Зорин В.М. Атомные электростанции

составляются и решаются балансовые уравнения так же, как и для

всех остальных элементов оборудования;

2 — конденсационная установка;

3 — система регенеративного подогрева питательной воды с деаэ- рационно-питательной установкой (3а);

4 — теплофикационная установка;

5— система промежуточных перегрева пара и (или) его сепарации;

—потребители теплоты рабочего тела ПТУ для собственных нужд электростанции (на рисунке не показаны).

Турбина рассматривается в данном разделе последней, после материалов, раскрывающих особенности других элементов оборудования ПТУ, в частности, какие параметры пара, отбираемого из турбины, были бы целесообразны для их функционирования.

Первой же в разделе будет рассматриваться конденсационная установка. Во-первых, потому, что конденсатор — обязательный элемент ПТУ, без которого невозможно преобразование теплоты пара в электрическую энергию. Во-вторых, потому, что конденсатор, являясь по охлаждающей воде элементом уже рассмотренной низкопотенциальной части электростанции, определяет вместе с ней конечные параметры пара в турбине. Начальные параметры определяются возможностями паропроизводительной установки, что было показано в предыдущем разделе. В интервале состояний пара от начального до конечного работает турбина, а также оборудование составных частей ПТУ.

Наличие промежуточного перегрева пара делает технически необходимой блочную схему, в которой паропроизводительная и паротурбинная установки функционируют как единое целое. Все атомные электростанции — блочные. Условия работы деаэраторов, питательных насосов, как и другого оборудования ПТУ, полностью определяются режимом ее работы. Они являются элементами тепловой схемы ПТУ и в соответствии с выполняемыми функциями входят в одну из ее систем — систему регенеративного подогрева питательной воды.

На неблочных тепловых электростанциях (иначе — электростанциях с поперечными связями) деаэрационные установки и питательные насосы относятся к общестанционному оборудованию и не входят в комплектные поставки оборудования паротурбинных установок. На таких электростанциях все котельные установки работают на общестанционный коллектор свежего пара, к которому подключены и турбины. Деаэраторы неблочных электростанций питаются паром от одной сборной магистрали, а подача пара от каждой тур-

201

бины в эту магистраль не определяется расходом конденсата в соответствующей ПТУ. Также расход воды, подаваемой питательными насосами через ПВД в общую напорную магистраль, может отличаться от полученного расчетом конкретной ПТУ. Деаэраторы, питательные насосы выбираются в этом случае проектировщиком электростанции в зависимости от фактических условий работы. Тепловая схема электростанции с поперечными связями возможна при сравнительно невысоких параметрах свежего пара, когда промежуточный перегрев пара отсутствует.

202

Глава 14

КОНДЕНСАЦИОННАЯ УСТАНОВКА

Паротурбинная установка — техническое устройство, реализующее термодинамический цикл. Подведенная к ней теплота определяется расходами и параметрами пара, вырабатываемого ППУ, и воды, направляемой в ППУ (питательной воды). Полезная работа, совер-

шаемая рабочим телом (паром) в турбине, обычно выражается в

единицах мощности и называется внутренней мощностью N . Элект-

i

рическая мощность, вырабатываемая электрогенератором, меньше внутренней мощности турбины на значение затрат мощности на вращение турбины и генератора и потерь при преобразовании механической энергии вращения в электрическую. Как внутренняя, так и электрическая мощности существенно зависят от параметров пара на выходе из турбины — от конечных параметров цикла.

14.1.Роль конденсационной установки

втепловой схеме ПТУ

Назначение конденсационной установки (КУ) — конденсация отработавшего в турбине пара и возврат конденсата в цикл станции. Теплота конденсации есть теплота, передаваемая в окружающую среду в соответствии со вторым законом термодинамики. Основной элемент оборудования КУ — конденсатор.

Для ответа на вопрос, насколько важно поддерживать возможно более низкую температуру конденсации пара, рассмотрим ее влияние на термический КПД цикла. Как было показано в гл. 5, любой термодинамический цикл может быть преобразован в эквивалентный цикл Карно, а его термический КПД выражен через средние температуры подвода и отвода теплоты:

T

Для цикла Ренкина, который реализуется в ПТУ на насыщенном

паре, Т — среднеинтегральная (определенная по Т, s-диаграмме

1

цикла) температура подвода теплоты, которая ниже температуры пара на значение, зависящее от температуры питательной воды;

Т — температура конденсации пара в конденсаторе.

2

203

отвода теплоты на 1 °С дает большее увеличение термического коэффициента полезного действия, чем рост на 1 °С температуры подвода теплоты.

Характеристики водяного пара таковы, что при его расширении до давления, существенно меньшего атмосферного, теплоперепад в турбине может увеличиться на 25…40 % в зависимости от начальных параметров пара. Поэтому в конденсаторе желателен возможно более глубокий вакуум.

Зависимости температуры конденсации пара и изменения термического КПД от давления в конденсаторе показаны на рис. 14.1 и 14.2. Из рис. 14.2, например, видно, что изменение давления в конденсаторе на 1 кПа при неизменных значениях других параметров приводит к изменению термического КПД примерно на 2 % (относительных).

Рис. 14.2. Изменение термического КПД цикла Ренкина насыщенного пара в зависимости от давления в конденсаторе при средней температуре подвода теп-

лоты Т = 533 К (260 °С) ( — термический коэффициент полезного действия

1 t4

при р = 4 кПа)

к

204

Зависимость термического коэффициента полезного действия от

температуры конденсации пара при Т = const — линейная, как это

1

следует из выражения для производной [см. (14.2)].

14.2. Температура конденсации пара

Одной из основных задач исследования и проектирования конденсационной установки является определение давления конденсации пара. Так же как и при выборе параметров ППУ, взаимосвязь параметров конденсатора наиболее наглядна при построении его

t, Q-диаграммы (рис. 14.3).

Как показано в гл 8, температура охлаждающей воды на входе в

конденсатор t определяется работой охлаждающего устройства. В

ох 1

результате конденсации пара охлаждающая вода нагревается на t

ностного типа определяется минимальным значением температурного напора δt .

энтальпия пара на входе в конденсатор; h′ — энтальпия конденсата

к

(без переохлаждения).

Расходы охлаждающей воды и пара связаны между собой кратностью циркуляции m = G /D . Изобарная теплоемкость воды в

диапазоне температур 20—40 °С может быть принята постоянной:

Рис. 14.3. Взаимосвязь основных параметров в конденсаторе (t, Q-диаграмма)

205

ближенная зависимость подогрева охлаждающей воды от кратности охлаждения m [см. (8.3)]:

кох1 в к

Температура охлаждающей воды t есть результат работы охлаж-

ох1

дающего устройства и зависит, в частности, от относительного пре-

С уменьшением подогрева охлаждающей воды снижается t и воз-

к

растает тепловая экономичность ПТУ, но повышаются затраты электроэнергии на циркуляционные насосы СТВС (возрастают m и

G); возможно увеличение при этом стоимости конденсатора и

ох.в

охлаждающего устройства.

При уменьшении минимального температурного напора также возрастает тепловая экономичность ПТУ, но увеличиваются теплообменная поверхность конденсатора и его стоимость. Рекомендуе-

мые в настоящее время значения δt = 3…6 °С (большее значение

к

соответствует более дорогому материалу теплообменной поверхности).

Зависимости давления конденсации пара от кратности охлаждения приведены на рис. 14.4. Давление конденсации определено по

температуре t , рассчитанной по (14.5) с учетом (14.4).

к

206

Взаимосвязь основных характеристик конденсатора может быть

получена на основе уравнения теплопередачи:

Q

тепловая мощность конденсатора; k — коэффициент теплопередачи;

δt — средний температурный напор, определяемый как среднелога-

Пример. Пусть при проектировании конденсационной установки решается следующая задача: до какого уровня снизится давление в конденсаторе при уменьшении расхода пара после турбины в 2 раза; коэффициент теплопередачи при этом уменьшится, по оценке, на 12 %. Для номинального режима было опре-

Можно принять, что при уменьшении расхода пара тепловая мощность конденсатора снизится также в 2 раза и при сохранении расхода охлаждающей воды в 2 раза

207

По уравнению (14.7) рассчитаем новое значение минимального температурного

С–1

муле (14.5) рассчитаем t = 27,5 °С и по таблицам свойств воды и водяного пара

к

найдем р = 3,67 кПа.

к

Таким образом, давление в конденсаторе снизится более чем на 1,6 кПа.

14.3. Особенности процесса теплообмена в конденсаторе

Процесс передачи теплоты в конденсаторах паровых турбин про-

текает в условиях, которые могут быть охарактеризованы следую-

щим образом:

1)из теплообменного оборудования ПТУ тепловая мощность конденсаторов — наибольшая. Как следствие, они обладают значительной теплообменной поверхностью, вдоль которой движется конденсирующийся пар;

2)охлаждающей средой является практически не обработанная природная вода со значительным содержанием примесей: солесодержа-

3 3

ние пресной воды — до 1 г/дм , солоноватой — 1…10 г/дм , соленой —

3

более 10 г/дм . Как правило, скорость охлаждающей воды в трубках

ограничивается: w = 1,5…2,8 м/с. Меньшие скорости интенсифи-

ох.в

цируют образование отложений, что ухудшает теплопередачу, а большие — процессы коррозии и эрозии.

Конденсатор является основным источником поступления естественных примесей в рабочее тело ПТУ. Большое число конденсатор-

ных трубок делает неизбежными присосы охлаждающей воды G

прис

через неплотности соединений трубок с трубными досками. Вода поступает и через микротрещины, возникающие в результате коррозии тысяч трубок, образующих теплообменную поверхность. Отно-

сительная величина присоса определяется по формуле

причем наибольшее значение принимается как предельное (аварийное).

Глубокая очистка охлаждающей воды экономически нецелесообразна. Вода, забираемая из природного водоема, как правило, проходит только механические (сетчатые) фильтры, устанавливаемые перед насосами. На внутренних поверхностях конденсаторных трубок образуются отложения (наносные, низкотемпературные карбонатные накипеобразования), которые могут заметно снизить коэффициент тепло-

208

передачи и ухудшить вакуум. Для периодической очистки трубок применяют различные, в основном механические, методы. Наиболее перспективным для широкого применения в настоящее время считается метод очистки с помощью резиновых шариков (рис. 14.5);

3)длительное время в качестве материала трубок использовались латуни как обладающие хорошей теплопроводностью. Концентрация меди в рабочем теле паротурбинной установки в значительной мере есть следствие ее поступления с поверхности конденсаторных трубок в результате коррозионных процессов. Медные отложения, прочно сцепленные с металлом («медные накипи»), образуются на поверхностях нагрева, несущих большую тепловую нагрузку. Кроме того, присутствие меди в рабочем теле интенсифицирует коррозионные процессы в оборудовании, выполненном из сталей. Для трубок конденсаторов АЭС до последнего времени основным материалом был сплав меди с никелем и железом МНЖ-5-1, более стойкий по сравнению с латунями, но и он не решал проблемы поступления меди в рабочее тело и присосов охлаждающей воды.

На ряде станций за рубежом уже в 70-е годы прошлого века начали применять трубки из нержавеющих сталей и титановых сплавов, полагая, что в этом случае конденсаторы будут бесприсосными. Кроме этих материалов перспективной является мартенситно-ферритная сталь 08Х14МФ, более дешевая в связи с отсутствием в ней никеля;

4)вакуум в конденсаторе делает неизбежными присосы воздуха главным образом в месте соединения его горловины с выхлопным патрубком турбины. Кроме того, в паре после турбины могут содержаться неконденсирующиеся газы. Деаэрация образовавшегося конденсата нередко организуется в конденсатосборнике с дополнительным выходом неконденсирующихся газов в паровое пространство. Присутствие воздуха и других неконденсирующихся газов сущест-

Рис. 14.5. Схема очистки трубок конденсатора резиновыми шариками:

К — конденсатор; КН — конденсатный насос; ЦН — циркуляционный насос системы технического водоснабжения; НЭ — насос эжектора; Э — эжектор; С — уловитель шариков с сеткой (сепаратор)

209

венно снижает теплоотдачу. У поверхности трубок пар конденсиру-

ется, а газ скапливается. Парциальное давление пара у стенки падает,

снижается температурный напор конденсации. К тому же газ создает

препятствие поступлению пара к поверхности. Установлено, что

содержание 1 % воздуха в неподвижном водяном паре снижает коэф-

фициент теплоотдачи вдвое. С ростом скорости пара влияние содер-

жания воздуха ослабевает, но возрастают гидравлические потери.

На основе данных эксплуатации присосы воздуха нормируются в

–3

пределах 30…60 кг/ч [(8…17)æ10 кг/с] в зависимости от мощности

турбины. Полное давление в конденсаторе есть сумма парциальных

давлений пара, воздуха и неконденсирующихся газов. Накопление

воздуха и газов привело бы к существенному ухудшению вакуума и

снижению мощности турбогенератора. Очевидна необходимость

удаления (отсоса) воздуха и газов из парового пространства конден-

сатора.

Изменение давления в конденсаторе по ходу конденсирующегося

пара показано на рис. 14.6. Видно, что наименьшее парциальное дав-

ление пара устанавливается в точке отсоса, в которой удаляется

парогазовая смесь (удаление одних только газов невозможно). Наи-

меньшее парциальное давление пара равно термодинамическому

равновесному, равному давлению насыщения при температуре охлаж-

дающей воды в этой точке. Конденсации пара в этом случае уже нет.

Расчет расхода удаляемого из конденсатора вместе с газами пара

может быть выполнен следующим образом.

Постоянство во времени давления в конденсаторе, в любой его

точке, означает, что количество удаляемых газов равно их поступле-

210