Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»
Г.В. ЛЕДУХОВСКИЙ, А.А. ПОСПЕЛОВ
КОНДЕНСАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ ПАРОВЫХ ТУРБИН: РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Учебное пособие
Иваново 2014
УДК 621.311.22 Л 39
Ледуховский Г.В., Поспелов А.А. Конденсационные установки па- ровых турбин: расчет энергетических характеристик: Учеб. пособие / ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический универси- тет имени В.И. Ленина». – Иваново, 2014. – 112 с.
ISBN
В учебном пособии приведены общие сведения о методиках пове- рочного теплового расчета конденсаторов паровых турбин, расчета энергетических характеристик конденсационных установок, описание прикладного программного комплекса для выполнения теплового рас- чета, обработки результатов экспресс-испытаний и построения энерге- тических характеристик конденсаторов.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по профилю «Тепловые электрические станции» направления подготовки 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника» дневной и заочной форм обучения, а также может быть полезным специалистам, занимающимся нормиро- ванием показателей тепловой экономичности теплоэнергетического оборудования.
Табл. 11. Ил. 36. Библиогр.: 15 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический универси- тет имени В.И. Ленина»
НАУЧНЫЙ РЕДАКТОР канд. техн. наук, доц. Г.В. Ледуховский
РЕЦЕНЗЕНТ А.А. Андреев, канд. техн. наук, канд. экон. наук, директор дирекции
строительства ПГУ-90 Омской ТЭЦ-3 филиала ООО «Кварц – Новые технологии», старший преподаватель кафедры «Котельные установки и экология энергетики» ФГБОУВПО «Национальный исследовательский университет “ МЭИ”»
ISBN |
© Г.В. Ледуховский, |
|
А.А. Поспелов, 2014 |
2
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ…………..……………………………………...… 5
1. БАЗОВЫЕ СВЕДЕНИЯ О КОНДЕНСАТОРАХ ПАРОВЫХ ТУРБИН………………………………………….7
1.1.Устройство конденсатора с водяным охлаждением…….. 7
1.2.Особенности технологических процессов конденсации пара…………………………………………………………….... 16
1.3.Совместная работа конденсатора и воздухоудаляющего устройства………………………………………………….…… 23
2.ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНДЕНСАТОРОВ …………..….. 29
3.ПОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КАК ОСНОВА РАЗРАБОТКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНДЕНСАТОРА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ……………..…39
3.1.Общий подход к расчету энергетических характеристик. 39
3.2.Поверочный тепловой расчет конденсатора......………… 41
3.3.Варианты заданий на самостоятельную работу .………... 58
4. НАСТРОЙКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КОНДЕНСАТОРА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИСПЫТАНИЙ. 60
4.1.Постановка задачи ………………………………………... 60
4.2.Порядок решения задачи..………………………………… 64
5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПАРОВЫХ ТУРБИН С ЭКОНОМИЧЕСКИМ ВАКУУМОМ В КОНДЕНСАТОРЕ ……….………………………………... 79
5.1.Влияние давления пара в конденсаторе на мощность турбогенератора………………………………………………... 79
5.2.Понятия предельного и экономического вакуума
в конденсаторе паровой турбины .……………………………. 81 5.3. Основы расчета энергетических характеристик
для поддержания режимов работы паровых турбин с экономическом вакуумом в конденсаторе ……………….… 84
3
6. ПРИКЛАДНОЙ ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РАСЧЕТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ КОНДЕНСАТОРОВ ПАРОВЫХ ТУРБИН.………..……... 93
6.1.Общие сведения ..………………………………………….93
6.2.Ввод исходных данных …………………………………... 95
6.3.Расчет и статистический анализ результатов расчета…... 97
6.4.Настройка математической модели по результатам испытаний………………………………………………………. 100
6.5.Построение энергетических характеристик конденсатора………………………………………………..….. 103
6.6.Построение характеристики наивыгоднейшего вакуума.. 106
6.7.База данных конденсаторов ........………………………… 108
Вопросы для самопроверки………….……………………… 109 Библиографический список………….……………………… 111
4
ВВЕДЕНИЕ
Техническое состояние конденсатора паровой турбины
взначительной степени определяет тепловую эффективность паротурбинной установки в целом. Удельные расходы топлива на выработку электроэнергии турбогенератором существенно зависят от давления пара в конденсаторе, поэтому в ходе экс- плуатации турбоустановки необходимо контролировать техни- ческое состояние конденсатора. Любое его ухудшение, выра- женное, например, в заглушке трубок, увеличении отложений в трубной системе конденсатора или увеличении присосов возду- ха в вакуумную систему, в конечном итоге приводит к отклоне- нию рабочих характеристик конденсатора от его нормативных характеристик.
При эксплуатации конденсатора используют его норматив- ные энергетические характеристики, состоящие из зависимостей давления пара в конденсаторе и конечного температурного на- пора конденсатора от его паровой нагрузки и температуры ох- лаждающей воды на входе в конденсатор при различных значе- ниях расхода охлаждающей воды. Наиболее точно такие харак- теристики могут быть получены в ходе тепловых испытаний конденсатора. Далее, в ходе эксплуатации, контроль техниче- ского состояния конденсатора осуществляется путем сопостав- ления фактических показателей с нормативными, определяемы- ми по энергетическим характеристикам.
Всовременных условиях работы тепловых электростанций проведение тепловых испытаний конденсаторов в полном объе- ме сопряжено с рядом затруднений, выраженных, к примеру,
всложности поддержания постоянного измеряемого расхода охлаждающей воды через конденсатор, необходимости распре- деления опытов по сезонам года для исследования всего экс-
плуатационного диапазона температур охлаждающей воды на входе в конденсатор, сложности обеспечения требуемых рас- ходов пара в конденсатор (поскольку турбины работают по гра- фику электрической нагрузки, уровень которой определяется диспетчером оптового рынка электроэнергии и мощности).
5
Для решения задачи построения режимных характеристик конденсатора целесообразно использовать специальные при- кладные программные пакеты (ППП), обеспечивающие опреде- ление фактических и нормативных энергетических характери- стик конденсаторов при наличии ограниченного объема экспе- риментальных данных. Из-за сложности протекающих в кон- денсаторах технологических процессов и большого количества влияющих факторов в основу математической модели, исполь- зуемой в таких программных модулях, обычно положены мето- дики поверочного теплового расчета конденсаторов.
Основные проблемы, возникающие при использовании ППП, связаны с необходимостью достаточно глубокого знания спе- циалистом-теплоэнергетиком, во-первых, общих вопросов теп- лового расчета конденсаторов и, во-вторых, особенностей функционирования конкретных ППП. Это требует соответст- вующей технологической подготовки специалиста.
Одна из расчетных работ, предлагаемых к выполнению сту- дентам профиля «Тепловые электрические станции» направле- ния подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника» в рамках изучения курса «Тепломеханическое и вспомогательное обору- дование ТЭС», предусматривает решение частной задачи тепло- вого расчета конденсатора во всем эксплуатационном диапазоне изменения режимных параметров и построения его фактических энергетических характеристик с привлечением результатов на- турных испытаний, а также разработку энергетической характе- ристики наивыгоднейшего (экономического) вакуума в конден- саторе паровой турбины.
Разделы 1, 2, 4 и 5 написаны канд. техн. наук, доц. Г.В. Ледуховским и канд. тех. наук, доц. А.А. Поспеловым; раз-
дел 3 – канд. техн. наук, |
доц. Г.В. Ледуховским, |
А.Б. Ульяновым, П.В. Спириным; |
раздел 6 – канд. техн. наук, |
доц. Г.В. Ледуховским и В.Ю. Трифоновым.
6
1. БАЗОВЫЕ СВЕДЕНИЯ О КОНДЕНСАТОРАХ ПАРОВЫХ ТУРБИН
1.1. Устройство конденсатора с водяным охлаждением
Простейшая схема конденсационной установки с водяным охлаждением (рис. 1.1) должна включать следующее оборудо- вание: собственно конденсатор; циркуляционный насос для прокачки охлаждающей воды через конденсатор; конденсатный насос, обеспечивающий отвод конденсата и подачу его в систе- му регенерации низкого давления турбоустановки; воздушный насос, необходимый для отсоса из парового пространства кон- денсатора неконденсирующихся газов, и соответствующие тру- бопроводы, обеспечивающие транспортировку рабочих сред.
Рис. 1.1. Схема простейшей конденсационной установки с водя-
ным охлаждением: 1 – конденсатор; 2 – циркуляционный насос; 3 – конденсатный насос; 4 – воздушный насос (воздухоудаляющее уст- ройство)
В качестве воздушных насосов (воздухоудаляющих уст- ройств) практически повсеместно в схемах конденсационных установок используют эжекторы, рабочей средой в которых яв- ляется вода (водоструйные эжекторы) или пар (пароструйные эжекторы).
Перенос тепла от пара к охлаждающей среде в поверхност- ном конденсаторе осуществляется через разделяющую перего-
7
родку, которая представляет собой стенки теплообменных тру- бок. Охлаждающим агентом в конденсаторах поверхностного типа могут быть различные среды (например, воздух), однако
впаротурбинных установках практически исключительное применение нашли поверхностные конденсаторы с водяным охлаждением (рис. 1.2).
Ккорпусу конденсатора 1 присоединены трубные доски 2,
вотверстиях которых закреплены теплообменные трубки 3, об- разующие поверхность теплообмена конденсатора. К внешним поверхностям трубных досок крепятся передняя 4 и задняя 5 водяные камеры. Передняя водяная камера с помощью перего- родки 6 разделена на два отсека для организации протока воды через конденсатор в два хода (под ходом воды понимается её течение без изменения направления движения). В общем случае выбор числа ходов (и соответствующего количества перегоро- док в водяных камерах) конденсатора определяется оптималь- ными значениями скоростей воды, гидродинамическим сопро- тивлением аппарата, компоновкой конденсатора (боковое или полуподвальное расположение) относительно турбоустановки в целом и рядом других факторов [1].
Охлаждающая вода через патрубок 7 поступает в нижний от- сек, проходит по трубкам нижней половины конденсатора (пер- вый ход воды), поворачивается на 180° в камере 5, проходит по
трубкам верхней половины конденсатора (второй ход воды) и из верхнего отсека передней водяной камеры 4 через патрубок 8 отводится из конденсатора.
Паровое пространство конденсатора, в котором размещены охлаждаемые циркуляционной водой трубки, с помощью пере- ходного патрубка (горловины конденсатора) 9 соединяется с выхлопным патрубком турбины. Пар, поступающий в конден- сатор, конденсируясь на охлаждаемых водой трубках 3, движет- ся в направлении патрубка отсоса паровоздушной смеси 10. В нижней части трубного пучка имеются паровые щиты 11, ус- ловно выделяющие часть трубного пучка 12, называемую зоной воздухоохладителя.
8
Рис. 1.2. Упрощенная конструктивная схема конденсатора поверх- ностного типа с водяным охлаждением: 1 – корпус; 2 – трубные доски; 3 – теплообменные трубки; 4 – передняя водяная камера; 5 – задняя (поворотная) водяная камера; 6 – перегородка водяной ка- меры; 7 – патрубок подвода охлаждающей воды; 8 – патрубок отвода охлаждающей воды; 9 – переходный патрубок (горловина) конденса- тора; 10 – патрубки отсоса паровоздушный смеси; 11 – паровые щиты; 12 – зона воздухоохладителя; 13, 14 – первый и второй потоки охлаж-
дающей воды соответственно; 15 – |
конденсатосборник; 16 – промежу- |
точные перегородки; 17 – окна |
в промежуточных перегородках; |
18 – паросбросное устройство; 19 – |
трубы выхода пара из камер отбора |
цилиндра низкого давления турбоагрегата; А – вход пара в конденса- тор; Б – отсос паровоздушной смеси; В – отвод конденсата; Г – вход охлаждающей воды; Д – выход охлаждающей воды; Е – сброс пара от быстродействующей редукционно-охладительной установки; Ж – выход пара из отбора цилиндра низкого давления турбоагрегата
Для повышения надежности работы турбины и удобства экс- плуатации конденсатора (чистка трубок, их осмотр, замена или заглушка) современные конденсаторы паровых турбин обычно выполняются двухпоточными. Для этого циркуляционная (ох- лаждающая) вода подается в конденсатор двумя параллельными
9
потоками. В рассматриваемом примере трубные пучки 13 и 14 этих двух независимых потоков воды симметрично расположе- ны относительно вертикальной осевой линии конденсатора. Ка- ждый из потоков выполнен двухходовым.
Пар, сконденсировавшийся на поверхности трубок, стекает в нижнюю часть конденсатора, откуда собирается в конденса- тосборник 15. Из конденсатосборника конденсат поступает на всас конденсатных насосов.
Впаровом пространстве конденсатора для обеспечения виб- ронадежности его трубной системы, а также для ужесточения корпуса аппарата устанавливаются промежуточные перегородки
16.Для выравнивания полей скоростей и давления пара по все- му объему конденсатора в промежуточных перегородках вы- полняются окна 17.
Впереходном патрубке конденсатора обычно устанавлива- ются выводные трубы пара 19 из камер отборов цилиндра низ- кого давления турбоагрегата на регенеративные подогреватели низкого давления, а также паросбросное устройство 18, исполь- зуемое для подачи в конденсатор пара от быстродействующей редукционно-охладительной установки.
Наиболее сложные вопросы, возникающие при проектирова- нии конденсатора, связаны с рациональным размещением труб- ной системы в корпусе конденсатора. На основе обобщения длительного опыта проектирования и эксплуатации конденсато- ров различных паровых турбин сформулированы основные принципы и рекомендации по проектированию высокоэффек- тивных конденсаторов [1]:
1) Необходимо обеспечить равномерное распределение по- ступающего в конденсатор пара по его длине и открытой для доступа пара части периметра трубного пучка. Это обеспечит эффективное использование поверхности охлаждения и умень- шит паровое сопротивление аппарата. Принцип может быть реализован путем выбора соответствующих геометрических ха- рактеристик выхлопного патрубка турбины, а также организа- цией проходов для пара в трубном пучке конденсатора.
10