Конструктивные схемы подогревателей низкого давления смешивающего типа

(2 часа)

          В настоящее время созданы подогреватели смешивающего типа, которые используются в регенеративных системах крупных энергоблоков.

          Основное условие эффективной работы подогревателей смешивающего типа – обеспечение равномерного распределения в аппарате взаимодействующих фаз. При этом необходимо обеспечить как можно большую поверхность их соприкосновения. Увеличение поверхности воды можно достигнуть путем дробления ее на капли или тонкие струны. Дробление воды производится с помощью перфорированных тарелок, различных разбрызгивающих сопл или насадок. Дробление воды может осуществляться также потоком пара.

        Рассмотрим конструкции подогревателей смешивающего типа, использованные в системе регенерации энергоблока К-300-240.

На рис.42 показана схема установки подогревателей смешивающего типа.

Подогреватели устанавливаются последовательно одним над другим, что исключает необходимость применения дополнительных насосов для перекачивания конденсата греющего пара из П1 и П2. В то же время такое включение подогревателей требует обоснованного выбора высоты их установки, так как при всех режимах работы необходимо обеспечивать достаточный напор для конденсатных насосов и возможность слива конденсата из верхнего подогревателя в нижний. Целесообразно водяную камеру нижнего подогревателя выполнять безнапорной со свободным уровнем конденсата, все подводящие и отводящие трубопроводы верхнего подогревателя располагать в нижней части его корпуса, а нижнего присоединять к верхней части его корпуса. Это позволяет уменьшить длину трубопроводов и упростить компоновку подогревателей.

      Разность высот между подогревателями должна выбираться по максимально возможной разности давлений в них с учетом гидравлического сопротивления трубопроводов слива и некоторого запаса высоты.

 

 

Рисунок 42.Схема установки подогревателей низкого давления смешивающего типа блока К-300-240:

П1,П2- первый и второй подогреватели; КН2 – конденсатный объем второго подъема; 1 – обратный затвор; 2- гидрозатвор; 3 – аварийный слив; 4 – клапан; 5 – аварийный слив из П1; 6 – подвод конденсата к П2; 7,10 – отвод паровоздушной смеси; 8 – бак; 9 – слив конденсата, минуя П2; 11 - подвод конденсата

 

      Длина энергоблока К-300-240 разница высот 8,5-9 м вполне обеспечивает нормальную работу подогревателей для большинства режимов. Для некоторых режимов работы блока за счет повышенной разности давлений в подогревателях происходит перегрузка нижнего подогревателя. В этом случае конденсат из верхнего подогревателя по линии перепуска поступает на всас конденсатных насосов, минуя нижний подогреватель.

     Конструктивные схемы горизонтальных подогревателей смешивающего типа энергоблока К-300-240 приведены на рис.43.

Рисунок 43.Смешивающие подогреватели низкого давления блока К-300-240:

А – конструктивная схема П1; б – то же П2; в – общий вид П2; 1- подвод пара; 2 - отвод паровоздушной смеси;3 – подвод конденсата; 4 – отвод конденсата; 5 – аварийный слив конденсата; 6 – аварийный отвод конденсата на всас насоса; 7 - подвод конденсата из подогревателя более высокого давления; НУВ – нижний уровень воды

     Первый по ходу конденсата подогреватель имеет диаметр 1,6 м и длину 4,5 м. Внутри корпуса последовательно расположены три яруса лотков сотверстиям диаметром 8 мм, между которыми имеется канал для прохода пара. Последовательно перетекая с одного лотка на другой, вода дробится на тонкие струи. Установка лотков обеспечивает подвод пара одновременно ко всем струйным пучкам, кроме самого верхнего. Струи конденсата, стекающие с верхнего лотка, обеспечивают конденсацию пара, проходящего по каналу между лотками. Выделяемый в процессе конденсации пара воздух отводится по специальным каналам и выводится из аппарата. Верхний лоток является как бы приемной водяной камерой подогревателя, так как на него поступает весь поток конденсата турбины после конденсатных насосов первого подъема.

        Пар в подогреватель подводится по трубопроводу диаметром 800 мм. Защита от попадания воды в турбину предусматривается установкой аварийных отводов конденсата в конденсатор.

        Конструкция второго подогревателя П2 не отличается от описанной выше. Для обеспечения нормальной работы насосов подогреватель оснащен конденсатосборником. Установка барботажных устройств и подвод к ним пара и дренажа из вышестоящих подогревателей позволяют проводить в конденсатосборнике деаэрацию конденсата. Конденсатосборник отделен от парового отсека подогревателя перегородкой с обратными затворами, что позволяет предотвратить попадание влаги в паропровод греющего пара и отказаться от установки на нем защитной арматуры.

         Наряду с горизонтальными смешивающими подогревателями разработаны конструкции их вертикального исполнения с напорным водораспределением. Нагревательная секция этих аппаратов выполнена с напорным струйным водораспределением. Пар из отборов турбины поступает в верхнюю часть подогревателя, движется вниз и конденсируется на стекающих струях воды. В центре корпуса размещается воздухоохладитель, куда поступает несконденсировавшаяся часть пара и воздуха. Паровоздушная смесь проходит через воздухоохладитель навстречу струям холодного конденсата и охлаждается. Конденсат после нагревательной секции собирается на горизонтальном лотке, под который может подводиться пар из уплотнений турбины. В нижней части корпуса установлены обратные затворы, через которые конденсат поступает в водяное пространство.

            Весьма важным при использовании подогревателей смешивающего типа является обеспечение условий, исключающих попадание воды в турбину. Вода в турбину может попасть при затоплении подогревателя и при сбросе нагрузки турбиной, когда из-за падения давления происходит ее вскипание и обратное движение пароводяной смеси. Затопление подогревателя и паропровода может произойти при выходе из строя клапана регулятора уровня или перекачивающих насосов. Время заполнения водой смешивающего подогревателя и паропровода 3-4 мин. Чтобы избежать затопления предусматриваются гидрозатворы, соединяющие подогреватель с конденсатором. Высота гидрозатвора выбирается такой, чтобы столб воды в нем уравновешивал максимальную разность давлений в подогревателе и конденсаторе. Гидрозатвор заполняется конденсатом, во избежание его вскипания предусматривается постоянный добавок холодного конденсата от насосов первой ступени. Самой простой защитой от обратного потока влажного пара при сбросе нагрузки турбиной является установка обратного затвора на трубопроводе отбора. Однако при диаметре паропровода 1100-1200 мм затвор весьма громоздок, малонадежен и имеет большое гидравлическое сопротивление. Поэтому вместо него в подогревателе отделяют водяную емкость от нагревательного отсека горизонтальной перегородкой с обратным затвором, а также принимают достаточно большое расстояние между этой перегородкой и выходным сечением паровпускного патрубка.

      Организация движения пара и воды в подогревателе не ограничивает скорость пара, что дает возможность обеспечить компактность подогревателя и его деаэрирующую способность. Проведенные испытания подобных подогревателей показали, что при всех режимах работы температура конденсата на выходе из подогревателя равна температуре насыщения пара при давлении в корпусе.

       Следует отметить, что при гравитационной схеме включения подогревателей и размещения их около турбины более целесообразным является применение подогревателей горизонтального типа. В схеме с перекачивающими насосами целесообразно использовать вертикальные конструкции.        

 

Лекция №20

Конструкционные схемы подогревателей высокого давления (2часа)

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

       Принципиальная схема движения теплообменивающихся потоков в зонах ПВД представлена на рис.44,а. Через охладитель конденсата проходит весь поток питательной воды или его часть, ограничиваемая установкой шайбы.

Рисунок 44. Схема движения теплообменивающихся сред в ПВД (а) и графики изменения температур теплоносителей (б):

а - схема движения теплообменивающихся сред в ПВД; б – графики изменения температур теплоносителей. ОК – охладитель конденсата; СП – собственно подогреватель; ОП – охладитель перегрева

Включение зоны охлаждения пара может быть различным. Например, возможно включение охладителя пара всех или какого-либо отдельного подогревателя параллельно по ходу воды для всех или некоторых подогревателей. 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, а также комбинированная схема. Во всех случаях через охладитель пара пропускается только часть питательной воды, а другая ее часть байпасируется помимо охладителя с помощью ограничивающей шайбы.

       Конструктивно все ПВД (за исключением ПВД для блока К-50-60/1500) выполняются вертикальными коллекторного типа. Поверхность теплообмена набирается из свитых в плоские спирали гладких труб наружным диаметром32 мм, присоединенных к вертикальным раздающим и собирающим коллекторным трубам (рис.45).

Рисунок 45.Форма навивки спиральных труб:

а – одноплоскостная; б – двухплоскостная; 1 – коллектор подвода ПВ; 2 – коллектор отвода ПВ; 3 – спиральный змеевик

       Основными узлами подогревателя являются корпус и трубная система (рис.46).

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 соединяются другими методами. Само фланцевое соединение крепится шпильками.

 

Рисунок 46. Подогреватель высокого давления ПВ-2500:

а- общий вид; б- схема движения пара и воды; А- вход ПВ; Б – выход ПВ; В- вход греющего пара; Г – отвод конденсата; Д- вход ПВ в охладитель пара; Е- выход ПВ из охладителя пара; К- подсоединение водомерного стекла; Л- подсоединения дифманометра; М- отвод воздуха; Н- вход воздуха из ПВД высшей ступени; С- отвод конденсата из кожуха паропровода; Т – отвод воздуха из трубной системы

     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.

Между спиральными трубным элементами в зоне СП через 8-12 рядов плоскостей навивки спиралей установлены горизонтальные перегородки, предназначенные для организации движения пара и отвода конденсата. Спиральные элементы поверхности зон ОП и К располагаются в специальных кожухах.

        В кожухе ОП перегретый пар в несколько ходов омывает трубный пучок и передает теплоту перегрева. В СП пар распределяется по всей высоте. Конденсат пара с помощь перегородок отводится за пределы трубного пучка и вдоль стенок корпуса стекает в нижнюю часть, где расположена зона ОК. Неконденсирующиеся газы отводятся в подогреватель с более низким давлением пара по специальной трубе, установленной в зоне СП над верхним днищем кожуха зоны ОК.

     На рис.46 показана конструкция ПВД типа ПВ-2500. Там же приведены схемы движения питательной воды, пара и конденсата.

     Питательная вода подводится в нижний раздающий коллектор и разветвляется по трем вертикальным коллекторам. Диафрагмы, установленные в этих коллекторах, разделяют потоки ОК и ОП. Через поверхности ОК проходит часть потока воды, которая смешивается с основным потоком после диафрагмы. Через СП проходит весь поток воды, а через ОП – только часть его, ограниченная установленными в коллекторах диафрагмами. В собирающем коллекторе вода, прошедшая ОП, смешивается с основным потоком воды. Таким образом в этом подогревателе реализована схема встроенного охладителя пара.

       Греющий пар подводится в корпус подогревателя 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 и конденсата и пара расточных перегородок в межтрубном пространстве создается направленное движение потоков пара и конденсата.

На рис.47 приведена схема движения воды, пара и дренажа в ПВД блока мощностью 500 МВт. Все три однокорпусных ПВД типа ПВ-2300 выполнены в корпусах

Рисунок 47.Схема движения воды, пара и дренажа в ПВД блока мощностью 500 МВт:

1- коллекторы; 2-4 – змеевики ОП,СП и охладителя дренажа (ОД); 5 – перепускная труба; 6,7 – кожухи ОП и ОД; 8 – перегородки глухие; 9 – подпорные шайбы; 10 – дополнительные коллекторы ОД; ППО,БПО – последовательный и параллельный пароохладители

одинаковых размеров (внутренний диаметр равен 3200 мм, высота – 11050 мм). В корпусе каждого ПВД размещены встроенный предвключенный охладитель конденсата, собственно подогреватель и встроенный пароохладитель. Пароохладители первого и второго ПВД включены по параллельной схеме Рикара – Никольного. Поверхностью нагрева подогревателей являются одноплоскостные спиральные змеевики из тру диаметром 32 5 мм.

       Пар в ОП и конденсат в ОК движутся, как и в ПВ – 2500, перпендикулярно плоскости навивки змеевка и совершают многоходовые движения.

      На рис.48 показана схема движения воды, пара и дренажа в ПВД блока мощностью 800 МВт. Первый ПВД этой схемы имеет два пароохладителя, один из которых является встроенным, а другой включен по схеме Виолен.

Рис.48.Схема движения воды, пара и дренажа в ПВД блока мощностью 800 МВт:

КПО – концевой пароохладитель; 2- змеевики КПО; 11- змеевики ППО; 12 – кожух ППО; 13- узел «труба в трубе»,остальные обозначения те же, что на рис. 22

       На рис. 49 показана конструкция ПВД горизонтального типа (ПВ-2000-120-17А).

Поверхность теплообмена этого подогревателя представляет собой два разделительных 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.

       Греющей 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.

 

Рис.49. Подогреватель высокого давления ПВ-2000-120-17А:

а- общий вид; б – схема движения ТН; 1 – корпус трубной системой (левая часть); 2 – промежуточная водяная камера; 3 - корпус трубной системой (правая часть);4 – опора подвижная; 5 – поверхность ОК; 6 – СП; А – вход ПВ; Б- выход ПВ; В- вход греющего пара; Г – выход конденсата греющего пара; Д – вход конденсата из подогревателя более высокого давления; Е – отвод паровоздушной смеси

      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 ее уровня 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 котел. При достижении уровнем конденсата второго аварийного предела приборы защиты дают команду на отключение питательных насосов и останов энергоблока.

     Предусматривается дно защитное устройство на группу ПВД. Однако подача импульсов по уровню конденсата на него осуществляется от каждого корпуса подогревателя. При срабатывании защиты все ПВД отключаются по питательной воде.

Лекция №21

Тепловой расчет подогревателя низкого давления (2 часа)

Исходные данные к расчету: давление греющего пара р_п= 0,089 МПа; температура пара t_п= 138 ; температура насыщения t_н= 96 ; энтальпия греющего пара h_п= 2760 кДж/кг; давление нагреваемого конденсата р_к= 2,35 МПа; температура конденсата на входе в подогреватель t_вх= 55 ; энтальпия конденсата h_вх= 235 кДж/кг; расход конденсата G_к= 151 кг/с.

Принимаем недогрев воды в подогревателе до температуры насыщения греющего пара  равным 2 . Тогда температура конденсата на выходе из подогревателя t_вых=  и энтальпия h_вых= 398 кДж/кг.

Расход греющего пара, поступающего в подогреватель, из уравнения теплового баланса:

.

Количество теплоты, передаваемое греющим паром в подогревателе:

Требуемая площадь поверхности теплообмена может быть определена из уравнения теплопередачи:

.

Значение температурного напора при принятых данных

 .

Коэффициент теплопередачи для подогревателей с U- образными латунными трубками обычно равен 2,5-3 кВт/(м²·К). Примем в первом приближении значение коэффициента теплопередачи равным 2,7 кВт/(м²·К). Требуемая площадь поверхности в этом случае:

F= 24,7· 10³/(2,7·10,6) = 863 м².

С учетом площади поверхности предварительно принимаются основные размеры подогревателя. Подогреватель выполняется с одной трубной доской и U- образными латунными трубами диаметром . Приняв шахматное расположение труб (S₁= 22мм и S₂= 19 мм) с коэффициентом заполнения трубной доски и скорость движения воды в трубах  , можно определить число параллельных труб по ходу воды:

При четырехходовом движении воды общее число трубных концов, развальцованных в трубной доске, z = 4 = 4920 шт.

Площадь трубной доски, занятая трубами:

,

а средняя длина труб:

 .

Средняя активная длина труб для отдельных отсеков подогревателя определяется по формуле:

 .

Для определения коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенкам труб необходимо сначала установить режим движения пленки конденсата.

Значение числа Рейнольдса для пленки конденсата на нижней кромке поверхности:

 .

Поскольку Re Re_кр = 100, то средний коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара к стенкам труб:

Вт/(м²·К).

Физические параметры конденсата, движущегося внутри труб, принимаются при следующем значении температуры:

 .

Число Рейнольдса в этом случае:

 .

Следовательно, , т.е. режим движения конденсата турбулентный.

При  , , тогда

 .

Средний коэффициент теплоотдачи от стенок труб к конденсату:

 .

Коэффициент теплопередачи:

.

Погрешность полученного значения k составляет 1%, что допустимо.

 

Лекция №22

Теловой расчет подогревателей высокого давления (2 часа)

Общие данные. В качестве примера рассмотрим расчет регенеративного подогревателя №8 блока К-500-240. Параметры греющего пара: давление р_п= 3,89 МПа; температура t_п = 295 ; энтальпия h_п = 2945 кДж/кг; давление пара в собственно подогревателеp^'_п = 3,84 МПа; температура насыщения t^н_с.п = 248 ; энтальпия конденсата пара за подогревателем  = 1076,1 кДж/кг; энтальпия пара, поступающего в подогреватель, h^'_п = 2802 кДж/кг; температура пара t^'_п = 262,2  .

     Параметры питательной воды: давление р_п.в = 32 МПа; температура на входе в охладитель конденсата t _в = 135,6  ; энтальпия воды на входе охладитель конденсата h_в = 834,4 кДж/кг; температура конденсата на выходе из охладителя t_др = 210,1  ; энтальпия h_др = 897,7 кДж/кг; энтальпия конденсата ПВД – 9 h_др9 = 1065,9 кДж/кг; расход его D_п9 = 28,841 кг/с.

      Расчетная схема подогревателя показана на рис.19,а. В охладитель конденсата поступает часть питательной воды с расходом 60кг/с (14,3 ). Через собственно подогреватель проходит 420 кг/с воды. Расход воды через пароохладитель принят равным 70  расхода пара, поступающего в подогреватель.

     Расход пара, поступающего в подогреватель, обычно известен из расчета тепловой схемы или определяется из уравнения теплового баланса при заданных параметрах:

_{п п др п п.в с}._{п в}

      Энтальпия воды на выходе из подогревателя определяется при р_п.в = 32 МПа и температуре ^''_c.п  и ^''_c.п .

Расход пара, поступающего в подогреватель,

_п

 

     Используя полученный расход пара, определяют температуры воды на выходе из охладителя конденсата, на входе в подогреватель и на выходе из охладителя пара. Из уравнения теплового баланса для охладителя конденсата (дренажа)

_{п с.п др п.9 др.9 др о.д о}._{д в п}

Отсюда
                                  _о._{д в п}

                                        = 1056,5 кДж/кг и _о.д .

Энтальпия воды на входе в подогреватель:

_{с.п в}
Температура воды на входе в подогреватель _c.п .

Энтальпия воды на выходе из охладителя пара (при расходе _{о.п п} ):

_о._{п с}._п

 

Температура  на входе из охладителя пара _о.п .

По балансу теплоты тепловая нагрузка охладителя конденсата Q_o.д = 13326 кВт, охладителя пара Q_o.п = 81964,7 кВт.

Расчет подогревателя

Среднелогарифмическая разность температур в подогревателе:

ср

Для определения коэффициента теплоотдачи от стенок труб к воде необходимо установить режим ее движения. Скорость воды в трубах подогревателя принимается в пределах 1,3 – 1,8 м/с. Для скорости 1,5 м/с и соответствующих средней температуре воды t_т = (243,5 + 203)/2 = 223,25  параметрах [ ] значение числа Re= 32,65 .

Коэффициент теплоотдачи α₂  для этих условий определяем из зависимости, где сомножителем, взятым в скобки, пренебрегаем из-за его малости:

₂

   Термическое сопротивление стенки труб R_ст= _{ст ст} = 5,36 . Значение коэффициента bв формуле при t_ст = 0,5 (t_н + t_т ) = (248 +223,25) = 235,6  равно 7932, т.е q = 7932

В соответствии с полученными значениям ₂ R_ст и выражением для ₁ имеем:

Принимая различные значения q, строим зависимость по типу кривой на рис., из которой следует, что при

Коэффициент теплопередачи в подогревателе в этих условиях

_с.п= 52 _.

Площадь поверхности нагрева подогревателя

_с.п= 81964,7  = 1576

Практически площадь поверхности нагрева должна быть несколько выше за счет возможности загрязнений поверхности, коррозии и т.д. Принимая _с.п= 1584 .

 Практически число спиралей принимается кратным произведению числа секций и числа рядов в каждой секции, т.е. 6 12 = 72. Тогда N= 864 шт. Длина каждой спирали в этомслучае:

В заключении теплового расчета подогревателя рекомендуется уточнить температуру, при которой были определены физические параметры:

_ст  .

Отклонение от принятого значения _ст равно 0,14  , что вполне допустимо.

Лекция № 23