Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 21
1.1 Роль и место малозатратных технологий в повышении эффективности эксплуатации ТЭЦ 21
1.2. Снижение потерь теплоты и углубление вакуума в конденсаторах, как одно из основных направлений повышения эффективности эксплуатации теплофикационных паровых турбин 24
1.3. Особенности режимов эксплуатации конденсаторов теплофикационных паровых турбин 35
1.4. Постановка задач исследований 45
2. Объекты и методики исследований 48
2.1. Выбор объекта и общей методики исследований 48
2.2. Организация измерений и режимов работы турбоустановок при проведении испытаний 54
2.3. Выводы 60
3. Экспериментальная оценка составляющих величин суммарного теплового потока в конденсаторы теплофикационных турбин 62
4. Разработка математических моделей конденсационных установок паровых турбин 75
4.1. Анализ существующих способов получения характеристик конденсаторов паровых турбин 75
4.2. Разработка математической модели конденсационной установки паровой турбины, оснащенной пароструйными эжекторами 97
4.3. Разработка методики определения чистоты поверхностей теплообмена 113
4.4. Результаты проверки адекватности математической модели конденсатора реальным объектам 116
4.5. Разработка математической модели конденсационной установки паровой турбины, оснащенной водоструйными эжекторами 120
4.6. Разработка математической модели конденсационной установки паровой турбины, оснащенной встроенными трубными пучками... 126
4.7. Выводы 129
5. Разработка методики расчета равновесных содержаний.труднорастворимых газов в конденсате на выходе из конденсатора паровой турбины 133
5.1. Обзор результатов исследований деаэрирующей способности конденсаторов турбоустановок 133
5.2. Выбор основных зависимостей для расчета равновесных содержаний труднорастворимых газов в воде 145
5.3. Разработка методики определения величин парциальных давлений воздуха и пара в конденсаторе 151
5.4. Выводы 156
6. Разработка способов повышения деаэрирующей способности конденсаторов паровых турбин на базе расчетных и экспериментальных исследований 157
6.1. Результаты расчетных оценок влияния эксплуатационно
режимных факторов на деаэрирующие характеристики конденсатора паровой турбины 157
6.2. Разработка способов и устройств для подачи химически
обессоленной воды, конденсата рециркуляции и дренажей в конденсаторы теплофикационных турбин 170
6.3. Разработка и исследование модернизированной системы удаления парогазовой смеси турбоустановки 189
6.4. Повышение деаэрирующей способности конденсаторов путем раздельного удаления паровоздушной смеси из подогревателей и конденсаторов теплофикационных турбоустановок 195
6.5. Выводы 199
7. Расчетные исследования методов повышения эффективности эксплуатации оборудования технлогических подсистем теплофикационных паротурбинных установок 201
7.1. Общие замечания 201
7.2. Сравнительный анализ эффективности использования пароструйных и водоструйных эжекторов в теплофикационных паровых турбинах 202
7.3. О разработке физической модели совместной работы
турбоустановок и систем технического водоснабжения ТЭЦ 229
7.4. К выбору рациональной схемы подогрева подпиточной воды на ТЭЦ 239
7.4.1. Общие замечания 239
7.4.2. Оценка количества теплоты, необходимой для нагрева подпиточной воды в конденсаторах турбин Т-110/120-130
на теплофикационных режимах 241
7.4.3. Исследование эффективности способов подогрева подпиточной воды во встроенных пучках конденсатора турбоустановки
Т-110/120-130 при отключенных основных пучках 244
7.4.4. Исследование эффективности способов подогрева подпиточной воды во встроенных пучках конденсатора турбоустановки Т-110/120-130 при включенных по охлаждающей воде основных пучках 252
7.5. К вопросу эксплуатации прямоточной системы технического водоснабжения ТЭЦ в отопительный период с частичной рециркуляцией охлаждающей воды из сбросного водовода... 258
7.5.1. Общие замечания 258
7.5.2. Описание предлагаемой схемы циркуляционного водоснабжения конденсатора 259
7.5.3. Тепловой баланс конденсатора, включенного на частичный подогрев сырой воды 261
7.5.4. Определение оптимальных расходов циркуляционной и речной воды через конденсатор 266
7.6. Выводы 274
8. Разработка и исследование некоторых способов повышения эффективности эксплуатации оборудования технологичеких подсистем теплофикационных паротурбинных установок 275
8.1.Разработка и исследование способов снижения потерь теплоты с потоками, поступающими в конденсаторы теплофикационных
турбин помимо ЧНД 275
8.1.1 Выбор основных путей утилизации теплоты потоков, поступающих в конденсаторы помимо ЧНД 275
8.1.2. Разработка способов и устройств для замещения конденсата рециркуляции химически обессоленной водой 277
8.1.3. Полезное использование теплоты конденсата рецирку ляции и других потоков в конденсаторах теплофикационных турбин 281
8.1.4. Разработка и исследование новой системы самоуплотнения цилиндров теплофикационной паровой турбины 284
8.1.5. Использование выносных расширителей дренажей для утилизации теплоты пароводяных потоков 302
8.2. Разработка конструктивных и схемных предложений с целью повышения эффективности работы подогревателей сетевой воды 308
8.3. Разработка устройств для повышения эффективности и надежности турбинных ступеней ЧНД 313
8.4. Выводы 323
Заключние 326
Список использованых источников 331
Приложение 356
1 .Апробированные технические решения, направленные на повышение
надежности и эффективности эксплуатации оборудования ТЭЦ 356
2 Справки об использовании результатов работы 379
- Снижение потерь теплоты и углубление вакуума в конденсаторах, как одно из основных направлений повышения эффективности эксплуатации теплофикационных паровых турбин
- Организация измерений и режимов работы турбоустановок при проведении испытаний
- Результаты проверки адекватности математической модели конденсатора реальным объектам
- Разработка методики определения величин парциальных давлений воздуха и пара в конденсаторе
Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшей задачей, стоящей перед современной энергетикой, является повышение эффективности использования топлива на электростанциях. Решению этой задачи в значительной степени способствует применение комбинированного способа производства тепловой и электрической энергии. В то же время, типовые решения, используемые на действующих ТЭЦ и при их проектировании, не в полной мере учитывают местные условия и передовой опыт по внедрению результатов научно-исследовательских работ. По этой причине на многих ТЭЦ имеются значительные резервы по экономии топливно- энергетических ресурсов. Вскрытие этих резервов и разработка наиболее эффективных режимов работы ТЭЦ возможны только на базе комплексных исследований турбинного оборудования в реальных условиях его эксплуатации.
Проблема повышения экономичности ТЭЦ связана в первую очередь с решением вопросов снижения потерь теплоты в конденсаторах теплофикационных турбин и увеличением выработки электроэнергии на тепловом потреблении.
Наиболее характерными режимами эксплуатации большинства теплофикационных турбин в отопительный период являются режимы с малыми пропусками пара в конденсатор при охлаждении его циркуляционной водой. Такие режимы позволяют без снижения маневренности и располагаемой мощности обеспечивать потребителей тепловой и электрической энергией. Однако в этих условиях рабочие ступени части низкого давления (ЧНД) турбины находятся в вентиляционном режиме, то есть потребляют мощность; в выходном патрубке наблюдаются обратные токи, способные выносить эрозионноопасную влагу к последней ступени; возникают дополнительные вибрационные напряжения в рабочих лопатках. Проявление указанных негативных явлений тем значительней, чем выше плотность среды, в которой они происходят, то есть чем выше давление в конденсаторе. Практика эксплуатации показывает, что при малых пропусках пара в конденсатор в нем наблюдаются повышенные, относительно нормативных значений, величины недогрева воды до температуры насыщения пара и значительное переохлаждение конденсата. При этом на трубных пучках конденсатора происходит интенсивное насыщение конденсата агрессивными газами (кислород, углекислый газ) до значений концентраций, в несколько раз превышающих нормативные. Указанные обстоятельства приводят к активной коррозии питательного трактов конденсата питательной воды и выносу оксидов меди и железа на теплообменные поверхности котлов. Кроме того, на указанных режимах помимо ЧНД в конденсатор поступает ряд пароводяных и паровоздушных потоков, теплота которых соизмерима с теплотой пропуска пара через закрытую регулирующую диафрагму ЧНД. Снижение потерь теплоты с этими потоками позволяет существенно повысить энергетическую эффективность турбоустановок.
На конденсационных и близких к ним режимах эффективность работы турбоустановок ТЭЦ определяется, прежде всего, давлением в конденсаторе, т.е. температурой и расходом охлаждающей воды, и, в значительной мере, чистотой поверхностей теплообмена. В свою очередь параметры охлаждающей воды на этих режимах определяются эффективностью работы системы технического водоснабжения и ее соответствием потребностям турбоустановок для выработки заданной мощности. Следовательно, при проведении эксплуатационного контроля за состоянием конденсаторов паровых турбин, а также при расчетах ограничений мощности ТЭЦ по вакууму, важную роль играет корректность методики определения степени загрязнения поверхностей теплообмена.
Таким образом, экономичность, маневренность и надежность теплофикационных паротурбинных установок в значительной мере определяются эффективностью работы не только конденсаторов, но и ряда технологических подсистем турбоустановок, а также элементов низкопотенциального комплекса (НПК) ТЭЦ. Из этого следует необходимость решения задач повышения эффективности совместного функционирования оборудования технологических подсистем (конденсатор, системы воздухоудаления из проточной части и подогревателей, технического водоснабжения, последние ступени турбин) на основе физического моделирования процессов, происходящих в этом оборудовании.
Актуальность разработки и исследования методов повышения эффективности технологических подсистем турбоустановок обусловлена, также возможностью широкого использования предлагаемых технических решений с минимальными затратами на их реализацию.
Диссертационная работа выполнялась в рамках утвержденных на Федеральном уровне приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ (код 08 - энергетика и энергосбережение); перечня критических технологий РФ ( код 31технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии);основных направлений фундаментальных исследований (1.1.7 - математическое моделирование, 2.1.1- тепломассообмен, гидро- и плазмодинамика, 2.1.6 - энергоресурсосбережение и энергоэффективные технологии. Повышение эффективности комплексного использования природных топлив).
Цель работы - разработка, исследование и практическая реализация малозатратных методов повышения эффективности технологических подсистем низкопотенциального комплекса теплофикационных паротурбинных установок.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи, решение которых выносится на защиту:
Разработка новых, более совершенных методик, средств измерений и рекомендаций по режимам испытаний теплофикационных турбоустановок, позволяющих получать наиболее достоверные результаты.
Экспериментальная оценка составляющих величин суммарного теплового потока в конденсаторы эксплуатируемых теплофикационных турбин с использованием усовершенствованных средств измерений и методик проведения испытаний.
Разработка на основе анализа физических процессов и результатов экспериментальных исследований математических моделей конденсаторов со встроенными пучками и без них, позволяющих определять давление в конденсаторе в зависимости от паровых нагрузок (включая минимальные вентиляционные пропуски пара в ЧНД), параметров охлаждающей конденсатор воды, величины дополнительных пароводяных потоков, присосов воздуха в вакуумную систему, реальных характеристик воздухоудаляющих устройств (пароструйных или водоструйных эжекторов) и степени загрязнения внутренних поверхностей теплообмена.
Разработка новой методики расчета равновесных газосодержаний в конденсате на выходе из конденсатора на базе результатов экспериментальных и теоретических исследований. Определение необходимых условий, обеспечивающих при различных паровых нагрузках требуемое качество деаэрации основного конденсата, химически обессоленной воды и других, поступающих в конденсатор потоков, снижение потерь теплоты с этими потоками и предотвращение выноса эрозионноопасной влаги к лопаткам последних ступеней.
Разработка на основе проведенных исследований способов и устройств подачи химически обессоленной воды, конденсата рециркуляции и дренажей в конденсаторы теплофикационных турбин и их экспериментальная проверка.
Проведение расчетных исследований основных направлений на повышение эффективности функционирования технологических подсистем турбоустановок теплофикационных паровых турбин с помощью их математических моделей.
Разработка на базе проведенных исследований реально возможных малозатратных способов повышения эффективности работы теплофикационных турбин.
Научная новизна работы определяется тем что:
- разработан и исследован комплексный подход к оценке эффективности работы НПК теплофикационных паровых турбин. Подход учитывает взаимодействие конденсатора с воздухоудаляющими устройствами, системой технического водоснабжения, системами подогрева основного конденсата и сетевой воды, в условиях реального функционирования систем ввода пароводяных и паровоздушных потоков в конденсатор из этих систем помимо проточной части низкого давления;
-
предложены и экспериментально исследованы новые устройства для измерения давления в конденсаторе и новый способ определения плотности регулирующих диафрагм ЧНД;
-
получена количественная оценка фактических величин теплового потока, поступающего в конденсаторы помимо ЧНД в реальных условиях эксплуатации. Выявлено влияние режимных и эксплуатационных факторов на величины отдельных составляющих этого потока;
-
впервые разработаны методики расчета, позволяющие определять давление в конденсаторе в зависимости от паровых нагрузок (включая минимальные вентиляционные пропуски пара в ЧНД), параметров охлаждающей конденсатор воды, величины дополнительных пароводяных потоков, присосов воздуха в вакуумную систему, реальных характеристик воздухоудаляющих устройств (пароструйных или водоструйных эжекторов) и степени загрязнения внутренних поверхностей трубок. Обоснована возможность использования предложенных методик для создания математических моделей конденсатора (со встроенными пучками и без них), оснащенного пароструйными и водоструйными эжекторами и использования этих моделей для получения расчетных теплотехнических характеристик конденсатора;
-
предложена и экспериментально апробирована методика расчета равновесного содержания отдельных растворенных газовых компонентов в конденсате на выходе из конденсатора. Показана пригодность предложенной методики для оценки действительных значений содержания кислорода в конденсате и получения деаэрационных характеристик конденсатора в переменных режимах;
-
впервые разработана и обоснована концепция организации ввода пароводяных потоков в конденсатор теплофикационной турбины и сформулированы необходимые условия для обеспечения надежной деаэрации при минимальных тепловых нагрузках. Предложены новые устройства для ввода указанных потоков и экспериментально доказана их эффективность;
-
показана возможность и целесообразность снижения давления всасывания воздухоудаляющего устройства при минимальных тепловых нагрузках конденсатора для создания условий, обеспечивающих уменьшение вибрационных напряжений в рабочих лопатках ступеней ЧНД и повышения деаэрирующей способности конденсатора;
-
разработаны принципы построения физической модели совместной работы конденсаторов и системы технического водоснабжения ТЭЦ. Полученная модель используется для оперативного решения самых различных задач, связанных с вопросами ограничения мощности, модернизации системы технического водоснабжения и НПК, турбоустановки в целом, а также оптимизации режимов их работы;
-
сформулированы условия наиболее рационального подогрева подпиточ- ной воды во встроенных пучках конденсаторов турбоустановок ТЭЦ;
-
предложен ряд новых технических решений, обеспечивающих повышение эффективности работы оборудования технологических подсистем турбоустановок, в том числе: разработаны способы снижения потерь теплоты с потоками, поступающими в конденсаторы помимо проточной части низкого давления, предложены новые конструктивные и схемные решения по повышению эффективности работы подогревателей сетевой воды, предложены устройства для повышения эффективности и надежности работы турбинных ступеней ЧНД.
Все основные научные результаты и предложенные технические решения получили экспериментальное подтверждение на действующем оборудовании в течении длительной эксплуатации на многих ТЭЦ.
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечены проведением экспериментов на действующем оборудовании электростанций; выбором мест установки и точностью средств измерений в соответствии с действующими методическими указаниями; большим объемом экспериментов и воспроизводимостью результатов исследований, выполненных в разное время на нескольких идентичных турбинах; использованием расчетных моделей, учитывающих современные представления о происходящих в теплообменном оборудовании процессах; хорошим совпадением результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями;
практической проверкой разработанных технических решений на действующих теплоэнергетических установках и длительным положительным опытом эксплуатации модернизированных объектов.
Практическая ценность работы и реализация ее результатов заключается в том, что результаты выполненной работы позволяют решать практические задачи, связанные с разработкой и внедрением малозатратных способов повышения эффективности и надежности работы турбинного оборудования. Выявленные закономерности, разработанные методики расчетов и математические модели дают возможность уменьшить объем натурных исследований при разработке новых подходов и новых технических решений. Предложенные модели могут быть использованы при разработке систем мониторинга состояния турбинного оборудовании ТЭЦ.
Результаты работы уже используются более чем на 30 турбоустановках мощностью от 30 до 185 МВт на Кировской ТЭЦ-4, Кировской ТЭЦ-5, Омской ТЭЦ- 4 и ТЭЦ-5, Гомельской ТЭЦ-2, Каунасской ТЭЦ, Вильнусской ТЭЦ-3, Хабаровской ТЭЦ-3, Ижевской ТЭЦ-2, Новосибирской ТЭЦ-5 и ТЭЦ-4, Северодвинской ТЭЦ-2, Пермской ТЭЦ-14, Смоленской ТЭЦ-2, Ново-Сведловской ТЭЦ, Ефремовской ТЭЦ, Дорогобужской ТЭЦ, Саровской ТЭЦ и др.
Реализация разработанных решений позволяет экономить ежегодно до 3-5 тысяч т у.т. на одну турбоустановку.
Предложенные в работе математические модели используются в учебном процессе в качестве основы для проведения учебно-исследовательской работы студентов, выполнения курсовых и дипломных проектов.
Личный вклад автора в получении результатов, изложенных в диссертационной работе, заключается: в непосредственном участии в формировании концепции работы; разработке методик исследований, организации этих исследований и участии в них; в разработке методик расчета конденсатор - эжектор, расчета равновесных газосодержаний в конденсате на выходе из конденсатора, разработке на их основе соответствующих моделей, а также принципов построения математических моделей конденсатора и системы технического водоснабжения; в непосредственном участии в разработке и экспериментальном исследовании всех рассмотренных в работе способов улучшения деаэрирующей способности конденсаторов и повышения эффективности работы паротурбинного оборудования.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: «Повышение эффективности и надежности турбинных установок тепловых электростанций» (Киев. 1985 г.), «Оптимизация схем и режимов работы энергетических систем» (Киров. 1985 г.), «Экономия энергетических ресурсов» (Киров. 1987 г.), «Повышение эффективности работы энергосистем» (Киров. 1987 г.), «Диагностика и ремонт турбинного оборудования» (Москва. ВТИ. 1999 г.). Всероссийских и международных научно- техническая конференциях «Наука-производство-технологии-экология» (Ки- ров.1998, 2000, 2001, 2002 2003, 2004, 2006, 2008, 2011г.), Международная научно-техническая конференция «Совершенствование теплотехнического оборудования ТЭС, внедрение систем сервисного обслуживания, диагностирования и ремонта» (Екатеринбург, 1999, 2001 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 62 печатных работах, в том числе в 7 публкациях, относящихся к изданиям, входящих в список ВАК, и 19 авторских свидетельствах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 220 источников. Диссертационная работа изложена на 382 страницах, включает 130 рисунков и 8 таблиц.
Снижение потерь теплоты и углубление вакуума в конденсаторах, как одно из основных направлений повышения эффективности эксплуатации теплофикационных паровых турбин
В настоящее время в условиях намечающегося после кризиса экономического роста возникла настоятельнаяч необходимость приведения в соответствие возможностей энергетики страны требованиям этого роста путем реновации оборудования и повышения эффективности его эксплуатации.
Основными направлениями реновации теплосилового оборудованиям ТЭС являются продление ресурса и техническое перевооружение.
Как показали проведенные исследования [1] имеется возможность продолжения эксплуатации турбинного и котельного оборудования в течение достаточно длительного времени (за исключением турбин полностью выработавших индивидуальный ресурс) с плановым продлением его ресурса без каких либо замен и модернизаций. Продление ресурса оборудования является самым дешевым способом реновации тепловых электростанций. Внедрением восстановительных мероприятий и заменой отдельных изнашиваемых деталей можно продлить срок эксплуатации оборудования» на достаточно длительное время.
Однако этот путь имеет и существенные недостатки. Он фактически закладывает отставание в развитии отрасли, т.к. оборудование морально устаревает, не используются возможности снижения удельных расходов, сокращения обслуживающего персонала, возникающие при применении новых технологий и оборудования.
В пределах расчетного индивидуального ресурса затраты на продление срока эксплуатации оборудования увеличиваются относительно мало. За пределами этого срока начинают заметно увеличиваться затраты, сначала связанные с контролем металла, а затем и с ремонтом или заменой изношенных деталей. Чем позднее начнется техническое перевооружение, тем дороже оно обойдется. Понимая все это, продление ресурса оборудования следует разумно увязывать с техническим перевооружением ТЭЦ. Техническое перевооружение ТЭЦ может быть осуществлено или путем полного демонтажа устаревшего оборудования и заменой его на новое, более совершенное, или путем частичной замены и модернизации имеющегося.
В качестве одного из основных направлений технического перевооружения и нового строительства ТЭЦ в настоящее время, принято использование парогазовых технологий, позволяющих обеспечить экономию топлива по сравнению с лучшими работающими ТЭС на 25 - 30 % и существенно увеличить выработку электроэнергии на тепловом потреблении. При принятии решений о замене паротурбинного? оборудования ТЭЦ, приспособленных,для-сжигания угля; рекомендуется учитывать следующее: - существенное улучшение технико-экономических показателей ТЭЦ можно получить только повышением начальных параметров пара (блоки и котлы с СКД, С СП и т. п. ) и использования более совершенных технологий сжигания твердого топлива в энергетических котлах (котлы с ЦКС, ВИР и НТВ технологии И(Т. п.).
В документе «Программа обновления объектов электроэнергетики РАО «ЕЭС России» и АО-Энерго на период до 2010 года и прогнозная оценка-до 2015 года» приводится обстоятельный анализ коммерческой эффективности разных способов обновления оборудования ТЭС для Европейской части ЕЭС России (без ОЭС Урала), ОЭС Урала, ОЭС Сибири, и Востока. При этом- показано, что обновление устаревшего оборудования выгодно производить в районах дорогого топлива и высоких тарифов на электроэнергию и тепло в Европейской части, ОЭС Урала; и на Востоке. При прогнозируемых низких ценах на топливо и тарифах на электроэнергию и тепло и высоких капиталовложениях на угольных ТЭС обновление оборудования в ОЭС Сибири не эффективно.
Кроме того, в случае принятия положительного решения о техническом перевооружении той или иной ТЭЦ, могут возникнуть проблемы с поставками нового оборудования, поскольку в результате экономической политики 1990-х и начала 2000-х годов возможности производства энергетического оборудования в России существенно снизились.
Таким образом, в условиях ограниченных лимитов на газообразное топливо и ограниченных возможностей заводов-изготовителей энергосилового оборудования в ближайшие годы не следует ожидать массовой замены действующего паросилового оборудования на новое более прогрессивное. Очевидно, что эксплуатация имеющегося паротурбинного оборудования ТЭЦ, находящегося в пределах паркового и индивидуального ресурсов, будет продолжена.
Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт совместно с исполнителями разработал «Концепцию РАО «ЕЭС России» технической и организационно-экономической политики в области теплофикации ш централизованного теплоснабжения». Концепция обоснованно подтвердила, что централизованное теплоснабжение от ТЭЦ в климатических условиях России должно и будет являться стабильным сектором энергетического рынка. За рубежом при высоких ценах на топливо данные технологии также широко применяются и пользуются репутацией безопасного, надежного, экономичного и экологически привлекательного способа снабжения теп- ломнаселения.
В существующих условиях поддержание технико-экономических показателей стареющего турбинного оборудования на достаточно высоком уровне возможно только при соблюдении ряда условий [2], важнейшими из которых являются: - совершенствование действующего оборудования и технологических схем ТЭЦ путем внедрениял малозатратных мероприятий, а также совершенствование режимов эксплуатации ТЭЦ; - осуществление эффективного эксплуатационного контроля состояния турбинного оборудования путем внедрения мониторинговых систем на основе использования его математических моделей; - проведение эффективных и качественных ремонтов с использованием современных методов восстановления узлов и деталей.
Организация измерений и режимов работы турбоустановок при проведении испытаний
Расчетная величина суммарного теплового потока, поступающего помимо ЧНД в конденсаторы турбин, работающих в теплофикационном режиме, по данным заводов-изготовителей составляет 3,5 - 7 МВт. Однако, как показали проведенные исследования, действительные тепловые потери значительно выше расчетных. Например, уровень потерь теплоты со всеми пароводяными потоками, поступающими в конденсаторы, помимо проточной части низкого давления, может характеризоваться результатами натурных исследований различных теплофикационных турбин, представленными на рис. 3.1.
Приведенные данные получены балансовым методом с использованием экспериментальных величин расхода и температуры подогреваемой в конденсаторе воды и вентиляционного пропуска пара через закрытые РД ЧНД. В соответствии с результатами этих исследований величина потерь с потоками, поступающими в конденсаторы турбин помимо ЧНД, может составлять 6-16 МВт. Причинами такого превышения являются отклонения условий эксплуатации от расчетных. Например, износ концевых уплотнений турбины в межремонтный период, протечки через запорную арматуру пусковых дренажей высокого и среднего давления, слив конденсата из регенеративных и сетевых подогревателей в конденсатор, повышенное, по сравнению с расчетным, давление рабочего пара на основные эжекторы, включение в работу двух или трех основных эжекторов вместо одного или двух и тому подобное [95].
Основной составляющей указанных потерь является тепловой поток с рециркуляцией конденсата в конденсатор. Величина этого потока определяется расход ом-пара, отсасываемого из. уплотнений, и расходом пара, подаваемого на эжекторы, тепло которых передается -конденсату в соответствующих теплообменниках (охладители эжекторов охладитель эжектора уплотнений, сальниковый подогреватель). На рисунках 3.2а, 3.26, 3.2в, 3.2г, 3.3 и в табл. 3.1 представлены расчетные и экспериментально полученные тепловые нагрузки теплообменников, включенных в контур1 рециркуляции теплофикационных турбоустановок различных типов в зависимости от расхода-пара на турбину (Д ) . Экспериментальные данные получены по измеренным расходу и разности температур на входе и выходе основного конденсата в соответствующие теплообменники при работе турбоустановок по тепловому графику. Причем для турбин типа ПТ ПНД-1, входящий в контур рециркуляции, находился в отключенном состоянии. Полученные экспериментальные данные позволяют установить, что действительные тепловые потоки с конденсатом рециркуляции также существенно превышают расчетные данные заводов- изготовителей.
Например, в расчетных условиях эксплуатации турбоустановок по тепловому графику на каждой турбине Т-50-130 и ПТ-60-130 в работе должен находиться только один основной-эжектор (ОЭ). При этом проектные величины тепла в ОЭ составляют около 0,53 МВт (эжектор» ЭП-3-700-1) и 0,58 МВт (эжектор ЭП-3-2). В, действительности в силу ряда эксплуатационных причин некоторые турбоустановки работают при двух включенных эжекторах. Кроме того, параметры пара, подаваемого на ОЭ, могут существенно отличаться от расчетных. По указанным причинам фактические средние величины тепловых потоков в ОЭ (рис.3.2) имеют уровень от 0,55 до 1,8 МВт.
Таким образом, фактическое количество теплоты поступающей в ОЭУ турбин ПТ-60-130 существенно превышает расчетное значение, причем оно возрастает с увеличением паровой нагрузки. Одной из возможных причин этого может быть увеличенный отсос от штоков регулирующих клапанов. Аналогичная картина наблюдалась и для турбин других типов (см. рис.3.2 г,
Проведенные исследования показали, что фактические расходы теплоты, поступающие в сальниковый подогреватель с паром из промежуточных камер концевых уплотнений, для всех исследованных турбоустановок значительно превышают расчетные значения. Таблица 3.1
Величины тепловых потоков в линию основного конденсата до клапана рециркуляции при работе турбоустановки с закрытой РД ЧНД и включенными теплофикационными отборами пара.
В связи с этим можно предположить, что величина суммарного теплового потока в линию основного конденсата из теплообменников, расположенных в контуре рециркуляции, в конечном итоге определяется состоянием концевых уплотнений цилиндров турбины.
По мере износа концевых уплотнений перепад давлений между коллектором подачи пара на уплотнения и коллектором отсоса пара из промежуточных камер уплотнений уменьшается. А так как заданное давление в коллекторе подачи поддерживается регулятором, то величина расхода пара в коллектор отсоса становится все более зависимой от расхода и температуры конденсата на входе в сальниковый подогреватель. Поэтому при достаточно высоком уровне износа уплотнений в сальниковом подогревателе наблюдается повышенное (близкое к атмосферному) давление и постоянная температура конденсата на выходе из него.
В качестве иллюстрации вышесказанного на рис. 3.7 приведены результаты измерений температуры на входе и выходе сальникового подогревателя ПС-100 турбины Т-50-130.
Данные получены в ходе тепловых испытаний турбины перед выводом ее в капитальный ремонт на теплофикационном режиме при двух включенных эжекторах и паровой нагрузке на турбину, близкой к номинальной. Измерения проводились при двух уровнях температуры охлаждающей воды на входе в конденсатор /ы—Ю С и /1в=10 С . В процессе испытаний были приняты два уровня расхода конденсата на напоре конденсатных насосов ( = 115 — 120 т/ч и Ок =140-И50 т/ч). В ходе экспериментов величины давлений в сальниковом подогревателе наблюдалась на уровне 94 — 98 кПа, а величины температурных напоров подогревателя составляли 19 — 21 С. Проведенные эксперименты позволили установить, что при постоянной тепловой нагрузке на турбину температура конденсата на-выходе из ПС-100 практически не зависит от расхода конденсата и его-температуры на входе. Полученные при обработке результатов испытаний величины температурных напоров свидетельствуют о значительных присосах воздуха в сальниковый подогреватель. С целью проверки запаса по производительности эжектора в случае полного открытия регулятора подачи пара на уплотнения были проведены дополнительные эксперименты с частичным сбросом пара из коллектора отсоса промежуточных камер уплотнений в конденсатор. На рис. 3.8 показана экспериментальная зависимость давления в конденсаторе от величины давления пара в коллекторе отсоса пара из уплотнений.
Представленные данные позволяют сделать вывод о том, что при имевших место в эксперименте условиях перегрузка эжектора по отсасываемому воздуху соответствует давлению в коллекторе отсоса, равном 80 кПа (при этом давлении клапан подачи пара на уплотнения был полностью открыт).
Результаты проверки адекватности математической модели конденсатора реальным объектам
3. Основным достоинством обобщенной характеристики переменных режимов является то, что она дает принципиальную возможность в явном. виде учитывать характеристики, эжекторов, а, следовательно; влияние; присо- сов воздуха на основные показатели работы конденсатора; Однако, в данной методике решающая роль в образовании и наличии зоны охлаждения п.в.с. во; всем диапазоне изменениям паровых нагрузок отвёдена, эжектору. В то: же время нормативные характеристики в области расходов пара выше 50 % номинальной очень близки- или практически совпадают с линией = const;, что свидетельствует о том; что зона охлаждения паровоздущнои смеси на этих режимах мала. В свою очередь эжектор вследствие своей малой производительности по сравнению! с расходом пара в конденсатор может оказывать влияние- на величину давления в конденсаторе только опосредованно, а именно; через изменение : размеров: зоны охлаждения. Если; зона мала; то и влияние эжектора на1 этих режимах мало, о чем свидетельствуют существенные расхождения зависимостей- к = f(q%), полученных на базе, нормативных характеристик и обобщенной характеристики переменных режимов (см. рис. 4.1, 4.2 и 4.3). Поэтому использование уравнения (4.30) для описания характеристик конденсаторов не представляется целесообразным;;
Таким образом, рассмотренные выше известные способы обобщения имеющихся, экспериментально полученных характеристик конденсаторов; в представленном авторами виде для их использования-; в качестве основы; для построения математических моделейшепредставляется возможным. 4!;2. Разработка математической модели конденсационной установки ; паровой турбины, оснащенной пароструйными эжекторами.
Под математической моделью конденсатора как объекта будем понимать его эквивалент, отражающий в математической форме важнейшие его свойства — законы, которым он подчиняется, связи, присущие составляющим его трубным пучкам, эжекторам, трубопроводам и т.п. Данная математическая модель может существовать только в триаде «методика — алгоритм - программа». Создав такую триаду, мы получим универсальный, гибкий и недорогой инструмент, который вначале необходимо отладить, адаптировать к конкретным условиям. После того, как адекватность (достаточное соответствие) триады исходному объекту установлена, на базе модели- можно проводить разнообразные и подробные «опыты», дающие требуемые качественные и количественные свойства и характеристики объекта.
Проведенный в данной работе анализ показал, что в настоящее время не существует единой/ методики, позволяющей получить характеристики конденсатора во всем реально возможном диапазоне паровых нагрузок при различных степенях загрязнения поверхностей теплообмена и присосах воздуха в конденсатор. Достоверными источниками информации о характеристиках конденсатора на этих режимах могут быть нормативные характери t
стики конденсаторов теплофикационных турбин и результаты экспериментальных исследований конденсаторов в широком диапазоне изменения паровых нагрузок, присосов воздуха в конденсатор и степенях загрязнения поверхностей теплообмена.
Обратимся еще раз к анализу нормативных характеристик. За основу примем нормативные характеристики, полученные ОРГРЭС для некоторых типов теплофикационных [111] и конденсационных [112] турбин. Указанные характеристики получены при испытаниях турбоустановок в условиях плотности вакуумной системы, отвечающей нормам ПТЭ при штатном количестве включенных в работу пароструйных эжекторов. Рассматриваемые конденсаторы оснащены эжекторами типа ЭП-3-2, ЭП-3-700 и ЭП-3-25/75, имеющими очень близкие характеристики.
Анализ нормативных характеристик 5t = f(DK), полученных ОРГРЭС позволил установить, что с достаточной степенью точности указанные характеристики при каждом значении t\e можно представить в виде ломаной ли нии с точкой перелома с координатами 5/ и О (или д ).
На рисунке 4.8 в координатах 1к д (где - удельная тепловая нагрузка конденсатора, кВт/м“) представлены характерные точки, соответствующие параметрам конденсации пара, полученные из нормативных характеристик 51 = /(ОК ) рассматриваемых конденсаторов при скоростях воды в их трубных системах на уровне 1,8-2,1 м/с и фиксированных значениях ї\в равных 5, 10, 15, 20, 25, 30 и 35 С.
Все поле значений соответствующих /]в и дк оказалось разбитым на три зоны. Первая зона при дк д , вторая зона при дк-д к и третья Як Як Характерной особенностью первой зоны является то, что каждая зависимость = /( ? ) при идентичных постоянных значениях для всех конденсаторов достаточно близка к линейной. На этих режимах можно ус ловно считать, что мы имеем дело с характеристикой одного конденсатора, построенного по экспериментальным точкам.
Можно предположить, что работа конденсатора в этой зоне характеризуется тем, что давление в конденсаторе больше минимально достижимого на входе в эжектор при данных условиях. Назовем режимы, соответствующие этому способу работы, режимами свободной конденсации. При этом эжектор догружается паром из конденсатора, то есть давление на входе в эжектор определяется режимом работы конденсатора. Влияние присосов воздуха на этих режимах мало, особенно при сравнительно высоких температурах охлаждающей воды і\в 20 С.
Граничные значения 1К и соответствующие точкам перелома характеристик всех конденсаторов, расположены в сравнительно узком диапа номинальной величины удельной тепловой (паровой) нагрузки конденсатора. В пределах зоны граничных значений точки перелома характеристик конденсаторов лежат очень близко к соответствующей по аппроксимирующей прямой. .
При расходах пара в конденсатор дк = дг при существующей величине присосов воздуха параметры пара в конденсаторе достигают значений, при которых давление на входе в эжектор достигает минимально возможного для эжектора данного типа.
При дк в конденсаторе начинает интенсивно скапливаться воздух; сокращается зона массовой конденсации пара и соответственно уменьшается средний коэффициент теплоотдачи. Между конденсатором и эжектором при каждом цк с/ устанавливается динамическое равновесие, при котором количество воздуха, присасываемое в вакуумную систему турбоустановки, равно количеству воздуха, удаляемому эжектором.
Характеристики конденсаторов, расположенные левее граничных то- чек, также могут быть приняты линейными. Однако для каждого типа конденсатора они имеют индивидуальный характер и очень существенно различаются между собой. На основе рассмотренных в настоящей работе литературных данных можно предположить, что в этом случае располагаемое давление на входе в, эжектор выше возможно достижимого в данных условиях конденсатором:. Наличие значительного количества воздуха в конденсаторе, приводитгк повышению: давления в; нем-до величины,, обеспечивающей-дина- мическое равновесие между эжекторомдаконденсатором при.имеющих место присосах воздуха в: конденсатора температуре охлаждающей воды на входе. Воздух в конденсаторе:.может скапливаться как в зоне воздухоохладителя- так и в глубине трубного пучка в виде “воздушных мешков”. На этих режимах величина присосов воздуха оказывает очень сильное влияние на величину давленияш.конденсаторе.; Имеющее место расхождение нормативных характеристик Г. = /{як), на режимах; ограниченных;эжектором объясняется
различными: величинами присосов воздуха, имевших место при получении нормативных характеристик рассмотренных конденсаторов. Наличие воздуха в паре приводит к перераспределеникт паровых нагрузок, по; глубине трубного; пучка, и соответственно:, к. изменениям, локальных значений; коэффициентов теплопередачи кл и плотности теплового:потока Яд. При этом; как показали исследования; рабочего процесса конденсатора [43], в зоне интенсивной конденсации температура изменяется, незначительно и уменьшается по мере роста концентрации воздуха и понижения скорости потока. Преобладающее влияние на теплоотдачу с паровой стороны в начале этой зоны; оказывает термическое сопротивление конденсатной пленки. По мере конденсаций пара это влияние ослабляется;. а влияние сопротивления переносу массы возрастает и происходит переход к зоне охладителя паровоздушной смеси в которой значительная; уже на входе в нее, а затем быстро возрастающая концентрация воздуха приводит к низким и относительно мало изменяющимся значениям кл VI ял, заметному понижению температуры смеси из-за уменьшающегося парциального давления пара и определяющему влиянию на теп- лоотдачу с паровой стороны. Граница между зонами интенсивной конденсации и воздухоохладителя при цк нестабильна. Распределение параметров процесса по пути движения пара (смеси) и положение границы между зонами зависят для данного конденсатора от режимных факторов и характеристик эжектора. На режимах работы, ограниченных эжектором при условии использования практически однотипных эжекторов, но различных величин присосов воздуха (разный тип турбоустановок) появляются отмеченные различия характеристик конденсаторов.
Положение места перехода: от режимов? свободной конденсации к режимам, ограниченным эжектором, на характеристике конденсатора зависит от характеристики эжектора при отсасывании п.в:с., температуры воды на входе в конденсатор, ее расхода, величины присосов воздуха1 в конденсатор и степени загрязнения конденсатора. . Следует, отметить, что замена гладких зависимостей линейны ми не приводит к существенным погрешностям при определении . давлений в конденсаторе/ или величины недогрева Для иллюстрации этого утверждения построим: на основе- нормативных, характеристик зависимости = у конденсатора 80: КЦС турбины ПТ-80-130/13, оснащенного: эжектором ЭП-3-700 при температурах охлаждающей воды //в= 30, 20 и 10 С (см. рис. 419). Сплошными линиями, на рисунке показаны зависимости; построенные на основе нормативных характеристик, = /(к), а пунктирными линиями — на основе линейных рк = /(к). Из рисунка видно, что замена гладких зависимостей на линейные не приводит к существенным погрешностям при определении 1К (отклонения в точках излома соответствующим не превышаютпо рк 0,15кПа).
Разработка методики определения величин парциальных давлений воздуха и пара в конденсаторе
Главными эксплуатационно-режимными факторами, влияющими на деаэрирующие свойства конденсаторов; как было показано в главе 5, являются паровая; нагрузка конденсатора, начальная температура охлаждающей-: воды, ее расход, величина присосов воздуха .в вакуумную систему турбоагрегата, расход и температура- химически обессоленной воды, подаваемой, в конденсатор. Характер и особенности влияния; вышеперечисленных факторов рассмотрены в работах [110,52,48,56;53,1»36;49]; В;»частности; в [52] приведе. ны данные по испытаниям конденсаторов с разными компоновками трубных пучков; охватывающие турбоустановки; неблочного типа мощностью от 100; кВт до 540 МВт на начальные параметры; пара до 10 МПа и.500-530 С. Результаты испытаний- показывают, что со снижением паровой; нагрузки конденсатора менее 70%. от номинальной; у подавляющего большинства конденсаторов; наблюдается ухудшение их деаэрирующей-способности (см:рис. 5:1).
Практически аналогичные результаты дали испытания конденсаторов: блочных турбоустановок мощностью 150-300 МВт. При этом, показано;, что повышение воздушной плотности вакуумной системы (при прочих равных условиях) сдвигает точку перехода на ухудшение кислородосодержания в область меньших расходов пара в конденсатор [53,132]. .
Влияние начальной; температуры и расхода охлаждающей воды на деаэрирующие свойства конденсатора было выявлено проведенными Союзтех- энерго исследованиями ряда конденсаторов [52]. Установлено, что изменение паровой нагрузки в пределах от 100 до 50 % номинальной и начальной температуры охлаждающей воды в пределах от 1 до 26 С практически никакого влияния на деаэрирующие свойства конденсатора не оказывает. Это положение справедливо для конденсаторов с нормативной воздушной плотностью. При пониженной воздушной плотности деаэрирующая способность с понижением начальной температуры охлаждающей воды ухудшается [137]. Изменение расхода охлаждающей воды (даже при ее низкой начальной температуре) не оказывает заметного влияния на содержание кислорода в конденсате [49].
Большое число испытаний [52.48,49 и. др.] с искусственной подачей воздуха-вг паровое пространство конденсатора показывают, что до наступления момента перегрузки эжектора даже значительные присосы воздуха не влияют влияния на деаэрирующие свойства» конденсатора при номинальных и близких к ней паровых нагрузках. Однако, при паровой нагрузке-конденсатора 30 — 60 % от номинальной на его деаэрирующую1 способность начинают оказывать ощутимое влияние снижение начальной температуры охлаждающей воды и увеличение присосов воздуха в паровой объем вакуумной систе- мы.
При нормативной воздушной плотности конденсатора\ повышение начальной температуры охлаждающей воды с 5 — 7 С до 26 С обеспечивает устойчивость его деаэрационной характеристики в диапазоне изменения паровых нагрузок 20 —100 %.
Ввод добавочной воды в конденсатор в больших количествах (даже соизмеримых с номинальным расходом - пара на турбину) при недогревах до температуры насыщения 15-20 С, как показали опыты Союзтехэнерго [52], слабо сказывается на качестве деаэрации воды, если правильно выполнить этот ввод в объем трубного пучка. Так, например, добавочную воду и дренажи с температурой ниже температуры насыщения в конденсаторе рекомендуют вводить в паровое пространство до трубного пучка [106], а перегретую воду целесообразно вводить в нижнюю часть конденсатора.
По мнению, высказанному в [49], дальнейшее повышение плотности и регенеративности конденсаторов будет способствовать смещению точки пе рехода конденсатора на ухудшенную деаэрирующую способность в область паровых нагрузок 15-25 % от номинальной.
В соответствии с задачами настоящей работы областью исследования деаэрирующих свойств конденсатора теплофикационной турбины являются наиболее характерные для него режимы эксплуатации в диапазоне паровых нагрузок от 5 до 50 % номинальной. Кроме того, основным условием снижения вероятности эрозионного износа выходных кромок лопаток последних ступеней турбины является перевод всех пароводяных потоков, включая» добавочную воду, в нижнюю» часть конденсатора под его трубный пучок. Как показал приведенный выше обзор литературы, специальных исследований в интересующей- нас области паровых нагрузок практически не проводилось, однако показано, что здесь следует ожидать резкого ухудшения деаэрирующих свойств конденсатора. Это подтверждается и опытом эксплуатации теплофикационных установок.
Представляется, что задача повышения деаэрирующей способности конденсаторов на указанных режимах может быть решена только при условии выяснения комплексного влияния эксплуатационно-режимных факторов на содержание кислорода в конденсате Для- этого можно воспользоваться расчетной методикой определения равновесных газосодержаний конденсата на выходе из конденсатора (см. главу 5) с последующей экспериментальной проверкой основных результатов расчетов в натурных условиях.
