Бродов Ю.М. Савельев Р.З. Конденсационные установки паровых турбин
Подождите немного. Документ загружается.
Паровое пространство конденсатора, в котором размещены
охлаждаемые циркуляционной водой трубки, с помощью пере¬
ходного патрубка (горловины конденсатора) 9 соединяется (обыч¬
но с помощью сварки) с выходным патрубком турбины.
Пар, поступающий в конденсатор из турбины через переход¬
ный патрубок 9, конденсируясь на охлаждаемых циркуляцион¬
ной водой трубках 3, движется в направлении патрубка отсоса
паровоздушной смеси 10. При этом в приведенной на рис. 1.3
компоновке трубного пучка пар движется преимущественно
сверху вниз (часть пара из развитого центрального прохода
входит в трубный пучок в радиальном, от центра к периферии,
направлении), обходя в нижней части пучка паровые щиты 11,
условно выделяющие часть трубного пучка 12, называемую воз¬
духоохладителем.
Для обеспечения более полной конденсации пара в объеме
конденсатора и уменьшения количества пара, отсасываемого
воздушным насосом через патрубки 10, необходимо, чтобы пер¬
вый ход циркуляционной воды был организован в части труб¬
ного пучка, включающего в себя зону воздухоохладителя. В
данном случае (см. рис. 1.3) вода подается в водяную камеру
снизу.
Для удобства эксплуатации турбины и конденсатора (чистка
трубок, их осмотр, замена или заглушка) современные конден¬
саторы паровых турбин обычно выполняются двухпоточными.
Для этого циркуляционная (охлаждающая) вода подается в кон¬
денсатор двумя параллельными потоками.
На рис. 1.3 трубные пучки 13 и 14 этих двух независимых
потоков воды симметрично расположены относительно верти¬
кальной осевой линии конденсатора (разрез А—А). Каждый из
потоков выполнен двухходовым.
Пар, сконденсировавшийся на поверхности трубок, стекает в
нижнюю часть конденсатора, откуда собирается в конденсато-
сборник 15. Из конденсатосборника конденсат откачивается
конденсатными насосами.
В паровом пространстве конденсатора для обеспечения виб¬
ронадежности его трубной системы, а также для ужесточения
корпуса аппарата, устанавливаются промежуточные перегород¬
ки 16, количество и система расстановки которых определяются
по специальной методике (см. гл. 3). Для выравнивания полей
скоростей и давления пара по всему объему конденсатора в
промежуточных перегородках выполняются окна 17.
В переходном патрубке конденсатора обычно устанавливают -
11
ся выводные трубы пара 19 из камер отборов ЦНД на регенера¬
тивные подогреватели низкого давления, а также сбросное уст¬
ройство для пара 18, поступающего из парового котла (пароге¬
нератора) через РОУ и БРОУ.
В ряде конденсаторов сбросные устройства иногда устанавли¬
ваются непосредственно в трубных пучках, но это затрудняет
выполнение наиболее рациональной компоновки трубного пуч¬
ка конденсатора, так как дополнительные потоки пара и воды
вызывают аэродинамические и температурные перекосы в пуч¬
ке и, следовательно, ухудшают эффективность его работы [75].
Такое конструктивное решение может также оказать отрица¬
тельное влияние на долговечность работы трубного пучка из-за
больших скоростей сбрасываемых потоков пара, его высокой
температуры и большой влажности. Эти потоки способствуют
эрозионному износу трубок, появлению опасных автоколеба¬
ний трубок и их разгерметизации в узле вальцовочного соеди¬
нения в трубных досках из-за больших термических напряже¬
ний.
Схемы включения конденсаторов паровых турбин должны
обеспечить высокую эффективность работы всей паротурбин¬
ной установки, минимальный расход электроэнергии на про¬
качку охлаждающей воды, а также рациональную компоновку
оборудования и циркуляционных водоводов в машинном зале
электростанции.
Паровые турбины большой мощности имеют большое число
выхлопных патрубков (до восьми), которые направляют пар в
конденсаторы.
В современных конструктивных решениях можно выделить
два основных варианта включения конденсаторов по пару: связ¬
ки "выхлопной патрубок — корпус конденсатора" и "несколько
выхлопных патрубков — на один корпус конденсатора".
В отечественной практике наиболее часто реализуется вари¬
ант одно- и двухкорпусного выполнения конденсаторов с па¬
раллельными потоками в них пара.
По расположению конденсаторов относительно турбины все
известные схемы могут быть классифицированы по двум основ¬
ным признакам — местоположению конденсатора относительно
турбины и расположению оси трубного пучка конденсатора
относительно продольной оси турбоагрегата.
По первому признаку различают три типа конденсаторов:
подвальный (конденсатор расположен под турбиной, обычно в
12
пределах фундамента агрегата); боковой (корпус конденсатора
расположен сбоку от турбины за пределами ее фундамента);
интегральный (трубный пучок компонуется во внешнем корпу¬
се ЦНД или в его части).
По второму признаку различают два варианта: конденсаторы
с поперечным и аксиальным (параллельно или вдоль оси турби¬
ны) расположением.
Наиболее часто применяется подвальное поперечное распо¬
ложение конденсатора (рис. 1.4). В большинстве случаев для
мощных турбин один корпус конденсатора объединяется в блок
с одним ЦНД. Такая схема позволяет на базе отработанного
блока "ЦНД — конденсатор" с наименьшими затратами нара¬
щивать единичные мощности турбин за счет унифицированных
блоков.
По условиям компоновки турбоагрегата ширина подвального
поперечного конденсатора ограничена осевой длиной ЦНД.
Данная схема не накладывает ограничений на длину конденса¬
тора, которая обычно ограничена сортаментом (длиной) приме¬
няемых в конденсаторе трубок. В этих условиях увеличение
габаритов аппарата может осуществляться только за счет высо¬
ты, что существенно влияет на величину парового сопротивле¬
ния конденсатора и напор циркуляционного насоса из-за воз¬
растания нескомпенсированной сифоном геодезической высо¬
ты охлаждающей воды (см. гл. 5).
Для подачи пара из выхода ЦНД корпус конденсатора соеди-
Рис 1.4 Схема подвального поперечного расположения конденсатора
13
нен с нижней частью цилиндра переходным патрубком (с помо¬
щью сварки), который в общем случае имеет форму усеченной
пирамиды. Минимально возможная высота переходного пат¬
рубка обычно определяется по условиям компоновки трубопро¬
водов регенеративных отборов турбины, которые выводятся из
ЦНД. При этом необходимо учитывать, что с увеличением угла
раскрытия патрубка потери давления и неравномерность потока
по входному сечению корпуса конденсатора возрастают.
Подвальный продольный конденсатор отличается от попере¬
чного тем, что обычно один корпус конденсатора принимает
пар из нескольких выхлопов, в том числе и от нескольких ЦНД.
Габариты подвального продольного конденсатора по ширине
ограничены шириной фундамента, а по длине — длиной ЦНД
(рис. 1.5). Так как протяженность ЦНД часто больше длины
охлаждающих трубок, то корпус конденсатора изготовляют из
двух-трех частей, которые соединяют по воде промежуточными
водяными камерами. Для наборки трубок в такой конденсатор
(при его монтаже) используют пространство под ЦВД и генера¬
тором
Общей характерной особенностью подвальных компоновок
конденсаторов является то, что поток пара за последней ступе¬
нью турбины для того, чтобы попасть в конденсатор, должен
развернуться на угол до 90 °, а это приводит к потерям давления
в выхлопном патрубке.
Боковая продольная компоновка конденсатора (рис. 1.6) дает
возможность свободного размещения поверхности охлаждения
при обеспечении необходимого уровня скоростей пара в труб-
Рис 1 5 Схема подвального продольного расположения конденсатора
14
ном пучке, гарантирующего удовлетворительные тепловые ха¬
рактеристики конденсатора.
Другим преимуществом боковой компоновки являются низкие
потери в выхлопном патрубке турбины за счет меньшего угла
поворота потока. Кроме того, боковая компоновка позволяет
снизить общую высоту турбоагрегата Длина бокового продоль¬
ного конденсатора ограничена, ширина явных ограничений не
имеет, а высоту обычно выбирают в соответствии с вертикаль¬
ным размером ЦНД Для уменьшения затрат на прокачку ох¬
лаждающей воды деление конденсатора на потоки по воде обыч¬
но осуществляют по высоте, что позволяет иметь у насоса
нижнего потока меньший напор
Боковая продольная компоновка предусматривает, как пра¬
вило, применение для одного ЦНД двух конденсаторных кор-
Рис 1.6 Схема бокового продольного расположения конденсатора
15
пусов, расположенных по обе стороны от турбины. Каждый из
корпусов соединен с выхлопами ЦНД не менее чем двумя
переходными патрубками, конфигурация и размеры которых
должны обеспечивать равномерный подвод пара к трубным
пучкам и низкие потери давления.
Для размещения бокового конденсатора в машинном зале
необходимо резервировать дополнительную площадь (в соот¬
ветствии с его габаритами).
К числу недостатков данной компоновки следует отнести
также и то, что размещение конденсатора вдоль турбины за¬
трудняет доступ к ЦНД для обслуживания и ремонта, а боковой
подвод пара усложняет процесс проверки гидравлической плот¬
ности парового пространства конденсатора при монтаже и ре¬
монтах.
Боковая поперечная компоновка конденсаторов в настоящее
время не применяется.
Основное отличие интег¬
ральной продольной компо¬
новки конденсатора (рис. 1.7)
заключается в том, что по¬
верхность охлаждения ком¬
понуется непосредственно во
внешнем корпусе ЦНД. При
таком решении отпадает
необходимость в переходных
патрубках, а это обеспечива¬
ет минимальные металлоем¬
кость и габариты всего блока
"ЦНД — конденсатор". В ос¬
тальном интегральная про¬
дольная компоновка имеет те
же особенности, что и схема
с боковыми продольными
конденсаторами.
Интегральная поперечная
компоновка конденсаторов в
настоящее время не приме¬
няется.
Выбор варианта компо¬
новки блока "ЦНД — кон¬
денсатор" обычно осущест¬
вляется на основе технико-
Рис. 1.7. Схема интегрального продольно¬
го расположения конденсатора
16
экономического анализа низкопотенциального комплекса кон¬
кретной электростанции. В качестве функции цели в этом слу¬
чае рассматривается сумма расчетных приведенных затрат на
систему "турбина — конденсатор — водоохладитель". Сущест¬
венное значение при этом имеют схемы включения конденсато¬
ров по охлаждающей воде.
Принципиальные схемы включения конденсаторов по охлаж¬
дающей воде представлены на рис. 1.8. Варианты включения: а
1
и а
2
— с двухкорпусным конденсатором, поперечно располо¬
женным относительно оси турбогенератора; а
1
— с параллель¬
ным включением корпусов; а
2
— с последовательным включе¬
нием корпусов по воде. Эти варианты включения наиболее
часто применяются в ПТУ мощностью до 300 МВт (см. гл. 3).
В турбоустановках большей единичной мощности широкое
распространение получили схемы с аксиальным расположением
конденсаторов (параллельно или вдоль оси паровой турбины;
варианты б, в). В этих схемах также возможно как параллельное
(б
1
), так и последовательное (б
2
, б
г
) включение корпусов с
параллельным (б
1
, б
3
, в
2
) или встречным (б
2
. в
1
) движением
охлаждающей воды. Встречное движение воды обеспечивает
более равномерное распределение паровой нагрузки между кор¬
пусами конденсаторов.
Аксиальная компоновка имеет дополнительное преимущест¬
во в том, что позволяет разделить конденсатор на секции с
различным давлением пара (секционированные конденсаторы).
Рисунок 1.9 качественно иллюстрирует термодинамическое
преимущество этого решения. Давление р
1
к
в первой по ходу
воды секции заметно ниже, чем в односекционном конденсато¬
ре, а давление р
2
к
во второй секции лишь незначительно выше.
В результате среднее значение давления пара р
ср
к
ниже, а тер¬
модинамическая эффективность цикла с секционированным кон¬
денсатором выше.
По данным [73], относительный прирост КПД паротурбин¬
ной установки К-1000-60/3000 при температуре воды на входе в
конденсатор 15 °С при номинальных расходах воды и пара и
разделении конденсатора на две секции составляет 0,25%. С
повышением температуры и уменьшением расхода охлаждаю¬
щей воды прирост КПД этой ПТУ от секционирования конден¬
саторов увеличивается до 0,7%. Однако увеличение числа сек¬
ций более трех нецелесообразно, так как к дальнейшему по¬
вышению КПД цикла не приводит.
17
Рис. 1.8. Схемы включения конденсаторов по охлаждающей воде (обозначения см.
в тексте)
18
Рис. 1.9. Параметры воды и пара в несекционированном (а) и секционированном
(б) конденсаторах (обозначения см. в тексте)
В настоящее время аксиальные компоновки конденсаторов с
секционированием по пару реализованы, например, в турбинах
К-800-240, К-1200-240 и К-1000-60/3000 ЛМЗ.
1.3. Общие представления о процессах, происходящих
в конденсаторе
Создание разрежения в конденсаторе определяется тем, что в
объеме аппарата устанавливается некоторое равновесное давление
между паром и конденсатом, определяемое температурой в этом
объеме. Эта зависимость для насыщенного пара однозначна —
каждой температуре конденсирующегося насыщенного пар со¬
ответствует определенное значение давления (см. Приложение).
Температура пара в объеме конденсатора формируется рядом
параметров, определяющих эффективность его работы: темпе-
19
ратурной циркуляционной воды на входе в аппарат, расходами
циркуляционной воды и пара, количеством воздуха в аппарате
и др. (см. §1.4). Одним из основных параметров в этом ряду
является температура воды на входе в конденсатор. Это опреде¬
ляется тем, что в некотором "идеальном" конденсаторе (G
B
=
F = ; Dвозд = 0) в пределе наиболее низкая температура пара в
объеме аппарата должна равняться температуре охлаждающей
воды на входе в аппарат.
При применяемых в конденсационных установках температу¬
рах охлаждающей воды, а также расходах воды и пара равновес¬
ное давление в объеме конденсатора значительно ниже баро¬
метрического, т. е. в объеме конденсатора создается разреже¬
ние. Последнее определяется тем, что удельный объем насы¬
щенного пара значительно больше удельного объема воды (кон¬
денсата) — чем сильнее будет охлажден пар в объеме конденса¬
тора (чем ниже его температура), тем больше образуется кон¬
денсата и тем ниже будет давление.
Например, при температуре насыщения t
н
=32,90 °С удельный
объем образующегося конденсата в 28,2 раз меньше, чем объем
насыщенного пара; при этом в объеме конденсатора устанавли¬
вается равновесное давление р
к
=5 кПа (см. Приложение). Боль¬
шинство современных паровых турбин работает с давлением в
конденсаторе 3—6 кПа. Вопросы выбора давления в конденса¬
торах паровых турбин рассматриваются в §1.7.
Присутствие в паровом пространстве конденсатора воздуха
существенно ухудшает условия теплообмена между конденсиру¬
ющимся паром и охлаждающей водой, приводит к росту паро¬
вого сопротивления конденсатора, снижению температуры пара
в конденсаторе и, как следствие, к переохлаждению конденсата.
Значительные присосы воздуха, кроме того, приводят к сниже¬
нию деаэрирующей способности конденсатора и повышению
насыщения конденсата кислородом. Повышение содержания
кислорода в питательной воде, в свою очередь, увеличивает
коррозию тракта от конденсатора до деаэратора.
Рассмотрим влияние присосов воздуха на распределение пар¬
циальных давлений в конденсаторе. Предположим, что в кон¬
денсатор при установившемся режиме поступает D
K
пара и
воздуха Dвозд при давлении в переходном патрубке конденсатора
р
к
. Давление в конденсаторе р
к
согласно закону Дальтона рав¬
няется сумме парциальных давлений пар р
п
и воздуха р
возд
:
20