Бродов Ю.М. Савельев Р.З. Конденсационные установки паровых турбин

Подождите немного. Документ загружается.

Как показывает анализ состояния вопроса по данному на¬

правлению исследований, наиболее перспективным является

направление по применению стимуляторов капельной кон¬

денсации, созданных на базе дисульфидов. Было установлено,

что в результате химической реакции дисульфида с металлом

получается прочная гидрофобная пленка мономолекулярной

толщины.

УПИ при участии НПО ЦКТИ и ряда других организаций

на базе дисульфидов синтезирован высокоэффективный сти¬

мулятор капельной конденсации (полифторалкилдисульфид),

который позволяет создать режим капельной конденсации

водяного пара на медесодержащих поверхностях (например,

сплав МНЖ-5-1) и при однократной обработке им поверх¬

ности теплообмена поддерживать его в течение длительного

времени (свыше 4500 ч). Разработана и прошла апробацию

технология нанесения данного стимулятора.

По данным авторов разработки, коэффициент теплопере¬

дачи в опытном (модельном) конденсаторе, испытанном в

условиях ТЭС с использованием вышеназванного стимулято¬

ра капельной конденсации, на 25—40% выше, чем в этом же

конденсаторе при пленочном режиме конденсации.

Применение капельной конденсации, несомненно являясь

одним из наиболее перспективных направлений интенсифи¬

кации теплообмена при конденсации пара, требует продол¬

жения исследований как в стендовых условиях, так и особен¬

но в реальных условиях эксплуатации.

Одним из способов повышения эффективности конденса¬

торов с горизонтальными трубными пучками является разра¬

ботка конструктивных мероприятий, направленных на устра¬

нение заливания конденсатом нижележащих трубок. Наиболее

простым решением этого вопроса является наклон трубного

пучка к горизонту [75].

При наклоне трубки к горизонту происходит изменение

характера течения конденсатной пленки по наружной по¬

верхности трубок, где образуются две характерные зоны тече¬

ния конденсата: основная зона и поддонный слой (рис. 6.11).

В верхней части периметра слабонаклоненной к горизонту

трубки (основная зона) течение пленки конденсата происходит

преимущественно в поперечном к трубке направлении. Режим

течения в этой зоне является ламинарным. Поддонный слой

(~60 ° периметра) формируется под трубкой благодаря действию

сил поверхностного натяжения. При отклонении трубки от

271

Рис. 6.11. Схема течения конденсата по поверхности наклонной трубы:

1 — труба; 2— пленка конденсата; 3— промежуточные перегородки; а — основная

схема; б- поддонный слой

горизонтального положения конденсат в зоне поддонного слоя

течет вдоль трубки. В поддонном слое, в зависимости от угла

наклона и паровой нагрузки, наблюдаются различные режимы

течения. Установлено, что при наклоне трубного пучка к гори¬

зонту, начиная с 3—4° при удельных паровых нагрузках до 100

кг/(м

*ч), обеспечивается безотрывное стекание конденсата по

трубкам между соседними перегородками и заливание конден¬

сатом нижерасположенных трубок устраняется.

Тепловые испытания наклонных пучков с различным числом

рядов по глубине позволили оценить долю влияния на теплооб¬

мен со стороны конденсирующегося пара как турбулизации

поддонного слоя, так и устранения заливания.

По данным [75], суммарный эффект интенсификации тепло¬

обмена при углах наклона к горизонту 2—15° составил от 8%

(трехрядный пучок) до 25% (двенадцатирядный пучок). Опыты

проводились в диапазоне скоростей пара 0—40 м/с.

Необходимо иметь в виду, что не все специалисты однознач¬

но высказываются в пользу применения наклона конденсаторов

паровых турбин. По данным ВТИ, например, безотрывный

сток конденсата по трубкам от перегородки до перегородки,

устраняющий или уменьшающий за счет наклона трубного пуч¬

ка натекание конденсата с верхних рядов трубок в пучке на

нижние, действительно может приводить при некоторых усло-

272

виях к повышению коэффициента теплоотдачи с паровой сто¬

роны. Но это повышение существенно зависит от режимных

условий и геометрических параметров пучка, а главное — оно

подтверждается опытами лишь для небольших трубных пучков.

Наклон трубных пучков в настоящее время реализован в

конденсаторах турбин К-800-240 и К-1200-240 ЛМЗ (см. §3.3).

По данным завода, испытания этих конденсаторов в различных

условиях эксплуатации показали, что значения коэффициентов

теплопередачи в них хорошо согласуются с расчетными значе¬

ниями, а тепловые нагрузки распределены по трубному пучку

достаточно равномерно.

Наклон трубного пучка конденсатора с целью интенсифика¬

ции теплообмена реализован [75] также в паротурбинной уста¬

новке ОК-18ПВ КТЗ.

6.4. Технико-экономический анализ эффективности работы

конденсационных установок

Эффективность работы конденсационных установок паровых

турбин в общем случае зависит от совершенства методик расче¬

та, конструкторской проработки при проектировании, качества

изготовления и условий эксплуатации всех элементов установ¬

ки. Известно, что повышению эффективности работы конден¬

сационных установок способствует, в частности, повышение их

надежности. Неисправности в работе конденсаторов паровых

турбин, например, а также отдельные недоработки в их кон¬

струкции являются одной из причин снижения экономичности

турбоустановок в условиях эксплуатации и перерасхода металла

(на трубные системы) из-за недостаточно продолжительного

срока службы аппаратов. Известны случаи, когда выход из стро-

я конденсаторов приводил к останову всей турбоустановки [24].

Это предопределяет актуальность и необходимость рассмотре¬

ния любого предложения по повышению эффективности кон¬

денсационных установок паровых турбин как с позиции интен¬

сивности теплообмена (в конденсаторах), так и с позиций на¬

дежности работы всех элементов установки в условиях эксплу¬

атации.

Примером такого комплексного подхода, разработанного

УПИ и НПО ЦКТИ, может служить исследование эффективно¬

сти и целесообразности применения профильных витых трубок

в конденсаторах и других теплообменных аппаратах паровых

турбин [19, 25]. Решение вопроса о целесообразности примене-

273

ния профильных витых трубок и выборе параметров профили-

рования этих трубок осуществлялось на основе всестороннего

технико-экономического анализа. При этом конденсатор рас-

сматривался не изолированно, а как органический элемент тур-

бины.

В основу методики анализа было положено определение

экономии приведенных затрат:

(6.1)

где — замыкающие затраты на электроэнергию; —

изменение мощности турбоустановки (нетто) за счет повыше-

ния эффективности работы конденсатора (углубления вакуу-

ма) с учетом увеличения мощности на прокачку теплоносите-

ля; г — число часов использования электрической мощности

энергоблока (турбины) в год; — увеличение стоимости

конденсатора по сравнению со сравниваемым (гладкотруб-

ным) вариантом (увеличение капитальных затрат); — нор-

мативный коэффициент экономической эффективности новой

техники; — норма амортизации турбинного оборудо-

вания.

Технико-экономический анализ проводился с учетом изме-

нения следующих основных факторов: тепловая эффектив-

ность аппаратов (теплообмен со стороны обоих теплоносите-

лей, общий коэффициент теплопередачи), гидравлическое со-

противление (трубных систем и аппаратов в целом), показа-

тели надежности аппаратов (коррозионная стойкость, проч-

ностные и вибрационные характеристики, конструкция и

система расстановки промежуточных перегородок), промыш-

ленные исследования и обобщение опыта длительной эксплу-

атации аппаратов, особенности конструкции аппаратов и тех-

нологии их изготовления.

Такой комплексный подход позволяет принять обоснован-

ное решение по целесообразности использования (примене-

ния) любого мероприятия, направленного на повышение эф-

фективности конденсационных установок паровых турбин.

При этом в основу методики расчета могут быть положены и

другие зависимости, отличающиеся от формулы (6.1) — см.,

например, [58, 59, 62].

274

Приложения

Таблица П. 1. Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения

р, кПа

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

100

Т, "С

6,982

13,034

17,511

21,094

24,098

26,692

28,981

32,90

36,18

39,02

41,53

43,79

45,83

49,45

52,58

55,34

57,83

60,09

64,99

69,12

75,89

81,35

85,95

89,96

93,51

96,71

99,63

V', м

/кг

0,0010001

0,0010006

0,0010012

0,0010020

0,0010027

0,0010033

0,0010040

0,0010052

0,0010064

0,0010074

0,0010084

0,0010094

0,0010102

0,0010119

0,0010133

0.0010147

0,0010160

0,0010174

0,0010199

0,0010223

0,0010265

0,0010301

0,0010333

0,0010361

0,0010387

0,0010412

0,0010434

V", м

/кг

129,21

87,98

67,01

54,26

45,67

39,48

34,80

28,20

23,74

20,53

18,11

16,21

14,68

12,36

10,70

9,435

8,447

7,652

6,206

5,231

3,995

3,241

2,733

2,366

2,088

1,870

1,695

h', кДж/кг

29,3

54,7

73,45

88,44

101,0

111,8

121,4

137,8

151,5

163,4

173,9

183,3

191,8

206,9

220,0

231,6

242,0

251,5

272,0

289,3

317,6

340,6

359,9

376,8

391,7

405,2

417.5

h" кДж/кг

2513,8

2525,0

2533,2

2539,7

2545,2

2549,9

2554,1

2561,2

2567,1

2572,2

2576,7

2580,8

2584,4

2590,9

2596,4

2601,3

2605,7

2609,6

2618,1

2625,3

2636,8

2646,0

2653,6

2660,2

2666,0

2671,1

2675,7

r, кДж/кг

2484,5

2470,3

2459,8

2451,3

2444,2

2438,1

2432,7

2423,4

2415,6

2408,8

2402,8

2397,5

2392,6

2384,0

2376,4

2369,7

2363,7

2358,1

2346,1

2336,0

2319,2

2305,4

2293,7

2283,4

2274,3

2265,9

2258,2

275

Таблица П.2. Коэффициент теплопроводности материала стенки трубки, Вт/(м ■ К)

Таблица П. 3. Физические свойства воды на линии насыщения

Таблица П.4. Нормальный ряд геометрических размеров (диаметров) трубок,

используемых в конденсаторах паровых турбин (мм/мм)

276

Таблица П.5. Типовое оборудование паротурбинных установок

277

Основные обозначения, индексы и сокращения

Обозначения

А — амплитуда колебаний; средняя ширина ленты компоновки

трубного пучка;

а — коэффициент, характеризующий состояние поверхности

охлаждения конденсатора;

В — барометрическое давление;

с — теплоемкость; скорость;

D — расход пара; количество воздуха;

d — диаметр; удельная нагрузка;

ε — относительное содержание воздуха в паре;

Ε — модуль упругости; нормативный коэффициент эффектив¬

ности капитальных вложений;

J — момент инерции сечения;

F — поверхность теплообмена (охлаждения);

f — частота колебаний труб;

G — расход воды;

g — ускорение свободного падения;

3 — затраты;

H — гидравлическое сопротивление;

h — энтальпия; местные гидравлические сопротивления;

к — коэффициент теплопередачи;

а — коэффициент теплоотдачи;

L — полезная длина трубок конденсатора (без учета толщины

трубных досок);

Я — теплопроводность;

т — кратность охлаждения;

μ — коэффициент динамической вязкости;

N — общее число труб в конденсаторе;

ΔN — изменение мощности турбины;

— число труб в одном ходе воды конденсатора;

ν — коэффициент кинематической вязкости;

ρ — давление;

Ар — паровое сопротивление конденсатора;

Q — теплота (количество теплоты); подача насоса;

ρ — плотность;

г — теплота конденсации (теплота фазового перехода); радиус;

R — тепловое (термическое) сопротивление;

t — температура; шаг;

278

dt — недогрев воды до температуры насыщения пара (тем¬

пературный напор);

W — скорость теплоносителя;

и — скорость теплоносителя в узком сечении;

ν — удельный объем;

V — вакуум; производительность эжектора;

Ζ — число ходов конденсатора по водяной стороне;

h — КПД; коэффициент заполнения фундаментального

проема турбины.

Индексы

бр — брутто;

в — вода;

вибр — вибрация;

возд — воздух;

вн — внутренний;

в.охл — воздухоохладитель;

загр — загрязнение;

к — конденсатор; конденсат;

кп — компоновка трубного пучка;

м — материал;

н — насыщение; насос; нормативное;

нар — наружный;

ном — номинальный;

о — свежий пар (на турбину);

пл — пленка;

пс — пар—стенка;

см — смесь;

ср — средний;

ст — стенка;

т — текущее;

тр — труб; трубной доски;

тр.п — трубный пучок;

узк — узкое сечение;

чист — чистый;

1 — вход;

2 — выход.

279

Числа (критерии)

— Галилея;

фазового перехода;

— Нуссельта;

Прандтля;

Рейнольдса;

Струхаля.

Сокращения

ACT — атомная станция теплоснабжения;

АТЭЦ — атомная теплоэлектроцентраль;

АЭС — атомная электростанция;

БРОУ — быстродействующая редукционно-

охладительная установка;

ВТИ — Всероссийский теплотехнический институт;

ИТФ СО РАН — Институт теплофизики Сибирского

отделения РАН;

ИТО США — Институт теплообмена США;

ИПМ АН

Украины — Институт проблем машиностроения

АН Украины;

КТЗ — Производственное объединение

"Калужский турбинный завод";

КПД — коэффициент полезного действия;

ЛКИ — Ленинградский кораблестроительный

институт (в настоящее время Санкт-

Петербургский Государственный морской

технический университет);

ЛМЗ — производственное объединение турбостро¬

ения "Ленинградский металлический завод"

280