75 группа 2 вариант / Тепломеханическое и вспомогательное оборудование ТЭС / Часть 1 / МУ

парциального давления водяного пара по ходу движения смеси уменьшается и температура пара.

Весь объем конденсатора с точки зрения эффективности конденсации пара можно условно разбить на две зоны: зону массовой конденсации (F0 – F1 на рис. 1.6) и зону охлаждения паровоздушной смеси (F1 – F2 на рис. 1.6).

Рис. 1.6. Изменение параметров паровоздушной смеси в конденса- торе на пути её движения от входного патрубка до патрубка отсо-

равлическое сопротивление парового пространства конденсатора; ин- дексы: 0 – вход в конденсатор; 1 – начало зоны воздухоохладителя; 2 – приемный патрубок воздухоудаляющего устройства; п – водяной пар; г – неконденсирующиеся газы (воздух)

В зоне массовой конденсации влияние содержания воздуха на парциальное давление пара незначительно; в этой зоне кон- денсируется основная масса пришедшего в конденсатор пара при незначительном изменении температуры. В зоне охлажде- ния паровоздушной смеси парциальное давление пара и, соот- ветственно, температура смеси резко уменьшается. Эта зона служит для завершения процесса конденсации и называется зо- ной воздухоохладителя [1]. Таким образом, в зоне отсоса из конденсатора паровоздушной смеси парциальным давлением

21

неконденсирующихся газов нельзя пренебречь, так как оно в значительной мере повышается вследствие увеличения плот- ности воздуха и относительного содержания его в паровоздуш- ной смеси [5].

Следствием понижения парциального давления и температу- ры насыщенного пара из-за наличия неконденсирующихся газов и парового сопротивления конденсатора является переохлажде- ние конденсата tк, под которым понимают разность температу- ры насыщенного пара tп при давлении паровоздушной смеси рк на входе в конденсатор и температуры конденсата tк при выходе из конденсатора. Переохлаждение конденсата зависит от конст- рукции конденсатора, его нагрузки, температуры охлаждающей воды, состояния воздушной, циркуляционной и конденсатной систем конденсационной установки. Переохлаждение конденса- та приводит к потере теплоты, затрачиваемой на нагрев конден- сата (используемого для питания котлов), а главное – сопрово- ждается увеличением концентрации растворенного в конденсате кислорода, что вызывает и интенсифицирует коррозию трубных систем регенеративных подогревателей низкого давления [2, 5].

Насыщение конденсата газами объясняется тем, что при ох- лаждении конденсата ниже температуры насыщения происхо- дит интенсивное растворение газов из парогазовой смеси, по- скольку коэффициент абсорбции газов водой минимален в со- стоянии её насыщения. Процесс абсорбции газа в жидкую фазу начинается непосредственно при конденсации пара на конден- сатной пленке, покрывающей теплообменные трубки. Падаю- щие с трубок капли и струйки конденсата подвергаются тепло- вому и механическому воздействию пара, двигающегося в меж- трубном пространстве, вследствие чего происходит деаэрация жидкости. Таким образом, двигаясь в направлении конденса- тосборника, капля конденсата, попадая то на трубку, то в паро- вой поток, попеременно насыщается и освобождается от газов. Для возможно полного выделения и отвода газов с поверхности жидкости проводят разбрызгивание конденсата при сливе его в конденсатосборник, осуществляют слив конденсата в виде от- дельных струй и другие мероприятия [5].

22

Для расчета процесса конденсации пара необходимо в каж- дом случае конкретизировать условия его протекания. К приме- ру, при конденсации пара на охлаждаемой поверхности необхо- димо различать пленочную и капельную конденсацию. В случае пленочной конденсации на поверхности теплообмена образует- ся устойчивая жидкая пленка относительно большой толщины. При капельной конденсации жидкая фаза образуется в виде от- дельных капель. Сама поверхность теплообмена может быть смачиваемой или несмачиваемой конденсатом. Необходимо различать также режимы течения жидкой фазы – ламинарный или турбулентный.

В отношении конденсируемой фазы (пара) также необходи- мо учитывать ряд возможных особенностей: пар может быть сухим насыщенным, влажным или перегретым; он может дви- гаться вдоль поверхности теплообмена с малой или относитель- но большой скоростью, содержать или не содержать конденси- руемые или неконденсируемые газовые примеси.

Таким образом, можно указать множество частных условий протекания процесса конденсации. Каждый из них требует уче- та влияния на результирующий процесс определенных факто- ров. Процессы конденсации классифицируются как одни из наиболее сложных с точки зрения математического модели- рования; это определяет многообразие имеющихся в настоящее время подходов к решению этой задачи.

1.3. Совместная работа конденсатора и воздухоудаляющего устройства

Функцию удаления воздуха из парового объема конденсатора выполняют воздухоудаляющие устройства конденсационной установки. Вместе с воздухом в эти устройства попадает также некоторое количество водяного пара, то есть воздухоудаляющее устройство конденсационной установки перекачивает паровоз- душную смесь.

В качестве воздухоудаляющих устройств конденсационных установок практически повсеместно используются воздушные

23

насосы струйного типа (эжекторы). Рабочей (эжектирующей) средой в эжекторе может быть пар (характерно для конденсаци- онных установок турбоагрегатов неблочных электростанций), и тогда эжектор называется пароструйным, или вода (характер- но для конденсационных установок турбоагрегатов энергобло- ков на сверхкритические параметры свежего пара), в этом слу- чае эжектор называется водоструйным.

Рабочая характеристика пароструйного эжектора представ- ляет собой зависимость давления всасывания рн от расхода су- хого воздуха Dвозд в отсасываемой паровоздушной смеси при различных значениях температуры этой смеси tсм (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Рабочая характеристика пароструйного эжектора: рн –

давление всасывания; Dвозд – массовый расход сухого воздуха в отса- сываемой паровоздушной смеси; tсм – температура отсасываемой паро- воздушной смеси; Vн – объемная производительность эжектора; сплошные линии – при отсасывании паровоздушной смеси; пунктир- ные линии – при отсасывании сухого воздуха

Характеристика эжектора при отсасывании сухого воздуха или паровоздушной смеси при разных температурах состоит из двух участков. Первый участок (при изменении Dвозд от 0 до некоторого значения D*возд), называемый рабочим, содержит относительно пологие характеристики. Второй участок (при

> D*возд) называется перегрузочным; здесь характеристики более крутые. Начало перегрузочного режима (предельный ре-

24

жим работы эжектора) характеризуется тем, что скорость ин- жектируемого (отсасываемого) или смешанного потока дости- гает критического значения; производительность эжектора при этом достигает максимума при заданных параметрах рабочего и отсасываемого потоков. В перегрузочном режиме объемный расход отсасываемой паровоздушной смеси Vн уменьшается с увеличением содержания в ней воздуха Gв. С увеличением Gв резко возрастает рн. Поэтому работа основного эжектора в пере- грузочном режиме не должна допускаться при эксплуатации конденсационной установки, поскольку незначительный по ве- личине подсос воздуха в вакуумную систему может привести к резкому повышению давления в конденсаторе сверх допустимо- го его значения и срабатыванию защиты турбины по вакууму.

Рабочая характеристика водоструйного эжектора (рис. 1.8) отличается от рабочей характеристики пароструйного эжектора.

Рис. 1.8. Рабочая характеристика водоструйного эжектора

ЭВ-4-1400 при отсасывании паровоздушной смеси и постоянных давлении и температуре рабочей воды: а – характеристика давления всасывания; б – характеристика объемной производительности; Vн – объемная производительность эжектора; tсм – температура отсасывае- мой паровоздушной смеси; сплошные линии – при отсасывании паро- воздушной смеси; пунктирные линии – при отсасывании сухого возду- ха; прочие обозначения те же, что на рис. 1.7

25

При отсасывании чистого пара, то есть при Dвозд = 0, началь- ная точка характеристики эжектора соответствует давлению на- сыщения при температуре отсасываемого пара (tсм при Dвозд = 0). Объемная производительность эжектора Vн при отсасывании чистого пара (или паровоздушной смеси с малым содержанием

вней воздуха) значительно больше, чем при отсасывании сухо- го воздуха. Это объясняется интенсивным теплообменом между паром и струей рабочей воды с практически полной конденса- цией пара. По мере увеличения содержания воздуха в смеси Dвозд при постоянной её температуре tсм объемная производи- тельность эжектора Vн и давление всасывания рн приближаются к значениям при работе на сухом воздухе.

Резкий переход характеристик объемной производительно- сти Vн с ниспадающей на горизонтальную ветвь (рис. 1.8, б) со- ответствует переходу эжектора в режим перегрузки. При нор- мальном режиме работы конденсационной установки, отвечаю- щем наклонным ветвям характеристик Vн, давление всасывания и, соответственно, давление в конденсаторе увеличивается с увеличением Dвозд, что приводит к снижению экономичности работы турбины, как и для установок с пароструйными эжекто- рами. Однако в отличие от пароструйного эжектора, не допус- кающего работу в режиме перегрузки, водоструйный эжектор и

вэтом режиме обеспечивает устойчивое поддержание давления

вконденсаторе. В этом состоит очень важное отличие конден- сационных установок с паро- и водоструйными эжекторами: при резком ухудшении вакуумной плотности конденсационной ус- тановки с водоструйными эжекторами не требуется останов тур- бины из-за недопустимого повышения давления пара в конден- саторе по причине перехода эжектора в режим перегрузки как при использовании пароструйных эжекторов [1, 8].

Рабочие процессы в эжекторе и конденсаторе турбины взаи- мосвязаны. К примеру, изменение давления всасывания эжекто- ра приведет к изменению давления пара в конденсаторе и, соот- ветственно, температуры насыщения в паровом пространстве конденсатора и изменению условий теплообмена. Изменение давления пара в конденсаторе скажется на удельном объеме па-

26

ра, отсасываемого вместе с воздухом из конденсатора, поэтому изменятся значения гидравлического сопротивления всасываю- щего тракта эжектора и парового пространства конденсатора, что отразится на давлении всасывания эжектора [1].

Изменение величины присосов воздуха в вакуумную систему также приведет к изменению давления всасывания эжектора и давления в конденсаторе. При нормальном эксплуатационном состоянии конденсатора давление в нем, определяемое рабочей характеристикой конденсатора, поддерживается только в том случае, если эжектор эвакуирует весь поступающий в конденса- тор воздух. Если присосы воздуха в вакуумную систему стано- вятся больше расхода отсасываемого эжектором воздуха, то по-

Режим работы водоструйного эжектора в большей степени сказывается на параметрах работы конденсатора турбины, чем режим работы пароструйного эжектора. Это связано с ви- дом рабочих характеристик эжекторов. Как показано выше, при уменьшении расхода воздуха Dвозд в отсасываемой из кон- денсатора паровоздушной смеси объемная производительность Vн водоструйного эжектора существенно увеличивается. При этом увеличиваются скорости и, соответственно, потери давления при движении смеси по всасывающему тракту. При уменьшении Dвозд в пределах рабочего участка характери- стики пароструйного эжектора Vн не изменяется. По этой при- чине давление пара в конденсаторе рк оказывается зависимым от Dвозд в большей степени при использовании водоструйного эжектора.

Указанная особенность характеристики водоструйного эжек- тора определяет вид характеристики конденсатора турбины (рис. 1.9). Зависимость давления пара в конденсаторе рк имеет в области малых значений Dвозд практически горизонтальный участок, то есть в области малых расходов воздуха Dвозд (малых присосов воздуха в вакуумную систему турбоустановки) давле- ние в конденсаторе рк практически не зависит от Dвозд. Это обу-

27

словлено повышением гидравлического сопротивления всасы- вающего тракта эжектора. При больших значениях Dвозд харак- теристика давления пара в конденсаторе приближается к харак- теристике эжектора при его работе на сухом воздухе [1, 8].

Рис. 1.9. Зависимость давления пара в конденсаторе и приемной

камере водоструйного эжектора от расхода отсасываемого возду-

ха: рк – давление пара в конденсаторе; рн – давление всасывания эжек- тора при работе на сухом воздухе; Dвозд – массовый расход сухого воз- духа

При малых присосах воздуха (в пределах установленных норм) конденсаторы с основными водоструйными эжекторами работают, как правило, на горизонтальном участке характери- стики рк = f (Dвозд). Положение рабочей точки на этой характе- ристике зависит как от Dвозд, так и от расхода пара в конденса- тор Dк, температуры охлаждающей воды на входе в конденсатор t1в и температуры рабочей воды перед водоструйным эжектором tp. Чем больше Dк, t1в и tp, т.е. чем больше давление пара в кон- денсаторе рк, тем протяженнее горизонтальный участок харак- теристики рк = f (Dвозд) [8].

28

2. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНДЕНСАТОРОВ

Основной интегральный показатель, характеризующий рабо- ту конденсационной установки – абсолютное давление отрабо- тавшего пара в горловине (переходном патрубке) конденсатора рк, – зависит от следующих режимных условий: расхода пара в конденсатор Dк; расхода охлаждающей воды через конденса- тор W; температуры охлаждающей воды на входе в конденсатор t1в [8, 9]. Поскольку давление рк непосредственно не измеряется, его определяют как разность между барометрическим давлени- ем В и измеренным значением вакуума (разрежения) в конден- саторе V.

В качестве показателя работы конденсатора используется также конечный температурный напор δt, рассчитываемый как разность между температурой насыщения пара ts при давлении рк и температурой охлаждающей воды на выходе из конденса- тора t2в. Температурный напор называют также недогревом в конденсаторе. При данных значениях Dк, W и t1в температур- ный напор δt определяет для нормальных режимов работы тур- бины, при которых отработавший пар является насыщенным, давление рк, которое может быть найдено с помощью таблиц теплофизических свойств водяного пара по температуре

Введя понятие нагрева воды в конденсаторе ∆t, рассчиты- ваемого как разность (t2в – t 1в), можно записать новое выражение

Недогрев δt с физической точки зрения определяется нали- чием термического сопротивления теплопередаче между кон- денсирующимся паром и охлаждающей водой [9]. Величина не- догрева δt характеризует совершенство теплопередачи в кон- денсаторе. Определим, от каких параметров зависит величина недогрева δt.

Рассмотрим конденсатор с эффективной поверхностью теп- лообмена F. Потери тепла от наружного охлаждения корпуса

29

конденсатора вследствие низких температур теплоносителей ничтожны. Поэтому можно считать, что практически все тепло, выделяющееся при конденсации пара, отдается охлаждающей воде [5]. Уравнение теплового баланса такого конденсатора можно записать в виде

ответственно пара на входе в конденсатор и конденсата на вы- ходе из конденсатосборника; срв – истинная массовая изобарная теплоемкость охлаждающей воды.

Разность (hп – h к) представляет собой в основном теплоту фа- зового перехода при конденсации пара и изменяется при изме- нении параметров работы конденсатора незначительно [1]. Зна- чение этой разности несколько отличается для турбоагрегатов

График изменения температур теплоносителей в конденсато- ре имеет вид, показанный на рис. 2.1. Для такого теплообменно- го аппарата можно записать уравнение теплопередачи в виде

где К – средний по поверхности конденсатора коэффициент те- плопередачи; ∆tл – среднелогарифмическая разность температур в конденсаторе.

Далее с учетом правой части уравнения теплового баланса можно записать

30