7. Конденсационные устройства

7.1 Назначение и принцип действия

Конденсационные устройства в паротурбинных установках вы­полняют роль холодного источника, понижение температуры ко­торого повышает термический КПД цикла. В холодном источнике происходит конденсация отработавшего пара. Образующийся конденсат может быть сохранен, а затем использован в качестве питательной воды для котла. Таким образом, назначением кон­денсационных устройств является [5]:

-создание и поддержание определенного давления (разрежения) в выхлопном патрубке турбины;

-превращение в конденсат отработавшего в турбине пара для питания им котла или парогенератора реакторной установки энергоблоков АЭС;

-удаление неконденсирующихся газов из всех пароводяных потоков, поступающих в конденсатор.

Конденсационная установка (рис.7.1) состоит из: конденса­тора 2, циркуляционного 10, конденсатного 3 и воздушного 4 (эжектора) насосов и двигателей для их привода, турбопроводов и армату­ры.

Отработавший в турбине пар по­ступает в конденсатор 2, представля­ющий собой теплообменный аппарат (обычно поверхностного типа), в кото­ром происходит его конденсация. Для отвода теплоты, выделяющейся при конденсации пара, через трубки кон­денсатора непрерывно прокачивается циркуляционным насосом 10 охлажда­ющая вода, которая подается из водо­ема или бассейна градирни. Образо­вавшийся в результате конденсации пара конденсат откачивается из конденсатора конденсатным насосом 3 и подается в систе­му регенеративного подогрева питательной воды.

Рис. 7.1. Схема простейшей конденсационной установки:

1- выхлопной патрубок; 2-конденсатор; 3-конденсатный насос; 4-эжекторная установка; 5-охладитель эжекторов; 6-ПНД -1; 7-последняя ступень ЦНД; 8- система технического водоснабжения; 9-филтр технической охлаждающей воды; 10-циркуляционные насосы;11-трубопроводы охлаждающей воды

В конденсатор вместе с паром поступает некоторое количество неконденсирующихся газов – кислорода и углекислоты, а из-за присосов через неплотности в системах турбоустановок, работающих под разрежением – значительно большее количество воздуха. Наличие газов в паре ухудшает теплообмен между паром, омывающим трубки снаружи, и водой, проходящей внутри трубок, поэтому должно производиться непрерывное удаление этих газов из конденсатора с помощью специальных устройств. Эту задачу выполняет воздушный насос 4, в качестве которого обычно используют паро­струйный (паровой) или водоструйный (гидравлический) эжек­тор. Нужно отметить, что эжектор отсасывает из конденсатора не сухой воздух, а смесь пара и воздуха, в которой доля воздуха составляет 50-60%. Чтобы уменьшить содержание пара в отсасываемой паро-воздушной смеси и излишне не загружать эжектор, каждый конденсатор имеет специально выделенную воздухоохладительную часть трубного пучка, расположенную на пути воздуха к трубам отсоса. Она выполнена путем удлинения хода пара к эжектору и увеличению времени контакта паров с охлаждающими трубками.

Необходимым условием конденсации пара является непрерыв­ный отвод теплоты, выделяющийся при переходе пара в жид­кость, т. е. теплоты конденсации. Этот отвод теплоты соверша­ется в результате теплообмена конденсирующегося пара с охлаждающей водой через стенки конденсаторных трубок, об­разующих поверхность охлаждения конденсатора F_K. Поверх­ность охлаждения определяется количеством пара, которое мож­но сконденсировать в конденсаторе при заданных условиях теп­лообмена:

, (7.1)

где Q — количество теплоты, передаваемой охлаждающей воде при конденсации пара, Дж/с (Вт); K— коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*К); δt_ср — средний температурный напор (разность температур) между паром и водой, К.

В этой формуле F_K (м²)—суммарная площадь поверхности конденсаторных трубок—может быть определена по внешнему или по внутреннему их диаметру, в зависимости от того, к какой поверхности отнесен коэффициент теплоотдачи.

В конденсатор поступает не чистый пар, а смесь пара (как правило, насыщенного или с некоторой степенью влажности) с конденсирующимися газами (в основном воздухом), которую принято называть паровоздушной смесью. По мере движения: паровоздушной смеси вдоль поверхностей охлаждения и кон­денсации пара его температура снижается. Это объясняется тем, что снижается парциальное давление пара, так как уменьшается его массовая доля в общей массе паровоздушной смеси. Кроме того, снижается общее давление паровоздушной смеси вследствие парового сопротивления конденсатора при обтекании потоком смеси его трубок. Особенно заметно воздух влияет на температу­ру пара в конце процесса конденсации.

Процесс конденсации пара можно разделить на две стадии. В первой практически отсутствует заметное влияние воздуха на температуру пара. Во второй воздух влияет не только на сниже­ние температуры пара, но и на характер самого процесса переда­чи теплоты от паровоздушной смеси к охлаждающей воде.

Поскольку условия теплопередачи в начальной и конечной стадиях процесса конденсации различны, для каждой из них в конденсаторе имеется своя теплообменная зона, сконструирован­ная с учетом присущих ей особенностей. Зону, занимающую на­ибольшую поверхность теплообмена, называют зоной массовой конденсации. В этой зоне протекает первая стадия процесса и конденсируется основная масса пара при ничтожно малом изме­нении температуры. Вторая зона, называемая воздухоохладите­лем, предназначена для завершения процесса конденсации.

Рассмотрим устройство конденсатора (рис.7.2). По концам корпуса 1 конденсатора расположены трубные доски 2 с завальцованными трубками 3, а за ними—водяные камеры 4 и 7. Охлаждающая (циркуляционная) вода подается по трубе 6 в ниж­нюю половину водяной камеры 7, проходит по трубкам 3 в водя­ную камеру 4 и, возвращаясь по трубкам, расположенным в верхней половине конденсатора, поступает в верхнюю половину камеры 7 и удаляется через

Рис. 7.2. Поверхностный конденсатор:

1 - корпус, 2 - трубные доски, 3 - трубки, 4,1 - водяные камеры,

5 - конденсатосборник, 6, 8 - подводящая и отводящая трубы, 9, 10 - патрубки,

11 - воздухоохладитель

отводящую трубу 8. Отработавший пар поступает в конденсатор из турбины через патрубок 9, кон­денсируется на поверхности трубок 3, и конденсат откачивается конденсатным насосом из конденсатосборника 5. Трубки 3 за­нимают подавляющую часть пространства конденсатора и со­ставляют зону массовой конденсации.

Воздух из зоны 11, называемой воздухоохладителем, отса­сывается через патрубок 10. Вместе с воздухом частично отса­сывается пар. Как отмечалось, чтобы максимально уменьшить количество отса­сываемого пара и охладить воздух, их смесь проходит через воздухоохладитель 11, представляющий собой группу отделен­ных перегородкой трубок, на поверхности которых происходит конденсация пара из паровоздушной смеси.

Рассматриваемый конденсатор является двухходовым. Если бы вода подавалась в водяную камеру конденсатора с одной стороны и, пройдя все трубки, поступала бы в водяную камеру с другой стороны, откуда удалялась бы, такой конденсатор яв­лялся бы одноходовым.

Конденсаторные трубки компонуются в конденсаторе из от­дельных групп — трубных пучков. В пределах одного пучка трубки имеют определенную систему расположения, соответст­вующую разбивке отверстий на трубной доске. Особенностью компоновки трубного пучка конденсаторов современных паро­вых турбин является выполнение его в виде ленты. Ленточная компоновка увеличивает периметр входной части основного пучка и снижает скорость натекания пара на трубки, что умень­шает паровое сопротивление конденсатора.

Крепление трубок в трубной доске должно исключать про­никновение циркуляционной воды в паровое пространство во из­бежание загрязнения конденсата солями. В современных кон­денсаторах такое крепление выполняют вальцовкой специальным приспо­соблением — вальцовочным пистолетом. Особенно эффективным средством уменьшения присосов циркуляционной воды применение двойных трубных досок с подачей в пространство между ними кон­денсата. Если же применяют одинарные трубные доски, на их поверхность часто наносят специальное битумное покрытие.

Несмотря на меры, предотвращающие попадание циркуляционной воды в паровое пространство конденсатора, при эксплуатации ее присосы могут все-таки появиться. Места присосов необходимо обнаружить и принимать меры для их ликвидации. Для этого в конденсаторах выполняют так на­зываемые соленые отсеки. Циркуляционная вода, проникающая через неплотности вальцовки, попадает в специальный отсек, об­разованный основной и дополнительной трубными досками, и удаляется дренажным насосом с некоторым количеством кон­денсата.

Рассмотрим конструкцию двухходового конденсатора К-9115 ХТЗ (рис. 7.3), который имеет сварной стальной корпус, с уста­новленными по концам трубными досками с большим количест­вом (около 12 тыс.) закрепленных в них тонкостенных трубок, водяных камер 2 и 5 и переходного патрубка. При расходе пара около 330 т/ч и охлаждающей воды 20 800 м³/ч давление пара составляет 3,4 кПа. Трубный пучок — ленточный. Разбивка тру­бок выполнена в виде шестилепестковой фигуры, симметричной относительно вертикальной оси конденсатора, с наружными ту­пиковыми проходами вглубь пучка и внутренними свободными от трубок каналами, сходящимися в его центре.

В центральной части конденсатора расположен воздухоохла­дитель 8, представляющий собой кольцевой трубный пучок 6, снабженный системой кожухов, обеспечивающих три хода паро­воздушной смеси с последующим уменьшением площади сечения прохода при продольном омывании охлаждающих трубок. В центре воздухоохладителя установлена труба 9 для отсоса воздуха из конденсатора. Трубный пучок, включая воздухоохла­дитель и центральную трубу, разделен по вертикали глухой перегородкой на две половины и опирается по длине на пять проме­жуточных трубных досок.

Охлаждающие трубки развальцованы с двух сторон в двой­ных трубных досках. Для предохранения трубок от ударного дей­ствия, поступающего в конденсатор пара, в наиболее уязвимых участках трубного пучка по периферии установлены утолщенные трубки диаметром 28х2 мм; в основном же трубный пучок состоит из трубок диаметром 28х1 мм.

В отдельных внутренних участках трубного пучка, а также в крайних трубках, где возможны скопления конденсата, установ­лены открытые сверху дренажные трубки-желобки для отвода конденсата с вышележащих трубок к трубным доскам. Для этой же цели служат паровые щиты 7, расположенные во внутренних, свободных от трубок каналах трубного пучка. Это позволяет от­водить конденсат, образующийся на верхних рядах трубок, непо­средственно в конденсатосборник 4, минуя расположенные ниже трубки, что уменьшает толщину пленки конденсата на них и улучшает теплообмен.

Рис. 7.3. Двухходовой конденсатор конструкции ХТЗ:1 - переходный патрубок, 2, 5 - водяные камеры, 3 - пружины,

4 - конденсатосборник, 6 - трубный пучок 7 - паровой щит,

8 - воздухоохладитель, 9 - труба для отвода воз­духа

Переходный патрубок 1, соединяющий конденсатор с вы­хлопным патрубком турбины, имеет сечение, расширяющееся в сторону конденсатора, и выполнен из четырех плоских наклон­ных листов, укрепленных изнутри ребрами и перекрестными тягами. Во внутренней полости переходного патрубка размеще­ны выводные трубы отборов пара из части низкого давления турбины. Концы этих труб выходят наружу через стенки па­трубка.

Конденсатор поддерживается четырьмя группами пружин 3, закрепленными на нижней плите фундамента турбины.