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

Рис. 1.4. Построение промежуточного графика: пояснения – в тексте

8.На промежуточный график наносится горизонталь, соответствующая приро- сту мощности на привод насосов при переходе от W = 8000 м3/ч к W = 16000 м3/ч (1740 – 870 = 870 кВт).

9.Точки пересечения графиков прироста мощности на турбине и мощности ра- ботающих насосов (точки «А», «Б» и «В» в рассматриваемом примере) переносятся на характеристику наивыгоднейшего вакуума (рис. 1.5). Характеристика позволяет определить область эффективной работы одного либо двух циркуляционных насо- сов.

Рис. 1.5. Искомая характеристика наивыгоднейшего вакуума в конденсаторе турбоагрегата Т-100/120-130 ТМЗ: пояснения – в тексте

10

Аналогично строится характеристика для трех и более циркуляционных насо- сов, работающих в блоке с турбоагрегатом либо характеристика для осевых или диагональных насосов, оборудованных устройством разворота лопастей на ходу.

Б. Назначение конденсационной установки

Расширившийся до давления ниже атмосферного в турбине пар поступает в кон- денсатор, где происходит его конденсация. Конденсат пара возвращается в паровой котел (парогенератор) через систему регенерации турбины. Тем самым замыкается цикл паротурбинной установки.

Потребность паротурбинной установки в конденсаторе становится ясной после рассмотрения рабочего цикла этой установки. Как известно, наиболее совершенным идеальным циклом является цикл Карно (см. рис. 1.6). Цикл Карно на влажном паре должен включать следующие процессы: «А-Б» – адиабатическое расширение пара в турбине; «Б-В» – конденсацию пара в конденсаторе; «В-Г» – адиабатическое сжатие пара в компрессоре; «Г-А» – парообразование в парогенераторе (котле). Термиче- ский КПД такого цикла может быть рассчитан по формуле:

ηt = Т1 − Т2 ,

Т1

где Т1 и Т2 – соответственно начальная и конечная абсолютная температура цикла. Рассмотренный цикл паротурбинной установки имеет существенный недостаток,

который делает его практически неприменимым на практике. В таком цикле кон- денсация пара (процесс «Б-В») осуществляется не полностью, то есть необходима установка парового компрессора, способного за счет сжатия влажного пара (процесс «В-Г») довести рабочее тело до состояния кипящей воды. Размеры рабочего цилин- дра парового компрессора будут тем больше, чем больше будет начальное и меньше конечное давление цикла (при таких условиях точка «В» в рv-диаграмме будет сме- щаться вправо – в сторону увеличения удельного объема пара), то есть чем больше будет разность температур (Т1 – Т2) и, соответственно, термический КПД цикла. За- траты работы на сжатие пара в процессе «В-Г» в этом цикле относительно велики (равны площади заштрихованной фигуры в pv-диаграмме).

Рис. 1.6. Цикл Карно на влажном паре в ТS- и рv-диаграммах

11

Для паротурбинной установки за идеальный принят другой цикл – цикл Ренкина. Основные отличия цикла Ренкина на влажном паре (см. рис. 1.7) от цикла Карно на влажном паре состоят в следующем. Конденсация пара в конденсаторе (процесс «Б-В») протекает полностью, до состояния кипящей воды. В таких условиях стано- вится ненужным паровой компрессор – он заменяется водяным насосом, который поднимает давление конденсата в процессе «В-Г». Затрачиваемая при этом работа (площадь заштрихованной фигуры в pv-диаграмме) уменьшается в сравнении с цик- лом Карно. Поскольку конденсат на входе в парогенератор (точка «Г») оказывается недогретым до состояния насыщения, в парогенераторе должны протекать процессы изобарного нагрева воды до состояния насыщения (процесс «Г-Д») и парообразова- ния (процесс «Д-А»).

Рис. 1.7. Цикл Ренкина на влажном паре в ТS- и рv-диаграммах

Таким образом, для работы паротурбинной установки по циклу Ренкина необхо- дим теплообменный аппарат, в котором происходит полная конденсация отрабо- тавшего в турбине пара до состояния кипящей воды – конденсатор.

Кроме указанного основного назначения конденсатор выполняет ряд других функций. В целом можно выделить следующие аспекты назначения конденсацион- ной установки:

–« замыкание» цикла паротурбинной установки путем полной конденсации отра- ботавшего в турбине пара;

–повышение термического КПД цикла паротурбинной установки за счет пониже- ния конечного давления;

–первичная деаэрация турбинного конденсата;

–прием низкопотенциальных потоков теплоносителей (дренажей паропроводов, конденсата от подогревателей схемы регенерации, теплоносителей из растопочных схем станции, отсосов паровоздушной смеси из парового пространства подогревате- лей, холодильников эжекторов и др.). Подпитка цикла для восполнения внутристан- ционных потерь теплоносителя в схемах конденсационных энергоблоков также осуществляется чаще всего в конденсатор турбоагрегата;

–утилизация теплоносителя при некоторых переменных режимах работы обору- дования, когда имеется избыточный пар котла или парогенератора;

12

– получение питательной воды котла (парогенератора) высокого химического ка- чества за счет возврата основной доли чистого конденсата пара в него.

В. Некоторые физические основы процессов конденсации пара

Конденсация пара возможна при докритических состояниях и может осуществ- ляться путем его охлаждения или такого сжатия, при котором конденсированная фа- за устойчивее газообразной. Процесс конденсации в конденсаторах паровых турбин протекает при постоянном давлении с отводом теплоты фазового перехода с помо- щью охлаждающей среды (воды, реже – атмосферного воздуха).

Создание вакуума связано с тем, что в паровом объеме конденсатора устанавли- вается равновесное давление между паром и конденсатом, зависящее от температу- ры в этом объеме. Эта зависимость для насыщенного водяного пара однозначна: каждой температуре насыщенного пара соответствует определенное значение дав- ления. Температура пара в конденсаторе определяется значениями ряда параметров: температуры охлаждающей воды на входе в конденсатор, расходов охлаждающей воды и пара, концентрации воздуха в конденсируемом паре и прочих.

Природу возникновения и поддержания вакуума в конденсаторе нетрудно понять, если обратиться к теплофизическим свойствам воды и водяного пара. Например, при температуре насыщения 30 оС удельный объем сухого насыщенного пара со- ставляет 32,882 м3/кг, а кипящей воды – 0,0010044 м3/кг. То есть при конденсации одного килограмма пара занимаемый им объем должен уменьшиться в 32 738 раз. Соответственно, при постоянном паровом объеме конденсатора установится отно- сительно низкое абсолютное давление, равное в данном примере 4,2467 кПа. Если, например, осуществлять конденсацию при температуре насыщения 100 оС, то удельный объем сухого насыщенного пара лишь в 1602 раза будет превосходить удельный объем кипящей воды. Соответственно, абсолютное давление насыщения составит 101,42 кПа, то есть около одной физической атмосферы.

Паровой объем конденсатора находится под разрежением. В реальных условиях полной герметичности вакуумной системы достичь не удается, поэтому в неё всегда подсасывается некоторое количество воздуха из окружающей среды. Часть воздуха, кроме того, поступает вместе с паром из котла. То есть в конденсатор поступает не чистый пар, а паровоздушная смесь. Общее давление этой смеси, как следует из за- кона Дальтона, равно сумме парциальных давлений пара и воздуха.

Если не удалять воздух из парового пространства конденсатора, то разрежение в нем создать не удастся, поскольку в таких условиях воздух будет постоянно накап- ливаться, а его парциальное давление увеличиваться.

Для отсоса воздуха из конденсатора используют специальный воздушный насос (эжектор). Однако даже при работе эжектора массовая концентрация воздуха в паре никогда не уменьшается до нуля. Это приводит к ухудшению условий теплообмена, увеличению гидравлического сопротивления парового пространства конденсатора, а также к переохлаждению конденсата.

Количественное влияние воздуха на общее давление в паровом объеме конденса- тора можно приближенно оценить, основываясь на уравнении состояния идеального газа. Можно прийти к следующему итоговому выражению:

рП =	рК	,
	1+ 0, 622× e

13

где рп – парциальное давление пара в паровоздушной смеси; Рк – абсолютное давле- ние пара в конденсаторе; ε – относительное массовое содержание воздуха в паре, равное отношению массовых расходов воздуха и пара, поступающих в конденсатор.

Согласно требований «Правил технической эксплуатации электрический станций и сетей Российской Федерации», расход воздуха с присосами в вакуумную систему турбоустановки GВ, кг/ч, в диапазоне паровой нагрузки конденсатора от 40 до 100 % не должен превышать значений, рассчитываемых по формуле:

GВ = 8 + 0,065 × Nт ,

где NТ, МВт – номинальная электрическая мощность турбоустановки в конденсаци- онном режиме работы.

Расчеты показывают, что при соблюдении нормативной вакуумной плотности конденсационной установки и работе с большими паровыми нагрузками конденса- тора влияние присосов воздуха на давление конденсации водяных паров незначи- тельно. Такой вывод справедлив лишь для конденсатора в целом. Если же рассмат- ривать отдельные элементы поверхности теплообмена конденсатора, то влияние воздуха на соотношение общего давления и давления водяных паров оказывается существенным.

Рассмотрим изменение параметров паровоздушной смеси в конденсаторе на пути её движения от входного патрубка (горловины) конденсатора до патрубка отсоса смеси эжектором (см. рис. 1.8).

Рис. 1.8. Изменение параметров паровоздушной смеси в конденсаторе на пути её дви- жения от входного патрубка до патрубка отсоса смеси за воздухоохладителем: F – по-

верхность теплообмена; р – давление; ε – относительное содержание воздуха в паре; ∆р – гидравлическое сопротивление парового пространства конденсатора; индексы: 0 – вход в конденсатор; 1 – начало зоны воздухоохладителя; 2 – приемный патрубок воздухоудаляю- щего устройства; п – водяной пар; г – неконденсирующиеся газы (воздух)

На входе в конденсатор относительное содержание воздуха в паре мало, и парци- альное давление водяного пара рП практически совпадает с полным давлением смеси рК (параметры при F0). По мере движения паровоздушной смеси к патрубку отсоса паровоздушной смеси пар конденсируется, при этом относительное содержание

14

воздуха ε увеличивается и на входе в воздухоудаляющее устройство может дости- гать 60...70 % (параметры при F2). Разница между парциальным давлением пара рП и полным давлением смеси рК также увеличивается. Полное давление смеси рК от входного патрубка конденсатора до входа в воздухоудаляющее устройство несколь- ко уменьшается из-за наличия гидравлического сопротивления парового простран- ства конденсатора ∆рК.

Весь объем конденсатора можно условно разбить на две зоны: зону массовой конденсации (F0–F 1) и зону охлаждения паровоздушной смеси (F1–F 2). В зоне охла- ждения паровоздушной смеси парциальное давление пара и, соответственно, темпе- ратура смеси резко уменьшается. Эта зона служит для завершения процесса конден- сации и называется воздухоохладителем.

Следствием уменьшения парциального давления и температуры насыщенного па- ра из-за наличия воздуха и парового сопротивления конденсатора является пере- охлаждение конденсата tK, под которым понимают разность температуры насы- щенного пара tП при давлении паровоздушной смеси рК на входе в конденсатор и температуры конденсата tK при выходе из конденсатора. Переохлаждение конденса- та приводит к потере теплоты, затрачиваемой на нагрев конденсата (используемого для питания котлов), а главное – сопровождается увеличением концентрации рас- творенного в конденсате кислорода, что вызывает коррозию трубных систем реге- неративных подогревателей низкого давления.

Г. Технологические схемы конденсационной установки

Несмотря на некоторые отличия отдельных схем конденсационных установок с водяным охлаждением для турбоагрегатов разных типов, можно выделить две схе- мы, имеющие ряд принципиальных отличий, каждая из которых является типовой. Первая из них характерна для турбоагрегатов конденсационных энергоблоков на сверхкритические параметры свежего пара (см. рис. 1.9).

Конденсационная установка включает ряд специальных схем и элементов:

–технологическую схему циркуляционной воды, предназначенную для подачи в конденсатор охлаждающей воды. Эта схема включает напорные и сбросные цирку- ляционные водоводы; обычно два циркуляционных насоса, расположенных на бере- говой насосной станции (БНС);

–технологическая схема эжектирующей установки, предназначенная для удале- ния воздуха из вакуумной системы при нормальной эксплуатации турбоагрегата, пусках и остановах. Эжектирующая установка, как правило, включает два основных эжектора (ЭО), отсасывающих из парового пространства конденсатора воздух; эжектор циркуляционной системы (ЭЦ), необходимый для создания разрежения в сливных водоводах (для облегчения создания расхода воды через конденсатор цир- куляционными насосами при пусках); эжектор уплотнений (ЭУ), используемый для создания разрежения в крайних камерах концевых уплотнений турбоагрегата. В та- кой схеме, как правило, используются водоструйные эжекторы, рабочей средой ко- торых является вода, подаваемая подъемными насосами эжекторов (ПНЭ);

15

Рис. 1.9. Технологическая схема конденсационной установки блочной ТЭС на сверх-

критические параметры острого пара: К – конденсатор; СВАК – аварийный срыв ваку- ума; БНС – береговая насосная станция; ЦЭН – циркуляционный насос; ПНЭ – подъемные насосы эжекторов; ЭО, ЭЦ и ЭУ – эжекторы соответственно основные, циркуляционной системы и уплотнений; РУД – регулятор уровня в деаэраторе; АД – трубопровод аварий- ного добавка обессоленной воды; КЭН-I и КЭН-II – конденсатные насосы соответственно первой и второй ступени; ОГК – охладитель газоохладителей конденсатом; БОУ – блочная обессоливающая установка; ПС – подогреватель сальниковый; РУК – регулятор уровня в конденсаторе; ПНД – подогреватели низкого давления системы регенерации; ПВС – паро- воздушная смесь

– технологическую схему контура циркуляции основного конденсата, предназна- ченную для поддержания уровня конденсата в конденсатосборнике с помощью ре- гулятора уровня в конденсаторе (РУК), а также для обеспечения нормального по- стоянного охлаждения некоторых специальных теплообменных аппаратов турбо- установки. В частности, в состав контура циркуляции входят охладители газоохла- дителей (электрогенератора) конденсатом (ОГК) и сальниковый подогреватель (ПС). При нарушении охлаждения этих теплообменников нарушается работа газоохлади- телей генератора, концевых уплотнений турбоагрегата и работа установки в целом становится невозможной. Поскольку энергоблоки на сверхкритические параметры острого пара оборудованы блочной обессоливающей установкой (БОУ), возникает необходимость установки двух ступеней конденсатных насосов (КЭН-I и КЭН-II);

16

–технологическую схему подпитки энергоблока обессоленной водой через регу- лятор уровня в деаэраторе (РУД) и трубопровод аварийного добавка воды (АД). Обессоленная вода через РУД подаётся в верхнюю часть конденсатора (для обеспе- чения предварительной деаэрации добавочной воды). Данная схема используется для первоначального заполнения конденсатора на подготовительном этапе пуска турбины и для поддержания заданного уровня в деаэраторе при нормальной эксплу- атации турбины. АД используются в схемах конденсационных установок блочных турбогенераторов с прямоточными котлами;

–технологическую схему подачи пара на уплотнения и отсоса паровоздушной смеси из концевых уплотнений цилиндров турбоагрегата;

–устройство аварийного срыва вакуума (СВАК) в конденсаторе, используемое при аварийных остановах турбоагрегата в случаях, когда необходимо как можно бо- лее быстрое прекращение вращения ротора турбины (например, при перегреве под- шипников или недопустимом осевом сдвиге ротора);

–трубопроводы рециркуляции основного конденсата в конденсатор, впрыска в конденсатор. Последний используется в режимах пуска и останова энергоблока для охлаждения горячих сбросов в конденсатор.

Типовая схема конденсационной установки неблочной ТЭС, характерная для теп- лоэлектроцентралей (см. рис. 1.10), в целом, аналогична рассмотренной выше, но имеет ряд принципиальных отличий:

–во-первых, в таких установках часто используются оборотные системы водо- снабжения с градирнями, прудами-охладителями и т.п. Поэтому циркуляционные насосы устанавливаются на центральной насосной станции и подают воду в общие для всех турбоагрегатов напорные циркуляционные водоводы. Из этих водоводов охлаждающая вода распределяется по конденсаторам отдельных турбоагрегатов, от- куда поступает в общие сливные циркуляционные водоводы и далее – например, в градирни;

–во-вторых, в таких схемах используются пароструйные основные, пусковой эжекторы и эжектор уплотнений. Пусковой эжектор, производительность которого больше, чем производительность основных эжекторов, используется в режимах пус- ка турбоагрегата для создания начального разрежения в конденсаторе. Эжектор уплотнений иногда отсутствует (как показано на рис. 1.10); в этом случае отсос пара из концевых уплотнений турбины осуществляется основными эжекторами. Для обеспечения нормальной работы ЭО и ЭУ используются холодильники эжекторов, включенные в схему контура циркуляции основного конденсата;

–в-третьих, подпитка цикла в схемах теплофикационных ТЭС обычно осуществ- ляется не в конденсатор, а непосредственно в деаэратор питательной воды либо в линию основного конденсата в рассечку между подогревателями низкого давления. Это обусловлено сравнительно большим расходом добавочной воды и её высокой температурой (обычно в схеме подпитки цикла теплофикационных ТЭС использу- ются деаэраторы атмосферного давления), что не позволяет осуществлять подпитку цикла через конденсатор турбины;

17

Рис. 1.10. Технологическая схема конденсационной установки неблочной теплофика-

ционной ТЭС: К.С.Н. – паровой коллектор собственных нужд станции; Х – холодильники эжекторов; ЭХ – эжектор хозяйственный, остальные обозначения те же, что на рис. 1.9

– в-четвертых, в таких схемах используют одну ступень конденсатных насосов. Это обусловлено отсутствием БОУ – дополнительного гидравлического сопротив- ления тракта регенерации низкого давления, а также тем, что конечное давление этого тракта – давление в деаэраторе питательной воды – обычно меньше, чем в установках на сверхкритические параметры острого пара.

Рассмотрим теперь принципиальные технологические схемы наиболее часто при- меняемых систем технического водоснабжения тепловых электрических станций. Технической водой называется вода из природных источников, прошедшая грубую механическую фильтрацию, а иногда и химическую обработку, используемая для отвода теплоты от конденсаторов (на эти цели расходуется 92 – 94 % технической воды), масло- и газоохладителей турбоустановки, подшипников вспомогательных механизмов, а также подпитки систем гидротранспорта золы и шлака, питания хим- водоочистки.

Подача исходной воды в систему технического водоснабжения осуществляется циркуляционными насосами, напор которых выбирается по падению давления в циркуляционном контуре охлаждения конденсаторов. Для аппаратов, требующих большего напора воды, устанавливаются дополнительные подъемные насосы.

Системы технического водоснабжения, в зависимости от местных условий, вы- полняются прямоточными или оборотными. Прямоточная система водоснабжения (рис. 1.11) предусматривает забор воды из естественного водоема, прокачку её через конденсаторы турбоагрегатов, а также теплообменные аппараты системы газомас- лоохлаждения, с последующим сбросом в тот же водоем. Сброс воды осуществляет- ся таким образом, чтобы каждый объем воды использовался однократно, то есть, например, ниже по течению реки от места забора воды на электростанцию. Для ре- гулирования температуры забираемой воды в зимний период, чтобы не образовыва-

18

лась шуга, используется перепускной канал. Прямоточная система применима при дебите реки, превышающем в 2–3 раза потребность электростанции в технической воде.

Рис. 1.11. Принципиальная схема прямоточной системы технического водоснабже-

ния: 1 – источник водоснабжения; 2 – циркуляционные насосы; 3 – береговая насосная станция; 4 – напорные циркуляционные водоводы; 5 – конденсатор турбины; 6 – сливные циркуляционные водоводы; 7 – сифонные колодцы; 8 – переключательный колодец; 9 – сливной канал; 10 – перепускной канал; 11 – фильтр сетчатый

При прямоточной системе водоснабжения (или оборотной системе с водоемом- охладителем) для уменьшения затрат электроэнергии на циркуляционные насосы на сбросе воды из конденсатора используется сифон. При этом вода из сифонного ко- лодца сбрасывается самотеком по открытому каналу. При использовании сифона (рис. 1.12) верхняя точка сливной водяной камеры конденсатора (отметка 1) может располагаться значительно выше уровня воды в сифонном колодце 8. Закрытый слив под уровень воды в сифонном колодце обеспечивает неразрывность потока во- ды и позволяет использовать действие сифона для уменьшения потребного напора циркуляционных насосов. Геодезическая высота подъема воды, которую должен

19