Лекция 2. Регенеративные подогреватели

Подогрев конденсата и питательной воды паром, отработавшим в турбине, называют регенеративным подогревом. Отбор пара из промежуточных ступеней турбины для этой цели называют регенеративным отбором, подогреватели для подогрева воды таким способом— регенеративными подогревателями. Пар регенеративных отборов производит в турбине работу, а тепло этого пара передается питательной воде и возвращается в котел. При этом расход тепла на образование в котле 1 кг пара уменьшается, общая экономичность электростанции возрастает.

Известно, что из всего количества тепла, подводимого к конденсационной турбине, только 25—30% превращается в механическую работу; 60—65% уносится охлаждающей водой конденсатора, а около 5% возвращается в котел с идущим на его питание конденсатом. В небольших паротурбинных установках регенеративная система состоит из 1—2 ступеней подогрева, а в крупных современных турбинах — из 7—8 ступеней. При этом путем регенерации получают 5—8% экономии топлива. Применение отборов из промежуточных ступеней позволяет уменьшить размеры лопаток последних ступеней, конденсатора и некоторых узлов самой турбины.

Наивыгоднейшая конечная температура подогрева питательной воды зависит от многих факторов: начальных параметров ТЭС, способа использования температуры уходящих газов котельных агрегатов, стоимости оборудования электростанции. Практически, исходя из общей экономичности электростанции, подогрев питательной воды ограничивают температурой 145—230° С.

¦ Регенеративные подогреватели по принципу работы подразделяют на поверхностные и смешивающие.

В поверхностных подогревателях конденсат турбин или питательная вода прокачивается по стальным или латунным трубкам, а греющий пар омывает эти трубки снаружи и конденсируется на их поверхности. Температура пленки конденсата на трубках независимо от состояния пара (перегретый или насыщенный) приблизительно равна температуре насыщения пара при соответствующем давлении в паровом пространстве подогревателя. При передаче тепла от пара к воде температура нагреваемой воды всегда ниже температуры насыщения пара вследствие термического сопротивления стенки трубки и загрязнений на внутренней и наружной ее поверхности. Величина недогрева, т. е. разность температуры насыщения греющего пара и температуры воды на выходе из подогревателя, обычно 2—6° С. Недогрев воды в подогревателе определяет эффективность их работы. При проектировании и paсчетах подогревателей недогрев воды в них выбирают путем технико-экономических расчетов.

В смешивающих подогревателях питательная в да или конденсат непосредственно соприкасается с греющим паром.

В отечественных турбоустановках, как правило, применяют подогреватели поверхностного типа; смешивающим подогревателем в схемах является деаэратор. Температура воды в деаэраторах до стигает температуры насыщения греющего пара, т. е. недогрев практически равен нулю.

На рис. 1 показана принципиальная схема турбоустановк регенеративным подогревом питательной воды и конденсата. Питательная вода состоит из конденсата и химически очищенной воды.; Регенеративные подогреватели турбоустановок по схеме включения делятся на подогреватели высокого давления ПВД (ПЗ и П4) а низкого давления ПНД (П1 и П2). Как правило, в схемах турбо-] установок ПНД включают между конденсатными насосами КН и! деаэратором Д; ПВД устанавливают между деаэратором и парогенератором ПГ.

Подогреватели высокого давления с водяной стороны находятся под давлением воды питательных насосов или их первой ступени.

Рис. 1. Принципиальная схема турбоустановки с регенеративным подогревом питательной воды и конденсата: ПГ— парогенератор, 7″ —турбина, /" — генератор, КН — конденсатный насос, ОЭ — охладитель эжектора, СО — сальниковый охладитель, СП — сальниковый подогреватель, П1 и Н'2 — подогреватели низкого давления, КИ — конденсатор испарителя, Л —деаэратор, ПН— питательный насос, ПЗ и П4 — подогреватели высокого давления

При этом давление воды 60—340 кгс/см2, а температура от 150 до 970° С. ПВД с паровой стороны работают при сравнительно высоких давлениях и температурах отборного пара.

Подогреватели низкого давления с водяной стороны находятся под сравнительно низким давлением, создаваемым конденсатными насосами и составляющим обычно 7—25 кгс/см2. Во избежание парообразования и гидравлических ударов в трубных системах подогревателей питательная вода или конденсат должны находиться под давлением, превышающим давление греющего пара.

Поток конденсата, перекачиваемый насосами и направляемый через группу подогревателей низкого давления в деаэратор, обычно называют потоком основного конденсата. В теплофикационных турбоустановках этот поток образуется из конденсата турбин и конденсата бойлеров, подаваемого в схему насосами бойлеров. В деаэраторе происходит смешение потоков основного конденсата турбины и дренажей (конденсатов) ПВД с другими потоками (пар из уплотнений, добавочная вода, выпар из расширителей продувки).

Поток воды, поступающей на всас питательных насосов и далее через группу ПВД в парогенератор, называют потоком питательной воды. В группу ПНД кроме подогревателей, питаемых отборным паром турбин, обычно включают сальниковые подогреватели СП и сальниковые охладители СО, охладители паровоздушной смеси эжекторов ОЭ, газоохладители генератора, конденсаторы испарителей КИ (при восполнении их потерь дистиллятом).

Сальниковые подогреватели и охладители предназначены для конденсации пара последних отсеков концевых уплотнений турбин; в них основной конденсат нагревается на 4—7° С. В охладителе эжекторов основной конденсат нагревается на 2—3° С. Газоохладители генератора представляют собой теплообменники, в которых основной конденсат подогревается на 5—7° С за счет тепловых потерь генератора.

Температура подогрева воды в регенеративных подогревателях ПВД и ПНД выбирается на основе технико-экономических расчетов примерно одинаковой и равной 25—30°С. Температура подогрева основного конденсата в конденсаторах испарителей составляет обычно 10—20° С.

В отечественных турбоустановках число регенеративных подогревателей и соответственно число отборов 5—9, температура питательной воды 218—265° С. Число отборов и температуру питательной воды определяют при технико-экономических расчетах. ^ увеличением числа отборов от 5 до 10 экономичность турбоустановки повышается на 0,2—0,6% на каждый дополнительный отбор в зависимости от конечной температуры питательной воды и их числа. Давления отборного пара не регулируются (нерегулируемые отборы) и определяются нагрузкой турбины. Если же регенеративный подогреватель подключен к регулируемому отбору, то регулятор поддерживает давление в нем постоянным в соответствии с требованиями теплового потребителя.

Подогреватели высокого давления имеют различные конструкции.

Подогреватели без трубной доски с U-образными стальным трубками, привариваемыми к коллекторам (тип БИП), устанавливали на отечественных турбоустановках до 1952 г. При эксплуатации этих подогревателей обнаружилась невысокая надежность из-за технологических дефектов в местах сварки трубок и приварки и! к коллекторам.

Подогреватели Таганрогского котельного завода вертикального типа с горизонтальными двойными спиралями, концы которых вварены в вертикальные стояки-коллекторы, типа ПВСС (подогреватель высокого давления спиральный, секционный) выпускали взамен подогревателей БИП.

С 1959 г. по настоящее время все отечественные турбоустановки на давления пара перед турбиной 90, 130, 240 и 300 кгс/см2 комплектуют подогревателями ПВ, выпускаемыми Таганрогским котельным заводом. В марке подогревателя указывается общая поверхность нагрева (1-я цифра), расчетное давление воды (2-я цифра), расчетное давление греющего пара (3-я цифра), например ПВ-250−180−33.

Основные отличия подогревателей ПВ от ПВСС и БИП заключаются в следующем.

В подогревателях ПВ применяют встроенные, т. е. размещенные в одном корпусе и в одной трубной системе, охладители пара i охладители конденсата греющего пара. Встроенные пароохладители позволяют повысить температуру питательной воды и снизить недогрев до 0—2° С за счет отбора тепла перегрева пара. Кроме того путем снижения температуры пара в пароохладителе удается снизить температуры верхнего днища и корпуса подогревателя, повысить допускаемые напряжения и уменьшить благодаря этому толщину днища и корпуса.

Подогреватели БИП и ПВСС имели индивидуальную защите Подогреватели ПВ выпускают с групповой защитой и соответствен-] но с одним входным и одним выходным автоматическими клапана-] ми на всю группу подогревателей (2 или 3), что в значительной степени упростило схему и снизило сопротивление ПВД засчет сокращения общего числа клапанов.

Подогреватели ПВСС выполняли с верхним подводом питательной воды и верхним расположением фланцевого соединения корпуса; трубная система опиралась на корпус, устанавливаемый на фундаменте. При ремонте приходилось разболчивать патрубки питательной воды и фланцевое соединение корпуса и вынимать краном трубную систему вместе с верхним днищем и патрубками.

В подогревателях ПВ трубная система вместе с нижним днищем установлена неподвижно на фундаменте. При ремонте разболчивается только фланцевое соединение и паропровод и снимают] корпус. Нет необходимости в разболчивании фланцевых соединений на патрубках питательной воды. Фланцевое соединение располагается в нижней части корпуса, т. е. в зоне минимальных температур при постоянном омывании конденсатом греющего пара, в следствие чего облегчаются условия работы фланцевого соединения.

На рис. 2 показан подогреватель ПВ-350−230−21м. Он представляет собой сварную конструкцию и состоит из следующих основных частей: корпуса 1, трубных систем 2, 3 и 4, охладителя пара, собственно подогревателя и охладителя конденсата.

Съемная (верхняя) часть корпуса состоит из стальной цилиндрической обечайки диаметром 1500 мм с толщиной стенки 16 мм. В верхней части к обечайке приварено эллиптическое днище толщиной 16 мм. В нижней части к ней и днищу корпуса по оси приварены фланцы с отверстиями. Кроме того, к днищу корпуса по оси приварен патрубок подвода пара во встроенный пароохладитель. На цилиндрической части корпуса имеются штуцеры для присоединения водоуказательных приборов, отвода конденсата, отсоса воздуха, подвода конденсата греющего пара из следующих по ходу питательной воды ПВД.

Неподвижная нижняя часть корпуса состоит из металлического эллиптического днища той же толщины, что и верхнее; к днищу приварен фланец. В днище имеются вырезы, укрепленные накладками под приварку труб подвода и отвода питательной воды. Кроме того, в днище вварен пат-рубок отвода конденсата греющего пара. Днище приварено к кольцевой опоре с плитой для крепления на фундаменте. Фланцевое соединение уплотнено паранитовой прокладкой и прикреплено шпильками с колпачковыми гайками. Для возможности осуществления термической затяжки в шпильках имеются осевые отверстия диаметром 20 мм.

Трубная система подогревателя представляет собой сварную конструкцию, состоящую из двух распределительных, двух коллекторных, четырех соединительных и центральной отводящей труб перегородок и двойных спиральных змеевиков. Спирали ПВД выполнены из стальных трубок с наружным диаметром 32 мм и толщиной стенки 3,5—5 мм в зависимости от расчетного давления питательной воды.

Коллекторные, центральные и распределительные трубы, сваренные в верхней части с помощью колен и сборника с соединительными трубами и скрепленные по высоте перегородками, образуют каркас трубной системы. Две распределительные трубы диаметром 168 мм состоят каждая из двух участков, разделенных вваренной диафрагмой с отверстием для дренажа диаметром 4 мм. Диафрагмы разделяют трубную систему на два хода питательной воды. Нижние концы распределительных труб соединены с впускным коллектором, вваренным в нижнее днище корпуса. В верхней части распределительные трубы соединены с помощью соединительным труб со сборной камерой.

В соединительные трубы вварены шайбы диаметром 80 мм, ограничивающие расход питательной воды в охладитель пара. Две коллекторные трубы диаметром 168 мм также состоят из двух участков, разделенных вваренной диафрагмой с отверстием для дренажа диаметром 4 мм. Эти два участка соответствуют двум ходам питательной воды. Нижние концы коллекторных труб заварены донышками. В верхней части эти трубы соединены со сборной камерой.

В распределительных и коллекторных трубах имеются два ряда; отверстий диаметром 25 мм с разделкой для приварки змеевиков. Верхний конец центральной отводящей трубы диаметром 245 мм приварен к кованой сборной камере.

В верхней части трубной системы имеется отверстие, служащее воздушником при ремонте. Отверстие закрывают запорным клапаном с медной прокладкой и пробкой.

Схема с подогревателями смешивающего типа.

Достоинства:

• 1.
• 2. ех_п=ех_в

Недостатки:

Наличие большого количества перекачивающих насосов низкая надежность.

Применяются в качестве первой и второй ступени на блоках 500−800 МВт.

С 1−2 ПНД перелив можно осуществлять за счет высокого размещения ПНД, на уровне 3−5 м водяного столба.

Узловая схема подогревателя смешивающего типа со сливом дренажа после себя.

до 0,1−0,5 єС.

Достоинства:

по сравнению с обычной.

Недостатки:

Наличие большого количества перекачивающих насосов низкая надежность.

Эта схема применяется на ПНД-2 и ПНД-3.

Схема позволяет слить горячий дренаж в линию основного конденсата и не сбрасывать по каскаду в расширитель конденсатора, а также предотвращает отвод теплоты в окружающую среду.

Схема слива дренажей до себя.

Рис. 6. Cхема слива дренажей до себя

Не применяется в принципе потому что горячий дренаж греющего пара, вводимый перед подогревателем понижает тепловосприятие перед пароперегревателем и снижает количество пара из отбора турбины на регенерацию. Понижается и расход пара на регенерацию в целом.

Каскадная схема слива дренажей.

Рис. 7. Каскадная схема слива дренажей

Достоинства:

• 1. Высокая надёжность;
• 2. нет насосов — нет перепадов между отборами

Недостатки:

Тепловая энергия вышестоящего отбора пропускается по дренажу в вышестоящий подогреватель, в то время как её можно было бы пропустить по турбине и вырабатывать там дополнительную мощность, то есть снижается КПД турбинной установки.

Горячий дренаж вышестоящего отбора снижает конденсирующую способность нижестоящего отбора.

Совершенствование схемы каскадного слива охладителей дренажа.

Рис. 8. Усовершенствованная схема каскадного слива охладителей дренажа

Рис. 9. Изменение температуры питательной воды

Охлаждение дренажа ОД снижает переток теплоты по дренажам от вышедо нижестоящих подогревателей.

АНамортизационные начисления Крег — капитальные затраты на регенерацию.

Sэ — себестоимость электрической энергии.

Охладители пара отборов Рис. 10. Схема включения охладителей пара отборов

Выносные охладители пара Схема «Виолен».

Наличие выносных пароохладителей повышает экономичность установки за счёт снижения давления Рп₁ и большей выработки мощности паром этого отбора. При отсутствии ПО1 и ПО2 должна быть за ПВД1и ей соответствует более высокое давление Рп₁. При наличии пароохладителей за точкой смешения, а за ПВД1 1 t_ПВ1<�Рп₁ меньше и выработка мощности этим потоком пара больше.

Недостаток: для ПО1 И ПО2 берется горячая вода за ПВД1, что снижает глубину охлаждения пара в пароохладителе.

Схема Рикора — Некольного.

Рис. 13 Схема включения выносных пароохладителей в схеме Рикора-Некольного

В отличие от предыдущей схемы в этой на охладители пара забирается более холодная вода, что обеспечивает более охлаждение пара в ПО.

Достоинство: Как и в предыдущей схеме большая выработка мощности паром в турбине по сравнению со схемой без ПО.

Эти схемы дают увеличение КПД на 0,5−0,7%.

Реальная схема регенеративного подогрева, применяемая на ТЭС.

Схема состоит из трёх ПВД с каскадной схемой слива дренажей в деаэратор и четырёх ПНД, где так же реализована каскадная схема слива ПНД на 6 ПНД.

Все ПВД со встроенными пароохладителями (ПО) и охладителями дренажа (ОД).

По ПНД возможна установка выносных охладителей дренажа.

Сброс дренажей ПВД 7, сальникового пароохладителя (СХ), охладителя эжектора (ОЭ), подогревателей уплотнений (ПУ) осуществляется с расширителей конденсаторов турбины.

Деаэратор так же является ступенью регенеративного подогрева низкого давления, но главная функция — удаление газов, за деаэратором расположен питательный насос (для увеличения давления в цикле).

ПУ и СХ — теплообменники, утилизирующие пар уплотнительных камер турбины. ОЭ предназначен для утилизации пара, идущего на основной эжектор ПНД.

На рис. 15 показаны схемы включения регенеративных подогревателей высокого давления турбоустановок. По питательной воде ПВД, как правило, включаются в одну магистраль, но у мощных турбоустановок (500 МВт и более) —в две магистрали с рас четным пропуском каждая в 50% расчетного расхода питательное воды.

Рис. 15. Схемы включения регенеративных подогревателей высокого давления: л — для турбин типов т, тп и К на 90 кгс/см2 и 500° С, б —для турбин К-300−240 и большей мощности, Ш, /72 и ПЗ — подогреватели высокого давления; - пар, — питательная вода, — конденсат, — .—. — отсос неконденсирующихся газов

В схемы включены подогреватели П1, П2 и ПЗ, трубопроводы пара, питательной воды и основного конденсата, конденсата греющего пара (дренажа), отсоса воздуха со всей необходимой арматурой. На паропроводах отбора установлены запорная задвижка i обратный клапан. Непосредственно перед каждым подогревателей установлена задвижка для отключения в случае его неисправности при необходимости ее используют для регулирования расхода пара на подогреватель.

Для удаления конденсата при прогреве паропровода перед пуском подогревателя до запорной задвижки врезана дренажная линия. Конденсат сбрасывается в паровое пространство соответствующего подогревателя. Камера отбора и участок трубопровода до обратного клапана также оборудованы дренажной линией, по которой дренаж при прогреве турбины сбрасывается в конденсатора При работе турбины этот дренаж закрыт. Если один из подогревателей отключен для ремонта при работе турбины, его паропровод остывает и в нем в результате конденсации пара скапливается.

При сбросе нагрузки и резком падении давления в отборе вода закипает, может попасть в турбину и сломать лопатки. Чтобы этого не произошло, перед обратными клапанами предусматривают постоянно действующие каскадные дренажи с ограничительными шайбами диаметром 5 мм. Количество и проходные сечения паропроводов отборного пара, конструкцию арматуры (запорные задвижке и обратные клапаны) выбирают из расчета минимальных потери давления. Обычно расчетные потери давления в паропроводах отбора 5—8%.

Регенеративных подогревателях турбоустановок, как правило, «меняют комбинированную схему отвода конденсата греющего ЯР д. каскадная для группы подогревателей с последующей подачей конденсата от всех подогревателей группы в линию основного * конденсата.

В подогревателях высокого давления дренажи каскадно сливаются в следующие по ходу пара подогреватели: из ПВД 7 в ПВД б и далее в ПВД 5 (рис. 15). Из ПВД 5 дренажи подогревателей вы сокого давления сливаются в деаэратор, где смешиваются с потоком основного конденсата.

Подогреватели низкого давления отечественных турбоустановок выполняют вертикальными. Они состоят из трех основных частей: верхней водяной камеры / с патрубками для подвода и отвода конденсата и с перегородками 2 для обеспечения необходимого числа ходов воды; корпуса 14 подогревателя; трубной системы 15, состоящей из каркаса, трубной доски и U-образных латунных трубок, развальцованных в трубной доске.

Каркас трубной системы образуется вертикальными связями (стойками) из швеллеров или уголков и направляющими перегородками 16, присоединенными сваркой или с помощью болтов. В перегородках просверлены отверстия под трубки. Перегородки предназначены также для направления потока пара и отвода конденсата, стекающего по трубкам.

Пар в подогреватель подводится через патрубок 4 в корпусе. Против патрубка установлен пароотбойный щиток 5, предохраняющий трубки от эрозии и действия потока пара, входящего в подогреватель с большой скоростью. Для удаления конденсата греющего пара паропровод имеет дренажи 6.

Расчетная поверхность нагрева заканчивается нижней перегородкой 12. Поверхность, образуемая гнутой частью трубок, предназначена для конденсации выпара, получающегося при расширении горячего дренажа, сливаемого каскадно из следующего подогревателя более высокого давления. Конденсат греющего пара отводится подогревателя через конденсатоотводчик прямого действия или регулирующий клапан, управляемый электронным автоматическим устройством.

Для удаления неконденсирующихся газов (воздух, углекислый яз), препятствующих теплообмену и попадающих в подогреватель с паром или через неплотности при работе под вакуумом, предусмотрена труба отсоса газов. Она выполнена в виде специального коллектора // или кольцевой трубы с отверстиями, располагаемыми на высоте 100—200 мм над нормальным уровнем конденсата. Здесь наблюдается наибольшая концентрация газов (в конце пути пара, где он практически весь сконденсировался).

Газы из коллектора отсасываются каскадно в следующий подогреватель (с более низким давлением) или конденсатор. На линии сброса устанавливают регулирующий вентиль или ограничительную шайбу, диаметр которой рассчитан примерно на 2,5% максимального расхода пара на подогреватель во избежание увеличенного его пропуска.

Трубные доски подогревателей связаны с верхней водяной камерой (кроме фланцевого соединения) 4—6 анкерными связями 18 для жесткости. Подогреватели за счет перегородок 2 в водяной камере имеют от 2 до 6 ходов. Подогреватели низкого давления выполняют, как правило, в одном корпусе без охладителей пара и охладителей конденсата.

Только у турбоустановок К-300−240, К-500−240 и К-800−240 один из ПНД имеет встроенный охладитель пара для работы ПНД на перегретом паре. Для этого часть трубного пучка заключают в специальный кожух, в который подвозится пар из регенеративного отбора турбины. Циркуляция части потока конденсата в охладителе обеспечивается благодаря специальным перегородкам в водяной камере. Первые по ходу конденсата и последние по ходу пара подогреватели выполняют в виде отдельных пакетов из U-образных трубок, ввальцованных в трубные доски, встроенные в конденсатор. Водяные камеры помещены с наружной стороны конденсатора, трубки ~М внутри его. Для защиты проточной части турбины при появлении свищей в латунных трубах на пакетах установлен специальный защитный кожух.

Конденсат из встроенного подогревателя сливается каскадно в конденсатор через гидравлический затвор высотой 12 м. Охладители конденсата греющего пара в ПНД устанавливают у отдельных подогревателей. Необходимость их установки обусловливается соответствующими технико-экономическими расчетами. Охладители конденсата выполняются выносными.

Тепловой расчет регенеративного подогревателя может быть поверочным и конструкторским.

В результате конструкторского расчета определяется поверхность нагрева и конструктивные размеры подогревателя.

Рис. 16. Принципиальная схема устройства подогревателя низкого давления: / — верхняя водяная камера, 2 — перегородка для воды, 3 — патрубок для отвода конденсата, 4 — патрубок для греющего пара, 5 — пароотбойныи щиток, 6 — дренажи паропровода греющего пара, 7 — импульсные устройства сигнализатора уровня, 8 — водоуказа-тельное стекло, 9 — регулятор уровня, 10 — место входа дренажа из последующего подогревателя, // — коллектор для отсоса неконденсирующихся газов, 12 — нижняя перегородка, 13 — место отсоса газа и" последующего подогревателя, 14 — корпус, 15 — трубная система, 16 — направляющая перегородка, 17 — патрубок для подвода конденсата, 18 — анкерная связь

Целью поверочного расчета является определение температуры одного из теплоносителей или величины недогрева. Исходные данные принимаются из теплового расчета или данных испытаний. К ним относятся расход нагреваемой воды и параметры греющего пара, ее давление и температура на входе в подогреватель.