Назначение, принцип действия, схема и состав конденсационной установки

Рис. 17.1. Принципиальная схема конденсационной установки

 

Поскольку водяной пар, поступающий из выходного патрубка турбины, всегда содержит воздух, попадающий через неплотности различных фланцевых соединений, концевые уплотнения ЦНД, арматуру, находящуюся под разрежением, то необходимы специальные насосы 4 (эжекторы), постоянно отсасывающие неконденсирующиеся газы. Сегодня используются пароструйные и водоструйные эжекторы, в которых рабочим телом является соответственно водяной пар и вода. Кроме того, существуют водокольцевые насосы для отсоса паровоздушной среды из объема конденсатора. Подача охлаждающей воды в конденсатор осуществляется циркуляционным насосом 2. Конденсатные насосы 3 служат для подачи конденсата в систему регенеративного подогрева питательной воды.

Схема поверхностного конденсатора водяного типа приведена на рис.17.2. Он состоит из корпуса 1, торцевые стенки которого закрыты трубными досками 4. В досках завальцованы конденсаторные трубки 5, открытые своими концами в водяных камерах. В зависимости от числа ходов охлаждающей воды (два, четыре) водяные камеры разделяются перегородками, которые делят все конденсаторные трубки на соответствующее число секций. Для двухходового конденсатора вода поступает через входной патрубок 15, далее идет по нижней секции трубок, разворачивается в поворотной водяной камере 16 и движется по трубкам верхней секции. Пар, поступающий из турбины через горловину конденсатора 6 в паровое пространство, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых течет охлаждающая вода. За счет резкого уменьшения удельного объема пара в конденсаторе создается низкое давление. Чем ниже температура охлаждающей воды и больше ее расход, тем больше разрежение в конденсаторе. Образующийся конденсат поступает в конденсатосборник 7. Удаление воздуха (паровоздушной смеси) из конденсатора осуществляется через патрубок отсоса в специально выделенном отсеке – воздухоохладителе 9.

Рис. 17.2. Устройство двухходового конденсатора ПТУ

1- корпус; 2, 3 - крышки водяных камер; 4 - трубная доска; 5 - конденсаторные трубки; 6 - приемная горловина конденсатора; 7 - конденсатосборник; 8 - отсос паровоздушной смеси из воздухоохладителя 9; 10 - направляющие листы; 11, 12– входной и выходной патрубки для воды; 13 – разделительная перегородка; 15-17 - входная, поворотная и выходная камеры для охлаждающей воды

 

Компоновки и конструкции конденсаторов паровых турбин

 

По отношению к оси паровой турбины конденсаторы могут располагаться в продольном или поперечном направлениях. При поперечной компоновке оси конденсаторных трубок направлены поперек продольной оси турбины. Продольно расположенные конденсаторы могут выполняться одно-, двух-, и трехсекционными. Из-за различной начальной температуры охлаждающей воды, поступающей в отдельные секции, давление в них будет различным. Такие конденсаторы называются секционированными. По числу потоков охлаждающей воды в отдельном конденсаторе их различают как однопоточные и двухпоточные. Различают также подвальное расположение конденсаторов, боковое и осевое. В основном применяется подвальное расположение. Различные виды компоновок конденсаторов для паровых турбин электростанций показаны на рис. 17.7, а в табл. 17.1 дано их краткое описание.

Таблица 17.1. Компоновки конденсаторов паровых турбин

 

Описание компоновки конденсатора	Схема на рис.19.6	Паровая турбина
Один подвальный поперечный конденсатор	а	ЛМЗ: К-50-8,8; Т-50-12,8; ПТ-60-12,8; ПТ-80/100-12,8 ТМЗ: ПТ-135/165-12,8 КТЗ: все турбины
Два подвальных поперечных конденсатора	б	ЛМЗ: К-100-8,8; К-200-12,8 ХТЗ: К-160-12,8 ТМЗ: ПТ-175/215-12,8; Т-100-12,8
Один подвальный поперечный конденсатор	в, г	ЛМЗ: К-300-23,5 ХТЗ: К-300-23,5 ТМЗ: Т-250/300-23,5
Два подвальных поперечных конденсатора	д	ХТЗ: К-500-23,5; К-220-4,3
Три подвальных поперечных конденсатора	е	ХТЗ: К-1000-5,9/25-2
Четыре подвальных поперечных конденсатора	ж	ХТЗ: К-500-6,4/50; К-750-6,4/50
Два боковых продольных конденсатора	з	ХТЗ: К-1000-5,9/25
Два подвальных продольных конденсатора, подключенных последовательно по охлаждающей воде	и, к	ЛМЗ: К-500-23,5; К-800-23,5; К-1200-23,5
Два боковых продольных конденсатора; каждый из конденсаторов состоит из трех секций, подключенных последовательно по охлаждающей воде	л	ХТЗ: К-1000-5,9/25-1

 

Рис. 17.7. Компоновочные решения по установке конденсаторов паровых турбин

 

На рис. 17.8 приведен общий вид одного из двух конденсаторов 800-КЦС-3 для паровой турбины К-800-23,5 ЛМЗ. Конденсатор состоит из двух секций 2 и 6. Охлаждающая вода через два патрубка 10 попадает в переднюю водяную камеру 1, а из нее - в трубки первой секции и затем в промежуточную камеру 4. Из нее вода поступает во вторую секцию 6, затем в заднюю водяную камеру 7 и через два выходных патрубка 8 направляется в систему охлаждения. Каждый конденсатор является одноходовым и однопоточным. Конденсаторы установлены на пружинных опорах 9 таким образом, чтобы создать угол наклона трубок к горизонту (около 3⁰). Такой наклон способствует росту коэффициента теплопередачи от пара к охлаждающей воде. Трубный пучок конденсатора состоит из 19625 трубок с наружным диаметром 28 мм и толщиной стенки 1 мм. Длина трубок в каждой секции 11,53 м, а общая поверхность охлаждения конденсатора составляет 41200 м².

 

Рис. 17.8. Конденсатор 800-КЦС-3 ( один из двух ) для паровой турбины К-800-23,5 ЛМЗ:

1 – передняя водяная камера; 2, 6 – первая и вторая секции конденсатора; 3 – входной паровой патрубок;

4 – промежуточная камера; 5 – горловины конденсаторов (переходной патрубок); 7 – задняя водяная камера;

8 – выходные патрубки по охлаждающей воде; 9 – пружинные опоры; 10 - входные патрубки по воде

 

На рис. 17.9 представлена компоновка трубного пучка рассмотренного ранее конденсатора. Здесь применена «пальчиковая» схема компоновки с разделением трубного пучка на модули 1. Модуль представляет собой сплошной вертикально расположенный массив трубок с ромбической разбивкой. В средней части массива двумя щитами 2 и 3 образована зона отсоса паровоздушной среды (выделенного воздухоохладителя в таком пучке нет). При использовании в качестве материала конденсаторных трубок титанового сплава их приваривают к трубным решеткам.

Рис. 17.9. Трубный пучок конденсатора модульной конструкции

 

На рис. 17.10 показана конструкция конденсатора теплофикационной турбины Т-250/300-23,5 ТМЗ. По воде конденсатор выполнен двухходовым. Его главной особенностью является наличие встроенного теплофикационного пучка, служащего для нагрева обратной сетевой воды или подпиточной воды в отопительный период. Кроме того, в горловину конденсатора встроен подогреватель низкого давления. Пример компоновки конденсаторов для паровой турбины Т-100-12,8 ТМЗ приведен на рис. 17.11. Большая часть конденсаторных трубок (~ 85%) предназначена для конденсации пара охлаждающей водой. Остальная часть служит для подогрева обратной сетевой воды, поступающей во встроенный пучок через отдельные водяные камеры.

Рис. 17.10. Конденсатор турбины Т-250/300-23,5 ТМЗ:

1 - корпус ЦНД; 2 - встроенные ПНД; 3 - основной пучок; 4 - теплофикационный пучок; 5 – конденсатосборник

 

Конструктивная схема ЦНД паровой турбины с боковой компоновкой выходных устройств и конденсаторов применяется в турбинах АЭС. Например, Харьковским турбинным заводом эта схема принята в серии тихоходных турбин К-500-5,9/25 и К-1000-5,9/25-1. На рис. 17.11 показана компоновка ЦНД турбины К-500-5,9/25 ХТЗ для АЭС с боковым расположением конденсаторов. К преимуществам такой компоновки относятся уменьшение затрат на строительные конструкции машинного зала, ужесточение фундамента турбины, повышение эффективности выходных устройств, а также наличие вертикальных компенсаторов в корпусе выходного патрубка ЦНД, что дает возможность оптимальной организации взаимных перемещений корпуса ЦНД и конденсатора. Кнедостаткам боковой компоновки выходных устройств относят рост протяженности вакуумных разъемов и опасность заброса влаги в проточную часть последней ступени. Следует отметить, что корпуса ЦНД таких турбин опираются на фундамент боковыми лапами с пружинами, воспринимающими около половины нагрузки от неподвижных частей цилиндра, что снимает с выходных патрубков функции несущей конструкции. Поэтому деформация их корпусов под воздействием высокого перепада давлений и неравномерного прогрева не нарушает условия центровки статорных элементов ЦНД паровой турбины.

Рис. 17.11. Поперечный разрез паровой турбины К-500-5,9/25 ХТЗ

Назначение, принцип действия, схема и состав конденсационной установки

 

Тепловая схема паротурбинной установки (ПТУ), сформированная на основе цикла Ренкина, предполагает отвод тепла к холодному источнику. Этим обеспечивается замкнутость термодинамического цикла. Практическая реализация отвода тепла осуществляется в конденсаторе ПТУ. Конденсатор – это теплообменник, предназначенный для превращения отработавшего в проточной части паровой турбины водяного пара в жидкое состояние – конденсат.

Следует отметить, что технически возможно реализовать цикл Карно, осуществив сжатие компрессором влажного пара, поступающего из турбины, до его конденсации. Однако работа сжатия влажного пара во много раз превышает работу сжатия воды. Так, например, при адиабатном сжатии влажного водяного пара от давления 0,1 МПа до давления 3 МПа, при котором он полностью конденсируется, требуется затратить работу, эквивалентную 455 кДж/кг. При адиабатном же сжатии воды от состояния насыщения при 0,1 МПа до давления 3 МПа необходимо затратить работу, эквивалентную всего лишь 2,75 кДж/кг, т.е. меньшую в 165 раз. Поэтому цикл Карно в чистом виде в паросиловых установках не применяется.

Для обеспечения высокой экономичности цикла Ренкина необходимо выполнять конденсацию пара при низком давлении (разрежении р_к относительно атмосферного давления р_а), что дает рост термодинамического КПД турбоустановки. В конденсационных установках холодному источнику (охлаждающей воде) отдается до 50% количества тепла в цикле, что в итоге определяет абсолютный КПД ПТУ на уровне 40…45%. При этом водяной пар за турбиной из-за низкого давления практически не имеет термодинамической ценности.

Следует помнить, что при изменении давления в конденсаторе на 1 кПа экономичность паротурбинной установки ТЭС изменяется примерно на 1%, а для ПТУ АЭС до (1,5-2)%. Повышение экономичности при снижении давления за турбиной имеет место, прежде всего, за счет роста теплоперепада турбины. Поэтому для турбин с небольшим располагаемым теплоперепадом и, в частности, для турбин насыщенного пара АЭС, относительное изменение теплоперепада оказывается существенным, что дает более высокий выигрыш в экономичности. Средние поправки к мощности ряда турбин и экономичности турбоустановок при изменении давления отработавшего пара следующие:

 

Тип турбины	Номинальная мощность, МВт	Изменение мощности, кВт, при изменении давления рк на 1 кПа	Изменение экономичности, %, при изменении рк на 1 кПа
К-100-8,8 ЛМЗ		± 900	± 0,90
К-200-12,8 ЛМЗ		± 1900	± 0,95
К-300-23,5 ЛМЗ		± 2760	± 0,92
К-220-4,4 ХТЗ		± 4060	± 1,85

 

Принцип работы конденсатора можно пояснить на основе рассмотрения упрощенной схемы замкнутого сосуда, в который подается чистый (без примеси воздуха) насыщенный водяной пар под некоторым давлением. Если сосуд охлаждать с внешней стороны стенок средой с достаточно низкой температурой, то пар будет конденсироваться, отдавая теплоту через стенку окружающей среде. В процессе увлажнения пар почти полностью превратится в воду (конденсат), поскольку от него отбирается теплота конденсации, равная теплоте парообразования r_s. Над зеркалом конденсата остается часть насыщенного пара. Если отведенное от пара количество теплоты равно mr_s, где m, кг – масса пара в сосуде, то после конденсации температура конденсата будет совпадать с температурой пара над ним. Поскольку удельный объем насыщенного пара много больше удельного объема воды, то в сосуде формируется глубокое разрежение («вакуум»). Например, при температуре конденсации t_s =24,1 ⁰С удельный объем воды v¹ =0,001 м³/кг, а пара v¹¹ =45,67 м³/кг. Следовательно, объем образующегося конденсата в 45670 раз меньше, чем объем насыщенного пара. Именно поэтому давление в конденсаторе р_к составляет всего 3 кПа (много меньше атмосферного давления р_а»100 кПа).

Представленный процесс конденсации реализуется в конденсаторе паровой турбины. Под конденсационной установкой (рис. 17.1) понимают совокупность конденсатора 1 и следующих основных устройств: 2 – циркуляционных насосов; 3 – конденсатных насосов; 4 – эжекторной установки. В зависимости от вида охлаждающей среды конденсаторы бывают водяные (охлаждающая среда – вода) и воздушные (охлаждающая среда – воздух). Современные паротурбинные установки снабжены преимущественно водяными конденсаторами.

 

Рис. 17.1. Принципиальная схема конденсационной установки

 

Поскольку водяной пар, поступающий из выходного патрубка турбины, всегда содержит воздух, попадающий через неплотности различных фланцевых соединений, концевые уплотнения ЦНД, арматуру, находящуюся под разрежением, то необходимы специальные насосы 4 (эжекторы), постоянно отсасывающие неконденсирующиеся газы. Сегодня используются пароструйные и водоструйные эжекторы, в которых рабочим телом является соответственно водяной пар и вода. Кроме того, существуют водокольцевые насосы для отсоса паровоздушной среды из объема конденсатора. Подача охлаждающей воды в конденсатор осуществляется циркуляционным насосом 2. Конденсатные насосы 3 служат для подачи конденсата в систему регенеративного подогрева питательной воды.

Схема поверхностного конденсатора водяного типа приведена на рис.17.2. Он состоит из корпуса 1, торцевые стенки которого закрыты трубными досками 4. В досках завальцованы конденсаторные трубки 5, открытые своими концами в водяных камерах. В зависимости от числа ходов охлаждающей воды (два, четыре) водяные камеры разделяются перегородками, которые делят все конденсаторные трубки на соответствующее число секций. Для двухходового конденсатора вода поступает через входной патрубок 15, далее идет по нижней секции трубок, разворачивается в поворотной водяной камере 16 и движется по трубкам верхней секции. Пар, поступающий из турбины через горловину конденсатора 6 в паровое пространство, конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых течет охлаждающая вода. За счет резкого уменьшения удельного объема пара в конденсаторе создается низкое давление. Чем ниже температура охлаждающей воды и больше ее расход, тем больше разрежение в конденсаторе. Образующийся конденсат поступает в конденсатосборник 7. Удаление воздуха (паровоздушной смеси) из конденсатора осуществляется через патрубок отсоса в специально выделенном отсеке – воздухоохладителе 9.

Рис. 17.2. Устройство двухходового конденсатора ПТУ

1- корпус; 2, 3 - крышки водяных камер; 4 - трубная доска; 5 - конденсаторные трубки; 6 - приемная горловина конденсатора; 7 - конденсатосборник; 8 - отсос паровоздушной смеси из воздухоохладителя 9; 10 - направляющие листы; 11, 12– входной и выходной патрубки для воды; 13 – разделительная перегородка; 15-17 - входная, поворотная и выходная камеры для охлаждающей воды