективности работы оборудования. Пример 1.2. Определить давление пара в конденсаторе, если известны следующие параметры температура воды на входе в конденсатор в С, кратность охлаждения m=50 кг/кг, удельная паровая нагрузка конденсатора d K =40 кг/(м 2 *ч), коэффициент теплопередачи k=2534 Вт/(м 2 *К), теплоемкость воды с p =4,19 кДж/(кг*К). Нагрев воды в конденсаторе определяем по формуле (1.12) Недогрев воды до температуры насыщения согласно формуле (1.13) Здесь переводной коэффициент часов в секунды и килоджоулей в джоули. Температура насыщения пара в конденсаторе согласно формуле (1.9) По таблицам водяного пара при находим к Па. Переменный режим работы конденсационной установки В условиях эксплуатации паротурбинной установки при изменении давления в конденсаторе будут изменяться как экономические показатели турбины, таки надежность работы ее отдельных элементов. На рис. 1.11, поданным, представлен график, характеризующий изменение удельного расхода теплоты турбоустановки 29 с заданной торцевой площадью выхлопа при увеличении давления пара в конденсаторе на 1 кПа и различных параметрах свежего пара. Штриховые линии показывают возможные границы изменения Δq. Наибольшее влияние изменения конечного давления на экономичность турбоустановки наблюдается в установках низкого и среднего давления. Однако ив блочных агрегатах на p 0 =12,8-23,5 МПа с промперегревом изменение также существенно, особенно если учитывать масштабы расходов топлива на современных электростанциях. Изменение давления в конденсаторе оказывает влияние и на надежность работы турбины. Повышение давления в конденсаторе турбины приводит к уменьшению теплоперепада, причем это уменьшение приходится только на несколько последних ступеней. Напряжения в рабочих лопатках последних ступеней уменьшаются, однако степень реактивности увеличивается, что может привести к росту осевых усилий в турбинах с однопоточным ЦНД и увеличению нагрузки на упорную часть опорно-упорного подшипника. Для современных паровых турбин большой единичной мощности это неопасно, так как конструкции ЦНД у них двухпо- точные, а абсолютные перепады давлений на диски последних ступеней невелики. Значительное повышение давления в конденсаторе приводит и к увеличению температуры в выхлопном патрубке турбины, что может вызвать расцентровку и появление повышенной вибрации агрегата, а также усталость рабочих лопаток в среде более плотного пар. Предельная допустимая температура в выхлопном патрубке устанавливается заводом-изготовителем турбины и зависит, в частности, от типа турбин. Для большинства кон- Рис. 1.11. Изменение удельного расхода теплоты ПТУ при увеличении давления в конденсаторе на 1 кПа при различных параметрах свежего пара |