автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка воздушного конденсатора нового поколения и исследование его характеристик

Введение Стр.

Глава 1 Анализ современного состояния вопроса применения воздушных конденсаторов в энергетике

1.1 Анализ существующих конструкций воздушных конденсаторов и особенности их эксплуатации

Эффективность, надежность и экологическая безопасность производства электроэнергии в значительной степени зависит от условий работы низкопотенциальной части электростанции, возможности создания глубокого вакуума в конденсаторе, возможности обеспечения надежной и экологически безопасной работы конденсационной установки. Поэтому разработка высокоэффективного конкурентоспособного на мировом рынке воздушного конденсатора нового поколения является одной из основных задач данной работы.

В период обозначившегося даже для России дефицита водных ресурсов, требуются нетрадиционные для энергетики решения в части организации процессов конденсации пара и использовании охлаждающей циркуляционной воды, потери которой при применении открытых систем охлаждения достигают 3,5-4%.

В связи с возросшими требованиями по охране окружающей среды и рациональному использованию водных ресурсов, дальнейшее использование традиционных систем охлаждения отработавшего в турбине пара становится проблематичным. В отличии от этого, использование воздушных систем охлаждения позволяет существенно снизить уровень экологической напряженности, практически полностью исключить безвозвратное водопотребление, устранить образование отложений в виде накипи и биообразований в тепло-обменном оборудовании и повысить его надежность.

При использовании воздушного конденсатора (ВК) отпадает необходимость в сооружении и эксплуатации водозаборных и очистных сооружений, строительстве градирен и других систем водоснабжения. В экологическом отношении ВК позволяют избежать насыщения атмосферного воздуха водяными парами, а также существенно сокращают изъятие водных ресурсов из природной среды.

При использовании ВК местоположение электростанции не зависит от источника водоснабжения, что является существенным положительным фактором, особенно для условий города при строительстве станций децентрализованного комбинированного производства тепловой и электрической энергии, а также для автономных электростанций, использующих тепловую энергию мусоросжигающих заводов, дизельных и парогазовых электростанций.

К сожалению, в энергетике нашей страны совершенно не применяются воздушные конденсаторы, в то время как в Германии, США, Франции, Голландии, ЮАР и др. странах они с каждым годом находят все более широкое применение. Наши научно-исследовательские и проектные институты даже в перспективе не рассматривают возможность применения воздушных конденсаторов в отечественной энергетике.

Проблема использования воздушно-конденсационных установок электростанций ставится в связи с увеличивающимся дефицитом водных и земельных ресурсов, природоохранными требованиями, потребностями внутреннего и внешнего рынка. Для мало- и безводных районов остается единственная возможность - применение сухих систем охлаждения: прямой с воздушным конденсатором и косвенной с радиаторной градирней. Сухие системы имеют неоспоримые преимущества перед испарительными как с природоохранной точки зрения, так и по доступности воздуха как охлаждающей среды.

При прямой системе пар отдает тепло в поверхностном конденсаторе непосредственно воздуху, при косвенной системе в поверхностном или смешивающем конденсаторе пар отдает тепло промежуточному теплоносителю -воде, которая затем охлаждается воздухом в поверхностном теплообменнике радиаторной башни.

Применяемые в настоящее время поверхностные конденсаторы, охлаждаемые атмосферным воздухом, имеют обычно оребренную наружную поверхность труб, внутри которых конденсируется пар.

В последние годы усилия исследователей были направлены на усовершенствование конструкции воздушных конденсаторов. Появилась целая серия конденсаторов с различным профилем ребер и труб.

Следует отметить, что оборотная система с сухой охладительной башней вследствие наличия в ней дополнительного теплообменника (контактного конденсатора) более сложна и требует при тех же расчетных температурах отработавшего пара и наружного воздуха на 25-30% большей поверхности теплообмена радиаторных элементов башни, чем поверхность воздушного конденсатора, или увеличения расхода охлаждающего воздуха.

Все выше изложенное повысило конкурентоспособность воздушных конденсаторов по сравнению с предназначенными для тепловых электростанций в маловодных районах оборотными системами водоснабжения с сухими (радиаторными) охладительными башнями, применяемыми взамен градирен (мокрых) с испарительным охлаждением циркуляционной воды.

Опыт эксплуатации воздушных конденсаторов на электростанциях в США, Франции, Голландии, ЮАР и Германии показал не целесообразность применения в оборотных системах контактных конденсаторов, приводящих к соединению между собой контуров питательной и охлаждающей воды и вызывающего наряду с эксплуатационными трудностями дополнительные затраты, связанные с установкой под контактными конденсаторами циркуляционных насосов, забирающих смесь охлаждающей воды с образовавшимся конденсатом из под вакуума. Также не оправдало себя и применение в охладительных элементах башен алюминиевых труб, имеющих малый диаметр (14-15 мм) и небольшую толщину стенки (0.5-0.75 мм). Они оказались подверженными разрушению под действием достаточно резких переменных температурных режимов. В то же время применение цельносварной конструкции воздушных конденсаторов с использованием при их изготовлении современной сварочной техники и современных методов контроля качества сварки позволяют обеспечить достаточно высокую плотность вакуумных систем. Кроме того, необходимо отметить следующие неоспоримые преимущества воздушных конденсаторов по сравнению с испарительными башенными градирнями:

- независимость выбора площадки от источника водоснабжения;

- низкие капитальные вложения;

- экологически чистый процесс охлаждения.

Все выше перечисленное приводит к выводу о предпочтительности применения воздушных конденсаторов. Поэтому разработка и исследование аспектов использования воздушных конденсаторов на электростанциях для улучшения экологических условий в районе расположения станций весьма актуальна.

Конкурентом ВК могут быть прямоточная система водоснабжения или оборотная. Прямоточная система предполагает наличие естественных водоемов с большим запасом воды. Такая система является наиболее дешевой, т.к. не требует сооружения дорогостоящих объектов типа градирен или прудов-охладителей. Прямоточная система обеспечивает также более низкую температуру охлаждающей воды. Поэтому в тех случаях, когда ситуационный план электростанции и экологические условия позволяют, предпочтение должно быть отдано прямоточной системе водоснабжения. Однако реальное сочетание благоприятных географических и экологических факторов становится все более редким явлением, а с ростом экологических требований, вероятнее всего, станет исключительным явлением даже для конденсационных электростанций.

Что касается теплоэлектроцентралей, то в силу специфики производимой энергии, они должны строится вблизи потребителей тепловой энергии. Поэтому реальный конкурент ВК - оборотная система водоснабжения с градирнями или брызгательными бассейнами, В силу отсутствия отечественного опыта изготовления, монтажа и эксплуатации ВК, оценку эффективности, надежности и экологической безопасности нами проведены по зарубежным данным.

По оценкам специалистов фирмы ГЭА (Германия) стоимость ВКУ составляет примерно 80-100% от стоимости оборотного водоснабжения с поверхностными конденсаторами; расходы электроэнергии на привод вентиляторов и циркуляционных насосов приблизительно равны.

Современное энергомашиностроение решает проблемы интенсификации тепломассообмена традиционными методами, сопрягающиеся, как правило, с квадратичными потерями в гидросопротивлении по сравнению с выигрышем в теплообмене. Это не обеспечивает дальнейшее повышение эффективности энерготехники и имеет ограниченные области применения. Поэтому, важную роль в дальнейшем прогрессе в энергообмене и энергопреобразовании должен играть новый класс организации как процесса конденсации, так и теплообмена со стороны охлаждающего воздуха. Для решения данной проблемы использованы принципиально новые формы компоновки поверхности теплообмена со стороны охлаждающего воздуха и новые способы организации процессов тепло- массообмена со стороны конденсирующегося пара.

Настоящая работа включает в себя проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований с целью получения рабочих характеристик ВК нового поколения для разработки методики расчета и проектной документации серийных промышленных ВК нового поколения для энергоблоков различной мощности.

Попытки широкого внедрения воздушных конденсаторов (ВК) привели к созданию различных конструкций конденсаторов. В связи с этим в диссертационной работе дается анализ существующих конструкций ВК и сопоставление некоторых их теплоаэродинамических характеристик с целью выявления путей создания более совершенных аппаратов, как по эффективности протекания процессов тепломассообмена при конденсации, так и по технико-экономическим показателям.

Таким образом, целью работы является разработка высокоэффективного, конкурентоспособного на мировом рынке воздушного конденсатора с целью снижения материалоемкости, удельных затрат мощности, повышения удельной тепловой нагрузки, компактности, коэффициента эффективности,

10 надежности и экологической безопасности путем организации высокоэффективных тепломассообменных процессов.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

По диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

1. Дан анализ технических решений и эксплуатационных показателей зарубежных и отечественных воздушных конденсаторов. Предложены и разработаны новые решения в организации высокоэффективных процессов тепломассообмена в воздушных конденсаторах нового поколения (ВКНП).

2. Разработана расчетная модель турбулентности при конденсации пара на струях охлаждающей жидкости в воздушном конденсаторе нового поколения, учитывающая особенности межфазной границы "жидкость-пар". Сущность модели состоит в том, что в зависимости от поверхностного натяжения жидкости и уровня турбулентности в потоке рассчитываются коэффициенты турбулентного переноса на самой поверхности раздела фаз.

3. Создана вычислительная программа, представляющая собой сложный информационно - вычислительный комплекс, реализующий компьютерную модель процесса двухфазного турбулентного тепломассообмена как эффективный алгоритм численного интегрирования системы уравнений в частных производных, обеспечивающий обработку и систематизацию расчетных и экспериментальных данных по струйной конденсации в форме встроенной базы данных и снабженной эффективным графическим пользовательским интерфейсом. Разработанная модель позволяет теоретически решать вопросы тепломассообмена при струйной конденсации пара.

4. Разработан и реализован экспериментальный стенд модуля опытно - промышленной установки ВКНП. Проведенные исследования восполняют пробел в технической литературе, позволяя эффективно и надежно проектировать ВКНП.

5. Проведены расчеты ВКНП для различных режимных параметров, подтверждающие работоспособность модели. Разработанная модель по своим точностным, скоростным характеристикам и возможностям расчета в ши

205 роком диапазоне изменения параметров может успешно применяться в решении широкого круга задач при проектировании ВКНП.

6. Найдены и изучены возможности повышения эффективности и надежности ВКНП. Выработаны рекомендации по расчету, проектированию и организации работы ВКНП для энергоблоков различной мощности, обеспечивающие наибольшую энергетическую эффективность.

7. Внедрение разработанного ВКНП обеспечит значительный экономический эффект на электростанциях и энергетических предприятиях. Повысит надежность энергоснабжения потребителей и существенно улучшит экологическую безопасность.

1. Power Engineering, 1980, v.84, №8, p.66-69, 1985,v.89, №l,p48-50.

2. VGB-Kraftwerktechnik, 1984, Bd.64, №4, S.318-322.

3. VGB-Kogress: Vortz. Kraftwerke, Essen, 1983, S.I 75-179.

4. Bariz John A., Maulbetsch John S., A substitute for water: Dry cooling of power plants. "Mech.Eng.", 1986, 108, №4, 55-59.

5. Schlichting H. Boundary Layer Theory. Sec.G.Braun. Karlsruhe,1965.

6. Sears W.R. The Boundary Layer of Yawed Cylinders, J.Aeronaut.Sei., vol.15, pp.49-52,1948.

7. Zukauskas A.A. Convective Transfer in Heat Exchangers, pp.222291, Moscow, 1982.

8. Stuart D.O., Dusatko R.A. and Zaucha C.F. 1971 "Howito Minimise Siztf of Condenser for Steam Car", The SAE Jornal of Automotive Engineering, vol.79,Oct.,pp.33-38.

9. Zubair S.M., Kadaba P.V. and Evans R., 1985. "Design Optimization of Two Phase Heat Exchangers", presented at 23rd National Heat Transfer Conference, Denver, Colo., ASME-HTD, vol.44, pp.71-81.

10. Lau S.C., Annamalai K., Shelton S.V, "Optimization of Air-cooled Condensers". Journal of Energy Resources Technology, Transactions of the ASME, vol.109, June 1987, pp.90-95.

11. Справочник по теплообменникам. T.2, под ред. Мартыненко О.Г., Михалевича А.А., Шикова В.К. Москва, Энергоатомиздат 1987, с.89-96

12. P.Lacitignola, G Met, Q.Zanabini, B.Valeri. "Antibreering Air-cooled steam condenser and test". Quademi Pignone №33 PROM 441/2

13. Тихонов Б.А. Исследование воздушно-конденсационных установок. Дисс. на соискание уч.ст. канд.техн.наук. М., МЭИ, 1973 г.

14. Corrosion Test Comparison on Dry Cooling Bundles of Dry Cooling Towers VGB Technicalscientible Reports "Thermal Power Plants", October 1983. v

15. Ham A .J., West L.A. ESKOMS Forschritt in der Trockenkuhlung VGB Kraftwerktechn. 1988. -68№9, c.912-917.

16. Гущик Г.В., Котли Т.А., Куусик X.A. и Рауде A.B. Теплообмен-ный аппарат воздушного охлаждения. Авторское свидетельство СССР, №162170. M.Kji3.F288io1.066 1963

17. Alessandro Zanobini. Пароконденсатор с воздушным охлаждением. Патент №1269750, Италия. МКИ4Р28В, 1/06, 1982

18. Конденсатор с воздушным охлаждением. Авторское свидетельство 4CCP(CS), №236050, МКИЗР28В, 1/06, 1985

19. КЗО.Конденсатор пара с воздушным охлаждением. Заявка. Великобритания (GB), №2172391. МКИ4Р28В, 1/06, 1985131 .Охладитель с вентилятором. Заявка ФРГ, №053315441. МКИ4Р28В, 1/06, F 04D, 29/44, 1982

20. Теплообменник воздушного охлаждения. Авторское свидетельство СССР, №1164543. МКИ4Р28М, 1/06,19851 .ЗЗ.Воздухоохлаждаемый конденсатор водяных паров. Авторское свидетельство ЧССР (CS), №242554. MKH4F28B, 9/08, 1986

21. Конденсатор с воздушным охлаждением. Заявка. Япония (JP), №60-37387. МКИ4Р28В, 1/06, 1985

22. Вакуумный конденсатор водяного пара с воздушным охлаждением. Заявка. Япония (JP), №59-24783. MKH4F28D, 1/04, F 28В, 1/06, 1978

23. Дитрих Донт. Поверхностный конденсатор. Патент, ФРГ, №345700. МКл3Б 28В, 1/06,1969

24. Теплообменник с воздушным охлаждением. Патент ГДР (DD), №241537, МКИ4Р 28D, 1/00, F28B 1/06, 1986

25. Способ и устройство для регулирования работы охлаждаемого наружным воздухом конденсатора водяного пара. Патент США, №4450899, МКИ F 28В 11/00, F28F 13/06,1984

26. Шибер печи. Авторское свидетельство СССР, №739310, М.Кл2. F23i 13/02, 1978

27. Сысоев Д.Д., Другов Л.И. и Егоров Е.Е. Поверхностный многоходовой конденсатор с воздушным охлаждением. Авторское свидетельство СССР, №408129, М.Кл3. F28B 1/06, 1971.1. ГЛАВА II

28. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. М.:Машгиз. 1952.232с.

29. Абрамович Г.И. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. М.: Госэнергоиздат. 1948.288 с.

30. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Физматгиз. 1960.715с.

31. Духовлинов С.Д. Конденсация движущегося пара на струе жидкости. Теплофизика высоких температур. 1967. Т.5. №3. С.536-540.

32. Гофман-Захаров П.М., Дементьев К.В., Макаров A.M., Карпов Э.М. К вопросу о конденсации пара на струе холодной жидкости. Инженерно-физический журнал. 1968. Т. 15. №6. С. 994-999.

33. Гликман Б.Ф. О конденсации струи пара в пространстве, заполненном жидкостью. Известия АН СССР, ОТН, 1957. №2. С.43-48.

34. Исаченко В.П., Солодов А.П., Сенников В.В. Теплообмен при конденсации паровой струи в потоке жидкости. Теплоэнергетика. 1979. №5. С.20-23.

35. Исаченко В.П., Солодов А.П. Теплообмен при конденсации на сплошных и диспергированных струях жидкости. Теплоэнергетика. 1972. № 9. С.24-27.

36. Солодов А.П. Расчетные модели теплообмена при контактной конденсации. Теплоэнергетика. 1990. № 10

37. Солодов А.П. Неустойчивость и межфазная турбулентность в системе жидкость-пар. //Двухфазные течения: Труды Первой Российской национальной конференции по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ. 1994.1. ГЛАВА III

38. Мильман 0.0., Федоров В.А. Воздушные конденсационные установки в энергетике. Разработки перспективы и проблемы. ММФ 3, 1996г.

39. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты, М.,Энергия, 1970.288с.

40. Ефимочкин Г.И. Влияние конструкции сопла на работу струйного эжектора // Электрические станции. 1964 № 5 с.7-11.

41. Родивилин М.Д. Исследование тепло- и массообмена при конденсации пара на струях воды: Автореферат дис. . канд.техн. наук. М.:МЭИ, 1973.29с.

42. Лукин H.H. Методы гидродинамического расчета жидкостно-парового эжектора и совершенствование его проточной части: Автореферат дис. . канд. техн. наук, М. ВТИ, 1985.23с.

43. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред М.: Энергоиздат, 1981472 с.

44. Шкловер Г.Г., Родивилин М.Д. Исследование струйного конденсатора пара // Теплоэнергетика. 1967 № 3 с.33-39.

45. Шпильрайн Э.Э., Гандельсман А.Ф., Севастьянов А.П. и др. Некоторые результаты исследования пульсаций давления в конденсационном инжекторе//Теплоэнергетика. 1976 № 12 с-7-10.

46. Garcia R. Jet condencer development for an organik Rankine cycle power conversion system. //Proc. 4th Intsoc. Ener. Convers. Eg. Cons. Wastington, 1969 p. 11-20

47. ЗЛО. Кореннов Б.Е. Исследование воздушных эжекторов с удлиненной цилиндрической камерой смешения: Автореферат дис. канд.тех.наук. М.: ВТИ, 1980.23 с.

48. Шкловер Г.Г., Российский А.З. Экспериментальное исследование водоструйных эжекторов, работающих на кипящей воде // Энергомашиностроение. № 4.1966.с.8-11.

49. Кейс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники. М.: Энергия. 1967.223с.

50. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: Справочник /А.И.Бессонный, Г.А.Дрейцер, В.Б.Кунтым и др. СПб.: Недра, 1996. 512 с.

51. А.В.Клевцов, В.А.Пронин, А.В.Корягин, Б.В.Юшков, М.И.Прохоров Теплогидродинамические характеристики водоструйной воздухоохлаждаемой конденсационной установки. ВКН. : Материалы

52. Международной научно-практической конференции «Экология энергетики 2000».М.: Издательство МЭИ, 2000. с.360-363.1. ГЛАВА V

53. Кореннов Б.Е. Исследование водовоздушных эжекторов с удлинённой цилиндрической камерой смешения: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.:ВТИ, 1980.23 с.

54. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты, М., Энергия, 288 стр, 1970.

55. Шкловер Г.Г., Родивилин М.Д. Исследование струйного конденсатора пара. // Теплоэнергетика, №3, 1967. с.ЗЗ 39.

56. Основы расчета и проектирования теплообменников воздушного охлаждения: Справочник /А.Н. Бессонный, Г.А. Дрейцер, В.Б. Кунтыш, и др.: Под общ. Ред. В.Б. Кунтыша, А.Н. Бессонного. СПб.: Недра, 1996. -512 с.:ил.

57. Система охлаждения конденсатора паротурбинных установок. Полезная модель. Бюллетень 1998. Пронин В.А., Клевцов A.B., Цой А.Д.