Типы установок

ТЕПЛОФИКАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ТЭЦ

ТИПЫ УСТАНОВОК

Теплофикационное оборудование предназначено для подготовки теплоносителя к транспортировке по тепловой сети и приема использованного теплоносителя на ТЭЦ. Характер оборудования зависит от профиля ТЭЦ и типа системы теплоснабжения.

В водяных системах теплоснабжения ос­новное теплофикационное оборудование ТЭЦ состоит, как правило, из пароводяных подогревателей, сетевых насосов, устано­вок для подготовки подпиточной воды, включающих водоподготовку, деаэрационные устройства, аккумуляторы горячей во­ды и подпиточные насосы.

В паровых системах теплоснабжения основное теплофикационное оборудова­ние ТЭЦ состоит обычно из системы баков и насосов для сбора, контроля и перекачки конденсата; паропреобразовательных ус­тановок для выработки из химически очи­щенной воды вторичного пара, используе­мого для теплоснабжения; компрессорных установок для повышения давления пара из отбора, если это давление ниже требуе­мого для теплоснабжения; редукционно-охладительных установок для снижения давления и температуры свежего пара, час­тично используемого в ряде случаев для теплоснабжения.

На современных ТЭЦ в нашей стране ус­танавливаются, как правило, теплофикаци­онные турбины большой единичной мощ­ности 50 - 250 МВт на высокие и сверхкритические начальные параметры (при давлениях 13 и 24 МПа) двух основных типов: а) конденсационные с отбором пара (Т и ПТ); б) с противодавлением (Р).

В приложении 15 приведены характе­ристики основных типов турбин, устанавли­ваемых на ТЭЦ, работающих на органиче­ском топливе. В настоящее время парк теплофикационных турбин действующих ТЭЦ включает еще много турбин неболь­шой единичной мощности (менее 25 МВт) на низкие и средние начальные давления (2, 9 - 6, 0 МПа), однако доля этих турбин в суммарной установленной мощности ТЭЦ, составившая в 1996 г. менее 6 %, непрерыв­но уменьшается.

Конденсационные турбины с отбором пара (типа Т и ПТ) являются универсальны­ми. Эти турбины могут, как правило, развивать номинальную электрическую мощность независимо от нагрузки теплофика­ционных отборов. Однако, поскольку часть электрической энергии на этих вырабатывается конденсационным методом, средний удельный расход теплоты на выработанный 1 кВт • ч больше, чем у тур­бин с противодавлением.

Турбины с противодавлением выраба­тывают электрическую энергию только комбинированным методом, поэтому удельный расход теплоты на выработанный 1 кВт • ч у этих турбин меньше, чем у кон­денсационных турбин с отбором пара. Недостатком этих турбин является зависимость развиваемой ими электрической мощности от тепловой нагрузки. Поэтому турбины с противодавлением ис­пользуются обычно только для покрытия «базовой» части теплового графика.

Для удовлетворения пиковой тепловой нагрузки на современных ТЭЦ обычно ис­пользуются водогрейные котлы, работаю­щие, как правило, на газомазутном топливе. На ТЭЦ, работающих на твердом топливе, пиковую тепловую нагрузку целесообразно покрывать от паровых котлов низкого или среднего давления, пар которых использу­ется для подогрева сетевой воды в парово­дяных подогревателях.

В приложениях 16 и 17 приведены ос­новные характеристики водогрейных кот­лов серийного производства и паровых котлов низкого и среднего давления [37, 95, 149]. На промышленных ТЭЦ для этой це­ли часто используется также пар из котлов-утилизаторов (КУ), вырабатываемый на ба­зе теплоты отходящих газов,.промышлен­ных печей.

Теплофикационное оборудование ТЭЦ оснащается приборами авторегулирования для поддержания заданных параметров теп­лоносителя и приборами учета теплоты. Те­плофикационные установки ТЭЦ могут вы­полняться как центральными для всей ТЭЦ, так и поагрегатными при отдельных тепло­фикационных турбинах. На мощных ТЭЦ с крупными теплофикационными тур­бинами типа Т-250/300-240, Т-175/210-130, Т-100-130, Т-50-130 теплофикационные по­догреватели встроены непосредственно в турбинную установку и конструктивно со­ставляют с ней одно целое. Поэтому подо­гревательные установки и сетевые насосы на таких станциях имеют обычно поагрегатную компоновку.

Установки для восполнения водоразбора и утечки воды из сети сооружаются в большинстве случаев центрального типа для всей станции. Центрального типа со­оружаются также обычно конденсатосборные устройства, компрессорные и дроссельно-увлажнительные установки.

7.2. ПАРОВОДЯНЫЕ ПОДОГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

В настоящее время на мощных ТЭЦ применяются, как правило, поагрегатные теплофикационные подогревательные ус­тановки поверхностного типа. Подогрева­тели сетевой воды в этих установках вы­полняются горизонтальными и располага­ются непосредственно под цилиндрами турбин [14, 82].

Основные характеристики сетевых по­догревателей турбин Уральского турбомоторного завода приведены в приложении 18.

Каждый подогреватель представляет со­бой пароводяной горизонтальный теплооб­менник с цельносварным корпусом. Трубный пучок состоит из прямых трубок, раз­вальцованных с обеих сторон в трубных досках. Во всех подогревателях, кроме по­догревателей турбины 250/300-240, труб­ный пучок выполняется из латунных тру­бок. В подогревателях, устанавливаемых с турбиной Т-250/300-240, работающей на серхкритических начальных параметрах па­ра, трубки выполняются из нержавеющей стали X18Н9Т для предупреждения осажде­ния меди на лопатках проточной части тур­бины. Для обеспечения повышенной плот­ности соединений трубок с трубными дос­ками у этих подогревателей кроме разваль­цовки применяется также приварка трубок.

На рис. 7.1 показан общий вид горизон­тального теплофикационного подогревате­ля ПСГ-5000-3, 5-8-1 с площадью поверхно­сти нагрева около 5000 м², являющегося од­ной из ступеней нагрева сетевой воды тур-боустановки Т-175/210-130.

Рис. 7.1. Горизонтальный теплофикационный подогреватель ПСГ-5000-3, 5-8-1

1 - корпус подогревателя; 2 - трубные доски; 3 - входная водяная камера; 4 - поворотная водяная камера; 5 - крышка входной водяной камеры; б - крышка поворотной водяной камеры; 7 - подвод пара; 8 - подвод сетевой воды; 9 - конденсатосбор-1ик; 10 - щелевой патрубок; 11 - линзовый компен­сатор; 12 - солевой отсек; 13 - отвод паровоздушной смеси; 14 - анкерная связь

Расчетное рабочее давление со стороны пара составляет 0, 35, со стороны воды 0, 8 МПа. Поверхность нагрева выполнена из 7600 латунных трубок марки Л-68 (68 % меди, 32 % цинка) диаметром 25/23 мм, дли­ной 8 м. Под подогревателем установлен конденсатосборник диаметром 900 мм, из которого конденсат отводится насосом в регенеративные подогреватели турбинной установки. Для защиты турбины от разноса при внезапном сбросе электрической нагрузки и закрытии стопорного клапана соединение конденсатосборника с корпусом подогревателя выполнено в виде узкой щели. Назначение ее — тормозить вскипание конденсата в конденсатосборнике при падении давления в паровом пространстве подогревателя ниже давления насыщения конденсата в конденсатосборнике.

При достаточной чистоте поверхностей нагрева, высоких скоростях воды (примерно 1, 5—2, 0 м/с) и надежном дренаже конденсата и воздуха из парового пространства в теплофикационных пароводяных подогревателях коэффициенты теплопередачи достигают значений 3000 - 4000 Вт/(м • К).

Для получения больших скоростей воды в трубках подогреватель выполнен четырехходовым. Ходы образуются перегородками в передней и задней камерах. Перегородки делят трубный пучок на несколько частей по числу ходов. Плоскости соприкосновения перегородок с трубными доска- ми уплотняются асбестовыми или свинцовыми прокладками для предупреждения перетекания воды помимо трубок. Паровоздушная смесь отводится через патрубки на боковой поверхности корпуса.

Для компенсации температурных деформаций на корпусе подогревателя установлен двухволновой линзовый компенсатор.

Современные мощные теплофикационные установки имеют две ступени сетевых насосов. Назначением сетевых насосов первой (бустерной) ступени является обеспечение необходимого давления сетевой воды на всасе сетевых насосов второй ступени. Сетевые насосы второй ступени устанавливаются после сетевых подогревателей и обеспечивают циркуляцию сетевой воды в системе теплоснабжения. На ТЭЦ небольшой мощности часто сооружаются общестанционные теплофикационные установки, использующие отработавшую теплоту нескольких турбоустановок. На рис. 7.2 представлена принципиальная схема такой установки.

Рис. 7.2. Принципиальная схема двухступенчатой поверхностной пароводяной подогревательной установки

1 - пиковый подогреватель; 2 - основной подогреватель; 3 - сете­вой насос; 4 - конденсатный насос; 5 - охладитель конденсата; 6 - грязевик; 7 - водомер; 8 - подпиточный насос; 9 - регулятор подпитки

Недостаток сетевых насосных установок действующих ТЭЦ заключается в отсутствии на них устройств для регулирования частоты вращения (тиристорных преобразователей или гидромуфт). Из-за этого имеет место существенный перерасход электрической энергии при переменных режимах, отличных от расчетного, например, в летний период вследствие неоправданно высоких напоров, развиваемых этими насосными установками, при сниженных расходах сетевой воды.

На рис. 7.3 показан вертикальный пароводяной подогреватель конструкции Ленинградского металлического завода.

Рис. 7.3. вертикальный пароводяной теплофикационный подогреватель

1 - верхняя водяная камера; 2 - верхняя трубная доска; 3 - пароподводящий патрубок; 5 - нижняя трубная доска; 6 - нижняя водяная камера; 7 - спускная трубка для воды из водяной камеры; 8 - слив конденсата греющего пара; 9 - патрубок сетевой воды; 10 - пароотражательный лист; 11 - трубки; 12 - опорные лапы

В этом подогревателе разделительные перегородки в водяных камерах делят трубную систему на ряд сегментов. При такой схеме распределения ходов температуры трубок в смежных ходах близки между собой, поэтому в трубках не возникает больших термических напряжений.

Вода подводится и отводится из аппарата при помощи штуцеров, приваренных к верхней камере. Пар подводится к корпусу через боковой патрубок. Конденсат отводится из корпуса через отверстие в нижнем днище. Для продувки парового пространства для удаления воздуха в нижней части боковой поверхности корпуса имеются дренажные отверстия. В приложении 19 приведены технические характеристики серийных пароводяных поверхностных подогревателей, выпускаемых Саратовским заводом энергетического машиностроения.

Корпуса и трубные доски станционных пароводяных подогревателей выполняются стальными. Поверхность нагрева обычно вы­полняется из латунных трубок марки Л-68.

Тепловой и гидравлический расчет поверхностных теплообменных аппаратов. В задачу, теплового расчета входит определение площади поверхности нагрева, а также тепловой нагрузки аппаратов при заданных их конструктивных размерах и параметрах теплоносителей на входе в аппарат. Решение второй задачи проводится с помощью соотношений для характеристик (4.6)—(4.10).

В задачу гидравлического расчета входит определение потерь напора в аппаратах со стороны первичного и вторичного теплоносителей.

В связи с различной методикой расчеты поверхностных и смешивающих аппаратов рассматриваются отдельно.

Площадь поверхности нагрева теплообменных аппаратов вычисляется по формуле

(7.1)

где Q— тепловая нагрузка аппарата, Вт; F — площадь поверхности теплообмена, м²; k— коэффициент теплопередачи, Вт/(м² · К); Dt— средняя разность температур между гре­ющим и нагреваемым теплоносителями, °С.

При прямотоке или противотоке сред­нюю разность температур находят как

(7.2)

где и — большая и меньшая разно­сти температур между греющим и нагре­ваемым теплоносителями на входе и выходе теплообменника.

Коэффициент теплопередачи поверхно­стных аппаратов

(7.3)

где и — коэффициенты теплоотдачи между греющим и нагреваемым теплоно­сителями и стенкой; — термическое сопротивление стенки трубок и слоя за­грязнений.

Коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя в стенке, Вт/( • К):

при турбулентном движении воды вдоль трубок

(7.4)

При турбулентном движении воды поперек пучка трубок

(7.5)

При пленочной конденсации на вертикальной стенке и малой скорости пара

(7.6)

при пленочной конденсации пара на на­ружной поверхности горизонтального пучка трубок

(7.7)

где t — средняя температура воды, °С; — температура пленки конденсата — средняя между температурой насыщенного пара и стенки, °С; — разность температур насы­щенного пара и стенки, °С; w — скорость воды, м/с; d — диаметр трубки, м; т — среднее число трубок в вертикальном ряду; H— высота ламинарной пленки конденсата, на трубках, м.

< При отсутствии межтрубных перегородок обычно принимают Я равной высоте } трубки, при наличии перегородок — верти­кальному расстоянию между ними. ~< ^ При заданных расходах и параметрах те­плоносителя тепловая нагрузка аппаратов: Q, Дж/с или Вт, определяется по приведен­ным ниже формулам:

для пароводяного подогревателя

(7.8)

для водо-водяного подогревателя

(7.9)

Для пара-парового преобразователя

(7.10)

Для водопарового преобразователя

(7.11)

где , — расходы греющей и нагревае­мой воды, кг/с; и — расходы греюще­го и вторичного пара, производимого в пре­образователях, кг/с; и — энтальпии греющего и вторичного пара, производимо­го в преобразователях, Дж/кг; - энталь­пия конденсата греющего пара, Дж/кг; — энтальпия питательной воды перед преобразователем; с — теплоемкость воды, с = 4190 Дж/(кг • К); и — температуры греющей воды перед аппаратом и после него, °С; и — температуры нагреваемой воды после аппарата и перед ним, °С; — термический КПД аппарата.

Под термическим КПД водоподогревателя и паропреобразователя понимается от­ношение количества теплоты, полученной в аппарате нагреваемым теплоносителем, к количеству теплоты, отданной греющим теплоносителем:

(7.12)

Термический КПД характеризует тепло­вые потери аппарата в окружающую среду, но не определяет необратимые потери эксергии при теплообмене, т.е. работоспособ­ности теплоты. В мощных аппаратах с удовлетворительной тепловой изоляцией достигает 0, 98—0, 99.

Пароводяные подогревательные установки смешивающего типа. " В системах теплофикации и централизованного теплоснабжения по- лучили применение смешивающие подогревательные установки, в которых отработавший пар кузнечных прессов и молотов используется для подогрева сетевой вода, а также для термиче­ской деаэрации подпитки тепловых сетей.

На рис. 7.4 показана схема пароводяной по­догревательной установки смешивающего тип

Рис. 7.4. Принципиальная схема пароводяной подогревательной установки смешивающего типа

1 — пленочный подогреватель; 2 — сборный бак; 3 — сетевой насос; 4 — пиковый котел; 5 — грязевик

В качестве аппаратов подогрева применены пле­ночные подогреватели. В этих подогревателях пар низкого давления (обычно 0, 11—0, 12 МПа) приходит в непосредственный контакт с нагре­ваемой водой, передает ей свою теплоту и кон­денсируется на ее поверхности. Нагретая вода в смеси с конденсатом греющего пара сливается из подогревателей в сборный бак. Из сборного бака вода забирается циркуляционными насоса­ми и подается для дальнейшего подогрева в по­верхностные пароводяные подогреватели, или в водогрейные котлы, или в тепловую сеть.

Для защиты от аэрации сетевой воды в схеме теплоподготовительной установки предусмотре­на перемычка, позволяющая постоянно поддер­живать в пленочных подогревателях температу­ру воды 100—100, 5 °С при избыточном давле­нии паровой подушки 5—6 кПа независимо от температурного режима подающей линии те­пловой сети. При температурах воды в подаю­щей пинии ниже 100 °С часть воды из обратной линии подается по перемычке во всасывающий коллектор циркуляционных насосов помимо пленочных подогревателей.

Конструкции смешивающих пароводяных подогревателей весьма многообразны. на рис. 7.5представлен разрез пленочного подогре­вателя конструкции С.Ф. Копьева [49]. Корпус подогревателя представляет собой вертикальный цилиндр 3. В корпус вставлен пучок концен­трических цилиндров 4 из листовой стали тол­щиной 1—2 мм. В верхнем торце внутреннего цилиндра установлена отбойная розетка 2. Вода из обратной линии тепловой сети поступает че­рез сопло 1, вваренное в верхнее днище подогре­вателя. Выходя из сопла со скоростью 5—6 м/с, вода ударяется о розетку 2, разбрызгивается и, падая на поверхность вертикальных концентри­ческих цилиндров 4, стекает в виде пленки. Каж­дый квадратный метр поверхности цилиндров создает 2 поверхности нагрева, так как пленка воды омывает цилиндры с обеих сторон.

Навстречу воде снизу поднимается пар, который вводится в подогреватель через патрубок 6, вваренный в нижнюю часть корпуса 5, под пучком вертикальных концентрических цилиндров 4. Пар вступает в непосредственное соприкосновение с пленкой воды, конденсируется на поверхности пленки и нагревает ее. Газы, выде-

Рис. 7.5. Пленочный подогреватель

ляющиеся из воды в процессе ее подогрева, от­водятся наружу через дренажную трубу.

На рис. 7.6 приведены результаты проведен­ного Всесоюзным теплотехническим институ­том испытания пленочного подогревателя [101]. Данные испытания относятся к подогревателю

с площадью поверхности нагрева 30 м. Расход воды через подогреватель во время испытания составлял 5, 5 кг/с.

Коэффициент теплопередачи, Вт/(м • К), оп­ределялся по формуле

, (7.13)

где Q — тепловая нагрузка, Дж/с; F — видимая площадь поверхности контакта водяной пленки и пара, т.е. удвоенная площадь поверхности вертикальных цилиндров аппарата, м; — среднелогарифмическая разность температур между греющим паром и водой, °С.

Рис. 7.6. Результаты испытания пленочного подогревателя

F = 30 м; расход воды 5, 3 кг/с; k — коэффициент те­плопередачи, кВт/( • °С); — недогрев во­ды до температуры насыщения пара

Недогрев рассчитывается как

(7.14)

Где — температура насыщения греющего пара; — температура воды после пленочного подог­ревателя.