75 группа 2 вариант / Тепломеханическое и вспомогательное оборудование ТЭС / Часть 1 / 1. Курс лекций ТМиВО ТЭС_для ФЗВО

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

Тепломеханическое и вспомогательное оборудование ТЭС

(курс лекций для студентов заочной формы обучения)

Иваново – 2014

Раздел 1. ТЕПЛООБМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЦИКЛА ПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

1.1. Конденсационные установки паровых турбин

Рекомендуемая литература:

- учебная и учебно-научная литература

1.Ледуховский Г.В., Поспелов А.А., Коротков А.А. Конденсационные установ- ки паровых турбин: схемы, конструкции, эксплуатация оборудования: Учеб. посо- бие / ГОУ ВПО «Ивановский гос. энергетич. ун-т им. В.И. Ленина». – Иваново, 2010. – 152 с. ISBN 9785-89482-691-2 (в объеме лекционного курса по разделу).

2.Ледуховский Г.В., Поспелов А.А. Конденсационные установки паровых тур- бин: расчет энергетических характеристик: Учеб. пособие / ФГБОУВПО «Иванов- ский гос. энергетич. ун-т им. В.И. Ленина». – Иваново, 2014. – 112 с. ISBN 978-5- 89482-991-3 (для выполнения расчетов по разделу курсовой работы).

3.Теплообменники энергетических установок: Учебник для вузов. К.Э. Арон- сон, С.Н. Блинков, В.И. Брезгин и др. Под ред. профессора, докт. техн. наук Ю.М. Бродова. – Екатеринбург: Изд-во «Сократ», 2002. – 968 с (любое издание;

расширенный объем материала по разделу).

4.Справочник по теплообменным аппаратам паротурбинных установок / Ю.М. Бродов, К.Э. Аронсон, А.Ю. Рябчиков, М.А. Ниренштейн; под. общ. ред. Ю.М. Бродова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 480 с (любое издание; сокра-

щенный конспект материала по разделу).

5.Кирсанов И.Н. Конденсационные установки, – М.– Л.: изд-во «Энергия», 1965, – 376 с. (любое издание; углубленное изучение особенностей технологиче- ских процессов).

6.Турбины тепловых и атомных электростанций : учебник для вузов / А.Г. Ко- стюк [и др.]; под ред. А.Г. Костюка, В.В. Фролова. – М.: Изд-во МЭИ, 2001. – 488 с (любое издание, базовые сведения с привязкой к типам турбоустановок).

7.Капелович Б.Э. Эксплуатация паротурбинных установок / Б.А. Капелович. –

М.: Изд-во «Энергия», 1975. – 288 с. (вопросы эксплуатации).

- нормативно-технические и методические документы:

8.Методические указания по эксплуатации конденсационных установок паро- вых турбин электростанций: РД 34.30.501: утв. Главным техническим управлением по эксплуатации энергосистем 04.06.1985 : ввод. в действие с 01.07.1986. – М.: Изд- во стандартов, 1986. – 102 с.

9.Правила технической эксплуатации тепловых электрических станций и сетей Российской Федерации : офиц. текст : утв. Приказом Минэнерго России № 229 от

19.06.03: ввод. в действие с 30.06.03 : зарег. в Минюсте России 20.06.03 № 4799. – М.: Омега-Л, 2006. – 256 с.

10.Методика определении режима наивыгоднейшего вакуума в паротурбинных установках : офиц. текст : утв. Народным комиссариатом электростанций СССР. – М.; Л.: Гос. энергетич. изд-во, 1944. – 28 с.

11.Руководящие указания по установлению и поддержанию режима наивыгод- нейшего вакуума в паротурбинных установках : офиц. текст : утв. Народным комис- сариатом электростанций СССР. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1941. – 22 с.

1

Перечень вопросов для изучения:

1.Влияние давления пара в конденсаторе на тепловую экономичность паротур- бинной установки. Поправка к вырабатываемой электрической мощности на откло- нение давления отработавшего пара в конденсаторе турбоагрегата: графический вид, характерные зоны, порядок использования.

2.Понятия предельного и наивыгоднейшего (экономического) вакуума в кон- денсаторе паровой турбины. Порядок расчета режимной характеристики экономиче- ского вакуума с использованием энергетических характеристик турбоагрегата при блочной установке циркуляционных насосов.

3.Назначение конденсационной установки турбоагрегата. Циклы Карно и Рен- кина на влажном паре в TS- и рv-диаграммах.

4.Физические основы процессов конденсации пара, природа возникновения и поддержания вакуума в конденсаторе паровой турбины, влияние наличия в паре неконденсируемых газов на абсолютное давление в конденсаторе паровой турбины. Основные зоны поверхности теплообмена конденсатора.

5.Типовая технологическая схема конденсационной установки турбоагрегата неблочной ТЭС. Основные элементы и технологические системы. Отличия от схемы конденсационной установки турбоагрегата энергоблока на сверхкритические пара- метры свежего пара.

6.Типовая технологическая схема конденсационной установки турбоагрегата блочной ТЭС на сверхкритические параметры свежего пара. Основные элементы и технологические системы. Отличия от схемы конденсационной установки турбо- агрегата неблочной ТЭС.

7.Технологические схемы систем технического водоснабжения: прямоточного; оборотного. Схема использования сифона на сливе охлаждающей воды из конденса- тора турбины.

8.Основные типы компоновок оборудования конденсационной установки, их преимущества и недостатки. Назначение деаэрационных устройств в конденсаторе паровой турбины. Типы деаэрационных устройств, встраиваемых в конденсатосбор- ник, их преимущества и недостатки.

9.Принципиальная конструктивная схема конденсатора поверхностного типа с водяным охлаждением, основные элементы конструкции, их назначение.

10.Типы компоновок трубного пучка конденсатора паровых турбин малой и повышенной мощности, их преимущества и недостатки, базовые принципы проек- тирования эффективного трубного пучка.

11.Основные показатели, характеризующие работу конденсационной установ- ки турбоагрегата. Вывод расчетных уравнений для температурного напора конден- сатора и температуры насыщения в паровом пространстве конденсатора. Влияние сбросов горячих потоков в конденсатор на давление в нем. Основные режимные ха- рактеристики конденсатора в графическом виде.

12.Эксплуатационный контроль показателей работы конденсационных устано- вок: цели контроля, перечень контролируемых параметров, особенности инструмен- тального контроля вакуума, температур и расходов теплоносителей.

13.Нормативные присосы воздуха в вакуумную систему турбоустановки. При- чины нарушения вакуумной плотности конденсационной установки. Методы кон-

2

троля вакуумной плотности и поиска мест присосов для конденсационной установки паровой турбины.

14.Нормативные присосы охлаждающей воды в конденсаторе турбоустановки. Причины нарушения гидравлической плотности конденсатора. Методы поиска мест присоса охлаждающей воды.

15.Причины загрязнения водяного тракта конденсационной установки, типы отложений. Методы очистки водяного тракта конденсационной установки.

3

А. Влияние давления пара в конденсаторе на тепловую экономичность паротурбинной установки

С уменьшением давления и температуры отработавшего в турбине пара уменьша- ется количество теплоты, передаваемой холодному источнику (охлаждающей воде в конденсаторе), при этом термический КПД цикла паротурбинной установки уве- личивается. При неизменных параметрах свежего пара уменьшение давления пара за турбиной приводит к увеличению её мощности за счет увеличения срабатываемо- го теплоперепада.

Для различных турбоагрегатов изменение вырабатываемой электрической мощ- ности при изменении давления отработавшего пара на одну и ту же величину (при постоянном расходе пара в конденсатор) различно (см. табл. 1.1).

Таблица 1.1. Изменение вырабатываемой электрической мощности турбоагрегатов при изменении давления отработавшего пара в конденсаторе на ± 1 кПа

Турбоагрегат	Изменение мощно-	Турбоагрегат	Изменение мощно-
	сти турбины, кВт		сти турбины, кВт
Турбины ТЭС на органическом топливе		Турбины АЭС
Т-110/120-130 ТМЗ	730	К-220-44 ХТЗ	4060
Т-250-300-240 ТМЗ	1830	К-500-65/3000 ХТЗ	8000
К-300-240-ЛМЗ	2760	К-750-65/3000 ХТЗ	8910

Эти различия обусловлены отличием конструктивных характеристик проточной части низкого давления (ЧНД) и связанных и ними различий в характере изменения внутреннего относительного КПД ЧНД при изменении объемного пропуска пара че- рез неё.

Влияние конечного давления на мощность турбины тем меньше, чем больше сра- батываемый в ней теплоперепад, то есть чем выше начальные параметры пара перед турбиной.

Для каждого турбоагрегата влияние давления отработавшего пара на вырабатыва- емую электрическую мощность неоднозначно при различных значениях расхода па- ра в конденсатор. В эксплуатации используют специальные характеристики, учиты- вающие эту неоднозначность. Рассмотрим пример такой характеристики (см. рис. 1.1). На характеристике можно выделить две области:

–область, заключенная между линиями I и II. Здесь вне зависимости от расхода пара в конденсатор поправка к мощности одинакова при изменении давления пара

вконденсаторе на одну и ту же величину. Эта область соответствует режимам с до- критической скоростью истечения пара из рабочей решетки последней ступени тур- боагрегата;

–область вне линий I и II. Нижняя часть этой области (ниже линии I) соответ- ствует режимам со сверхкритическими скоростями истечения пара из рабочей ре- шетки последней ступени. При этом изменение давления в конденсаторе не сказы- вается на параметрах пара перед последней ступенью. Мощность всех ступеней тур- бины, кроме последней, остается постоянной, а мощность турбины изменяется толь- ко за счет изменения окружной составляющей скорости выхода пара из рабочей ре- шетки последней ступени. В области выше линии II при очень высоком противодав- лении зависимость также имеет изгиб, объясняющийся снижением влияния режима последней ступени, на которой при высоких противодавлениях срабатывается очень

4

малый тепловой перепад. Поэтому вне зоны, ограниченной линиями I и II прямая зависимость между приращением теплоперепада и мощности нарушается.

Рис. 1.1. Поправка к вырабатываемой электрической мощности на отклонение дав- ления отработавшего пара в конденсаторе турбоагрегата: ∆NР2, кВт – поправка к мощ-

ности; Р2, кгс/см2 – абсолютное давление пара в конденсаторе; DЧНД, т/ч – расход пара на входе в ЧНД турбоагрегата (равный в данном случае расходу пара в конденсатор)

5

Порядок использования таких характеристик состоит в следующем. Пусть требу- ется определить изменение вырабатываемой турбоагрегатом электрической мощно- сти при постоянном расходе пара в конденсатор при переходе от режима «А» к ре- жиму «Б». Для этого следует определить точки пересечения вертикалей, соответ- ствующих значениям давления пара в конденсаторе для рассматриваемых режимов с линией постоянного заданного расхода пара в конденсатор (точки «А» и «Б» на рис. 1.1). Разность между ординатами точек «А» и «Б» в соответствующем мас- штабе представляет собой изменение вырабатываемой электрической мощности. Учитывая, что при переходе от режима «А» к режиму «Б» в рассматриваемом при- мере давление пара в конденсаторе уменьшилось, поправка к мощности будет по- ложительной, то есть электрическая мощность возрастет.

Таким образом, уменьшение давления отработавшего пара в конденсаторе приво- дит к увеличению вырабатываемой турбоагрегатом электрической мощности. Суще- ствует два основных предела, ограничивающих минимальное давление пара в кон- денсаторе (максимальное значение вакуума) – это предельный и экономический ва- куум.

Понятие предельного вакуума связано с конструктивными и режимными характе- ристиками проточной части ЧНД. При понижении давления пара в конденсаторе в некоторый момент достигается предельная пропускная способность последней сту- пени ЧНД. Это выражается в том, что в выходном сечении рабочей решетки и сопл этой ступени давление пара перестает изменяться ввиду исчерпания её расшири- тельной способности. При этом расширение пара от давления в выходном сечении рабочей решетки последней ступени до давления в конденсаторе проходит уже в выхлопном патрубке турбоагрегата, а вырабатываемая электрическая мощность остается неизменной.

Предельный вакуум в конденсаторе, при котором достигается максимум выраба- тываемой электрической мощности, обычно не является экономически выгодным, поскольку понижение давления пара в конденсаторе сопряжено с увеличением за- трат электроэнергии на подачу дополнительного количества охлаждающей воды и, соответственно, на привод циркуляционных насосов. Рассмотрим пример (рис. 1.2).

Турбоагрегат работает с постоянным расходом пара в конденсатор DК при по- стоянной температуре охлаждающей воды на входе в конденсатор tв1. Пусть имеется возможность непрерывного регулирования расхода охлаждающей воды через кон- денсатор. При минимальном значении расхода охлаждающей воды W0 устанавлива- ется некоторое значение абсолютного давления пара в конденсаторе pк0. Увеличение расхода охлаждающей воды (вплоть до максимально возможного значения Wмакс) приведет к непрерывному уменьшению давления отработавшего пара (равному pк(мин) при расходе охлаждающей воды Wмакс). При этом будет увеличиваться как вырабатываемая турбоагрегатом электрическая мощность NТ, так и затраты мощно- сти на привод циркуляционных насосов NН. Полезный отпуск электрической мощ- ности в сеть, рассчитываемый как разность ∆N = (NТ – N Н), имеет максимум (точка «А» на рис. 1.2), которому соответствуют некоторые оптимальные значения расхода охлаждающей воды Wопт и абсолютного давления пара в конденсаторе pк(опт). Ваку- ум, соответствующий, абсолютному давлению pк(опт), называется экономическим или наивыгоднейшим. Значение pк(опт) больше, чем предельное давление пара в кон- денсаторе pк(пред) (точка «Б» на рис. 1.2).

6

Рис. 1.2. К определению предельного и экономического вакуума в конденсаторе тур-

боагрегата: NТ и NН – электрическая мощность, соответственно, вырабатываемая турбо- агрегатом и затрачиваемая на привод циркуляционных насосов; ∆N – полезный отпуск электрической мощности в сеть; W – расход охлаждающей воды через конденсатор; рК – абсолютное давление пара в конденсаторе; DК – расход пара в конденсатор; tв1 – темпера- тура охлаждающей воды на входе в конденсатор

7

В ряде нормативных документов, например в «Методических указаниях по со- ставлению и содержанию энергетических характеристик оборудования тепловых электростанций (РД 34.09.155-93)», а также в «Методических указаниях по состав- лению отчета электростанции и акционерного общества энергетики и электрифика- ции о тепловой экономичности оборудования (РД 34.08.552-95)», сформулированы требования по поддержанию при эксплуатации турбоагрегатов режимов их работы с наивыгоднейшим вакуумом. Однако методические основы разработки соответству- ющих режимных характеристик в современных нормативных документах отсут- ствуют.

Исторический обзор развития нормативно-технической документации в энерге- тике позволяет заключить, что в середине прошлого века в СССР был разработан ряд документов, регламентирующих процедуру расчета режимов работы турбин с наивыгоднейшим вакуумом, а именно:

–Методика определения режима наивыгоднейшего вакуума в паротурбинных установках / НКЭС-СССР, Гос. трест по организации и рационализации районных электрических станций с сетей (ОРГРЭС) – М.: Гос. энергетическое издательство, 1941.

–Руководящие указания по установлению и поддержанию режима наивыгод- нейшего вакуума в паротурбинных установках / НКЭС-СССР, Гос. трест по органи-

зации и рационализации районных электрических станций с сетей (ОРГРЭС)

–М.: Гос. энергетическое издательство, 1944.

Вуказанных документах приведены основы методики определения характери- стики наивыгоднейшего вакуума как в ходе испытаний турбоустановки, так и рас- четным путем с использованием энергетических характеристик оборудования. Рас- смотрим алгоритм расчетного определения этой характеристики на примере.

Пример расчетного определения характеристики наивыгоднейшего вакуума

Требуется построить характеристику наивыгоднейшего вакуума турбоустанов- ки с турбиной Т-100/120-130 ТМЗ. В составе установки блочно работают два цирку- ляционных насоса. При одном работающем насосе расход циркуляционной воды со- ставляет W1 = 8 000 м3/ч, а мощность привода этого насоса – Nн1 = 870 кВт. При двух работающих насосах – соответственно W2 = 16 000 м3/ч и Nн2 = 1 740 кВт.

Задача решается следующим образом:

1. Задаются несколько значений расхода пара в конденсатор; примем значения

Dк = 50 т/ч, 150 т/ч и 250 т/ч.

2.Задаются несколько значений температуры воды на входе в конденсатор; примем значения t1в = 5 оС, 15 оС, 30 оС.

3.Задаются возможные значения расхода охлаждающей воды – в нашем случае

W = 8 000 м3/ч; 16 000 м3/ч.

4.Формируется расчетная таблица (табл. 1.2).

5.По энергетической характеристике конденсатора (рис. 1.3) при каждом соче- тании значений W, Dк и t1в определяется давление пара в конденсаторе. Результаты заносятся в третий и четвертый столбцы таблицы (по образцу табл. 1.2)

8

Таблица 1.2. Расчет характеристики наивыгоднейшего вакуума

		Р2, кгс/см2	Р2, кгс/см2	Прирост мощ-
Dк, т/ч	tв1, оС	при	при	ности турбоге-
		W = 8000 м3/ч	W = 16000 м3/ч	нераторе
				∆Nт, кВт
	5	0,015	0,012	219
50	15	0,026	0,023	409
	30	0,058	0,050	495
	5	0,023	0,016	345
150	15	0,038	0,029	657
	30	0,085	0,064	1 380
	5	0,038	0,024	780
250	15	0,056	0,039	1 387
	30	0,118	0,083	2 555

Рис. 1.3. Энергетическая характеристика конденсатора паровой турбины Т-100/120-130 ТМЗ: Р2 – абсолютное давление отработавшего пара в конденсаторе; DЧНД = Dк – расход пара в часть низкого давления турбины (равный для данной турбины расходу пара в конденсатор); t1в – температура охлаждающей воды на входе в конденсатор; W – расход охлаждающей воды через конденсатор

6.По энергетической характеристике поправки к мощности турбины на откло- нение давления отработавшего пара в конденсаторе (см. рис. 1.1) при каждом соче-

тании значений Dк и t1в определяется прирост мощности турбогенератора при пере- ходе от W = 8000 м3/ч к W = 16000 м3/ч. Результаты заносятся в пятый столбец таб- лицы (по образцу табл. 1.2).

7.По данным табл. 1.2 выполняется построение промежуточного графика ∆Νт = ƒ(D к, t1в) для каждого из значений t1в = 5; 15; 25 оС (рис. 1.4).

9