Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловые схемы систем охлаждения вспомогательного оборудования мини-ТЭЦ с паровыми турбоагрегатами

В.В. Васькин, главный конструктор ЗАО «Невэнергопром»

При строительстве мини-ТЭЦ с использованием паровых турбоагрегатов на базе промышленно-отопительных котельных необходимо обеспечить охлаждение вспомогательного оборудования (ВО). В условиях существующего предприятия со сложившейся инфраструктурой выбор возможных технических решений имеет некоторые ограничения.

В машзале мини-ТЭЦ устанавливается оборудование с принудительным охлаждением: холодильник эжектора турбины рекуперативного типа, конденсатор пара уплотнений смесительного типа, маслоохладители (МО) турбины и генератора, теплообменники (ТО) охлаждения генератора. Обычно охлаждающей средой является вода. Для некоторых турбоагрегатов производства ОАО «Калужский турбинный завод (КТЗ)» (например, для турбогенераторов типа «Кубань-0,5», «Кубань-0,6», «Кубань-0,75») охладители генератора выполняются с воздушным охлаждением по разомкнутому циклу.

Строительство и пуск мини-ТЭЦ происходят в условиях работающей котельной. Поэтому обязательным требованием при разработке системы охлаждения ВО турбоагрегатов является минимальное изменение тепловой схемы и режимов работы котельной.

Охлаждающая вода должна удовлетворять условиям, предъявляемым к ней производителями турбоагрегатов. В технических условиях на турбоагрегат заданы максимальные значения давления и температуры воды на входе, степень механической очистки и химические свойства охлаждающей воды.

Параметры охлаждающей воды для различного ВО отличаются и должны обеспечиваться при разработке тепловой схемы охлаждения и гидравлических режимов системы охлаждения. Эти требования могут отличаться для различных типов и типоразмеров паровых турбоагрегатов.

При применении водопроводной воды в качестве охлаждающего агента необходимо на выходе из системы охлаждения мини-ТЭЦ обеспечить отсутствие в ней механических примесей и следов масла с целью дальнейшего ее использования.

Названные выше требования необходимо учитывать при разработке тепловой схемы системы охлаждения. Их совокупность определяет выбор гидравлической схемы соединения теплообменников, необходимость применения промежуточных ТО, величину давления, механические и химические свойства потока охлаждающей воды.

Ниже приводится классификация схем охлаждения ВО мини-ТЭЦ с паровыми турбоагрегатами.

Схемы соединения теплообменных аппаратов. Применяются параллельная (рис. 1а) и последовательная (рис. 1б) схемы соединения ТО друг с другом. Вид подключения зависит от температуры охлаждающей воды. При невысоком нагреве воды в каждом ТО возможен выбор последовательной схемы их подключения. Такая схема характеризуется меньшей протяженностью трубопроводов, но большими значениями их диаметров. Обычно для паровых блочных турбогенераторов производства ОАО «КТЗ» используется последовательная схема, для паровых турбоустановок на средние параметры пара - параллельная схема. Напор подкачивающих насосов в схеме с последовательным соединением ТО выше в сравнении с параллельной схемой.

Прямоточная схема охлаждения. Наиболее простой по исполнению является прямоточная схема охлаждения (рис. 2). Теплообменники маслоохладителя (МО), электрогенератора и холодильник эжектора (ХЭ) для паровых блочных турбогенераторов производства ОАО «КТЗ» последовательно подключаются к системе охлаждения технической или водопроводной воды. Вода проходит через ТО, нагревается до 30-40 ОС, затем сбрасывается в канализацию.

Несмотря на простоту схемы, сброс нагретой воды является неэкономичным, т.к. приводит к значительным затратам на потребление и сброс воды в канализацию, а также потере отводимого тепла. Ее применение можно рекомендовать лишь в крайних случаях - при отсутствии возможности использовать более рациональные схемы охлаждения.

Схема с оборотным водоснабжением. В схемах на рис. 3 представлен цикл оборотного водоснабжения с охлаждением нагретой воды в градирне испарительного типа (рис. 3а), либо в сухой градирне (аппарате воздушного охлаждения) (рис. 3б). В этом случае отводимое тепло также не используется.

В схеме с градирней испарительного типа необходимо предусмотреть подпитку контура в размере 2-10% циркулирующего расхода.

Схема с непосредственным подключением к трубопроводу охлаждающей воды. Распространенной схемой охлаждения ВО мини-ТЭЦ является схема с непосредственным подключением ТО к трубопроводу охлаждающей воды (рис. 4а-4в) без использования дополнительных насосов. Охлаждающая вода забирается из трубопровода технической, водопроводной, либо другого подходящего по параметрам потока воды. Весь поток или его часть подается в теплообменники ВО, нагревается в них и возвращается в тот же трубопровод, смешиваясь с оставшимся потоком. Роль такого потока обычно выполняет сырая вода котельной, используемая для приготовления подпиточной или питательной воды. Подключение к трубопроводу охлаждающей воды может быть выполнено с установкой секционирующей задвижки при использовании всего потока воды (рис. 4а), дроссельной шайбы (рис. 4б) или регулирующей арматуры (рис. 4в) при отборе в систему охлаждения требуемого расхода воды. Во всех случаях необходимо компенсировать гидравлическое сопротивление системы охлаждения за счет напора, создаваемого насосной группой, обеспечивающей необходимое давление в трубопроводе охлаждающей воды. Такая схема может быть реализована при достаточно высоком давлении в трубопроводе охлаждающей воды, не превышающем расчетное давление теплообменных аппаратов.

Кроме того, широко применяются схемы охлаждения с дополнительными насосами, имеющими в зависимости от параметров исходной воды различное исполнение.

При низком, либо существенно изменяющемся с течением времени давлении воды в трубопроводе охлаждающей воды необходимо использовать подкачивающие насосы (рис. 4г, 4д). Их применение позволяет стабилизировать расход воды через ТО в условиях переменного давления без использования регулирующей арматуры. В зависимости от величины давления воды и расчетного давления теплообменных аппаратов, подкачивающие насосы могут располагаться как до (рис. 4г), так и после (рис. 4д) ТО. Расход воды в трубопроводе охлаждающей воды определяется потребностью других потребителей воды, расположенных ниже по течению. При снижении расхода охлаждающей воды в трубопроводе охлаждающей воды до значения, меньшего производительности подкачивающего насоса, возникает рециркуляция в контуре системы охлаждения ВО, приводящая к росту температуры воды с течением времени. Объем воды в контуре циркуляции играет роль теплового аккумулятора. При достижении предельно допустимой температуры воды на входе в теплообменные аппараты необходимо предусмотреть автоматический сброс нагретой воды в канализацию.

При давлении в трубопроводе охлаждающей воды, превышающем расчетное давление теплообменных аппаратов вспомогательного оборудования, применяется атмосферный бак сбора охлаждающей воды. Напор 1 -й группы подкачивающих насосов в этом случае необходимо выбирать, исходя из преодоления сопротивления теплообменных аппаратов, напор 2-й группы подкачивающих насосов - исходя из максимально возможного давления в трубопроводе охлаждающей воды (рис. 4е). Подкачивающие насосы 1 -й группы можно исключить, если атмосферный бак поместить на высоту, создав статическое давление на входе в ТО, превышающее потери давления по тракту (рис. 4ж).

В схеме охлаждения с непосредственным подключением системы охлаждения оборудования машзала к трубопроводу охлаждающей воды отводимое тепло используется в котельной, однако она имеет следующие недостатки. Исходная вода для охлаждения должна соответствовать по качеству и параметрам требованиям, предъявляемым заводами-изготовителями турбин и генераторов. В случае превышения расчетных значений давления и температуры охлаждающей воды в теплообменных аппаратах возможно возникновение аварийных ситуаций. Протечки масла в ТО маслоохладителя приводят к загрязнению охлаждающей воды.

Схема с регулированием давления охлаждающей воды в теплообменных аппаратах. Давление в трубопроводе охлаждающей воды может изменяться в широких пределах с течением времени. В этом случае при разработке тепловой схемы требуется обеспечение давления охлаждающей воды ниже расчетного давления ТО.

Тепловая схема системы охлаждения, учитывающая изменение параметров исходной воды, реализована в рабочем проекте паротурбинного цеха ОАО «Сокольский целлюлозно-бумажный комбинат (ЦБК)» (рис. 5).

В паротурбинном цехе ОАО «Сокольский ЦБК» устанавливаются 2 турбоагрегата производства ОАО «КТЗ» Р-4-35/5М и ПР-6-35/15/5М.

Для нормального функционирования каждого турбоагрегата требуется охлаждение водой с температурой не более 20 ОС маслоохладителей, водо-воздушных охладителей электрогенератора и подача химически очищенной воды температурой до 40 ОС давлением 0,35-0,4 МПа для работы струйного подогревателя, обеспечивающего отсос пара из уплотнений турбины. Расчетное давление по водяному тракту в водо-воздушном ТО электрогенераторов и маслоохладителях равно 0,3 МПа.

В качестве охлаждающей воды был выбран поток механически очищенной воды, применяемый для собственных нужд ОАО «Сокольский ЦБК», в том числе и для работы струйного подогревателя в связи с отсутствием в котельной необходимого расхода потока химически очищенной воды. Вследствие образования отложений солей в сопле струйного подогревателя необходимо устанавливать 2 струйных подогревателя: рабочий и резервный. Давление в трубопроводе охлаждающей воды изменяется от 0,1 до 0,4 МПа.

Колебания давления в трубопроводе охлаждающей воды привели к усложнению гидравлической схемы контуров охлаждения различного оборудования.

При низком давлении в трубопроводе охлаждающей воды ~0,1 МПа насос забора воды НЗ повышает давление воды до 0,3-0,4 МПа. Регуляторы давления после себя, расположенные перед ТО, обеспечивают необходимый уровень давления на входе в охлаждаемое оборудование.

Нагретая вода после маслоохладителей и водо-воздушных охладителей генераторов удаляется по общему трубопроводу с давлением около 0,25 МПа. Регулятор давления до себя, расположенный после теплообменного оборудования, поддерживает заданный перепад давления на ТО, соответствующий номинальным расходам охлаждающей воды через ТО. Насос возврата охлаждающей воды НВ компенсирует потери давления контура охлаждения с регулирующей арматурой.

При давлении в трубопроводе механически очищенной воды 0,3-0,4 МПа насосы НЗ отключаются, и охлаждение производится только при работе насоса НВ.

Работа струйных подогревателей турбин производится следующим образом. На выходе из них давление нагретой воды близко к нулю, поэтому ее прямой слив в трубопровод удаления подогретой воды давлением около 0,25 МПа невозможен. Нагретая вода сливается в атмосферный сборный бак, из которого перекачивается насосом НСБ в общую линию возврата нагретой воды.

Система охлаждения с регулированием давления охлаждающей воды в ТО при колебаниях давления в трубопроводе охлаждающей воды характеризуется сложностью, высокой степенью автоматизации, высокой стоимостью. В то же время затруднительно предложить более простую схему для работы ВО в таких сложных условиях.

Схема охлаждения с независимым присоединением. В случае, если исходная вода для системы охлаждения не удовлетворяет требованиям по качеству очистки или давлению, рекомендуется применять независимое присоединение теплообменников ВО (рис. 6). Охлаждающая вода внешнего контура направляется в промежуточный ТО контура охлаждения.

В качестве исходной воды первичного контура применяется поток сырой воды котельной, который предварительно подогревается в ТО промежуточного контура и далее направляется в фильтры ХВО.

Внутренний контур системы охлаждения выполнен с применением промежуточного атмосферного бака охлаждающей воды и циркуляционных насосов. Бак выполняет функции расширительного бака и теплового аккумулятора охлаждающей воды. На мини-ТЭЦ Восточной котельной Витебских тепловых сетей и мини-ТЭЦ ОАО «Агростройконструкция» г. Вологды используются баки объемом порядка 10 м³, что обеспечивает работу системы охлаждения в течение нескольких часов при прекращении подачи охлаждающей воды из трубопровода охлаждающей воды. Давление масла больше давления воды в промежуточном контуре, давление воды во внешнем контуре больше, чем давление воды промежуточного контура. Такое соотношение давлений теплоносителей практически исключает возможность загрязнения маслом потока подпиточной воды котельной и обводнение масла. Внутренний контур системы охлаждения заполняется водой из внешнего контура охлаждения, этой же водой производится подпитка контура.

Схема охлаждения с независимым присоединением охлаждаемого оборудования обладает следующими преимуществами. Внутренний контур системы охлаждения вспомогательного оборудования не зависит от качества и величины давления воды внешнего контура. Организация гидравлических режимов работы такой схемы значительно снижает возможность загрязнения потока сырой воды котельной.

Схема охлаждения с промежуточным контуром маслоохладителей. В результате аварийных ситуаций в системе охлаждения основное загрязнение исходной воды возможно в маслоохладителях турбин.

По требованию заводов-изготовителей турбин давление охлаждающей воды в маслоохладителе должно превышать давление масла не менее, чем на 0,05 МПа. Такое соотношение давлений служит для предотвращения попадания масла в контур системы охлаждения. На переменных режимах работы (пуск, останов работы мини-ТЭЦ) это условие может не соблюдаться. Для исключения попадания масла в исходную воду маслоохладители могут выделяться в отдельный контур с использованием промежуточных ТО (рис. 7).

Охлаждающая вода первичного контура забирается из ввода сырой воды котельной и направляется в промежуточный ТО, в котором охлаждает воду, подогретую в маслоохладителе. Вода промежуточного контура после охлаждения в промежуточном ТО сливается в расширительный бак. Из бака вода забирается циркуляционными насосами и подается на маслоохладители. Подпитка циркуляционного контура осуществляется из первичного контура через бак.

При работе мини-ТЭЦ в течение года температура в трубопроводе охлаждающей воды изменяется от 5 до 23 ОС. При максимальной температуре охлаждающей воды для обеспечения температуры масла в заданных пределах потребовалась бы очень большая площадь поверхности теплообмена промежуточных ТО. В связи с этим в летнее время предусмотрено охлаждение маслоохладителя напрямую в обвод промежуточного ТО. Давление охлаждающей воды выше давления масла, поэтому загрязнение воды маслом при номинальном режиме работы исключается.

Схемы охлаждения с отдельно выделенным промежуточным контуром маслоохладителей применены в проектах мини-ТЭЦ Приморской, 2-й Ломоносовской, 1-й и 2-й Правобережной котельных ГУП «ТЭК СПб», мини-ТЭЦ ОАО «Стройэнерго» г. Череповец, мини-ТЭЦ ОАО «ВОМЗ» г. Вологда. охлаждение паровой турбоагрегат котельная

Выбор вида тепловой схемы охлаждения ВО мини-ТЭЦ с паровыми турбоагрегатами должен обеспечивать эффективную и надежную работу для всех режимов работы мини-ТЭЦ с учетом реального диапазона изменения параметров потока охлаждающей воды.

Размещено на Allbest.ru