8.6. Регенеративний підігрів живильної води

Регенеративний підігрів живильної води, що здійснюється, пропрацювавши в турбіні парою, найбільшою мірою збільшує економічність циклу конденсаційної паротурбінної установки.

Найпростіша схема електростанції з одноступінчатим регенеративним підігрівом живильної води показана на мал. 8.11.

Відбірна пара, виробляючи деяку кількість механічної (електричної) енергії, підігріваючи живильну воду в теплообміннику, не має втрат теплоти в конденсаторі («холодному джерелі»). Можна також пояснити підвищення економічності установки з регенеративним підігрівом живильної води, розглядаючи її як ТЕЦ з внутрішнім споживанням теплоти для підігріву живильної води, тобто представляючи виробництво електричної енергії на базі теплового споживання.

Суперечності з положеннями термодинаміки в цьому випадку не виникає, оскільки повністю ліквідовувати втрати теплоти в конденсаторі в цьому випадку не можна. Зменшуючи ці втрати, цикл Ренкіна лише удосконалюється.

Термічний ККД установки, зображеної на мал.8.12, можна визначити відповідно до матеріального (D=D₁ +D_K ) і енергетичним балансом, а саме

або

(8.34)

де ₁=D₁/D; _к=D_к/D - частки відбірної пари і пари, що пройшла в конденсатор, від загальної витрати пари в турбіну; _1а і _ка - питоме вироблення механічної енергії відбірною парою і парою, що йде в конденсатор у разі ідеального процесу роботи пари в турбіні; _t - термічний ККД початкового циклу без регенеративного підігріву.

Внутрішній абсолютний ККД установки з регенеративним підігрівом має вираз

(8.34а)

де ₁, _к, _і, - вищенаведені позначення величин у разі реального процесу розширення пари в турбіні (з урахуванням _оі).

З виразів (8.34) і (8.34,а) можна встановити, що ККД установки з регенеративним підігрівом живильної води завжди вище, ніж ККД установки без нього:

Конкретні значення залежать від відношення _1а/_ка або ₁/_к. Температура підігріву живильної води залежить від тиску відбору. В змішуючому підігрівачі гранична температура підігріву води t_п.в рівна температурі конденсації гріючої пари відбору t_н1. Кількість же відбираної пари визначається тепловим матеріальним балансом підігрівача:

і

з відки

Мал.8.11. Принципова теплова схема станції з регенеративним підігрівом води в змішуючому підігрівачі. D₁ - кількість відбираного з турбіни пари; p₁, t₁, i₁ - тиск, температура і ентальпія відбираної пари. Решта позначень - див. мал. 8.4.

Мал. 8.12. Зміна внутрішнього ККД турбоустановки з регенеративним підігрівом живильної води залежно від t_п.в і числа відборів z (ступенів підігріву живильної води).

Таким чином

При одноступінчатому підігріві живильної води (число відборів z= 1) при тиску відбору р₁ близькому до тиску в конденсаторі р_к, = , оскільки ₁= 0, то ₁/_к=0 і t_пв =t_к При тиску відбору, близькому до початкового тиску р₁=р₀, різниця ентальпій і₀ –і₁ = 0, тому ₁/_к=0 і t_пв =t_oн. Отже, і в цьому випадку . При t_пв, відмінних від t_oн і t_к, проходить через максирисьне значення (мал. 8.12). В першому наближенні оптимальне значення

Відносне підвищення економічності установки при цьому складає 7-8%.

Застосування регенеративного підігріву живильної води дає ще більший ефект, якщо збільшити число відборів пари і ступенів підігріву води в підігрівачах.

Розподіляючи підігрів живильної води до вибраного значення t_пв між декількома підігрівачами, парою від відповідного числа відборів, можна встановити, що буде рости, а _к=_кН₀ зменшуватиметься.

Мал. 8.13. Принципова теплова схема станції з регенеративним підігрівом живильної води в трьох змішуючих підігрівачах П1, П2 і П3 парою трьох відборів.

ПН1, ПН2, ПН3 - перекачуючі насоси. 1, 2, 3 - номери відборів.

На мал. 8.12 показано зміну в залежності від t_п.в і числа відборів z . Оптимальне значення температури живильної води при збільшенні z росте і приблизно рівно:

або

Відносне підвищення економічності циклу із збільшенням числа ступенів підігріву живильної води також росте, але в дещо сповільненому темпі і досягає на сучасних електростанціях з великим числом відборів (6-8) 14-15%.

Використання для підігріву живильної води змішуючих підігрівачів дозволяє нагрівати воду до температури насичення парогріючого відбору. Оскільки тиск в змішуючому підігрівачі стає рівним тиску, що поступає з відбору пари, то після кожного підігрівача необхідна установка перекачуючого насоса (мал.8.13). Після підігрівача перекачуючим насосом установлюється живильний насос (ПН) з натиском, відповідним тиску в барабані котла. При великому числі ступенів підігріву ускладнюється експлуатація всієї установки, що перекачує конденсат турбіни, а також істотно збільшується її вартість. Ці недоліки відпадають, якщо використовувати поверхневі нагрівачі, здійснюючі передачу теплоти, що конденсується, пари живильної води через поверхню нагріву. Схема включення регенеративних підігрівачів поверхневого типу в тракт подачі конденсату від конденсатора до котла.

При використанні поверхневих підігрівачів достатня установка тільки двох насосів: конденсатного (КН) і живильного (ПН). Конденсатний насос - на тиск, дещо перевищуючий тиск пари третього відбору , і живильний насос - на тиск, відповідний йому тиску котла плюс опір водяного тракту. Проте вартість таких підігрівачів через застосування в них поверхонь нагріву, що розділяють гріюче середовище (пара) і що нагрівається (воду), зростає. Крім того, за умов теплообміну нагрів конденсату в підігрівачі не може досягати температури конденсації пари відбору. Нагрів води t_п, забезпечуваний конденсацією гріючої пари, відрізнятиметься від температури насичення гріючої пари на деяку величину недогріву =t_н - t_п. Від недогріву залежить середня різниця температур між гріючим і нагріваючим середовищ, а отже, і поверхня нагріву підігрівача. Тиск відборної пари при підігріві води в поверхневих підігрівачах до тієї ж температури, що і в змішуючому підігрівачі, повинен бути дещо вищий, ніж при використанні змішуючих підігрівачів, оскільки визначаюча тиск пари температура його конденсації t_н = +t_п виявляється вище на величину недогріву. Ця обставина спричиняє зменшення вироблення енергії відборною парою, оскільки теплоперепад h_от для відборної пари з більш високим тиском стає меншим. Отже, дещо знижується вироблення електроенергії паром відборів, тобто знижується ефективність застосування регенеративного підігріву живильної води. В результаті недогрів  повинен визначатися техніко-економічними розрахунками.

Мал. 8.14. Схеми зливу конденсату пари відборів з поверхневих підігрівачів. ДН - дренажні насоси. П₁ – П₄, - підігрівачі

В розрахунках зіставляються зміни витрат на поверхню нагріву підігрівача (звичайно це пучки труб невеликого діаметра) і витрат на паливо. Витрати на поверхні нагріву і топливо при зміні  змінюються в протилежних напрямах. В реальних умовах значення  знаходиться в межах 2-5° С.

Як компроміс застосовуються схеми з двома підігрівачами низького тиску змішуючого типу, розташованими для природного перетікання живильної води на різних рівнях один над іншим (чим виключається застосування перекачуючого насоса), і з рештою підігрівачів поверхневого типу.

Застосування в теплових схемах станції поверхневих підігрівачів вимагає організації зливу і включення в основний потік живильної води конденсату пари відборів, що утворюється.

На мал. 8.14 три схеми зливу конденсату підігрівачів. В схемах мал. 8.14, а і б застосовуються відносно невеликі дренажні насоси для кожного підігрівача. В схемі мал. 8.14, в застосований каскадний злив конденсату з вищерозміщених підігрівачів в нижчележачі і один дренажний насос.

При каскадному зливі використовується зниження тиску пари відборів від вище до нижче розташованих підігрівачів (по розташуванню відборів відповідно до руху пари в турбіні).

В енергетичному відношенні схема на мал.8.14, а ближче до схем із змішуючими підігрівачами: величина дещо знижується в результаті зміщення потоків основного конденсату з конденсатом пари відборів. Схема на рис. 8.14,а майже повністю виключає додаткові дренажні насоси. Каскадний злив дещо знижує економічність установки, оскільки більш гарячий конденсат вищерозміщених підігрівачів частково витісняє гріючу пару відборів в нижчележачих підігрівачах і, отже, зменшує вироблення енергії паром цих відборів.

По сукупності оцінок схем зливу конденсату на сучасних паротурбінних установках в основному застосовується схема каскадного зливу.

Мал. 8.15. Схема включення вбудованих охолоджувачів перегріву пари і дренажу.

СП - підігрівач; ОП - охолоджувач перегріву пари; ОД - охолоджувач дренажу.

Подальшим вдосконаленням регенеративного підігріву живильної води є застосування охолоджувачів перегріву пари відборів і охолоджувачів дренажу (мал. 8.15). Охолоджувач перегріву пари відбору забезпечує більш високий підігрів живильної води в порівнянні з підігрівом без нього в основному підігрівачі. В основному підігрівачі підігрів води визначається температурою конденсації пари відбору, а в охолоджувачі перегріву пари - більш високою температурою перегрітої добірної пари (особливо для відборів після проміжного перегріву і відборів з головної частини турбіни). Більш високий підігрів живильної води збільшує сумарну кількість відбираної пари, і, отже, підвищує ефективність регенеративного підігріву живильної води.

Мал. 8.16. Підігрівач низького тиску. Схема руху пари і конденсату в ПНД-2, що підігрівається, енергоблока 800 МВт.

Охолоджувачі дренажу застосовуються при каскадному зливі конденсату пари відборів для охолоджування останнього нижче за температуру насичення. В цьому випадку злив дренажу «витісняє» меншу кількість гріючої пари в розташованих нижче підігрівачах і таким чином збільшує вироблення електроенергії добірним паром.

Регенеративні підігрівачі є теплообмінниками між гріючою парою відборів і живильною водою, що нагрівається (або конденсатом відпрацьованої пари). Конструктивно поверхневі регенеративні підігрівачі виконуються двох типів: підігрівачі високого тиску (ПВТ), що працюють під тиском води живильних насосів, і підігрівачів низького тиску (ПНТ), працюючі під тиском води конденсатних насосів (мал. 8.16, 8.17). Поверхнею нагріву в підігрівачах є пучки труб діаметром від 16 до 32 мм, оформлені у вигляді спіралей для ПВТ (мал. 8.17) або у вигляді V- подібних труб для ПНТ (мал. 8.16). Кінці трубних спіралей ПВТ приварюються до вертикальних колекторів, що розподіляють воду, що підігрівається, по спіралях. Кінці С-подібних труб ПНТ ввальцьовуються в трубні дошки, що розподіляють воду по пучку труб.

Вся система пучків труб або спіралей поверхні нагріву полягає в циліндровий корпус діаметром до 3 м і більше. В корпус подається гріюча пара відборів, що омиває поверхню нагріву.

Охолоджувачі пари і дренажу виконуються або вбудованими в основний корпус підігрівача, або у вигляді самостійних виносних теплообмінників.