1. Лекции_Конденсационные установки

Природу возникновения и поддержания вакуума в конденсаторе нетрудно понять, если обратиться к теплофизическим свойствам воды и водяного пара. Например, при температуре насыщения 30 оС удельный объем сухого насыщенного пара со- ставляет 32,882 м3/кг, а кипящей воды – 0,0010044 м3/кг. То есть при конденсации одного килограмма пара занимаемый им объем должен уменьшиться в 32 738 раз. Соответственно, при постоянном паровом объеме конденсатора установится отно- сительно низкое абсолютное давление, равное в данном примере 4,2467 кПа. Если, например, осуществлять конденсацию при температуре насыщения 100 оС, то удель- ный объем сухого насыщенного пара лишь в 1602 раза будет превосходить удель- ный объем кипящей воды. Соответственно, абсолютное давление насыщения соста- вит 101,42 кПа, то есть около одной физической атмосферы.

Паровой объем конденсатора находится под разрежением. В реальных условиях полной герметичности вакуумной системы достичь не удается, поэтому в неё всегда подсасывается некоторое количество воздуха из окружающей среды. Часть воздуха, кроме того, поступает вместе с паром из котла. То есть в конденсатор поступает не чистый пар, а паровоздушная смесь. Общее давление этой смеси, как следует из за- кона Дальтона, равно сумме парциальных давлений пара и воздуха.

Если не удалять воздух из парового пространства конденсатора, то разрежение в нем создать не удастся, поскольку в таких условиях воздух будет постоянно накап- ливаться, а его парциальное давление увеличиваться.

Для отсоса воздуха из конденсатора используют специальный воздушный насос (эжектор). Однако даже при работе эжектора массовая концентрация воздуха в паре никогда не уменьшается до нуля. Это приводит к ухудшению условий теплообмена, увеличению гидравлического сопротивления парового пространства конденсатора, а также к переохлаждению конденсата.

Количественное влияние воздуха на общее давление в паровом объеме конденса- тора можно приближенно оценить, основываясь на уравнении состояния идеального газа. Можно прийти к следующему итоговому выражению:

ние пара в конденсаторе; ε – относительное массовое содержание воздуха в паре, равное отношению массовых расходов воздуха и пара, поступающих в конденсатор.

Согласно требований «Правил технической эксплуатации электрический станций и сетей Российской Федерации», расход воздуха с присосами в вакуумную систему турбоустановки GВ, кг/ч, в диапазоне паровой нагрузки конденсатора от 40 до 100 % не должен превышать значений, рассчитываемых по формуле:

GВ = 8 + 0,065 × Nт ,

где NТ, МВт – номинальная электрическая мощность турбоустановки в конденсаци- онном режиме работы.

Расчеты показывают, что при соблюдении нормативной вакуумной плотности конденсационной установки и работе с большими паровыми нагрузками конденса- тора влияние присосов воздуха на давление конденсации водяных паров незначи- тельно. Такой вывод справедлив лишь для конденсатора в целом. Если же рассмат- ривать отдельные элементы поверхности теплообмена конденсатора, то влияние

12

воздуха на соотношение общего давления и давления водяных паров оказывается существенным.

Рассмотрим изменение параметров паровоздушной смеси в конденсаторе на пути её движения от входного патрубка (горловины) конденсатора до патрубка отсоса смеси эжектором (см. рис. 1.8).

Рис. 1.8. Изменение параметров паровоздушной смеси в конденсаторе на пути её дви- жения от входного патрубка до патрубка отсоса смеси за воздухоохладителем: F – по-

верхность теплообмена; р – давление; ε – относительное содержание воздуха в паре; ∆р – гидравлическое сопротивление парового пространства конденсатора; индексы: 0 – вход в конденсатор; 1 – начало зоны воздухоохладителя; 2 – приемный патрубок воздухоудаляю- щего устройства; п – водяной пар; г – неконденсирующиеся газы (воздух)

На входе в конденсатор относительное содержание воздуха в паре мало, и парци- альное давление водяного пара рП практически совпадает с полным давлением смеси рК (параметры при F0). По мере движения паровоздушной смеси к патрубку отсоса паровоздушной смеси пар конденсируется, при этом относительное содержание воз- духа ε увеличивается и на входе в воздухоудаляющее устройство может достигать 60...70 % (параметры при F2). Разница между парциальным давлением пара рП и полным давлением смеси рК также увеличивается. Полное давление смеси рК от входного патрубка конденсатора до входа в воздухоудаляющее устройство несколь- ко уменьшается из-за наличия гидравлического сопротивления парового простран- ства конденсатора ∆рК.

Весь объем конденсатора можно условно разбить на две зоны: зону массовой конденсации (F0–F 1) и зону охлаждения паровоздушной смеси (F1–F 2). В зоне охла- ждения паровоздушной смеси парциальное давление пара и, соответственно, темпе- ратура смеси резко уменьшается. Эта зона служит для завершения процесса конден- сации и называется воздухоохладителем.

Следствием понижения парциального давления и температуры насыщенного пара из-за наличия воздуха и парового сопротивления конденсатора является переохлаж- дение конденсата tK, под которым понимают разность температуры насыщенного пара tП при давлении паровоздушной смеси рК на входе в конденсатор и температу- ры конденсата tK при выходе из конденсатора. Переохлаждение конденсата приво-

13

дит к потере теплоты, затрачиваемой на нагрев конденсата (используемого для пи- тания котлов), а главное – сопровождается увеличением концентрации растворенно- го в конденсате кислорода, что вызывает коррозию трубных систем регенеративных подогревателей низкого давления.

Г. Технологические схемы конденсационной установки

Несмотря на некоторые отличия отдельных схем конденсационных установок с водяным охлаждением для турбоагрегатов разных типов, можно выделить две схе- мы, имеющие ряд принципиальных отличий, каждая из которых является типовой. Первая из них характерна для турбоагрегатов конденсационных энергоблоков на сверхкритические параметры свежего пара (см. рис. 1.9).

Рис. 1.9. Технологическая схема конденсационной установки блочной ТЭС на сверх- критические параметры острого пара: К – конденсатор; СВАК – аварийный срыв ва-

куума; БНС – береговая насосная станция; ЦЭН – циркуляционный насос; ПНЭ – подъем- ные насосы эжекторов; ЭО, ЭЦ и ЭУ – эжекторы соответственно основные, циркуляцион- ной системы и уплотнений; РУД – регулятор уровня в деаэраторе; АД – трубопровод ава- рийного добавка обессоленной воды; КЭН-I и КЭН-II – конденсатные насосы соответст- венно первой и второй ступени; ОГК – охладитель газоохладителей конденсатом; БОУ – блочная обессоливающая установка; ПС – подогреватель сальниковый; РУК – регулятор уровня в конденсаторе; ПНД – подогреватели низкого давления системы регенерации; ПВС – паровоздушная смесь

14

Конденсационная установка включает ряд специальных схем и элементов:

–технологическую схему циркуляционной воды, предназначенную для подачи в конденсатор охлаждающей воды. Эта схема включает напорные и сбросные цирку- ляционные водоводы; обычно два циркуляционных насоса, расположенных на бере- говой насосной станции (БНС);

–технологическая схема эжектирующей установки, предназначенная для удале- ния воздуха из вакуумной системы при нормальной эксплуатации турбоагрегата, пусках и остановах. Эжектирующая установка, как правило, включает два основных эжектора (ЭО), отсасывающих из парового пространства конденсатора воздух; эжектор циркуляционной системы (ЭЦ), необходимый для создания разрежения в сливных водоводах (для облегчения создания расхода воды через конденсатор цир- куляционными насосами при пусках); эжектор уплотнений (ЭУ), используемый для создания разрежения в крайних камерах концевых уплотнений турбоагрегата. В та- кой схеме, как правило, используются водоструйные эжекторы, рабочей средой ко- торых является вода, подаваемая подъемными насосами эжекторов (ПНЭ);

–технологическую схему контура циркуляции основного конденсата, предназна- ченную для поддержания уровня конденсата в конденсатосборнике с помощью ре- гулятора уровня в конденсаторе (РУК), а также для обеспечения нормального по- стоянного охлаждения некоторых специальных теплообменных аппаратов турбо- установки. В частности, в состав контура циркуляции входят охладители газоохла- дителей (электрогенератора) конденсатом (ОГК) и сальниковый подогреватель (ПС). При нарушении охлаждения этих теплообменников нарушается работа газоохлади- телей генератора, концевых уплотнений турбоагрегата и работа установки в целом становится невозможной. Поскольку энергоблоки на сверхкритические параметры острого пара оборудованы блочной обессоливающей установкой (БОУ), возникает необходимость установки двух ступеней конденсатных насосов (КЭН-I и КЭН-II);

–технологическую схему подпитки энергоблока обессоленной водой через регу- лятор уровня в деаэраторе (РУД) и трубопровод аварийного добавка воды (АД). Обессоленная вода через РУД подаётся в верхнюю часть конденсатора (для обеспе- чения предварительной деаэрации добавочной воды). Данная схема используется для первоначального заполнения конденсатора на подготовительном этапе пуска турбины и для поддержания заданного уровня в деаэраторе при нормальной экс- плуатации турбины. АД используются в схемах конденсационных установок блоч- ных турбогенераторов с прямоточными котлами;

–технологическую схему подачи пара на уплотнения и отсоса паровоздушной смеси из концевых уплотнений цилиндров турбоагрегата;

–устройство аварийного срыва вакуума (СВАК) в конденсаторе, используемое при аварийных остановах турбоагрегата в случаях, когда необходимо как можно бо- лее быстрое прекращение вращения ротора турбины (например, при перегреве под- шипников или недопустимом осевом сдвиге ротора);

–трубопроводы рециркуляции основного конденсата в конденсатор, впрыска в конденсатор. Последний используется в режимах пуска и останова энергоблока для охлаждения горячих сбросов в конденсатор.

Типовая схема конденсационной установки неблочной ТЭС, характерная для теп- лоэлектроцентралей (см. рис. 1.10), в целом, аналогична рассмотренной выше, но имеет ряд принципиальных отличий:

15

–во-первых, в таких установках часто используются оборотные системы водо- снабжения с градирнями, прудами-охладителями и т.п. Поэтому циркуляционные насосы устанавливаются на центральной насосной станции и подают воду в общие для всех турбоагрегатов напорные циркуляционные водоводы. Из этих водоводов охлаждающая вода распределяется по конденсаторам отдельных турбоагрегатов, от- куда поступает в общие сливные циркуляционные водоводы и далее – например, в градирни;

–во-вторых, в таких схемах используются пароструйные основные, пусковой эжекторы и эжектор уплотнений. Пусковой эжектор, производительность которого больше, чем производительность основных эжекторов, используется в режимах пус- ка турбоагрегата для создания начального разрежения в конденсаторе. Эжектор уп- лотнений иногда отсутствует (как показано на рис. 1.10); в этом случае отсос пара из концевых уплотнений турбины осуществляется основными эжекторами. Для обес- печения нормальной работы ЭО и ЭУ используются холодильники эжекторов, включенные в схему контура циркуляции основного конденсата;

–в-третьих, подпитка цикла в схемах теплофикационных ТЭС обычно осуществ- ляется не в конденсатор, а непосредственно в деаэратор питательной воды либо в линию основного конденсата в рассечку между подогревателями низкого давления. Это обусловлено сравнительно большим расходом добавочной воды и её высокой температурой (обычно в схеме подпитки цикла теплофикационных ТЭС использу- ются деаэраторы атмосферного давления), что не позволяет осуществлять подпитку цикла через конденсатор турбины;

Рис. 1.10. Технологическая схема конденсационной установки неблочной теплофика-

ционной ТЭС: К.С.Н. – паровой коллектор собственных нужд станции; Х – холодильники эжекторов; ЭХ – эжектор хозяйственный, остальные обозначения те же, что на рис. 1.9

16

– в-четвертых, в таких схемах используют одну ступень конденсатных насосов. Это обусловлено отсутствием БОУ – дополнительного гидравлического сопротив- ления тракта регенерации низкого давления, а также тем, что конечное давление этого тракта – давление в деаэраторе питательной воды – обычно меньше, чем в ус- тановках на сверхкритические параметры острого пара.

Рассмотрим теперь принципиальные технологические схемы наиболее часто при- меняемых систем технического водоснабжения тепловых электрических станций. Технической водой называется вода из природных источников, прошедшая грубую механическую фильтрацию, а иногда и химическую обработку, используемая для отвода теплоты от конденсаторов (на эти цели расходуется 92 – 94 % технической воды), масло- и газоохладителей турбоустановки, подшипников вспомогательных механизмов, а также подпитки систем гидротранспорта золы и шлака, питания хим- водоочистки.

Подача исходной воды в систему технического водоснабжения осуществляется циркуляционными насосами, напор которых выбирается по падению давления в циркуляционном контуре охлаждения конденсаторов. Для аппаратов, требующих большего напора воды, устанавливаются дополнительные подъемные насосы.

Системы технического водоснабжения, в зависимости от местных условий, вы- полняются прямоточными или оборотными. Прямоточная система водоснабжения (рис. 1.11) предусматривает забор воды из естественного водоема, прокачку её через конденсаторы турбоагрегатов, а также теплообменные аппараты системы газомас- лоохлаждения, с последующим сбросом в тот же водоем. Сброс воды осуществляет- ся таким образом, чтобы каждый объем воды использовался однократно, то есть, например, ниже по течению реки от места забора воды на электростанцию. Для ре- гулирования температуры забираемой воды в зимний период, чтобы не образовыва- лась шуга, используется перепускной канал. Прямоточная система применима при дебите реки, превышающем в 2–3 раза потребность электростанции в технической воде.

При прямоточной системе водоснабжения (или оборотной системе с водоемом- охладителем) для уменьшения затрат электроэнергии на циркуляционные насосы на сбросе воды из конденсатора используется сифон. При этом вода из сифонного ко- лодца сбрасывается самотеком по открытому каналу. При использовании сифона (рис. 1.12) верхняя точка сливной водяной камеры конденсатора (отметка 1) может располагаться значительно выше уровня воды в сифонном колодце 8. Закрытый слив под уровень воды в сифонном колодце обеспечивает неразрывность потока во- ды и позволяет использовать действие сифона для уменьшения потребного напора циркуляционных насосов. Геодезическая высота подъема воды, которую должен преодолеть циркуляционный насос, в этом случае равна разности уровней воды на водосливном пороге (отметка 2) и в аванкамере перед насосом (отметка 0). Теорети- чески высота сифона равна примерно 10 м вод. ст. (атмосферное давление). Но с учетом гидравлического сопротивления сливного участка и некоторого запаса для предотвращения разрыва столба жидкости (срыва сифона) его высота обычно при- нимается не более 7–8 м.

При использовании сифона верхняя часть сливной камеры конденсатора нахо- дится под разрежением, равным разности атмосферного давленая над уровнем воды в сифонном колодце и давления столба воды высотой Нсг за вычетом гидравличе-

17

ских потерь на сливном участке до сифонного колодца. В этом случае воздух, выде- ляющийся при нагреве воды в конденсаторе, может скапливаться в верхней части сливной камеры, что влечет за собой вероятность завоздушивания верхних рядов трубок конденсатора и ухудшение его эффективности из-за уменьшения площади поверхности теплообмена. Нормальная работа сифона восстанавливается путем уда- ления воздуха эжектором циркуляционной системы 12.

Рис. 1.11. Принципиальная схема прямоточной системы технического водоснабже-

ния: 1 – источник водоснабжения; 2 – циркуляционные насосы; 3 – береговая насосная станция; 4 – напорные циркуляционные водоводы; 5 – конденсатор турбины; 6 – сливные циркуляционные водоводы; 7 – сифонные колодцы; 8 – переключательный колодец; 9 – сливной канал; 10 – перепускной канал; 11 – фильтр сетчатый

При использовании прямоточной системы технического водоснабжения требуют- ся циркуляционные насосы с большой производительностью и относительно малым напором. Поэтому в таких случаях, как правило, применяются насосы осевого или диагонального типов.

18

Рис. 1.12. Использование сифона для уменьшения требуемого напора цир- куляционных насосов: 1 – приемный ковш; 2 – циркуляционный насос; 3 – напорный циркуляци- онный водовод; 4 – ниж- няя половина передней водяной камеры конденса- тора; 5 – трубная система конденсатора; 6 – верхняя половина передней водя- ной камеры конденсатора; 7 – сливной циркуляцион-

тый сливной канал; 10 – водосливной порог; 11 – открытый сливной канал; 12 – эжектор циркуляци- онной системы

Используются также системы технического водоснабжения оборотного типа (рис. 1.13). В этом случае вода после конденсатора поступает в искусственное или естест- венное водоохлаждающее устройство (градирню, брызгальный бассейн или водоем– охладитель), где отдает воспринятую в конденсаторе теплоту наружному воздуху, после чего вновь используется для охлаждения конденсатора. Вода поступает в цир- куляционные насосы из водосборных резервуаров градирен или из бассейна и пода- ется циркуляционными насосами в конденсаторы турбин.

В системах водоснабжения с градирнями или брызгальными установками требу- ется несколько больший (в сравнении с прямоточной системой водоснабжения) на- пор циркуляционных насосов, поскольку необходим подъем воды после конденса- торов турбин на отметку водораспределительного устройства градирен или обеспе- чение достаточного давления воды перед соплами брызгального бассейна или гра- дирни при напорном водораспределении в ней. По этой причине в таких системах, как правило, применяются циркуляционные насосы центробежного типа двухсто- роннего всасывания (насосы типа «Д»).

Существуют требования санитарных и рыбохозяйственных органов, ограничи- вающие максимальную разницу температур воды в источнике и сбрасываемой по- догретой воды. Эти требования заставляют в ряде случаев использовать комбиниро- ванные системы технического водоснабжения, в которых вода после конденсаторов турбин перед её сбросом в источник водоснабжения (реку, озеро) предварительно охлаждается в градирнях или брызгальных установках.

19