автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Разработка и исследование некоторых способов повышения эффективности конденсационных устройств теплофикационных турбин при малопаровых режимах работы

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Вятский Государственный Технический Университет

На правах рукописи

ШЕМПЕЛЕВ АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНДЕНСАЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ТУРБИН ПРИ МАЛОПАРОВЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук

Е.И.Эфрос

Научный консультант доктор технических наук Ефимочкин Г.И.

Киров 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1. Состояние вопроса и постановка задачи ис- 13 следований.

1.1. Основные пути снижения потерь теплоты в 13 конденсаторах теплофикационных турбин.

1.2. Особенности работы конденсатора теплофика- 23 ционной турбины при малых пропусках в него

пара.

1.3. Обзор результатов исследований деаэрирующей 28 способности конденсаторов турбоустановок.

1.4. Постановка задачи исследований 43

2. Объекты и методика исследований 45

2.1. Выбор объекта и общей методики исследова- 45 ний.

2.2. Организация измерений и режимов работы тур- 52 боустановок при проведении испытаний.

3. Экспериментальная оценка составляющих вели- 58 чин суммарного теплового потока в конденсаторы теплофикационных турбин.

4. Разработка методики расчета равновесных га- 82 зосодержаний конденсата на выходе из вакуумного конденсатора пара и ее экспериментальная проверка.

4.1. Выбор основных зависимостей для расчета 82 равновесных газосодержаний труднорастворимых газов в воде.

4.2. Разработка методики определения величин 90 парциальных давлений воздуха и пара в конденсаторе и экспериментальная ее проверка.

5. Разработка некоторых способов повышения де- 107 аэрирующей способности конденсаторов паровой турбины на базе расчетных и экспериментальных исследований.

5.1. Результаты расчетных оценок влияния экс- 107 плуатационно-режимных факторов на деаэрирующие характеристики конденсатора паровой турбины.

5.2. Разработка способов и устройств для подачи 124 химически обессоленной воды, конденсата рециркуляции и дренажей в конденсаторы теплофикационных турбин.

5.3. Разработка и исследование модернизированной 147 системы удаления парогазовой смеси турбо-установки.

5.4. Повышение деаэрирующей способности конден- 158 саторов путем раздельного удаления паровоздушной смеси из подогревателей и конденсаторов теплофикационных турбоустановок.

б. Разработка и исследование некоторых спосо- 166 бов снижения потерь теплоты с потоками, поступающими в конденсаторы теплофикационных турбин помимо части низкого давления.

6.1. Выбор основных путей утилизации теплоты по- 166 токов, поступающих в конденсаторы помимо

ЧНД.

6.2. Разработка способов и устройств подачи хи- 168 мически обессоленной воды в конденсаторы с целью снижения теплопотерь.

6.3. Полезное использование теплоты конденсата 175 рециркуляции и других потоков в конденсаторе теплофикационной турбины.

6.4. Разработка и исследование новой системы са- 188 моуплотнения цилиндров теплофикационной паровой турбины.

6.5. Использование выносных расширителей дрена- 204 жей для утилизации тепла и пароводяных потоков .

Заключение. 215

Литература

220

Введение

Важнейшей задачей, стоящей перед современной энергетикой, является повышение эффективности топливоис-пользования на электростанциях . Решению этой задачи в значительной степени способствует применение комбинированного способа производства тепловой и электрической энергии. В настоящее время ТЭЦ вырабатывают более половины от общего количества электроэнергии, производимой на тепловых электростанциях, обеспечивая при этом около 40% потребности страны в тепловой энергии [61]. Тем не менее, типовые решения, используемые при проектировании ТЭЦ, 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 на базе комплексных исследований турбинного оборудования для реальных условий 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 температурных напоров и значительное переохлаждение конденсата. На трубном пучке конденсатора происходит интенсивное насыщение конденсата агрессивными газами (кислород, углекислота) до значений концентраций, в несколько раз превышающих нормативные, что приводит к активной коррозии питательного тракта от конденсатора до деаэратора и выносу окислов меди и железа на теплообменные поверхности котлов. Накопление продуктов коррозии в трубах экономайзеров и экранов является одной из основных причин аварий котлоагрегатов. Кроме того, на указанных режимах помимо ЧНД в конденсатор сбрасывается ряд пароводяных и паровоздушных потоков, теплота которых соизмерима с теплотой пропуска пара через регулирующую диафрагму ЧНД. Снижение потерь теплоты с этими потоками позволяет существенно повысить экономичность турбоустановок.

Следовательно, задачи повышения экономичности, маневренности и надежности теплофикационных паротурбинных установок на режимах работы по тепловому графику с минимальными пропусками пара в ЧНД напрямую связаны с задачами повышения эффективности работы их конденсаторов.

В опубликованных работах практически отсутствуют данные по исследованию конденсаторов теплофикационных турбин на малопаровых режимах, в которых конденсатор рассматривался бы как часть системы конденсатор-эжектор с учетом теплоты сбрасываемых в него потоков и режима работы последних ступеней турбины. Проведение таких исследований позволило бы минимизировать расходы теплоты в конденсатор, повысить его деаэрирующую способность , экономичность и надежность турбоустановки в целом.

Таким образом, поставленная в настоящей работе задача разработки и исследования способов повышения эффективности конденсационных устройств теплофикационных турбин при малопаровых режимах работы является весьма актуальной. Решение данной задачи потребовало изучения ряда конкретных вопросов, основные из которых перечислены ниже.

Проведена экспериментальная оценка составляющих величин суммарного теплового потока в конденсаторы теплофикационных турбин различных типов. Установлено, что количество теплоты, поступающего в конденсаторы теплофикационных турбин помимо проточной части, вполне соизмеримо с теплотой вентиляционного пропуска пара через закрытые регулирующие неуплотненные диафрагмы ЧНД и существенно (в 1,5-2 раза) превышает расчетные данные за-

водов-изготовителей. Основными составляющими суммарного теплового потока в конденсаторы помимо ЧНД являют-

ся: теплота конденсата рециркуляции (0,6-0,7 ) , теплота, поступающая с отсосами паровоздушной смеси (п.в.с.) из регенеративных и сетевых подогревателей

(0.15-0,2 Ок) и с дренажами из теплообменников, находящихся в контуре рециркуляции (« 0,10^ ) . Величины указанных тепловых потоков возрастают практически линейно с увеличением расхода пара на турбину [107].

Полученные результаты показали целесообразность и принципиальную возможность полезного использования теплоты потоков, сбрасываемых в конденсатор помимо ЧНД.

Предложены методики расчета системы конденсатор-воздухоудаляющее устройство, позволяющие определить давление в конденсаторе и равновесное газосодержание воды на выходе из него. Сравнительные исследования с использованием имеющихся экспериментальных данных подтвердили возможность применения разработанных методик для проведения практического анализа влияния различных факторов на деаэрирующую способность конденсатора и разработки мероприятий по повышению эффективности его работы [100,101].

Установлено, что традиционный подход к определению минимально возможного кислородосодержания конденсата и других водяных потоков, основанный на предположении неизменности расхода воздуха через различные (по ходу пара) сечения конденсатора, определяемого присосами воздуха в вакуумную систему, не позволяет получить адек-

ватную оценку величины остаточного содержания кислорода в конденсате на выходе из конденсатора в режимах работы по тепловому графику. Результаты выполненных исследований свидетельствуют о том, что содержание кислорода в конденсате является показателем не только регенератив-ности и воздушной плотности конденсатора, но и степени соответствия характеристики воздухоудаляющего устройства характеристике конденсатора.

На базе расчетных и экспериментальных исследований выявлено влияние эксплуатационно-режимных факторов на деаэрирующие свойства конденсаторов и выбрана совокупность наиболее эффективных управляющих воздействий, позволяющих обеспечить требуемое качество деаэрации конденсата. Этими воздействиями являются: перевод конденсата рециркуляции, подпиточной химически обессоленной воды (ХОВ), других пароводяных и паровоздушных потоков в зону регенеративного подогрева конденсатора через специальные водораспределительные устройства; уменьшение до минимума вентиляционного пропуска пара в конденсатор; снижение присосов воздуха в конденсатор и понижение давления всасывания эжекторов с помощью дополнительных устройств. Сформулированы необходимые требования к конструктивному оформлению ввода в паровое пространство конденсатора конденсата рециркуляции подпиточной ХОВ, дренажей и предложены конкретные варианты их исполнения [97,100,42].

Определены начальные параметры подпиточной воды и других потоков, необходимые для их глубокой деаэрации в конденсаторе. Установлено, что для обеспечения норма-

тивного содержания кислорода в конденсате на выходе из конденсатора количество вводимых в зону регенеративного подогрева пароводяных потоков должно, как минимум, в 34 раза превышать вентиляционный пропуск пара через ЧНД [101,108] .

Разработан и экспериментально проверен способ снижения массового расхода паровоздушной смеси за счет дополнительной конденсации паровой фазы из состава п.в.е., поступающей на эжекторы, в специальных выносных охладителях [44]. Использование данного способа позволяет снизить давление в конденсаторе на 0,4-0,8 кПа и снизить остаточное содержание кислорода в конденсате на 30-60 мкг/кг.

Предложены модернизированные схемы раздельного отсоса паровоздушной смеси из регенеративных и сетевых подогревателей и конденсатора. Использование предложенных схем позволяет уменьшить количество воздуха, попадающего в конденсатор, на 50-75%, углубить в нем вакуум и снизить содержание кислорода в конденсате, стекающем с трубного пучка [44] .

На базе проведенных оценок тепловых потерь в конденсаторах и определения количества теплоты, необходимого для поддержания их деаэрирующих свойств на заданном уровне, разработан ряд новых решений, направленных на снижение тепловых потерь с пароводяными потоками, поступающими в конденсатор помимо ЧНД.

Разработан и реализован на нескольких турбоустанов-ках способ замещения конденсата рециркуляции основного

конденсата в конденсатор деаэрированной ХОВ более низкого теплового потенциала [3,83,99,105].

Для условий параллельной работы основного пучка, охлаждаемого циркуляционной водой, и встроенного пучка, в котором подогревается технологическая вода, разработан ряд решений, обеспечивающих подвод горячих пароводяных потоков к специально выделенной части встроенного пучка. Эти решения дают возможность существенно увеличить тепловую нагрузку встроенного пучка за счет снижения потерь теплоты с охлаждающей основной пучок циркуляционной водой. При этом предусмотрены меры, позволяющие регулировать указанную тепловую нагрузку [4 6].

Экспериментально подтверждена работоспособность новых систем концевых уплотнений цилиндров турбин типа ПТ-60/75-130/13 и ПТ-80/100-130/13, реализующих принцип полного самоуплотнения и обеспечивающих полезное использование до 5-7 МВт теплоты [7,98,99,106].

Предложена регенеративная установка• теплофикационной паровой турбины, предусматривающая поддержание давления в паровых пространствах охладителей эжектора уплотнений и сальникового подогревателя на заданном уровне за счет регулирования расхода основного конденсата через их трубные системы. Использование предлагаемой установки позволяет уменьшить присосы в вакуумную систему, поддерживать на минимальном уровне расход пара на уплотнения, обеспечить работу роторов турбины в стабильном температурном режиме. Кроме того, оборудование указанной установки дополнительным водоводяным теплооб-

менником обеспечивает утилизацию избытка теплоты конденсата рециркуляции и ХОВ [43].

Экспериментально установлена достаточно высокая эффективность (как утилизатора теплоты) опытно-промышленной установки, состоящей из отделенного от конденсатора смешивающего расширителя дренажей и водо-водяного подогревателя химически обессоленной воды [99,108,97].

Результаты выполненной работы позволяют решать практические задачи, связанные с разработкой и внедрением на ТЭЦ мероприятий по снижению потерь тепла в холодном источнике и повышению надежности оборудования. Выявленные закономерности и разработанные методики расчетов дают возможность уменьшить объем натурных исследований, сократить затраты на их проведение и используются в НПЛ «Повышение эффективности работы ТЭЦ» ВятГТУ при проведении НИР и ОКР для различных энергосистем нашей страны. Реализация разработанных решений позволяет экономить ежегодно 3-5 тыс. ту. т. на одну турбоуста-новку. Результаты настоящей работы к настоящему времени используются на ТЭЦ Кировэнерго, Пермьэнерго, Архэнер-го, Смоленскэнерго и других энергосистем.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1.Основные пути снижения потерь теплоты в конденсаторах теплофикационных турбин.

Как известно, преимущество комбинированного способа производства электрической и тепловой энергии по сравнению с раздельным связано с возможностью снижения удельных затрат теплоты на выработку электроэнергии в результате уменьшения удельных потерь теплоты в холодном источнике. Таким образом, основным направлением повышения эффективности работы теплофикационных турбин является снижение потерь теплоты в конденсаторах и увеличение доли электроэнергии, вырабатываемой на тепловом потреблении. Указанная цель принципиально может быть достигнута двумя путями: за счет полезного использования теплоты отработавшего пара (например, для подогрева технологической и сетевой воды) и за счет уменьшения до предельно допустимого значения расхода пара в ЧНД и конденсатор при охлаждении последнего циркуляционной водой.

В режимах работы турбин по тепловому графику минимальный пропуск пара в ЧНД должен определяться исходя из требований по экономичности надежности, маневренности и располагаемой мощности турбоустановки.

Если конденсатор охлаждается циркуляционной водой, потери теплоты в нем прямо зависят от расхода пара в

ЧНД. В этом случае рост экономичности турбины однозначно связан со снижением пропуска пара в ЧНД.

При полезном использовании теплоты в конденсаторе такая однозначность может отсутствовать. В указанных условиях оптимальным расходом пара в ЧНД будет такой, при котором достигается максимальная выработка электроэнергии. Однако, как показали проведенные расчетные исследования [96] даже для турбин с относительно короткими рабочими лопатками ступеней ЧНД при реальных"