1. Лекции_Конденсационные установки

Рис. 1.15. Подвальная продольная компоновка конденсатора:

обозначения те же, что на рис. 1.14

Общий недостаток подвальных компоновок конденсаторов состоит в том, что по- ток пара за последней ступенью турбины для входа в конденсатор должен развер- нуться на угол до 90°. Это приводит к потерям давления в выхлопном патрубке и, соответственно, ухудшает экономичность работы установки.

Боковая продольная компоновка конденсатора (см. рис. 1.16) обеспечивает низкие потери давления в выхлопном патрубке турбины за счет меньшего угла поворота потока пара и меньших скоростей пара в трубном пучке. Кроме того, боковая ком- поновка позволяет снизить общую высоту фундамента турбоагрегата. Недостатками такой компоновки является следующее: для размещения бокового конденсатора в машинном зале необходимо предусматривать дополнительную площадь; боковая компоновка затрудняет доступ к цилиндрам турбины для обслуживания и ремонта; повышается вероятность заброса воды (капельной влаги) из конденсатора в проточ- ную часть турбины.

Рис. 1.16. Боковая продольная компоновка конденсатора:

обозначения те же, что на рис. 1.14

Е. Конструктивное исполнение конденсаторов

Конструктивное исполнение конденсатора определяется его типом. По способу организации процесса теплообмена между охлаждающей средой и паром выделяют конденсаторы смешивающего и поверхностного типа. В смешивающем конденсато- ре пар и охлаждающая вода непосредственно контактируют и смешиваются друг с

21

другом. В поверхностном конденсаторе перенос тепла осуществляется через разде- ляющую перегородку, которая обычно представляет собой стенки теплообменных трубок.

Охлаждающим агентом в конденсаторах поверхностного типа, в принципе, могут быть различные среды (например, воздух), однако в паротурбинных установках практически исключительное применение нашли поверхностные конденсаторы с водяным охлаждением (см. рис. 1.17).

Рис. 1.17. Упрощенная конструктивная схема конденсатора поверхностного типа

дяной камеры; 7 – патрубок подвода охлаждающей воды; 8 – патрубок отвода охлаждаю- щей воды; 9 – переходный патрубок (горловина) конденсатора; 10 – патрубки отсоса паро- воздушный смеси; 11 – паровые щиты; 12 – зона воздухоохладителя; 13, 14 – первый и второй потоки охлаждающей воды соответственно; 15 – конденсатосборник; 16 – проме- жуточные перегородки; 17 – окна в промежуточных перегородках; 18 – паросбросное уст- ройство; 19 – трубы выхода пара из камер отбора цилиндра низкого давления турбоагрега- та; А – вход пара в конденсатор; Б – отсос паровоздушной смеси; В – отвод конденсата; Г – вход охлаждающей воды; Д – выход охлаждающей воды; Е – сброс пара от быстродей- ствующей редукционно-охладительной установки; Ж – выход пара из отборов цилиндра низкого давления турбоагрегата

К корпусу конденсатора 1 присоединены трубные доски 2, в отверстиях которых вальцовкой, а при использовании титановых трубок – сваркой, закреплены трубки 3, образующие поверхность теплообмена. К трубным доскам крепятся передняя 4 и задняя 5 водяные камеры. Передняя водяная камера с помощью перегородки 6 раз- делена на два отсека для организации тока воды через конденсатор в два хода.

Под ходом воды понимается её течение без изменения направления движения. Ох-

22

лаждающая вода через патрубок 7 поступает в нижний отсек, проходит по трубкам нижней половины конденсатора (первый ход воды), поворачивается на 180° в каме- ре 5, проходит по трубкам верхней половины конденсатора (второй ход воды) и из верхнего отсека передней водяной камеры 4 через патрубок 8 отводится из конден- сатора.

Паровое пространство конденсатора с помощью переходного патрубка (горлови- ны конденсатора) 9 соединяется с выхлопным патрубком турбины. Пар, поступаю- щий в конденсатор, конденсируясь на трубках 3, движется в направлении патрубка отсоса паровоздушной смеси 10. В нижней части трубного пучка имеются паровые щиты 11, условно выделяющие зону воздухоохладителя 12.

Современные конденсаторы паровых турбин обычно выполняются двухпоточны- ми. Для этого охлаждающая вода подается в конденсатор двумя параллельными по- токами. В рассматриваемом примере трубные пучки 13 и 14 этих двух независимых потоков воды симметрично расположены относительно вертикальной оси конденса- тора. Каждый из потоков выполнен двухходовым.

Конденсат пара стекает в нижнюю часть конденсатора, откуда собирается в кон- денсатосборник 15. Из конденсатосборника конденсат поступает на всас конденсат- ных насосов.

Впаровом пространстве конденсатора для обеспечения вибронадежности его трубной системы, а также для ужесточения корпуса аппарата устанавливаются про- межуточные перегородки 16. Для выравнивания полей скоростей и давления пара по всему объему конденсатора в промежуточных перегородках выполняются окна 17.

Впереходном патрубке конденсатора обычно устанавливаются выводные трубы пара 19 из камер отборов ЦНД турбоагрегата на регенеративные подогреватели низ- кого давления, а также паросбросное устройство 18, используемое для подачи в конденсатор пара от быстродействующей редукционно-охладительной установки.

Конструкция конденсатора должна удовлетворять следующим основным требо- ваниям:

–максимальная интенсивность процессов тепломассообмена между паром и ох- лаждающей средой;

–минимальные массогабаритные характеристики конденсатора и трудоемкость его изготовления;

–минимальное переохлаждение конденсата;

–высокие деаэрационные характеристики;

–минимальное гидравлическое сопротивление парового пространства;

–высокая технологичность изготовления, сборки, транспортировки и монтажа;

–удобство и надежность эксплуатации всей конденсационной установки. Наиболее сложные вопросы, возникающие при проектировании конденсатора,

связаны с рациональным размещением трубной системы в корпусе конденсатора. Основные принципы проектирования высокоэффективных трубных пучков состоят

вследующем:

1)необходимо обеспечить равномерное распределение поступающего в конденса- тор пара по входной части периметра трубного пучка для эффективного использо- вания поверхности охлаждения и уменьшения парового сопротивления аппарата;

23

2)следует избегать образования островных пучков трубок, в которые по всему периметру может поступать снаружи пар, а внутри – образовываться застойные зо- ны. Для предотвращения этого рекомендуется установка заградительных перегоро- док (щитов);

3)для минимизации гидравлического сопротивления трубного пучка по пару в зоне интенсивной конденсации скорость пара в расчетном режиме работы конденса- тора должна ограничиваться на уровне 60–70 м/с. Поэтому число рядов трубок по пути движения парового потока от входа к выходу из этой зоны должно быть воз- можно меньшим;

4)скорость паровоздушной смеси в воздухоохладителе должна быть повышена по сравнению с ее скоростью на выходе из зоны интенсивной конденсации для более эффективного охлаждения отсасываемой из конденсатора паровоздушной смеси и уменьшения содержания в ней пара. Поэтому воздухоохладитель обычно отделяется от остального трубного пучка системой перегородок, а иногда – выполняется с па- ровой стороны многоходовым. Однако при этом паровое сопротивление воздухоох- ладителя не должно быть слишком большим, поскольку это может свести на нет по- ложительный эффект от большего охлаждения паровоздушной смеси;

5)попадание в воздухоохладитель части пара, не прошедшего через зону массо- вой конденсации, должно быть максимально исключено, так как это существенно снижает эффективность воздухоохладителя;

6)для лучшего охлаждения паровоздушной смеси воздухоохладитель должен ох- лаждаться, по возможности, более холодной водой (включен в первый ход воды);

7)в крупных конденсаторах с высоким трубным пучком целесообразно улавлива- ние стекающего конденсата на двух-трех уровнях по высоте пучка при помощи пе- регородок или желобов, направляющих уловленный конденсат на трубные доски и промежуточные перегородки. При этом из-за освобождения проходов для пара от конденсатного дождя уменьшается паровое сопротивление аппарата.

Для турбин малой мощности применяются, в основном, наиболее простые компо- новки трубного пучка (см. рис. 1.18).

С ростом единичной мощности турбоагрегатов (увеличением размеров конденса- торов) распространение получила ленточная компоновка, удовлетворяющая практи-

чески всем основным требованиям рационального проектирования пучков

(см. рис. 1.19).

Глубокие проходы в пучке способствуют направлению пара к возможно большей части поверхности теплообмена, в результате чего повышается эффективность её использования. Увеличение периметра входной части основного пучка снижает ско- рость натекания пара на трубки, в результате уменьшается паровое сопротивление конденсатора. Свободный доступ к зеркалу конденсата в конденсатосборнике обес- печивает подогрев конденсата и относительно малое его переохлаждение и кисло- родсодержание. Специальные перегородки в трубном пучке улавливают и отводят конденсат с нескольких уровней, что предотвращает переохлаждение конденсата и снижает паровое сопротивление аппарата.

24

Рис. 1.18. Принципи- альные схемы компоно- вочных решений труб- ного пучка конденсато- ров турбин малой мощ- ности:

а – с нисходящим пото- ком пара; б – с восходящим пото- ком пара;

в – с центральным пото- ком пара; г – с боковым потоком пара;

А – пар из турбины, В – отсос воздуха

Рис. 1.19. Ленточная компоновка трубного пучка конденсатора:

1 – основной трубный пучок; 2 – трубный пучок воздухоохладителя; 3 – отсос паровоздушной смеси;

4 – направляющие и кон- денсатоулавливающие щиты; 5 – окна в промежуточ-

ных перегородках; 6 – промежуточная пере-

городка (промежуточная трубная доска)

25

Конденсаторы мощных турбоагрегатов часто выполняются с модульной компо- новкой трубного пучка (см. рис. 1.20).

Рис. 1.20. Компоновка трубного пучка модульного типа конденса- тора турбины К-800-240 ЛМЗ:

1 – трубный пучок одного модуля;

2 – зона отсоса паровоздушной сме- си; 3 – щиты, препятствующие попа- данию пара в отсос помимо охлаж- дающих трубок

Трубный пучок модульной компоновки (в данном примере – конденсатор тур- боагрегата К-800-240 ЛМЗ) состоит из нескольких одинаковых модулей 1. Каждый модуль 1 представляет собой сплошной вертикально расположенный массив трубок. В средней части массива щитами 3 образована зона отсоса паровоздушной смеси 2. Выделенного воздухоохладителя в пучке нет, его роль играют расположенные непо- средственно перед отсосом охлаждающие трубки пучка.

Для уменьшения содержания растворенных в турбинном конденсате коррози- онно агрессивных газов конденсатосборники конденсаторов оборудуются встроен- ными деаэрационными устройствами. Можно выделить ряд принципиально отли- чающихся друг от друга типов таких устройств (см. рис. 1.21).

26

Рис. 1.21. Принципиальные схемы деаэрационных уст- ройств различного типа, встраиваемых в сборник конденсатора:

а – струйное устройство

(1 – конденсатор, 2 – сборник конденсата, 3 – противни, 4 – подвод пара для деаэрации конденсата, 5 – отвод конденсата);

б – насадочное устройство

(1 – конденсатор, 2 – сборник, 3 – насадка, 4 – подвод пара, 5 – отвод конденсата);

в – пенно-барботажное уст- ройство

(1 – конденсатор, 2 – сборник, 3 – перфорированный лист, 4 – паровая камера);

г – эжекционное устройство

(1 – конденсатор, 2 – отсек сборника с аэрированным кон- денсатом, 3 – диффузор эжекционного

устройства, 4 – подвод пара, 5 – отвод конденсата, 6 – отсек сборника с деаэриро- ванным конденсатом)

Струйное деаэрационное устройство включает несколько перфорированных противней с последовательным сливом воды и перекрестно-противоточным движе- нием воды и пара (рис. 1.21а).

Насадочное устройство оборудуется насадкой из изогнутых пластинок, напри- мер, омегообразной формы с противоточным движением воды и пара (рис. 1.21б).

В пенно-барботажном устройстве (рис. 1.21в) деаэрируемый конденсат течет по горизонтальному перфорированному листу. Под перфорированный лист подается греющий пар (или вскипаемый конденсат, из которого образуется пар), который, выходя из отверстий листа, вспенивает воду и барботирует через неё.

Конденсатосборник с устройством эжекционного типа (рис. 1.21г) разделен на два отсека. Пар, выходя из сопла эжекционного устройства, увлекает воду, образуя мелкодисперсную пароводяную эмульсию, и подает ее из одного отсека в другой; вода при этом частично освобождается от растворенных газов.

Наибольшей эффективностью по удалению растворенного кислорода обладают эжекционное и пенно-барботажное устройства. Последнее получило наибольшее распространение, особенно в комбинации со струйным устройством. Габариты струйного и насадочного устройств значительно больше, чем эжекционного и пен- но-барботажного, что затрудняет их использование в конденсаторах турбин в чис- том виде.

27

Наиболее тяжелые условия с точки зрения деаэрации конденсата складываются в конденсаторах теплофикационных турбин, особенно в течение отопительного пе- риода, когда малые паровые нагрузки конденсатора сочетаются с низкой температу- рой охлаждающей воды. Кроме того, теплофикационные турбины имеют более раз- витую вакуумную систему, включающую в себя помимо конденсационной установ- ки и сетевые подогреватели. Это повышает вероятность возрастания присосов воз- духа.

Рассмотрим подробнее конструкцию конденсатосборника с деаэрационным устройством струйно-барботажного типа применительно к конденсатору турбины Т-175/210-130 ТМЗ (см. рис. 1.22). Конденсат с днища конденсатора 1 через гидро- затвор 2 поступает на барботажный лист 3, через отверстия которого снизу подается пар, образующийся при вскипании горячих дренажей, поступающих в камеру 4 из коллектора 5. Затем конденсат попадает на перфорированный водораспределитель 6, с которого сливается струями на разделительную перегородку 7, движется по барбо- тажному листу 8 и отводится через канал 9 из конденсатосборника 10 в трубопровод 11. Под лист 8 через патрубок 12 подается конденсат рециркуляции. Пар, образую- щийся при его вскипании, проходит через отверстия в барботажном листе, а вода по каналу 13 вытесняется на начальный участок барботажного листа. Парогазовая смесь из конденсатосборника отводится через окно, образованное плоскостью пер- форированного листа 14 и уровнем конденсата на поддоне 15. Назначение такого гидравлического пароперепускного клапана, который подпитывается через патрубки 16, заключается в поддержании оптимального перепада давлений между конденса- тосборником и конденсатором.

Рис. 1.22. Деаэрационное устройство конденсатора турбины Т-175/210-130 ТМЗ: 1 – конденса-

тор; 2 – гидрозатвор; 3, 8 – барботажные листы; 4 – камера подачи вскипающего горячего дрена- жа; 5 – коллектор горячих дренажей; 6 – перфорированный водораспределитель; 7 – разделитель- ная перегородка; 9 – отводящий канал для деаэрированного конденсата; 10 – конденсатосборник; 11 – отводящий трубопровод деаэрированного конденсата; 12 – патрубок подачи вскипающего конденсата рециркуляции; 13 – канал; 14 – перфорированный лист; 15 – поддон; 16 – патрубки

28

Ж. Показатели работы и режимные характеристики конденсаторов

Основной показатель, характеризующий работу конденсационной установки в це- лом – абсолютное давление отработавшего пара в горловине рк. Давление рк непо- средственно не измеряется, его определяют как разность между барометрическим давлением В и измеренным значением вакуума (разрежения) в конденсаторе V.

Не менее важный показатель – конечный температурный напор (недогрев) δt кон- денсатора, рассчитываемый как разность между температурой насыщения пара ts при давлении рк и температурой охлаждающей воды на выходе из конденсатора t2в.

Определим, от каких параметров зависит величина недогрева δt. Рассмотрим кон- денсатор с эффективной поверхностью теплообмена F. Потери тепла от наружного охлаждения корпуса конденсатора вследствие низких температур ничтожны, поэто- му уравнение теплового баланса конденсатора можно записать в виде:

входе в конденсатор и конденсата на выходе из конденсатосборника, срв – истинная массовая изобарная теплоемкость охлаждающей воды.

Разность (hп – h к) представляет собой, в основном, теплоту фазового перехода при конденсации и изменяется при изменении параметров работы конденсатора незна- чительно. Значение этой разности несколько отличается для турбоагрегатов разных типов и обычно варьируется в диапазоне 510–580 ккал/кг (2137–2430 кДж/кг).

График изменения температур теплоносителей в конденсаторе имеет вид, пока- занный на рис. 1.23. Для такого теплообменного аппарата можно записать уравне-

Рис. 1.23. Изменение температур теплоносителей в поверхностном конденсаторе

29

Исходя из определения температурного напора δt, справедливо равенство: ts = t2в + δt, поэтому

Далее введем понятия удельной паровой нагрузки конденсатора dк, определяемой как отношение расхода пара в конденсатор Dк к эффективной площади поверхности теплообмена F, а также кратности охлаждения конденсатора m, представляющей со- бой отношение расходов охлаждающей воды W и пара на входе в конденсатор Dк. С учетом этого получим итоговое выражение для расчета температурного напора

ной массовой изобарной теплоемкости воды срв в кДж/(кг·К) последнее уравнение примет вид:

Для большинства конденсаторов температурный напор составляет 3–10 ° С. При загрязнении поверхности теплообмена и нарушении вакуумной плотности конден- сатора его температурный напор может составлять 15 ° С и более.

Выбор кратности охлаждения m осуществляется на основе технико- экономического анализа паротурбинной установки в целом, поскольку увеличение

30