Конденсационные установки паровых турбин

Из раздела термодинамики известно, что термический КПД паротурбинного цикла тем выше, чем ниже температура пара в конце расширения. Для получения низкой температуры в выпускном патрубке турбины, как следует из свойств водяного пара, давление должно быть ниже атмосферного, т. е. должен быть создан вакуум. Это достигается в результате конденсации отработавшего пара, охлаждаемого циркуляционной водой; образующийся конденсат откачивается насосами. При конденсации скрытая теплота парообразования отработавшего пара воспринимается циркуляционной водой, температура которой повышается.

Для конденсации покидающего турбину пара к выхлопному патрубку турбины присоединяется специальный теплообменник — конденсатор. Вакуум в конденсаторе создается при конденсации пара с помощью охлаждающей воды и отсоса воздуха эжекторами, вакуум-насосами и др. Конденсация пара может производиться либо непосредственным смешением его с охлаждающей водой (<�смешивающие конденсаторы), либо при охлаждении его в поверхностных теплообменниках (поверхностные конденсаторы).

В турбинных установках электростанций применяются исключительно поверхностные конденсаторы, поскольку они обеспечивают как сохранение количества конденсата, так и требуемое его качество по солесодержанию, что весьма важно для питания котлоагрегатов высоких параметров большой мощности. Схема устройства поверхностного конденсатора показана на рис. 8.18.

Рис. 8.18. Схема поверхностного конденсатора.

Пар из турбины поступает в корпус конденсатора / через горловину 14, имеющую фланец б для присоединения к выхлопу турбины. В цилиндрической части конденсатора расположена система прямых охлаждающих труб 5, закрепленных с обеих сторон в трубных досках 4. Трубная система располагается в корпусе 1 так, что по обе стороны ее образуются камеры 15 и 16 между трубными досками и крышками корпуса 2 и 3. Охлаждающая вода по подводящей трубе 11 поступает в нижнюю часть камеры 15 (входная камера), проходит по нижнему пучку труб и поступает в другую поворотную камеру 16. Из поворотной камеры вода проходит по верхнему пучку трубок в направлении, обратном первоначальному, после чего удаляется из верхней части выходной камеры /7, отделенной перегородкой 13 от входной камеры, по трубе 12.

Конденсаторы с такой схемой движения воды в двух направлениях называют двухходовыми. Аналогично этому могут быть выполнены одноходовые, а также трехи четырехходовые конденсаторы.

Пар, омывая холодные наружные поверхности охлаждающих трубок, конденсируется на них, отдавая теплоту парообразования, и образовавшийся конденсат стекает в нижнюю часть 7 конденсатора, а оттуда откачивается специальным насосом через патрубок. Этот насос называют конденсатным, а насос, прокачивающий охлаждающую воду через трубную систему конденсатора, — циркуляционным.

Конденсатор должен быть герметически плотным. Наличие даже небольших неплотностей приводит к подсосу воздуха из окружающей среды, что снижает вакуум и может резко ухудшить процесс теплоотдачи.

Для поддержания в паровом пространстве конденсатора требуемого глубокого вакуума через патрубок 8 осуществляется непрерывный отсос воздуха. Так как вместе с воздухом может быть удалено и некоторое количество несконденсировавшегося пара (паровоздушная смесь), то в месте отсоса воздуха часть трубной поверхности 9 отделяют перегородками 10, образуя воздухоохладитель. В этой части трубной поверхности должна происходить более интенсивная конденсация пара с тем, чтобы количество пара в удаляемой паровоздушной смеси было минимальным.

Образовавшийся в конденсаторе конденсат используется для питания котлоагрегатов и потому представляет большую ценность, в особенности в установках с высокими параметрами пара, требующих применения питательной воды особо высокого качества. По этой причине конденсаторы должны обладать высокой плотностью не только по воздуху, но и по охлаждающей воде.

При хорошей плотности трубок охлаждающей системы конденсат турбины может быть чистым дистиллятом, т. е. водой, не содержащей каких-либо примесей. Кроме того, в нормально работающем конденсаторе конденсат хорошо дегазируется, что устраняет опасность коррозии питательных трубопроводов и подогревателей.

Вода, поступающая для охлаждения конденсатора (циркуляционная вода), забирается циркуляционным насосом либо из расположенных вблизи станции естественных источников водоснабжения (река, озеро, море), либо из искусственных водоемов (пруды, бассейны). Водоснабжение от естественных источников воды называется прямоточным (рис. 8.19).

Рис. 8.19. Принципиальная схема прямоточного водоснабжения электростанции

При прямоточной системе вода, забираемая из реки после конденсаторов и других охладительных устройств, сбрасывается в реку ниже по течению на расстояние, исключающее возможность подмешивания подогретой воды к воде, забираемой из реки. Представление об удельных расходах охлаждающей воды конденсаторов для КЭС дает табл. 8.1.

Таблица 8.1

Удельные расходы охлаждающей воды конденсаторов на конденсационных паротурбинных электростанциях

Для крупных КЭС абсолютный расход охлаждающей воды настолько значителен, что он становится одним из факторов, определяющих выбор места расположения электростанции и ее системы технического водоснабжения.

Расход воды на удаление золы и шлака зависит от зольности и количества сжигаемого топлива, а также от принятой системы гидрозолоудаления. Для высоконапорной системы гидрозолоудаления с гидроаппаратами системы Москалькова средний удельный расход воды составляет 14−15 м³ на тонну золы и шлака. Как правило, в системе гидрозолоудаления используется сливная вода из конденсаторов турбин.

В табл. 8.2 приведены ориентировочные значения относительных (по отношению к расходу воды на конденсаторы) расходов воды на различные нужды паротурбинной конденсационной электростанции.

При использовании искусственных источников водоснабжения вода, нагревшаяся при конденсации пара в конденсаторе, направляется в специальные устройства: пруды-охладители, брызгательные бассейны, башенные охладители (градирни). После охлаждения в этих устройствах вода вновь подается в конденсаторы. Такая система охлаждения называется оборотной.

Для охлаждения циркуляционной воды пользуются охлаждающими прудами, бассейнами и градирнями различных типов.

Охлаждающий пруд представляет собой естественный или искусственный водоем, из которого охлаждающая вода берется в одном месте, а сбрасывается после использования в другом месте, по возможности удаленном от первого.

Относительные расходы воды на различные нужды конденсационной паротурбинной электростанции.

Таблица 8.2

Охлаждение воды происходит от соприкосновения с окружающим воздухом и испарения части воды с отъемом значительного количества теплоты из водоема. Кроме потери на испарение часть воды в прудах теряется в почву через дно, берега и др. Поэтому запас воды в прудах надо постоянно пополнять.

Для уменьшения потерь воды иногда вместо прудов устанавливаются бассейны с бетонными стенками и дном. Поверхность пруда или бассейна должна быть значительной, так как на 1 кВт мощности турбины требуется приблизительно 7−10 м² охлаждающей поверхности. Для уменьшения потребной поверхности применяются пруды или бассейны с брызгалами. Охлаждаемая вода подается здесь под избыточным давлением 50−150 кПа (0,5−1,53 кгс/см²) к соплам (брызгалам), расположенным над поверхностью пруда или бассейна. Пройдя сопла, вода разбрызгивается на мелкие струи, быстро охлаждается от соприкосновения с воздухом и стекает в пруд. Интенсивность охлаждения зависит от атмосферных условий.

Наиболее распространенным устройством для охлаждения циркуляционной воды являются градирни.

Для теплосиловых установок малой мощности ввиду простоты и дешевизны применяют открытые градирни, состоящие из системы деревянных стоек и горизонтальных планок, омываемых со всех сторон воздухом. Вода, поступая сверху, проходит по планкам, разбрызгивается и охлаждается воздухом. Иногда вверху градирни устраиваются разбрызгивающие сопла.

Для крупных теплосиловых установок применяются закрытые градирни, называемые также башенными охладителями. Они строятся с естественной и принудительной циркуляцией воздуха.

Схема градирни с естественной циркуляцией воздуха дана на рис. 8.20. Охлаждающая вода, прошедшая конденсатор, стекает на оросительное устройство /, представляющее собой при капельной конструкции систему горизонтальных брусков с малыми зазорами между ними. Проходя оросительное устройство, вода разбрызгивается на мелкие капли, охлаждаемые движущимся навстречу воздухом, поступающим через жалюзи в нижней части градирни. При пленочной конструкции оросительного устройства вода стекает в виде пленки по вертикальным щиткам оросителя. Охлажденная вода собирается в бассейне 3, расположенном внизу градирни, и отсюда циркуляционным насосом 4 подается в конденсатор 5. Движение воздуха вверх обеспечивается высокой башней б, действующей по принципу дымовой трубы. Для восполнения потери в бассейн насосом 2 подается вода из близлежащего источника.

В градирнях с принудительной циркуляцией воздух подается вентилятором через специальные отверстия в нижней части градирни.

В остальном эти градирни подобны предыдущим. Расход энергии на вентилятор составляет 1−2% от энергии, вырабатываемой на станции. Поэтому эти градирни применяются в тех случаях, когда атмосферные условия делают работу градирен с естественной циркуляцией ненадежной.

Рис. 8.20. Схема градирни с естественной циркуляцией.

Иногда строятся градирни, в которых к естественной циркуляции добавляется принудительная (включение вентилятора), — когда естественная тяга оказывается недостаточной.

Конструкция конденсаторов должна обеспечивать хорошую организацию процессов теплообмена между паром и охлаждающей водой и гарантировать глубокий вакуум (путем уменьшения сопротивления конденсаторов по паровой стороне и организации отсоса воздуха).

На рис. 8.21 показаны схемы конструкций современных конденсаторов для турбин большой мощности. Различные схемы отличаются между собой направлением потока конденсирующегося пара и местом отсоса воздуха. На схеме рис. 8.21, а отсос воздуха сделан сверху, что заставляет поток двигаться снизу вверх (конденсатор с восходящим потоком пара).

Рис. 8.21. Схемы конденсаторов: а — конденсатор с восходящим потоком пара; б — конденсатор с центральным потоком пара; в — конденсатор с боковым потоком пара В противоположность этому конденсатор с нижним отсосом воздуха, показанный на рис. 8.18, называют конденсатором с нисходящим потоком пара. На рис. 8.21, б представлена конструкция конденсатора с центральным потоком пара, в котором отсос воздуха происходит через центральную трубу, а вокруг пучка охлаждающих труб оставлен широкий проход, позволяющий пару поступать в пучок со всех сторон с минимальным сопротивлением.

Конденсат, стекающий с верхних труб и охлажденный ниже температуры насыщения, смешиваясь с паром в нижней части конденсатора, вновь нагревается почти до температуры насыщения. Такие конденсаторы называются регенеративными. В регенеративных конденсаторах устраняется возможность охлаждения конденсата до температуры более низкой, чем температура насыщенного конденсирующегося пара, т. е. переохлаждение конденсата. Переохлаждение представляет собой недопустимую потерю, так как при нем увеличивается тепло, передаваемое охлаждающей воде, т. е. понижается термический КПД цикла.

На рис. 8.21, в показана конструкция регенеративного конденсатора, в середине которого оставлен широкий проход для пара. Отсос паровоздушной смеси в этом случае производится с двух сторон конденсатора. Центральный проход пара должен снизить сопротивление конденсатора по паровой стороне и устранить опасность переохлаждения конденсата.

Корпуса конденсаторов (обычно сварной конструкции) устанавливаются на пружинных опорах, что облегчает компенсацию температурных деформаций. Трубки конденсаторов делаются из латуни (для морской воды применяется медно-никелевый сплав) и закрепляются в трубных досках вальцовкой. Применение латуни предотвращает коррозию трубок. Наиболее употребительные размеры трубок конденсатора 25 мм при толщине стенок 1 мм.

Водяные камеры конденсаторов часто бывают разделены вертикальной перегородкой на две половины. Это позволяет производить чистку внутренних поверхностей охлаждающих трубок одной половины конденсатора во время работы другой половины (чистка «на ходу»). При чистке конденсаторов на ходу нагрузку турбины приходится несколько снижать.

Конденсирующийся пар в количестве D_K, кг/с отдает тепло /₂ — q_x> где /₂ — энтальпия отработавшего пара при входе в конденсатор, а q_K — энтальпия конденсата. Так как потери конденсатора в окружающую среду относительно малы, то можно считать, что тепло, отдаваемое конденсирующимся паром, воспринимается охлаждающей водой.

Если количество охлаждающей воды обозначить через fV, кг/с, а ее температуру при входе и выходе из конденсатора — соответственно через и ?, то с учетом теплоемкости воды с (4,19 кДж/(кг град)) получим:

В этом уравнении выделяют отношение /и = —, называемое кратностью охлаждения:

Кратность охлаждения показывает, сколько килограммов воды расходуется на конденсацию 1 кг пара. Обычно кратность охлаждения в смешивающих конденсаторах составляет 15−25 кг/кг, а в поверхностных: 40−80 — в двухходовых и 80—120 — в одноходовых.

Вакуум в конденсаторе определяется температурой насыщения конденсирующегося пара /_к.

Последняя равна

Здесь «9 = t_K — - недогрев воды до температуры насыщения.

Подставив в (8.29) значение из уравнения (8.28), имеем.

Из уравнения (8.30) видно, что глубина вакуума прежде всего определяется температурой охлаждающей воды /', а также кратностью охлаждения т (рис. 8.22).

Рис. 8.22. Зависимость теоретически достижимого давления в конденсаторе от температуры охлаждающей воды и кратности охлаждения.

Начальная температура охлаждающей воды не зависит от работы конденсационной установки и определяется метеорологическими условиями, временем года и источником водоснабжения. Для прямоточного

охлаждения (река и т. д.) ?_в = 10−15°С, а для оборотного водоснабжения (брызгальный бассейн, градирня и т. д.) *i= 20−25°С.

При одном и том же расходе охлаждающей воды зимой (за счет ее более низкой температуры) достигается более глубокое разрежение в конденсаторе, чем летом. На рис. 8.23 представлена схема конденсационной установки паровой турбины.

Рис. 8.23. Схема конденсационной установки:

• 1 — конденсатор; 2 — конденсатный насос; 3 — циркуляционный насос;
• 4 - пароструйный эжектор

Для поддержания требуемого вакуума в конденсаторе необходимо непрерывно удалять воздух. Для этой цели применяют специальные воздухоотсасывающис устройства. Наиболее распространенными из них являются пароструйные и водоструйные эжекторы.

Эжекторы (воздушные насосы) бывают паровыми, водяными и центробежными. В настоящее время наибольшее распространение получили паровые эжекторы. Одноступенчатый эжектор может создать разрежение до 650 мм рт. ст.

Для получения более глубокого разрежения при хорошей экономичности эжектора применяют двухи даже трехступенчатые эжекторы.

На рис. 8.24 приведена схема двухступенчатого парового эжектора. Свежий пар поступает в рабочее сопло У, где он расширяется и приобретает большую скорость, подсасывая из конденсатора воздух (с небольшой примесью пара) в камеру 2. Смешавшись с воздухом, рабочий пар далее сжимается до абсолютного давления 0,2 бар в диффузоре 3 и конденсируется в холодильнике 4 первой ступени эжектора.

Рис. 8.24. Схема двухступенчатого парового эжектора:

/ - рабочее сопло; 2 — камера; 3 — диффузор; 4 — холодильник первой ступени; 5 — холодильник второй ступени; 6 — патрубок для удаления воздуха; 7- рабочее сопло второй ступени Воздух и несконденсировавшаяся часть пара отсасываются эжектором второй ступени и в диффузоре этой ступени дожимаются до давления несколько выше атмосферного. К рабочему соплу 7 второй ступени эжектора также подводят свежий пар. Пар конденсируется в холодильнике 5 второй ступени, а воздух и несконденсировавшаяся часть пара выбрасываются в атмосферу через патрубок 6. Конденсат рабочего пара из холодильников отводится в конденсатор.

Контрольные вопросы.

• 1. Опишите принцип работы паровых активных и реактивных турбин.
• 2. Как определяется окружное усилие на лопатках турбины?
• 3. Что такое относительный внутренний КПД ступени и от чего он зависит?
• 4. Чем определяются внутренние и внешние потери энергии в турбине?
• 5. Что такое относительный электрический КПД турбины и удельный расход пара?
• 6. Опишите назначение и устройство конденсационной установки паровых турбин.
• 7. Для чего применяют градирни на ТЭС?
• 8. Для чего применяют эжекторы в конденсаторах паровых турбин?