Роль конденсаторов турбин ТЭС и АЭС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Роль конденсаторов турбин ТЭС и АЭС

Введение

Конденсатор (в теплотехнике) (лат. condenso -- уплотняю, сгущаю) -- теплообменный аппарат для конденсации (превращения в жидкость) паров вещества путём охлаждения.

1. Принцип действия

Для конденсации пара какого-либо вещества необходимо отвести от каждой единицы его массы теплоту, равную удельной теплоте конденсации. Для обратимых процессов она равна удельной теплоте парообразования. Поскольку при конденсации, как и при испарении, температура не изменится, пока не сконденсируется весь пар, процесс происходит практически при постоянных параметрах пара. Параметры пара при конденсации близки к состоянию насыщения. В то же время при поступлении всё новых порций пара в конденсаторе устанавливается динамическое равновесие, и в разных частях конденсатора параметры среды могут несколько отличаться друг от друга. Для охлаждения пара используется более холодная среда, очень часто -- обычная вода. При отсутствии воды (например, в конденсаторах паровозов и энергопоездов) охлаждение производится воздухом.

2. Применение

Конденсаторы применяются на тепловых и атомных электростанциях для конденсации отработавшего в турбинах пара. При этом на каждую тонну конденсирующегося пара приходится около 50 тонн охлаждающей воды. Поэтому потребность ТЭС и особенно АЭС в воде очень велика -- до 600 тысяч мі/час. В маловодных районах охлаждение конденсаторов турбин может производиться воздухом (примером могут служить воздушно-конденсационные установки на Разданской ГРЭС, Армения), однако это ухудшает КПД турбин, вследствие повышения температуры конденсации. В турбинах с противодавлением конденсатор отсутствует -- в этом случае весь отработанный пар поступает на производственные нужды.

В холодильных установках конденсаторы используются для конденсации паров хладагентов, например, фреона. В химической технологии конденсаторы используют для получения чистых веществ (дистиллятов) после перегонки. Принцип конденсации успешно применяется также для разделения смеси паров различных веществ, так как их конденсация происходит при различных температурах.

3. Разновидности

· по принципу теплообмена конденсаторы разделяются на смешивающие и поверхностные. В смешивающих конденсаторах водяной пар непосредственно соприкасается с охлаждающей водой, а в поверхностных он отдаёт тепло через стенки трубок, внутри которых протекает охлаждающая вода;

· по направлению потоков теплоносителя -- на прямоточные, противоточные и поперечноточные;

· по количеству изменений направления движения теплоносителя -- на одноходовые, двухходовые и др.;

· по количеству последовательно соединённых корпусов -- одноступенчатые, двухступенчатые и др.

Встречаются также конструктивные разновидности: кожухотрубные, со встроенным пучком, регенеративные и др.

4. Смешивающие конденсаторы

Охлаждающая вода разбрызгивается в пространстве смешивающего конденсатора. Пар конденсируется на поверхности капель воды и стекает вместе с ней в поддоны, откуда откачивается конденсатными насосами. Взаимное расположение потоков пара и воды может быть параллельным, противоточным или поперечноточным. При противотоке теплообмен более эффективен.

Поскольку в конденсат попадает охлаждающая вода с растворённым в ней воздухом и другими примесями, такая смесь не может быть использована для современных паровых котлов, которые предъявляют высокие требования к подготовке питательной воды. Поэтому смешивающие конденсаторы применяются либо в малых паровых и холодильных машинах, либо в системах охлаждения с т. н. «сухими градирнями», где роль охладителей выполняют закрытые радиаторы. Поэтому охлаждающая вода, проходя через радиаторы, мало загрязняется и может быть присоединена к потоку конденсата.

5. Поверхностные конденсаторы

В поверхностных конденсаторах нет прямого контакта конденсата с охлаждающей водой, поэтому они применяются для любых систем прямого и оборотного охлаждения, в том числе и с охлаждением морской водой.

Рис. 2. Схема устройства поверхностного конденсатора.

В корпусе 1 поверхностного конденсатора установлены трубные доски 2, в отверстия которых завальцованы тонкостенные трубки 3. Охлаждающая поверхность конденсатора образуется совокупностью поверхностей трубок, называемых «трубными пучками». Трубки выполняются из латуни или нержавеющей стали, они имеют, как правило, диаметр 24-28 мм и толщину 1-2 мм. Места вальцовки -- основной путь попадания примесей в конденсат. Пространство между трубными досками и боковыми стенками конденсатора 4 представляют соборй водяные камеры 5 и могут быть разделены перегородками на несколько отделений. Охлаждающая циркуляционная вода подводится под напором через патрубок 6 к нижнему отсеку водяной камеры, проходит по трубкам в поворотную камеру, проходит по другому пучку трубок и удаляется через патрубок 7. При этом вода нагревается примерно на 10 °C. Такой конденсатор называется двухходовым. Могут быть также одноходовые, трёхходовые и даже четырёхходовые конденсаторы. Одноходовые конденсаторы применяются, как правило, в судовых установках, где увеличение расхода охлаждающей воды не имеет практического значения, а также в конденсаторах турбоустановок АЭС, где это диктуется технико-экономическими соображениями.

Пар входит в конденсатор через горловину 8 цилиндра низкого давления турбины, попадает на холодную поверхность трубок 3, конденсируется, стекает вниз и скапливается в сборнике конденсата 9, откуда откачивается конденсатными насосами. Бомльшая часть пара (свыше 99 %) конденсируется в т. н. зоне массовой конденсации, куда проникает сравнительно мало воздуха. Температура насыщенного пара не превышает обычно 50-60 °C. В зоне охлаждения парциальное давление пара меньше и температура паровоздушной смеси ниже. В этой зоне возможно переохлаждение конденсата, что неблагоприятно сказывается на эффективности установки в целом. Зону охлаждения отделяют перегородкой.

При конденсации в паровой части конденсатора образуется разрежение, то есть давление становится ниже атмосферного. При этом через неплотности в корпусе и через места вальцовки трубок проникает наружный воздух и воздух, растворённый в воде (примерно 0,05-0,1 % массового расхода пара). Попадание кислорода в конденсат влечёт возможность коррозии оборудования. Кроме того, примесь воздуха значительно ухудшает теплотехнические характеристики конденсатора, так как коэффициент теплоотдачи при конденсации пара составляет несколько тысяч кВт/(мІ°С), а для паровоздушной смеси с большим содержанием воздуха -- всего несколько десятков кВт/(мІ°С). Воздух отсасывается пароструйным или водоструйным эжектором через патрубок 10. Так как воздух в конденсаторе смешан с паром, то отсасывать приходится паровоздушную смесь. Попадание в конденсат сырой охлаждающей воды приводит к солевому загрязнению пароводяного тракта, поэтому химический состав конденсата необходимо контролировать. На электростанциях после конденсатных насосов устраивают системы очистки конденсата.

Для расчёта теплотехнических свойств конденсатора используются заводские характеристики конденсаторов. Коэффициент теплопередачи в поверхностном конденсаторе зависит от паровой нагрузки, диаметра и чистоты трубок, скорости воды в трубках, числа ходов и других факторов. Коэффициент теплопередачи резко падает при снижении паровой нагрузки в связи с неравномерностью процесса распространения пара. Для определения коэффициента теплопередачи часто используют эмпирические зависимости, полученные Львом Давыдовичем Берманом (1903--1998), долгие годы проработавшим в ВТИ.

6. Конденсаторы современных АЭС

Конденсаторы современных АЭС, как правило, имеют прямоугольную форму и собираются из отдельных секций непосредственно на монтажных площадках. Расходы пара в конденсаторы на АЭС (см. гл. 3) в 1,8--2 раза выше по сравнению с ТЭС той же мощности. Это связано с более низкими начальными параметрами пара на АЭС с водным теплоносителем.

По ходу технической воды в конденсаторе последние подразделяются на одно-, двух- и трехходовые (рис. 7.7). В одноходовом конденсаторе техническая вода проходит через конденсатор однократно, в двух- и трехходовом делает два или три хода. Наиболее удобно компонуются двухходовые конденсаторы, так как подвод и отвод технической воды осуществляется с одной стороны.

При аварийных сбросах нагрузки на турбину и в пусковых режимах пар сбрасывается в конденсатор, минуя турбину. Для этих целей в переходных патрубках конденсатора расположены приемно-сбросные устройства.

В нижней части конденсаторов имеются конденсатосборники, оборудованные деаэрационными устройствами для удаления растворенных в воде газов, в основном, кислорода. Для улучшения теплоотвода и стока конденсата используется компоновка трубного пучка в виде многократно свернутой ленты (рис. 7.8). Работа конденсатора при давлениях ниже атмосферного приводит к присосам не только воздуха, но и технической воды. Наиболее вероятными узлами присоса технической воды являются места заделки труб в трубные доски. Для уменьшения присосов технической воды в местах заделки труб в трубные доски применяются различного рода обмазки.

Рис. 7.7. Схемы конденсаторов:

а -- одноходовая; б -- двухходовая; 1 -- пар из ЦНД турбины; 2 -- теплообменная поверхность; 3 -- трубная доска; 4 -- выход охлаждающей воды; 5 -- отвод конденсата, 6 -- вход охлаждающей воды ход охлаждающей воды

Рис. 7 8. Конденсаторы турбин типа К-220-44/3000 и К-500-65/3000:

1 -- трубный пучок, 2 -- сливные трубы, 3 --тупиковый канал для пара; 4 -- боковой канал для пара, 5 -- паровые щиты; 6 -- воздухоохладитель; 7 -- правый конденсатор, 8 -- левый конденсатор, 9 -- конденсатосборник; 10 -- задняя водяная камера; 11 -- пружинная опора; 12 -- передняя водяная камера; 13 -- переходной патрубок. 14 -- приемо-сбросное устройство; 15 -- перепускной патрубок, I -- отработанный пар; II -- сбрасываемый пар, III -- паровоздушная смесь; IV, V -- охлаждающая вода; VI -- конденсат

Абсолютно бесприсосные конденсаторы сделать не удается, так как в процессе работы происходит нарушение плотности труб поверхности теплообмена за счет коррозионных и эрозионных процессов, а также «перетирание» труб в местах дистанционирования труб. Применявшиеся ранее для уменьшения присосов двойные трубные доски, «соленые» отсеки усложняли конструкцию и были малоэффективны, поэтому в настоящее время не используются. По мере увеличения времени работы конденсаторов присосы возрастают и составляют в среднем 0,002--0,005 % от расхода пара на турбину. Такие присосы практически не влияют на материальный баланс турбоустановки, но в значительной степени определяют солевой баланс цикла. Для предотвращения вредного влияния присосов применяется обессоливание всего конденсата на ионообменной установке, которая является обязательной не только на одноконтурных, но и на лвухконтурных АЭС при использовании в качестве технической как морской, так и речной воды. Конденсаторы, как правило, располагаются под турбинами в проеме фундамента (подвальное расположение). Для турбин К-500-60/1500 для V блока Нововоронежской АЭС (ВВЭР-1000) впервые в СССР были применены ЦНД с боковым расположением конденсаторов. Это позволяет в корпусах конденсатора располагать большие поверхности, так как не существует ограничений, связанных с размещением конденсаторов в проеме фундамента турбин.

Другим преимуществом боковой компоновки являются низкие потери в выхлопном патрубке турбины за счет меньшего угла поворота потока. Кроме того, боковая компоновка позволяет снизить общую высоту турбоагрегата. Длина бокового продольного конденсатора ограничена, ширина явных ограничений не имеет, а высоту обычно выбирают в соответствии с вертикальным размером ЦНД. Для уменьшения затрат на прокачку охлаждающей воды деление конденсатора на потоки по воде обычно осуществляют по высоте, что позволяет иметь у насоса нижнего потока меньший напор.

Боковая продольная компоновка предусматривает, как правило, применение для одного ЦНД двух конденсаторных корпусов, расположенных по обе стороны от турбины. Каждый из корпусов соединен с выхлопами ЦНД не менее чем двумя переходными патрубками, конфигурация и размеры которых должны обеспечивать равномерный подвод пара к трубным пучкам и низкие потери давления.

Для размещения бокового конденсатора в машинном зале необходимо резервировать дополнительную площадь (в соответствии с его габаритами).

К числу недостатков данной компоновки следует отнести также и то, что размещение конденсатора вдоль турбины затрудняет доступ к ЦНД для обслуживания и ремонта, а боковой подвод пара усложняет процесс проверки гидравлической плотности парового пространства конденсатора при монтаже и ремонтах. Боковая поперечная компоновка конденсаторов в настоящее время не применяется.

7. Охлаждение конденсаторов и схемы их включения по охлаждающей воде

Как показано выше, для создания в конденсаторе разрежения через его трубную систему необходимо прокачивать охлаждающую воду.

Конденсаторы паровых турбин являются основными потребителями воды в системе технического водоснабжения тепловых и атомных электростанций. Доля воды, идущей на охлаждение конденсаторов, составляет 90--94 %. При этом необходимо иметь в виду, что для конденсаторов паровых турбин АЭС расход охлаждающей воды в 1,5--1,7 раза выше, чем для ТЭС. Это в основном определяется применением на АЭС турбин насыщенного пара невысоких параметров, у которых в конденсаторы поступает существенно больше пара. В среднем для производства 1 кВт?ч электроэнергии требуется 130 кг воды для ТЭС и 200 кг для АЭС.

Расход воды на конденсатор (конденсационную установку) определяется из уравнения теплового баланса конденсатора и характеризуется кратностью охлаждения т-- количеством воды, необходимым для конденсации 1 кг пара.

Капитальные затраты на систему технического водоснабжения достаточно велики и составляют до 10Ї12 % от общей стоимости установленного 1 кВт мощности. В связи с этим система технического водоснабжения обычно выбирается на основе технико-экономического анализа при проектировании станций в целом.

Снабжение конденсаторов паровых турбин охлаждающей водой может производиться от различных источников. Рассмотрим общие положения по применяемым в настоящее время системам технического водоснабжения электростанций. Различают три основных типа системы водоснабжения: прямоточная, оборотная с водохранилищами-охладителями, оборотная с градирнями.

Наиболее эффективной и экономичной является система прямоточного водоснабжения. Источником воды при такой системе обычно является река, море или озеро. Вода из водоема циркуляционным насосом прокачивается через конденсатор и сбрасывается обратно в водоем. Если в качестве водоема используется река, то сброс должен осуществляться ниже по течению реки. Если водоемом служит озеро, то места забора и сброса воды должны быть разнесены на расстояние, исключающее подмешивание нагретой воды к свежей охлаждающей. При использовании в качестве источника соленой морской воды необходимы специальные меры защиты оборудования от коррозии. В этом случае трубки конденсатора, его водяные камеры и трубные доски должны выполняться из коррозионно-стойких металлов. Необходимы также дополнительные мероприятия по обеспечению герметичности узла вальцовочного соединения трубок в трубных досках.

Использование прямоточной системы водоснабжения ограничено, что определяется двумя основными факторами:

· для питания водой крупных современных электростанций требуются реки (водоемы) с большими расходами воды (дебит реки или водоема). Обычно считается, что надежность водоснабжения обеспечена, если дебит реки в 3Ї4 раза превышает расход воды, необходимый для электростанции, или необходимая площадь озера составляет 5Ї9 м2 на 1кВт установленной на электростанции мощности;

· в соответствии с современными экологическими требованиями допустимый подогрев воды в реке (водоеме) не должен превышать летом 3 °С, а зимой 5 °С. В противном случае уменьшается содержание в воде растворенного кислорода, усиливается развитие водной растительности, а в ряде случаев оказывается вредное воздействие на ценные виды холодолюбивых рыб.

В условиях роста мощностей электростанций и нехватки охлаждающей воды все большее распространение получают системы оборотного водоснабжения. В таких системах нагретая в конденсаторах вода, после охлаждения в атмосферных условиях, повторно направляется в конденсатор. Значительная часть вводимых в настоящее время в действие ТЭС и АЭС имеют оборотную систему водоснабжения.

В системе оборотного водоснабжения с водохранилищами-охладителями источником воды обычно является водохранилище, сооружаемое в долине небольшой реки или ее пойме и заполняемое в течение нескольких лет. Забор воды из водохранилища обычно производится вблизи плотины, а подогретую в конденсаторах воду сбрасывают на таком расстоянии, чтобы она успела охладиться. При вытянутой форме водохранилища это расстояние составляет до 12 км. При глубоком водохранилище (более 6 м) свежую воду забирают с большой глубины (из придонного слоя), а подогретую в конденсаторе сливают здесь же (в поверхностный слой).

В системе оборотного водоснабжения с градирнями (на электростанциях небольшой мощностиЇс брызгальными бассейнами) охлаждение нагретой в конденсаторах воды осуществляется в специальных охладителях--градирнях. Градирни используются тогда, когда нет возможности соорудить водохранилище-охладитель на месте строительства электростанции. Такое положение возникает обычно при строительстве крупных ТЭЦ в городах.

Необходимо иметь в виду, что на отдельных электростанциях встречается также прямоточно-оборотная система водоснабжения с использованием реки или водохранилища-охладителя, а также искусственного охладителя.

Принципиальные схемы включения конденсаторов по охлаждающей воде представлены на рис. 2.10. Варианты включения: а1, и а2-- с двухкорпусным конденсатором, поперечно расположенным относительно оси турбогенератора; а1 --с параллельным включением корпусов; а2-- с последовательным включением корпусов по воде. Эти варианты включения наиболее часто применяются в ПТУ мощностью до 300 МВт.

Рис. Принципиальные схемы включения конденсаторов по охлаждающей воде

В турбоустановках большой единичной мощности широкое распространение получили схемы с продольным расположением конденсаторов (параллельно или вдоль оси паровой турбины; варианты б, в). В этих схемах также возможно, как параллельное (б1), так и последовательное (б2, б3) включение корпусов с параллельным (б1, б3, в2) или встречным (б2, в1) движением охлаждающей воды. Встречное движение воды обеспечивает более равномерное распределение паровой нагрузки между корпусами конденсаторов.

Продольная компоновка имеет дополнительное преимущество в том, что позволяет разделить конденсатор на секции с различным давлением пара (секционированные конденсаторы).

8. Эксплуатация конденсаторов

Пример системы шарикоочистки.

В конденсаторах турбин ТЭЦ устраивают отдельный встроенный пучок, который в летнее время используется для охлаждения, а в зимнее время -- для предварительного подогрева сетевой воды. При этом система охлаждения может быть полностью отключена, так как на ТЭЦ зимой в конденсатор попадает небольшое количество пара -- в основном он используется для теплофикации.

В процессе работы поверхность трубок конденсатора, в которые поступает вода из водоёмов (рек, прудов, озёр и т. д.), загрязняется биологическими и минеральными отложениями, что ухудшает экономичность работы турбин. Во избежание обрастания водяного тракта биологическими организмами охлаждающую воду обычно хлорируют. В замкнутых системах охлаждения целесообразно проводить «продувку», то есть добавление свежей воды. Фильтрация охлаждающей воды, как правило, неэкономична из-за огромного расхода воды. Большинство современных конструкций конденсаторов позволяет производить механическую очистку части трубок без перерыва работы с отключением некоторых пучков. Широко применяются также системы очистки конденсаторов эластичными шариками из пористой резины, которые прогоняются по трубкам напором воды.

9. Влияние давления в конденсаторе на экономичность работы паровой турбины

Основным показателем эффективности работы конденсатора является давление пара в его переходном (входном) патрубке (горловине) или производные этого параметра--разрежение, или вакуум, т. е. разность между барометрическим давлением и давлением пара в конденсаторе, а также вакуум, выраженный в процентах барометрического давления.

Исследования ВТИ показали, что эффективность работы конденсационной установки практически не зависит от барометрического давления и поэтому значение давления пара характеризует эффективность работы конденсатора (конденсационной установки в целом) и условия работы паровой турбины в части ее противодавления.

Давление в конденсаторе однозначно определяется температурой насыщения, соответствующей этому давлению.

Температура охлаждающей воды на входе в конденсатор t1в зависит от географического месторасположения электростанции, времени года и системы водоснабжения. Сводные данные по среднегодовым температурам воды в различных географических районах приведены в табл. 2.2. При проектировании 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 в виду, что при рассмотрении переменного режима работы турбины выполняются расчеты и на более широкий диапазон температур 2…30 °С. В 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.

Литература

конденсатор аэс турбина

1.БСЭ, 3-е издание.

2.Берман Л. Д. О теории теплообмена при конденсации пара в пучке горизонтальных труб. «Известия ВТИ», 1953, № 3.

3.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.

4.Лесохин Е. И. Теплообменники-конденсаторы в процессах химической технологии, 1990, 289 с.

5.Н. Н. Абрамов. Водоснабжение. Стройиздат, 1974.

Размещено на Allbest.ru