Расчет основных параметров подогревателей высокого давления

Подогреватели высокого давления

Подогреватели высокого давления предназначены для регенеративного подогрева питательной воды за счет охлаждения и конденсации пара.

Конструктивно все подогреватели высокого давления выполняются вертикальными, коллекторного типа. Поверхность теплообмена набирается из свитых в плоские спирали гладких труб наружным диаметром 32 мм, присоединенных к вертикальным раздающим и собирающим коллекторным трубам. Основными узлами подогревателя являются корпус и трубная система. Все элементы корпуса выполняются из качественной углеродистой стали 20К. Верхняя объемная часть корпуса крепится фланцевым соединением к нижней части. Гидравлическая плотность соединения обеспечивается предварительной приваркой к фланцам корпуса и днища мембран, которые свариваются между собой по наружной кромке и другими методами. Само фланцевое соединение крепится шпильками. Конструкция трубной системы включает в себя четыре или шесть коллекторных труб для распределения и сбора воды. В нижней части корпуса устанавливаются специальные развилки и тройники для соединения коллекторных труб с патрубками подвода и отвода питательной воды.

После входного патрубка поток питательной воды разветвляется по раздающим коллекторам. Диафрагмы, установленные в этих коллекторах, разделяют потоки в зонах охладителя конденсата и пара. После нагрева части потока в зоне охладителя конденсата происходит смешение его с основным потоком питательной воды. Весь поток питательной воды поступает в собирающие коллекторы, откуда одна часть ее поступает непосредственно в выходной патрубок, а другая пройдя через трубы охладителя пара.

Греющий пар подводится через паровой штуцер. При нижнем подводе паровая труба, соединяющая этот штуцер с охладителем пара, помещается в отдельном кожухе, защищающем ее от переохлаждения. Спиральные элементы теплообменной поверхности охладителя конденсата и пара располагаются в специальных кожухах, в которых с помощью системы промежуточных перегородок в межтрубном пространстве создается направленное движение потоков пара и конденсата.

В корпусе охладителя пара перегретый пар омывает трубный пучок в несколько ходов и передает питательной воде теплоту перегрева. Из охладителя пара поток пара поступает в подогреватель и распределяется по всей высоте его поверхности. Конденсат пара с помощью перегородок, установленных в межтрубном пространстве, отводится за пределы трубного пучка и вдоль стенок корпуса стекает в охладитель конденсата. Над верхним днищем кожуха охладителя устанавливается специальная перфорированная труба, через которую из подогревателя отводятся неконденсирующиеся газы.

У ПВД горизонтального типа поверхность теплообмена представляет собой два разделенных направленных в противоположные стороны U-образных трубных пучка. В центре корпуса расположена общая цилиндрическая водяная камера с двумя трубными досками. В подогревателе отсутствует охладитель перегрева, а поверхность охладителя конденсата выделена в нижней части трубных пучков. Греющий пар поперечным потоком омывает горизонтально расположенные трубки и конденсируется на их поверхности. Конденсат пара отводится в кожух охладителя конденсата, где передает теплоту питательной воде при продольно-встречном омывании трубок.

Все подогреватели высокого давления помимо автоматического устройства регулирования уровня конденсата в корпусе, которым оснащены и ПНД, имеют также автоматическое защитное устройство. Назначение этого устройства — защита турбины от попадания воды в случае превышения уровня ее в корпусе в результате разрыва труб, появления свищей в местах сварки и других причин.

Поддержание нормального уровня конденсата в корпусе каждого из подогревателей в заданном диапазоне осуществляется регулирующим клапаном путем изменения количества конденсата, каскадно сбрасываемого в подогреватель более низкого давления. При превышении допустимого нормального уровня открывается клапан аварийного сброса конденсата. При дальнейшем повышении уровня сверх так называемого первого аварийного предела приборы защиты дают команду на включение клапана с электромагнитным приводом, закрывающего доступ питательной воды к ПВД и направляющего ее по байпасному трубопроводу в котельный агрегат. При достижении уровнем конденсата второго аварийного предела приборы защиты дают команду на отключение питательных насосов и останов энергоблока.

Защитное устройство предусматривает одно на группу ПВД. Однако подача импульсов по уровню конденсата на него предусмотрена от каждого корпуса подогревателя. При срабатывании защиты все ПВД отключаются по питательной воде.

1. Расчёт основных параметров ПВД

подогреватель давление охладитель конденсат Параметры греющего пара: давление р_п=38,9 бар; температура t_п=295 ⁰С; энтальпия i_п=2945 кДж/кг;

Давление пара в собственно подогревателе: р^/_п=38,4 бар; температура насыщения t^н_с.п.=248 ⁰С; энтальпия конденсата за собственно подогревателем i^н_с.п.=1076,1 кДж/кг; энтальпия пара поступающего в собственно подогреватель i^/_п=2802 кДж/кг; температура пара t^/_п=262,2 ⁰С.

Параметры питательной воды: давление p_п.в.=32 МПа; температура на входе в охладитель конденсата t_в=195,6 ⁰С; энтальпия воды на входе в охладитель конденсата

i_в=834,4 кДж/кг; температура конденсата на выходе из охладителя t_др=210,1⁰С; энтальпия

i_др=897,7 кДж/кг.

Энтальпия конденсата ПВД 9 i_др9=1065,9 кДж/кг, расход его D_п9=28,841 кг/с.

Расход пара в подогреватель:

D_п(i^/_п-i_др)з=G_п.в.(i_c.п.-i_в)

Энтальпия воды на выходе из собственно подогревателя при р=32 МПа и температура t_с.п.=t^//_с.п.-х. При х=4,5 ⁰С имеем t_с.п.=248−4,5=243,5 ⁰С; i_с.п.=1051,9 кДж/кг.

Расход пара в подогреватель:

D_п=420*(1051,9−834,4)*0,99/(2802−897,7))=47,491 кг/с;

Определим температуру воды на выходе из охладителя конденсата, на входе в собственно подогреватель и на выходе из охладителя пара. Из уравнения теплового баланса для охладителя конденсата:

D_п(i^//_с.п.-i_др)+G_п.в.(i_др9.-i_др)=G_о.д.(i_о.д.-i_в)

Имеем: i_о.д.=i_в+D_п(i^//_с.п.-i_др)+G_п.в.(i_др9.-i_др)з/ G_о.д.=834,4+47,491*(1076,1−897,7)*0,99/60+28,841 (1065,9−897,7)*0,99/60=1056,5 кДж/кг и t_о.д.=244 ⁰С;

Энтальпия воды на входе в собственно подогреватель:

i^/_о.д.=i_в+G_о.д.(i_о.д.-i_в)/G_п.в.=834,4+60*(1056,5−834,4)/420=866,1 кДж/кг;

Температура воды на входе в собственно подогреватель: i^/_о.д.=203 ⁰С;

Энтальпия воды на выходе из пароохладителя при расходе G_о.п.=0,7*D_п=

=33,24 кг/с: i_п.о.=i_с.п.+D_п(i_п-i^/_п)з/G_о.п.=1051,9+47,491 (2945−2802)*0,99/33,24=1254,17 кДж/кг.

А температура: t_п.о.=283,5 ⁰С.

Тепловая нагрузка:

— охладитель конденсата:

Q_о.д.=D_п(i^/_п-i_др)з=47,491*(1051,9−834,4)*0,99=13 326 кВт;

— охладитель пара:

Q_о.п.=D_п(i_п-i_о.п.)з=47,491*(2945−2802)*0,99=6723,5 кВт;

— собственно подогреватель:

Q_с.п.=D_п(i^/_п-i_с.п.)з=47,491*(2802−1051,9)*0,99=81 964 кВт;

2. Расчёт собственно подогревателя

Средняя логарифмическая разность температуры в подогревателе:

Дt_ср=((t^//_c.п.-t^/_о.д.) — (t^н_с.п. — t_с.п.))/(ln (t^//_c.п.-t^/_о.д.)/(t^н_с.п. — t_с.п.))= ((248−203) — (248−243))/

/(ln (248−203)/(248−243,5))=17,6 ⁰С;

Для определения коэффициента теплоотдачи от стенок труб к воде необходимо установить режим движения её. Скорость воды в трубах принимается в пределах 1,3−1,8 м/с.

Для скорости 1,5 м/с и соответственно средней температуре воды Дt_т=(t_с.п.+t^/_о.д.)/2=(243,5+203)/2=223,25 ⁰С;

Соответствующие параметры:

х=1,47*10^-7 м²/с;

л=0,6411 Вт/м*K;

Pr=0,885

Re=32.65*10⁴

Коэффициент теплоотдачи Ь₂ для этих условий определяется:

Ь₂=0,023*л*Re^0.8*Pr^0.4/d=0.023*0.6411*(32.65*10⁴)^0.8*(0.885)^0.4/0.032=17 632 Вт/м²*К.

Термическое сопротивление стенки труб:

R_ст=д_ст/л_ст=5,36*10^-5

При t^ср_ст=0,5*(t_н+ Дt_т)=0,5*(248+223,25)=235,6 ⁰С;

Значение коэффициента b=7932;

Отсюда: Дt= Дt₁+ Дt₂+ Дt₃=(q/b)^4/3+R_ст*q+q/Ь₂=6.5*10^-6*q^4/3+5.36*10^-5* *q+5.67*10^-5*q

При различных значениях q, строим зависимость Дt=f (q):

При Дt=17,6 ⁰С; q=52 000 Вт/м²;

Коэффициент теплоотдачи в собственно подогревателе в этих условиях:

к= q/Дt_cр=52*10³/17,6= 2954 Вт/м²*К

F=81 964,7*10³/(2 954*17.6)=1576 м²

Практически поверхность нагрева должна быть несколько выше за счёт возможности загрязнений поверхности, коррозии и т. п. Принимаем F_с.п.=1584.

При принятой скорости воды в трубах, число спиралей собственно подогревателя:

N=G_п.в.*н/(0,785*щ*d_вн²)=420*0,1 215/(0,785*1,5*0,022²)=895

Практически число спиралей принимается кратным произведению числа секции и числа рядов в каждой секции, т. е. 6*12=72, тогда N=864 шт.

Длина спирали в этом случае:

l=1584/(864*р*0.032)=F_с.п./(N*р*d_н)=18 м

3. Тепловой расчёт охладителя пара

Тепловая нагрузка охладителя пара Q_о.п.=6723 кВт, расход пара 47,491 кг/с, а расход питательной воды G_п.в.=33,24 кг/с.

Если размеры спиралей охладителей пара такие же как и в собственно подогревателе, тогда сечение для прохода пара: F=l*0.004* в =18*0.004* 0.98=0.071 (м²).

(здесь в=0,98 учитывает часть длины труб, участвующих в теплообмене, а 0,004 — расстояние между трубами).

При двух потоках скорость пара в охладителе:

щ_п=D_п*н/(2*F)=47,491*0.5 889/(2*0.071)=19.7 м/с н — средний удельный объём пара при его средней температуре.

Эквивалентный диаметр:

d_э=4*F/U=4*0.071/2=0.142 м.

Число Рейнольдса:

Re=щ_п*d_э/н_п=19,7*0,142/(8,37*10^-7)=3,34*10⁶

т.е. значение коэффициента теплоотдачи от пара к стенке труб следует определять из выражения:

б₁=0,027*л_п*Re^0.84*Pr^0.4/d_э=0,027*0,0548*(3,34*10⁶)^0,84*(1,157)^0,4/0,142=

=5260 Вт/м² К.

При t_ср=(t_п.о.+t_c.п.)/2=(283,5+243,5)/2=263,5 ⁰С и р_п.в.=32 МПа.

Скорость воды в трубах при двухпоточной схеме принимаем равной

1,5 м/с, а диаметр трубок 32*6 мм.

Тогда: Re=1,5*0,02/(0,63*10^-6)=184 040 и отсюда следует, что:

б₂=0,023*0,599*(184 040)^0,8*(1,05)^0,4/0,02=11 580 Вт/м² К.

Коэффициент теплоотдачи:

к=Вт/м² К Средний температурный напор в охладителе пара:

Дt=⁰С;

Поверхность нагрева охладителя пара:

F_о.п.=6723,5*10³/(18,1*1 336)=278 м²

Число змеевиков охладителя пара с учётом в:

N=F/(в*l*р*d_н)=278/(0.98*18*3.14*0.032)=182

4. Расчёт охладителя конденсата

Тепловая нагрузка охладителя конденсата Q_о.д.=13 326 кВт.

Средняя температура конденсата в межтрубном пространстве:

t ^к_ср=((28,841*245,8+47,491*248)/76,332+210,1)*0,5=228,6 ⁰С.

Сечение для прохода конденсатора в охладителе принимается таким же, как и в охладителе пара, т. е. 0,071 м². Тогда скорость конденсата в межтрубном пространстве:

щ_к=(76,332*0,1 302)/0,071=1,39 м/с Значение числа Рейнольдса при найденной скорости равно 84 859, а коэффициент теплоотдачи:

б₁=0,023*0,598*(84 859)^0,8*(0,87)^0,4/0,142=11 459,68 Вт/м² К Средняя разность температур в трубах охладителя:

t^ср_о.д.=(195,6+203)/2=199,3 ⁰С Значение коэффициента теплопередачи от стенки к воде определяется при скорости щ_в=2 м/с и температуре t^ср_о.д.=199,3 ⁰С:

б₂=0,023*0,601*(2*0,02/(0,158*10^-6))^0,8*(0,93)^0,4/0,02=15 654 Вт/м² К Коэффициент теплопередачи в охладителе конденсата:

К_о.д.=Вт/м² К Средний температурный напор в охладителе:

Дt_ср=⁰С;

Поверхность теплообмена охладителя конденсата:

F_о.д.=(13 326*10³)/(3152*22,3)=189,5 м²

5. Схема движения теплообменивающихся сред в ПВД

Рис. 2 а Рис. 2 б Схемы а) изменения температур в подогревателе, б) движения теплообменивающихся сред в ПВД

Принципиальная схема движения теплообменивающихся сред в зонах ПВД представлена на рис. 2, б. Через охладитель конденсата проходит весь поток питательной воды или ее часть, ограничиваемая установкой шайбы.

Включение зоны охлаждения пара может быть различным. Например, возможно включение охладителя пара всех или какого-либо отдельного подогревателя параллельно по ходу воды всем или некоторым подогревателям.

Смешение потока воды, проходящего через каждый охладитель пара, с потоком питательной воды происходит на входе в паровой котел. Такая схема включения носит название схемы Рикара-Никольного. Может быть использована другая схема, когда охлаждение пара происходит потоком воды, направляемым в паровой котел после всех подогревателей (схема Виолен). Может быть применена последовательная схема включения всех зон, и возможна комбинированная схема.

Во всех случаях через охладитель пара пропускается только часть питательной воды, а другая ее часть байпасируется помимо охладителя с помощью ограничивающей шайбы.

6. Сравнение полученных результатов со справочными данными

Согласно справочным данным полная площадь поверхности теплообмена ПВД равна 1898 м². После расчета полная площадь поверхности теплообмена ПВД получилась 2051,5 м². Разница не очень значительна, и появилась в результате погрешностей в определении параметров пара и воды.