ТЭС и АЭС_1 / Лекция 12-13

Лекция 12-13 (4 часа).

Балансы пара и воды на КЭС. Добавочная вода и требования и ней.

Балансы пара и воды на конденсационных электростанциях определяются следующими уравнениями.

Паровой баланс турбины с регенеративными отборами

где — расход свежего пара на турбину; — регенеративные отборы пара; — протечки пара через уплотнения; — разные отборы пара (на привод питательных насосов и воздуходувок, подогрев мазута и воздуха для котлов и т. п.); —пропуск пара в конденсатор; — утечки пара в турбоустановке.

Расход свежего пара на турбоустановку D0 принимается в качестве основной расчетной величины при расчете тепловой схемы, производительности котла, энергетических показателей и др.

Баланс питательной воды

где — расход продувочной воды котла (для прямоточного котла , тогда ).

С другой стороны поток питательной воды Dn.в состоит из конденсата турбины DK, конденсата пара регенеративных отборов конденсата пара из расширителя продувки котла D'П и конденсата пара из уплотнений Dy. Кроме того, поток питательной воды необходимо дополнить таким количеством добавочной воды, которое восполняет потери пара и воды в тепловой схеме: , где — прочие утечки пара и конденсата сверх утечек в турбоустановке.

Количество добавочной воды определяется в случае конденсационной турбоустановки утечками пара и конденсата (и потерями продувочной воды при барабанном котле). Все эти потери относятся к внутренним потерям в схеме.

Потери от утечек обусловливаются неплотностью фланцевых соединений трубопроводов, предохранительных клапанов турбин и котлов и другого оборудования на ТЭС, потерями дренажа трубопроводов, арматуры и оборудования, а также безвозвратными потерями пара на технические нужды: на разогрев мазута, на мазутные форсунки, на паровую обдувку котлов и т. д. Потери от утечек фактически распределены по всему пароводяному тракту, но большая их часть сосредоточена в местах с наиболее высокими параметрами, поэтому при расчете иногда учитывают потери от утечек в линии свежего пара, что дает некоторый запас з показателях тепловой экономичности ТЭС.

Потери от утечек уменьшают, заменяя фланцевые соединения трубопроводов, арматуры и оборудования сварными соединениями, повышая плотность арматуры, собирая и используя дренаж.

На конденсационных электростанциях общая сумма потерь не превышает 1,5%, эти потери восполняются добавочной водой. Требования к качеству этой воды так же высоки, как к воде, служащей для заполнения контура паротурбинной установки. Для того чтобы современный энергоблок работал длительное время без отложений в экранных трубах, пароперегревателе парового котла и проточной части турбины, концентрация отдельных составляющих примесей в питательной и добавочной воде не должна превышать 5—100 мкг/кг, в том числе соединений натрия (в пересчете на Na) не более 5 мкг/кг, кремниевой кислоты (в пересчете на) не более 15 мкг/кг . Для получения добавочной воды в качестве исходной применяется сырая вода, подвергаемая соответствующей обработке, вид которой зависит от типа электростанции, от характеристик и параметров оборудования, от качества исходной воды.

Химическая и термическая подготовка добавочной воды. Одноступенчатые и двухступенчатые испарительные установки

На тепловых электростанциях применяются два способа подготовки добавочной воды: химический и термический. Выбор способа водо-"одготовки зависит от многих факторов. Необходимо учитывать тип электростанции, тип котла, размеры потерь теплоносителя, качество исходной сырой воды и т. д.

При химическом способе сырая вода проходит. несколько этапов очистки. На первом этапе (предочистке) из воды выделяются гру-бодисперсные и коллоидные вещества и снижается бикарбонатная щелочность воды посредством добавления в воду специальных веществ — реагентов, вызывающих выпадение нримесей в осадок. На последующих этапах химической подготовки происходит очистка зоды от некоторых растворенных примесей в :сновном методом ионного обмена. При химическом способе из добавочной воды почти полностью удаляются соли жесткости, но при этом хорошо растворимые соли удаляются лишь частично. Щелочность химически очищенной зоды может приближаться к нулевой. Наиболее дорогие и сложные устройства необходимы для удаления кремниевой кислоты. Метод глу­бокого химического обессоливания позволяет получить воду, не уступающую по качеству кон­денсату турбины.

Химический метод обессоливания в настоя­щее время является основным для ГРЭС с обо­рудованием на давление пара выше 10 МПа при среднем солесодержании исходной воды не выше 4—5 мг-экв/кг для барабанных котлов и не выше 3—4 мг-экв/кг для прямоточных котлов.

Основным недостатком химического спосо­ба подготовки воды с точки зрения охраны окружающей среды от вредных выбросов яв­ляется большой сброс отмызочных вод в водо­емы; термический метод подготовки добавоч­ной воды имеет преимущество в этом отноше­нии перед химическим.

Термический способ подготовки добавочной воды основан на применении испарительных установок. В испарительной установке¹ проис­ходит дистилляция исходной добавочной во­ды — переход ее в пар с последующей конден­сацией. Конденсат испаренной воды является дистиллятом, свободным при правильной кон­струкции и эксплуатации испарителя от солей жесткости, растворимых солей, щелочей, крем­ниевой кислоты и т. п.

В состав испарительной установки входят испаритель, в котором предварительно химиче­ски очищенная вода превращается в пар, и охладитель, в котором конденсируется получен­ный в испарителе пар. Такой охладитель на­зывается конденсатором испарительной уста­новки, или конденсатором испарителя.

Термический способ подготовки добавочной воды по начальным затратам и эксплуатацион­ным расходам обычно дороже химического. Кроме того, испарительные установки со срав­нительно простой одноступенчатой схемой име­ют ограниченную производительность, а при­менение многоступенчатых испарителей еще более удорожает и делает более громоздкой всю установку, а также усложняет компоновку машинного зала.

Испарительные установки применяют на станциях высокого и сверхкритического давле­ния с барабанными и прямоточными котлами при относительно небольших потерях пара и конденсата.

Испарение добавочной воды происходит за счет теплоты, отдаваемой первичным греющим конденсирующимся паром из отборов турбины; конденсация произведенного в испарителе вто­ричного пара происходит в результате охлаж­дения пара водой, обычно — конденсатом тур­бинной установки (рис. 1).

При такой схеме включения испарителя и его конденсатора теплота пара турбины исполь­зуется в конечном счете для подогрева основ­ного конденсата и возвращается с питательной водой в котлы. Таким образом, испарительная установка включается по регенеративному принципу, и ее можно рассматривать как эле­мент регенеративной схемы турбоустановки. При этом, однако, возникает энергетическая потеря, обусловливаемая наличием темпера­турного напора в испарителе и, следовательно, увеличенным недогревом в такой регенератив­ной ступени , где — темпе­ратура насыщения пара из отбора турбины, —температура подогрева воды в конденса­торе испарителя.

Рис. 1. Простейшая схема конденсационной электростанции с одноступенчатой испарительной установкой:

а — с собственным конденсатором испарителя КИ (без энергетической потери); б — при использовании регенеративного подогревателя П2 (КИ) в качестве конденсатора (с энергетической потерей)

Показанная на рис. 1 схема характеризует одноступенчатую испарительную установку с одной ступенью испарения воды.

Испаритель — теплообменник поверхностно­го типа, в котором греющий (первичный) пар, отдавая теплоту, конденсируется при постоян­ной температуре насыщения , а нагреваемая вода, испаряясь, превращается при постоянной температуре парообразования (насыщения) в пар (вторичный). Для передачи тепло­ты от греющего пара к испаряемой воде долж­но быть и, соответственно, давление греющего пара выше давления вторичного пара:

Чем больше температурный напор в испари­теле, тем дешевле испаритель, так как меньше требуемая площадь поверхно­сти нагрева испарителя, м²,

где — теплота, передаваемая через поверх­ность испарителя за единицу времени, кВт; — коэффициент теплопередачи.

Конденсатор испарителя представляет собой пароводяной поверхностный теплообменник. Здесь вторичный пар конденсируется при тем­пературе насыщения нагревая воду (конден­сат) до температуры Повышение тем­пературы воды в конденсаторе испарителя

где — температура воды при входе в конденсатор испарителя, зависит в основном от соотношения расходов вторич­ного пара и охлаждающего конденсат при заданной температуре и темпе­ратура определяется из уравнения теплово­го баланса конденсатора испарителя.

БАЛАНС ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ И РАБОЧЕГО ТЕЛА В ТЕПЛОВОЙ СХЕМЕ АЭС

Несмотря на то что контуры теплоносителя и рабочего тела замкнуты, все же имеются протечки и потери циркулирующих в них сред. Протечки

потери должны быть либо восполнены, либо уловлены и возвращены в контур. Кроме того, во избежание накопления примесей необходимо сбалан­сировать поступление и вывод их из контуров, поскольку допустимая кон­центрация нормируется, исходя из технологических требований.

Потери (утечки) воды первого контура недопустимы, так как она обла­дает значительной радиационной активностью (обычно на уровне до 10"⁴ Ки/кг). В связи с этим все оборудование первого контура стремятся конструировать без протечек, что в первую очередь относится к циркуля­ционным насосам (до последнего времени применялись насосы бессальни­кового типа с погруженным в воду двигателем), а также к арматуре, имею­щейся в контуре, например запорным задвижкам. Выполнение арматуры совершенно без протечек невозможно, но практически они невелики и воз­вращаются в контур.

К организованным протечкам, возвращаемым в контур, переходят в пос­ледние годы и при конструировании насосов первого контура, что позволяет поднять КПД. и снизить стоимость. Баланс воды в первом контуре при этом не нарушается.

Вода реактора при очистке её на ионообменных фильтрах полностью возвращается в цикл. Практически так же обстоит дело и при использовании выпарных установок для очистки продувочной воды, рас­ход которой с так называемым кубовым остатком, подлежащим захоронению, ничтожно мал по сравнению с расходом продувки. В этих условиях можно считать, что система первого контура в процессе нормальной работы не требует подпитки.

Во втором контуре двухконтурных станций несмотря на замкнутый цикл существуют все же некоторые потери рабочего тела (пара, конденсата), а следовательно, и необходимость их восполнения. К числу этих потерь относятся утечки пара и конденсата через различные неплотности. Эти по­тери являются внутренними.

В некоторых случаях могут иметь место и так называемые внешние по­тери, обусловленные тем, что потребитель отборного пара не полностью возвращает конденсат. Однако для современных атомных станций это не характерно, так как снабжение паром промышленных предприятий осу­ществляется от ТЭЦ на органическом топливе.

Внешние по отношению к турбине потребители в пределах самой АЭС (например, подогреватели сырой воды), как правило, возвращают конден­сат полностью, но если потери имеются, то они должны быть учтены.

Баланс пара, конденсата и добавочной воды в тепловой схеме однокон­турной станции или для второго контура двухконтурной удобно вычислять в долях от расхода пара на турбоустановку.

Основные потери рабочего тела из цикла второго контура АЭС имеют место в элементах, находящихся под наибольшим давлением пара, поэтому все эти утечки условно относят к острому пару, хотя фактически имеются потери и в области низких давлений. К числу последних относятся потери рабочего тела с паровоздушной смесью, выбрасываемой эжекторами конденсатора и уплотнений, а также с отдувкой из деаэраторов. Эти потери определяются при детальном расчете турбоустановки. При составлении материального баланса установки в целом их отдельно не учитывают, а включают в общестанционные утечки. Величина этих потерь обычно составляет 0,34-0,5% от расхода пара на турбоустановку и зависит от параметров пара, состояния оборудования и условий эксплуатации. Для одноконтурных АЭС потери рабочего тела недопустимы вследствие его радиоактивности.

Дренажи оборудования и паропроводов как постоянные (например, из уплотнений насосов), так и периодические (большинство из которых характерны для пусковых режимов) собираются в дренажный бак и периодически возвращаются в цикл. Теряется лишь незначительная часть дренажа из-за выпара при сбросе в дренажные баки потоков с высокой температурой.

Безвозвратные потери пара и конденсата во втором контуре АЗС должны быть восполнены добавочной водой, расход которой является приходной статьей баланса. Строго говоря, существует еще одна приходная статья баланса в тепловой схеме станции — присос охлаждающей воды в конденсаторе. Однако этот присос незначителен: от расхода пара через турбину. Поэтому при сведении материального баланса в тепловой схеме он не учитывается.

Расход воды, направляемой на очистку, в материальном балансе не участвует, если контур очистки замкнутый.

Добавочная вода, поступающая из системы водоподготовки, обычно содержит большое количество кислорода, но подавать ее непосредственно в основной деаэратор нельзя, так как температура ее низка и это осложнит процесс деаэрации основного конденсата. Поэтому добавочную воду направляют в конденсатор для прохождения в нем деаэрации совместно с основным конденсатом.

С учетом сказанного, материальный баланс в системе второго контура АЭС

процентах от расхода на турбину

Кроме того, внутри системы отдельно составляется материальный баланс для ее элементов с учетом отборов от турбины. Расход отборного пара на какой-либо подогреватель в долях от общего расхода на турбину обычно обозначают

Материальный баланс по отдельным подогревателям необходим при расчете тепловой схемы, в частности при расчете регенеративного подогрева. Аналогично подсчитывается расход в килограммах в час турбинного сепарата

и пара в конденсатор

Кроме того

В тех случаях, когда имеются дополнительные потребители острого пара, непосредственно не связанные с работой турбины, например паровые приводы вспомогательных механизмов или теплообменные аппараты, уравнение целесообразно записывать в виде

где — расход острого пара на дополнительные потребители.

Таким образом, для сведения материального баланса (т. е. выбора производительности системы водоподготовки) надо оценить расход на утечки и потери у внешних потребителей.

Потери пара и конденсата на промышленной ТЭЦ состоят из внутренних и внешних' потерь. Внешние потери ТЭЦ с открытой схемой от­пуска теплоты равны, где — количество обратного конденсата, воз­вращаемого от внешних потребителей. Общая потеря пара и конденсата ТЭЦ с откры­той схемой отпуска теплоты и соответствен­но количество добавочной воды равны сумме внутренних и внешних потерь:

Меньшую часть внутренних потерь на электростанции составляет потеря продувоч­ной воды из барабанных котлов. Непрерыв­ная продувка производится для ограничения концентрации солеи, щелочей, кремниевой кислоты и других примесей в котловой воде и обеспечения требуемой чистоты пара для надежной работы оборудования. Расход непрерывной продувки составляет от 0,3 до 3% в зависимости от способа восполнения потерь в схеме. Расчет ее проводится по уравнению солевого баланса котла:

где ; - концентрация примесей соответственно в паре, питательной и продувочной воде. Отсюда

Концентрацией по сравнению с и можно пренебречь, поэтому

Или в долях

Для снижения потерь продувочной воды и ее теплоты применяют сепараторы-расширители непрерывной продувки котлов и охладители продувочной воды. Перед входом в расширитель продувочная вода проходит через редуктор, и в расширитель уже поступает пароводяная смесь. В самом расширителе эта смесь разделяется на чистый пар и воду (концентрат); энтальпии пара и воды на выходе из расширителя определяются давлением в расширителе и соответствуют параметрам насыщения. Пар, количество которого составляет 30% расхода продувочной воды при одноступенчатом расширении, направляется в один из теплообменников регенеративной системы.

Выпар из расширителя продувки и потеря продувочной воды определяются из уравнения теплового и материального баланса расширителя продувки:

где — соответственно энтальпии продувочной воды котла, продувочной воды и выпара расширителя продувки. Значения этих величин определяются давлением в ба­рабане котла и в расширителе продувки. Дав­ление пара в расширителе продувки выбира­ется в зависимости от места в тепловой схеме, куда направляется выпар из расширителя.

Итак:

Количество пара, возвращаемого в систему регенерации из расширительной установки можно увеличить до 60% расхода продувочной воды, приняв две ступени расширителя.