Лекция № 17. Конденсационные установки паровых турбин

17.1 Назначение, принцип действия, схема и состав конденсационной установки

Тепловая схема паротурбинной установки (ПТУ), сформированная на основе цикла Ренкина, предполагает отвод тепла к холодному источнику. Этим обеспечивается замкнутость термодинамического цикла. Практическая реализация отвода тепла осуществляется в конденсаторе ПТУ. Конденсатор – это теплообменник, предназначенный для превращения отработавшего в проточной части паровой турбины водяного пара в жидкое состояние – конденсат.

Следует отметить, что технически возможно реализовать цикл Карно, осуществив сжатие компрессором влажного пара, поступающего из турбины, до его конденсации. Однако работа сжатия влажного пара во много раз превышает работу сжатия воды. Так, например, при адиабатном сжатии влажного водяного пара от давления 0,1 МПа до давления 3 МПа, при котором он полностью конденсируется, требуется затратить работу, эквивалентную 455 кДж/кг. При адиабатном же сжатии воды от состояния насыщения при 0,1 МПа до давления 3 МПа необходимо затратить работу, эквивалентную всего лишь 2,75 кДж/кг, т.е. меньшую в 165 раз. Поэтому цикл Карно в чистом виде в паросиловых установках не применяется.

Для обеспечения высокой экономичности цикла Ренкина необходимо выполнять конденсацию пара при низком давлении (разрежении р_к относительно атмосферного давления р_а), что дает рост термодинамического КПД турбоустановки. В конденсационных установках холодному источнику (охлаждающей воде) отдается до 50% количества тепла в цикле, что в итоге определяет абсолютный КПД ПТУ на уровне 40…45%. При этом водяной пар за турбиной из-за низкого давления практически не имеет термодинамической ценности.

Следует помнить, что при изменении давления в конденсаторе на 1 кПа экономичность паротурбинной установки ТЭС изменяется примерно на 1%, а для ПТУ АЭС до (1,5-2)%. Повышение экономичности при снижении давления за турбиной имеет место, прежде всего, за счет роста теплоперепада турбины. Поэтому для турбин с небольшим располагаемым теплоперепадом и, в частности, для турбин насыщенного пара АЭС, относительное изменение теплоперепада оказывается существенным, что дает более высокий выигрыш в экономичности. Средние поправки к мощности ряда турбин и экономичности турбоустановок при изменении давления отработавшего пара следующие:

Тип турбины	Номинальная мощность, МВт	Изменение мощности, кВт, при изменении давления рк на 1 кПа	Изменение экономичности, %, при изменении рк на 1 кПа
К-100-8,8 ЛМЗ	100	 900	 0,90
К-200-12,8 ЛМЗ	200	 1900	 0,95
К-300-23,5 ЛМЗ	300	 2760	 0,92
К-220-4,4 ХТЗ	220	 4060	 1,85

Принцип работы конденсатора можно пояснить на основе рассмотрения упрощенной схемы замкнутого сосуда, в который подается чистый (без примеси воздуха) насыщенный водяной пар под некоторым давлением. Если сосуд охлаждать с внешней стороны стенок средой с достаточно низкой температурой, то пар будет конденсироваться, отдавая теплоту через стенку окружающей среде. В процессе увлажнения пар почти полностью превратится в воду (конденсат), поскольку от него отбирается теплота конденсации, равная теплоте парообразования r_s. Над зеркалом конденсата остается часть насыщенного пара. Если отведенное от пара количество теплоты равно mr_s, где m, кг – масса пара в сосуде, то после конденсации температура конденсата будет совпадать с температурой пара над ним. Поскольку удельный объем насыщенного пара много больше удельного объема воды, то в сосуде формируется глубокое разрежение («вакуум»). Например, при температуре конденсации t_s=24,1 ⁰С удельный объем воды v¹=0,001 м³/кг, а пара v¹¹=45,67 м³/кг. Следовательно, объем образующегося конденсата в 45670 раз меньше, чем объем насыщенного пара. Именно поэтому давление в конденсаторе р_к составляет всего 3 кПа (много меньше атмосферного давления р_а100 кПа).

Представленный процесс конденсации реализуется в конденсаторе паровой турбины. Под конденсационной установкой (рис. 17.1) понимают совокупность конденсатора 1 и следующих основных устройств: 2 – циркуляционных насосов; 3 – конденсатных насосов; 4 – эжекторной установки. В зависимости от вида охлаждающей среды конденсаторы бывают водяные (охлаждающая среда – вода) и воздушные (охлаждающая среда – воздух). Современные паротурбинные установки снабжены преимущественно водяными конденсаторами.

Рис. 17.1. Принципиальная схема конденсационной установки

Поскольку водяной пар, поступающий из выходного патрубка турбины, всегда содержит воздух, попадающий через неплотности различных фланцевых соединений, концевые уплотнения ЦНД, арматуру, находящуюся под разрежением, то необходимы специальные насосы 4 (эжекторы), постоянно отсасывающие неконденсирующиеся газы. Сегодня используются пароструйные и водоструйные эжекторы, в которых рабочим телом является соответственно водяной пар и вода. Кроме того, существуют водокольцевые насосы для отсоса паровоздушной среды из объема конденсатора. Подача охлаждающей воды в конденсатор осуществляется циркуляционным насосом 2. Конденсатные насосы 3 служат для подачи конденсата в систему регенеративного подогрева питательной воды.

Схема поверхностного конденсатора водяного типа приведена на рис.17.2. Он состоит из корпуса 1, торцевые стенки которого закрыты трубными досками 4. В досках завальцованы конденсаторные трубки 5, открытые своими концами в водяных камерах. В зависимости от числа ходов охлаждающей воды (два, четыре) водяные камеры разделяются перегородками, которые делят все конденсаторные трубки на соответствующее число секций. Для двухходового конденсатора вода поступает через входной патрубок 15, далее идет по нижней секции трубок, разворачивается в поворотной водяной камере 16 и движется по трубкам верхней секции. Пар, поступающий из турбины через горловину конденсатора 6 в паровое пространство, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых течет охлаждающая вода. За счет резкого уменьшения удельного объема пара в конденсаторе создается низкое давление. Чем ниже температура охлаждающей воды и больше ее расход, тем больше разрежение в конденсаторе. Образующийся конденсат поступает в конденсатосборник 7. Удаление воздуха (паровоздушной смеси) из конденсатора осуществляется через патрубок отсоса в специально выделенном отсеке – воздухоохладителе 9.

Рис. 17.2. Устройство двухходового конденсатора ПТУ

1. корпус; 2, 3 - крышки водяных камер; 4 - трубная доска; 5 - конденсаторные трубки; 6 - приемная горловина конденсатора; 7 - конденсатосборник; 8 - отсос паровоздушной смеси из воздухоохладителя 9; 10 - направляющие листы; 11, 12– входной и выходной патрубки для воды; 13 – разделительная перегородка; 15-17 - входная, поворотная и выходная камеры для охлаждающей воды