Схеми регенеративного підігріву живильної води

1

Тема 5. Схеми регенеративного підігріву живильної води

Раніше, див. п.2.5, було показано, що регенеративний підігрів води підвищує ККД ПТУ. Це досягається тому, що тепло пари з відбору повертається у цикл для підігріву живильної води (регенерується), а не передається навколишньому середовищу у КТ. Таким чином, на одиницю тепла, затраченого у циклі, виконується більше роботи, що відповідно збільшує ККД ПТУ (на 10-14%). Регенеративний підігрів живильної води повсюдно використовують на сучасних ТЕС, ТЕЦ та АЕС. Переважно, на одному блоці встановлюють від 6 до 9-ти регенеративних підігрівачів (РП). На сучасних ПТУ застосовують такі схеми регенеративного підігріву:

1. Регенеративний підігрів у ТО зі змішуванням теплоносіїв.

2. Каскадний регенеративний підігрів у РП поверхневого типу (РПП).

3. Регенеративний підігрів у РПП з переохолодженням конденсату та охолодженням перегрітої пари.

Розглянемо ці схеми регенеративного підігріву, живильної води, попередньо дослідивши вплив регенеративних відборів (РВ) на витрату пари у ПТУ, способи оптимального підключення РП та вплив параметрів пари у відборах на величину ККД ПТУ.

5.1 Витрата пари на турбіну з регенеративними відборами

Порівняємо витрату пари на турбіну, яка має Z регенеративних відборів, з турбіною без РВ, але з такими ж енергетичними параметрами (початковими та кінцевими тисками і температурами, потужністю). Назвемо цю турбіну еквівалентною. За законом збереження енергії для ПТУ з одним РВ можемо записати

, (5.1)

D₀ - витрата пари через турбіну з одним РВ; D_e- витрата пари через еквівалентну турбіну без РВ; - витрата пари через регенеративний відбір; інші позначення див. на рис.2.5. Позначимо

, (5.2)

- частка пари регенеративного відбору; - коефіцієнт недовиробітку потужності частиною пари, що взята на відбір;

Використовуючи (5.2), з рівняння (5.1) отримуємо

. (5.3)

Отже, витрата пари через турбіну з РВ більша, ніж через еквівалентну. Якщо турбіна має Z відборів, то витрата пари буде такою

. (5.4)

Для сучасних турбін в = 1.25.

Подібним чином можна розрахувати витрату пари через теплофікаційну турбіну, що має Z РВ та N - теплофікаційних відборів. У цьому випадку рівняння (5.1) набуває вигляду:

(5.1а)

Відповідно

(5.4а)

в - визначається формулою (5.4); - витрата пари через k-й теплофікаційний відбір; - недобір (недовиробіток) потужності внаслідок к - го теплофікаційного відбору. Для сучасних ТЕЦ в =1.15 .

Висновки

1. Витрата пари через турбіну з РВ зростає на 20-25% порівняно з еквівалентною турбіною.

2. Внаслідок того, що 20-25% пари не віддають свій енергетичний потенціал оточенню (КТ), ККД ПТУ з РВ зростає на 10-14%.

5.2 Розподіл регенеративних відборів за ходом пари у ПТУ

Регенеративні відбори пари прийнято нумерувати за ходом пари від ЧВТ до ЧНТ. Перший відбір роблять у ЧВТ, останній у ЧНТ. Для практики важливо визначити кількість відборів та параметри пари у відборах таких, щоб ККД ПТУ з регенеративними відборами був максимальним. Це завдання вирішують, аналізуючи залежність ККД ПТУ, від параметрів пари у відборах і від їх кількості Z. ККД ПТУ з відборами та регенеративними підігрівачами зі змішуванням теплоносіїв (РПЗ) дається виразами, див. (2.25), (2.27),

(5.5)

- ККД турбіни з регенеративними відборами пари; - без регенеративних відборів, але ж з тими початковими і кінцевими параметрами, h₁ та ; - частка витрати пари у m-му відборі; , - ентальпії перегрітої пари та пари у m-му відборі; - ентальпія пари на вихлопі турбіни для ідеального процесу; - енергетичний коефіцієнт, величина, що рівна відношенню роботи всіх відборів пари до роботи частки пари, яка проходить через конденсатор ПТУ. Величина залежить від кількості відборів Z та параметрів пари у відборах , тобто від розподілу відборів за ходом пари у турбіні.

З виразу (5.5) випливає, що саме від залежить величина ККД ПТУ з РВ. Тому дослідження умов, за яких - досягає максимуму, зводиться до визначення розподілу відборів для якого максимальне чи розрахунку оптимальної температури підігріву живильної води.

Аналіз умови max для регенеративних відборів показує, що він реалізується, коли збільшення ентальпії живильної води на k-му підігрівачі рівне тепловому перепаду між попереднім та наступним відборами пари, тобто

(5.6)

- ентальпія пари у k - му відборі; - ентальпія живильної води після k-го підігріву; для Z-го відбору h_z+1= h_kn, h_kn - ентальпія води у КТ; для першого відбору - ентальпії свіжої перегрітої пари. Використовуючи (5.6), можна отримати вираз для оптимальної величини нагріву живильної води на m-му підігрівачі у системі з Z регенеративними відборами

(5.7)

ентальпія нагрітої води при тиску Р₁ та температурі, що відповідає насиченій парі при цьому тиску.

(5.6а)

перепад ентальпій k-го відбору пари та води, що пройшла через k- й нагрівник.

До оптимального розподілу підігріву живильної води близький рівномірний розподіл, при якому перепади ентальпій (5.6а) однакові

.(5.6б)

Для цього випадку (5.7а)

. (5.8)

У загальному випадку

 .(5.8а)

Якщо згадати, що , то з (5.8а) отримуємо залежність між числом відборів Z і температурою нагрітої живильної води

(5.9)

t_kn- температура води у конденсаторі; - збільшення температури води при проходженні одного регенеративного підігрівача (при рівномірному розподілі однакове для всіх підігрівачів).

Вирази (5.7) та (5.7а) дозволяють встановити, що зі збільшенням числа РВ від Z до Z +1 ентальпія нагрітої води змінюється за законом, див. рис. 5.1 та 5.2,

, (5.10)

1

тобто зменшується швидше ніж 1/Z². Це означає, що дуже збільшувати число РВ немає змісту, тому що приріст ККД ПТУ з ростом Z зменшується, див. рис.5.2 і економічний ефект від збільшення Z повністю нівелюється відповідними капітальними та експлуатаційними затратами. Через те число РВ на ТЕС обмежене, .

1

Справді, підвищення температури живильної води (збільшення Z) веде до збільшення витрати пари через котел, див. вирази (5.3)-(5.4а), що вимагає збільшення розмірів котла і трубопроводів живильної води та пари. Зі збільшенням числа відборів Z ускладнюється структура турбіни, радіальна частина ЧВТ зростає, проте низького зменшується. Паливне і зольне господарства дешевіють, але зростають видатки і затрати на циркуляційні насоси. Тому кількість РВ добирають такою, щоб забезпечити при Р₀ = 15 МП t_жв = 230^оС, а при Р₀ = 24 МПа t_жв = 265^оС.

Зауваження

Залежності (5.7) та (5.7а) отримані для РПЗ. У цих РП вода нагрівається до температури насичення пари, що відповідає тиску у відповідному відборі. Але для регенеративних поверхневих підігрівачів (РПП) ентальпія води на виході з них нижча ніж у РПЗ (внаслідок температурного перепаду на тепловіддаючих поверхнях РП). Відповідно, оптимальний нагрів на РПП буде нижчим ніж на РПЗ. Розрахунки дають таку величину нагріву на одному РПП з наявних Z

(5.1)

1

ентальпія води, що відповідає насиченій парі при температурі m-го відбору, - реальна ентальпія води після m-го РПП. Ця величина нижча від , але тиск після РПП вищий, що призводить до зниження економічної ефективності схем з РПП порівняно з РПЗ. Проте схеми з РПЗ мають суттєвий недолік - тиск нагрітої води у РПЗ відповідає тиску насиченої пари відповідного відбору і кожен наступний (за ходом живильної води) РПЗ має тиск вищий ніж попередній, що вимагає встановлення живильних насосів після кожного РПЗ, див. рис. 5.3, а це суттєво збільшує вартість схеми з РПЗ. Тому на практиці використовують менш економічні РПП, підігріта вода через каскад яких може подаватись одним або двома ЖН. Їх основний недолік недогрів води намагаються компенсувати, використовуючи спеціальні пристрої - системи охолодження дренажу (ОД) та охолодження пари (ОП).

5.3. Системи охолодження дренажу та перегрітої пари

1

Для зниження недогріву живильної води у РПП використовують системи охолодження дренажу і перегрітої пари (з відбору), див. рис. 5.4. У РПП з охолодженням дренажу, див. рис. 5.4, є спеціально виділені поверхні теплопередачі, де конденсат гріючої пари додатково охолоджується жи-вильною водою. На рис.5.4 також показані “t-Q” діаграми для РПП різних конструкцій. Бачимо з рисунку, що охолоджувач дренажу дозволяє понизити температуру конденсату і таким чином підвищити економічність роботи РПП. Використовують ОД, що вбудовані у корпус основного РПП, або з винесені ОД, які виконані у вигляді окремих теплообмінників, див. рис.5.5. Через такі ОД пропускають лише частину потоку конденсату, яка пізніше змішується з основним конденсатним потоком перед наступним РПП.

1

Підвищити економічність роботи РПП можна, використовуючи охоло-джувачі пари, див.рис.5.4 та 5.6. Така система може підвищити ККД ПТУ лише на десяті відсотка, але для дорогого палива і великих потужностей ПТУ це є суттєвим. ОП доцільно встановлювати для пари першого відбору після ППП.

1

Охолоджувач пари - це пароводяний теплообмінник, у якому живильна вода нагрівається без конденсації пари (завдяки зниження її перегріву). Найчастіше використовують ОП, вбудовані у корпус РПП. Охолоджена пара повинна зберігати залишковий перегрів (10-15^оС), щоб уникнути конденсації. Нагріта в ОП вода подається у наступний РПП, вже з підвищеною температурою, що зменшує недогрів. Переважно у РПП загальний недогрів води до температури насичення стано-вить 1.5-3.0 ^оС, для ОД температурний напір Дt = 4 - 8^оC, а в ОП Дt = 7-15^оC. Великі температурні напори економічно доцільні для дешевого палива (еконо-мія на конструкційних матеріалах), а малий температурний перегрів - для дорогого палива.

1

5.4. Схеми включення регенеративних підігрівачів

Хоча термодинамічно найвигіднішими є РПЗ, схеми, у яких використовуються лише вони самі, сьогодні відсутні. Це зумовлено необхідністю після кожного РПЗ ставити ЖН, див. рис. 5.3. Найчастіше трапляються електростанції, у яких застосовують схеми з одним РПЗ, а всі інші - РПП. Регенеративний підігрівач зі змішуванням теплоносіїв у цьому випадку одночасно є деаератором. У змішаних схемах РПП можуть бути включені так, як показано на рис. 5.7. Найекономнішою є схема 5.7 а, оскільки к основний потік живильної води і підвищує її температуру. Якщо дренаж подавати у конденсатопровід за схемою, що показана пунктиром на 5.7 а, то економічність системи буде нижчою. Ще термодинамічно невигіднішою є каскадна схема відведення дренажу, рис. 5.7 б . У цьому випадку частина пари відбору витісняється парою, що утворюється при випаровуванні більш гарячого дренажу попереднього відбору і, відповідно, у цій схемі збільшується частина тепла, що віддається КТ.

1

Найчастіше застосовується схема 5.7 в, яка є комбінацією попередніх схем. Перевага цієї схеми - лише один дренажний насос і можливість працювати за каскадною схемою, якщо неможливо його включити.

Одна з реалізацій підключення РП за схемою 5.7 в показана на рис. 5.8. На цій схемі П1, П2 - РПП високого тиску, П4 - П6 РПП низького тиску, а РПЗ служить деаератором конденсату.

5.5. Конструкції регенеративних поверхневих підігрівачів

Щодо конструкції РПП поділяться на підігрівачі з трубною дошкою та з колекторною системою. На рис. 5.9 показаний РПП з трубною дошкою без виділених поверхонь ОП та ОД. Гріюча пара у такому РПП подається у верхню частину корпусу і конденсується на вертикальних U - подібних трубках. Рух пари регулюється горизонтальними перегородками. Конденсат гріючої пари виводиться з нижньої частини корпусу. Щоб не було перетоку пари, у нижній частині підтримують сталий рівень конденсату. Для двоходового РПП вода відводиться через вихідний штуцер. У чотириходовому РПП рух води забезпечується перегородками у водяній камері. РПП з трубною дошкою випускають для тисків до 7 МПа з водяної сторони, тобто практично всі РПП низького тиску до деаератора мають теплообмінники з трубних дощок.

1

На сьогодні на всіх крупних ТЕС використовують РПП з вбудованими ОД та ОП. Такого типу РПП показаний на рис.5.10. Труби ОП у цьому РПП розміщені у виділеному відсіку корпуса. Пучок цих труб, розміщений паралельно до труб, на яких конденсується гріюча пара з відбору. ОД розміщений внизу корпуса. Перегріта пара з відбору надходить у нижню частину РПП, проходить труби ОП Див. рис. 5.10 а, і при температурі, що близька до насичення, пере- тікає через отвори у підігрівач - конде-сатор. Тут пара кон- денсується і конденсат стікає у ОД, де охолоджується частиною основного потоку живильної води. Охолоджений конденсат гріючої пари через штуцер виводиться з РПП. Потік живильної води надходить у вхідну частину водяної камери РПП, проходить послідовно через чотириходові підігрівач - конденсатор та ОП, після чого подається у вихідну частину камери і виводиться через штуцер.

Будова регенеративного підігрівача колекторного типу показана на рис. 5.11. Трубні пучки цього РПП зібрані з трубок 16х1 зі сталі Х18Н10Т.

У корпусі РПП розміщено чотири пучки з подвійних спіральних трубок, до яких з двох вертикальних колекторів підводиться живильна вода. Відводиться вода теж у вертикальні колектори. У колекторах є діафрагми, які забезпечують необхідну кількість ходів та швидкість води у трубках. Трубки підігрівача розділені перегородками, котрі забезпечують потрібний коефіцієнт тепловіддачі. У перегородках є отвори для перетікання пари з секції у секцію. Гріюча пара подається безпосередньо до ОП зверху; охолоджений конденсат відводиться знизу. Неконденсовані гази відводяться через трубку, що встановлена над ОК.

РПП з колекторною системою випускаються на тиск до 38 МПа і використовуються як ПВТ , що встановлюються після живильних насосів. Завдяки вдалій конструкції цих підігрівачів високого тиску (ПВТ) їх часто встановлюють на крупних блоках за однонитковою схемою: „один РВ - один РППВТ”.

На ТЕС докритичних параметрів та на АЕС, що працюють за двоконтурною схемою, трубки РПП НТ виготовляють з латуні, а змійовики - з вуглецевої сталі. Така сталь не застосовується для трубок РПП НТ, оскільки конденсат вміщує кисень і є корозійно активним. Трубки з нержавіючої сталі використовують також на сучасних ТЕС надкритичних параметрів, щоб уникнути відкладень окислів заліза та міді у проточній частині турбін.

5.6. Контрольні питання та задачі

1. Напишіть рівняння теплового балансу для турбіни з відборами пари. Поясніть зміст коефіцієнта недовиробітку потужності.

2. Те саме для теплофікаційної турбіни. На скільки витрата пари у теплофікаційній турбіні з відборами більша від еквівалентної турбіни?

3. Поясніть зміст енергетичного коефіцієнта. Від яких параметрів він залежить? Що визначає максимум цього коефіцієнта?

4.Запишіть умову оптимальності розподілу РВ за ходом пари у турбіні. Що таке рівномірний розподіл? Запишіть вираз для приросту ентальпії води після проходження одного РП для цього розподілу.

5. Як залежить збільшення ККД ПТУ від кількості РВ? За яким законом змінюється приріст ККД при збільшенні числа РП на одиницю? До яких наслідків призводить ця залежність?

6. Яка величина оптимальних тисків та температур прийнята для живильної води перед котлом? Чим вмотивований такий вибір?

7. У чому перевага РПЗ перед РПП? Але чому на ТЕС використовують РПП і лише один або два РПЗ?

8. У який спосіб можна підвищити економічність РПП? Що таке ОД та ОП? Зобразіть схеми цих пристроїв. Для чого вони служать? Зобразіть “t - Q” діаграму для РПП без ОП та ОД та з ними.

9. Поясніть будову та принцип роботи РПП з виділеним ОД. Яким повинен бути температурний напір в ОД?

10. Поясніть, для чого служить ОП? Накресліть схеми Віолен та Рікара для включення ОП.

11. Зобразіть можливі схеми включення ОД та проаналізуйте їх характеристики. Що таке каскадне включення ОД? У чому його недолік?

12. Поясніть будову і опишіть роботу РПП з трубною дошкою. Для яких параметрів пари використовують такі РПП?

13. Те саме для РПП з колектором. Які матеріали використовують у цих РПП та чому?

14. Чому температурний напір в ОП повинен бути не меншим ніж 10-15^оС? Що таке однониткова схема включення РПП?