Основными характеристиками конденсационной установки являются давление отработавшего пара Рк и температурный напор δt при заданных значениях паровой нагрузки, расхода и температуры охлаждающей воды на входе в конденсатор.
Давление в конденсаторе определяют как разность показаний барометрического (атмосферного) давления и вакуумметра, подключенного к конденсатору. Абсолютное давление в конденсаторе
где В и H — барометрическое (атмосферное) давление и показания вакуумметра, мм рт. ст.
При определении абсолютного давления к показаниям барометра и вакуумметра необходимо вводить соответствующие поправки: на температуру столба ртути, на шкалу, капиллярность. Должны учитываться отметки установки приборов. Порядок введения этих поправок изложен в руководствах по испытаниям паротурбинных установок.
Для проведения различных расчетов следует давление в конденсаторе, полученное в миллиметрах ртутного столба, выразить в мегапаскалях по формуле
При эксплуатации оценка работы конденсационной установки производится по глубине вакуума V, выражаемой в процентах:
Этот способ достаточно удобен для грубой оценки работы конденсатора, но он не позволяет установить истинное значение абсолютного давления отработанного пара, которое определяет работу конденсационной установки, если не известны В и Н для данного случая.
Так, например, если на двух станциях, находящихся в разных местах и в разных метеорологических условиях, барометрическое давление и разрежение по ртутным мановакуумметрам составляли соответственно
то можно сказать, что на обеих станциях
Однако абсолютное давление в конденсаторах этих станций было разным, т. е.
Таким образом, разность абсолютных давлений в конденсаторах этих станций составляет более 4 %. Поэтому более правильно пользоваться понятием «абсолютное», или «приведенное», давление. Эту разницу можно устранить, если показания барометра и вакуумметра привести к единому барометрическому давлению 0,104 МПа (760 мм рт. ст.). В этом случае вакуум можно определить в процентах из выражения
Температура отработанного пара, которая однозначно определяет его давление (и наоборот), может быть представлена (в градусах Цельсия) выражением
В этой формуле t1в — температура охлаждающей воды на входе в конденсатор, зависящая от типа охладительного устройства или водоема (градирня, пруд, озеро и др.), района расположения АЭС и от метеорологических условий: температуры наружного воздуха, барометрического давления, силы и направления ветра и др. С понижением будет снижаться и tn, если все остальные слагаемые в этом выражении постоянны. Естественно, в таком случае, что зимой вакуум будет более глубоким, чем жарким летом. Величина
— нагрев воды в конденсаторе.
Слагаемое
определяет сопротивление переходу тепловой энергии от пара к воде и характеризует степень совершенства поверхности теплообмена конденсатора. Величина δtк=tn—t2в называется температурным напором и служит эксплуатационной оценкой работы конденсатора как теплообменного аппарата.
Количество теплоты, отдаваемое паром охлаждающей воде и воспринимаемое водой от пара, может быть представлено в виде уравнения теплового баланса
Разность і1—ік меняется незначительно, и ее с достаточной для практических целей точностью можно принять постоянной и равной 2304 кДж/кг.
Отсюда нагрев воды в конденсаторе
Как следует из формулы, увеличение расхода охлаждающей воды приводит к уменьшению нагрева воды ∆tк в конденсаторе и тем самым к уменьшению температуры, а следовательно, и давления отработанного пара, так как tп=t1в+∆tв+δtк.
Следует иметь в виду, что для увеличения расхода охлаждающей воды необходимо увеличить мощность циркуляционных насосов; поэтому в каждом конкретном случае находится оптимальное решение.
Отношение количества охлаждающей воды к количеству отработавшего пара, поступающего в конденсатор, т=Wв/Gк называется кратностью охлаждения, которая показывает, сколько килограммов охлаждающей воды расходуется для конденсации одного килограмма пара. Для двухходовых конденсаторов т=80-120, для одноходовых т=80-120 [4].
Для контроля за работой конденсационной установки в эксплуатационных условиях периодически измеряются параметры:
а также давление перед соплами пароструйного эжектора, давление охлаждающей воды до и после конденсатора, солесодержание конденсата, кислородосодержание конденсата.
Анализ измеренных величин позволяет судить о работе конденсационной установки и о существующих отклонениях от нормального режима.
Регулярное сравнение замеренных значений эксплуатационных параметров с нормативными, полученными на основании испытаний однотипного оборудования при заведомо исправном и чистом состоянии всех составляющих, элементов, является общепринятым методом контроля за работой конденсационной установки. Такими параметрами являются давление в конденсаторе Рк, нагрев воды в конденсаторе ∆tкв и температурный напор ∆tк. Характер зависимости этих величин от удельной паровой нагрузки конденсатора и некоторых режимных параметров показан на рис. 3.9, а—г.
Для оценки работы конденсатора на основании заводских характеристик или по результатам специальных испытаний строятся графические зависимости температурного напора от расхода пара в конденсатор и от температуры охлаждающей воды при ее номинальном расходе.
Повышение давления Рк по сравнению с нормативным в одинаковых режимах указывает на то, что турбоагрегат работает с перерасходом теплоты, или при заданном расходе пара мощность турбоагрегата ниже номинальной.
Для выяснения причин ухудшения вакуума в конденсаторе можно воспользоваться характеристиками, приведенными на рис. 3.9.
Увеличение фактических (измеренных) значений температурного напора ∆tк по сравнению с нормативным указывает на ухудшение теплообмена в конденсаторе, которое может быть вызвано различными эксплуатационными причинами (большой присос воздуха в вакуумную часть турбины, загрязнение поверхности охлаждения или то и другое). Увеличение указывает на недостаток охлаждающей воды и уменьшение вследствие этого кратности охлаждения.
Рис. 3.9. Характеристики конденсатора К-8170 турбины К-220-44
Загрязнение конденсатора.
Загрязнение конденсатора с водяной стороны является наиболее частой причиной ухудшения вакуума [4]. При этом ухудшение вакуума происходит как вследствие увеличения теплового сопротивления трубок и ухудшения теплоотдачи пара охлаждающей воде за счет загрязнения трубок, так и вследствие некоторого уменьшения площади проходного сечения трубок и увеличения гидравлического сопротивления конденсатора, а значит, сокращения расхода охлаждающей воды.
Важнейшая задача оперативного персонала — не допускать загрязнения конденсатора либо изыскать способы очистки с минимальными затратами труда и по возможности без ограничения электрической нагрузки.
Интенсивность загрязнения конденсатора зависит в основном от качества охлаждающей воды, типа водоснабжения, времени года и условий эксплуатации системы циркуляционного водоснабжения.
По своему характеру загрязнения могут быть разделены на три типа; механические, биологические и солевые. Обычно все эти типы не встречаются в чистом виде и загрязнение конденсатора носит комбинированный характер. Такое разделение полезно с точки зрения изыскания способов профилактики и очистки, поскольку для каждого типа загрязнений они весьма специфичны. Необходимо учитывать, что, несмотря на комбинированный характер загрязнения конденсатора, какой-то тип загрязнения из перечисленных выше в каждом конкретном случае преобладает [4].
Воздушная плотность конденсатора.
Воздух и другие неконденсирующиеся газы поступают в конденсатор двумя путями: с паром и через неплотности вакуумной системы турбины. Количество конденсирующихся газов, поступающих в конденсатор с паром, незначительно и составляет несколько процентов общего количества удаляемого из конденсатора воздуха. Основной же объем газов, удаляемых из конденсатора, составляет воздух, проникающий из атмосферы через неплотности элементов турбоустановки, находящихся под разрежением.
Воздух в конденсатор может поступать через фланцевые соединения, штуцеры водомерных стекол и другие элементы конденсатора, не обладающие достаточной герметичностью, а также через дефекты сварных соединений. Плотность вакуумной системы зависит не только от герметичности собственно конденсатора, но также от герметичности всех остальных элементов турбоустановки, находящихся под вакуумом: регенеративных подогревателей, концевых уплотнений, корпуса турбины, корпуса СПП и др. [4].
При значительном снижении паровой нагрузки присос воздуха в конденсатор, как правило, увеличивается, так как под разрежением оказываются все новые участки турбины и системы регенерации установки. Примерный качественный характер измерения присоса воздуха в зависимости от паровой нагрузки представлен на рис. 3.10.
Рис 3.10. Присос воздуха в вакуумную систему турбины в зависимости от паровой нагрузки конденсатора
Проникновение воздуха в вакуумную систему турбины ухудшает работу конденсатора. Прежде всего, воздух в паровом объеме конденсатора существенно ухудшает теплоотдачу конденсирующегося пара стенке конденсаторных трубок, т. е. уменьшает коэффициент теплоотдачии и тем самым — общий коэффициент теплопередачи в конденсаторе.
Значительный присос воздуха может вызвать перегрузку воздухоотсасывающих устройств и ухудшение вакуума в конденсаторе по этой причине.
Еще одним источником тепловых потерь в турбоустановке вследствие присоса воздуха в вакуумную систему является переохлаждение конденсата при конденсации пара из паровоздушной смеси.
При проникновении большого количества воздуха в вакуумную часть турбоустановки наблюдается переохлаждение конденсата, в особенности, когда пароструйный эжектор начинает работать в правой перегрузочной части своей характеристики (рис. 3.11). В этих условиях деаэрирующая способность конденсатора резко падает и конденсат сильно насыщается кислородом [4].
Повышенное содержание кислорода в питательной воде существенно увеличивает коррозию водяного тракта от конденсатора до деаэратора. Кислородная коррозия конструкционных материалов тракта конденсата (питательной воды) помимо разрушения металла вызывает занос поверхности парогенератора, проточной части турбины оксидами (окислами) железа, меди и другими соединениями, что серьезно осложняет эксплуатацию основного оборудования и в определенных случаях может привести к аварийной ситуации.
Такое неблагоприятное влияние присоса воздуха на протекание рабочих процессов в конденсаторе требует от оперативного персонала турбинного цеха серьезной работы по поддержанию плотности вакуумной системы турбоустановки на высоком уровне. Полной герметизации вакуумной системы добиться невозможно, но следует всегда стремиться к предельно возможному сокращению присоса воздуха в конденсатор турбины. Присос воздуха в зависимости от номинальной мощности турбины нормируется Правилами технической эксплуатации [14].
Существует ряд качественных и количественных способов определения воздушной плотности вакуумной системы. Качественной характеристикой плотности может служить скорость падения вакуума при отключенных эжекторах. Как показали опыты на различных турбоустановках, существует линейная зависимость между скоростью падения вакуума и присосом воздуха при постоянном расходе пара в конденсатор и постоянной температуре охлаждающей воды [4].
Гидравлическая плотность конденсатора.
Для поддержания высокого качества конденсата в процессе эксплуатации необходимо предотвращать образование течей как в вальцовочных соединениях трубного пучка с трубными досками, так и в самих трубках, которые подвержены различным коррозионным, эрозионным и механическим воздействиям.
Наиболее опасными с точки зрения ухудшения водного режима являются механические повреждения трубок, так как обрыв в конденсаторе даже одной трубки из нескольких тысяч приводит к необходимости срочного заглушения поврежденной трубки (т. е. разгрузки турбоустановки) или даже аварийного останова турбины.
Причинами повреждений трубок могут быть вибрационная усталость; эрозия периферийных трубок, возникающая при высокой влажности и большой скорости набегающего парового потока; эрозия трубок в местах подвода в конденсатор других потоков (дренажей); истирание трубок при вибрации в местах прохода их через промежуточные перегородки; низкое качество вальцовки (перевальцовка, подрезка) трубок при монтаже.
Вибрация трубок может вызываться не только вращением ротора турбоагрегата, но и аэродинамическими силами под воздействием набегающего парового потока. Этим вибрациям, носящим характер автоколебаний, подвержены только первые по ходу пара несколько рядов трубок [10]. Поломка трубок от резонансной вибрации предотвращается путем тщательной отстройки колебаний трубного пучка от резонанса.
Для предупреждения эрозии иногда необходимо в первом ряду пучка на входе пара установить заглушенные по воде трубки, которые смогли бы погасить энергию водяных капель, содержащихся в паре. Целесообразно также первые ряды трубных пучков компоновать трубками из износоустойчивых материалов, а также трубками с утолщенными стенками.
Более частой причиной повреждения трубок является коррозия, которая может быть следствием воздействия коррозионно-активных примесей, содержащихся в охлаждающей воде. Иногда коррозии трубок с водяной стороны способствуют местные очаги эрозии, препятствующие образованию прочной защитной пленки на поверхности металла, или местные загрязнения стенок трубок, приводящие, как и инородные включения в металле, к образованию гальванических пар [4]. Коррозии с паровой стороны, как правило, подвержено лишь небольшое число трубок в зоне воздухоохладителя, где сильно возрастает концентрация агрессивных газов в паровоздушной смеси. Для предотвращения коррозии как с паровой, так и с водяной стороны самым радикальным мероприятием является правильный подбор материала трубок в зависимости от качества охлаждающей воды.
Вопрос о правильном выборе материалов конденсаторных трубок является определяющим для обеспечения длительной безаварийной работы конденсаторов.
Среди проблем, касающихся обеспечения гидравлической плотности конденсатора, важное место занимает дополнительная герметизация вальцовочных соединений. Обеспечить абсолютную плотность нескольких десятков тысяч вальцовочных соединений является весьма трудной задачей, тем более что плотность этих узлов может нарушаться в процессе эксплуатации. Особенно сложно решается эта задача применительно к мощным турбоустановкам, поскольку число выхлопов турбоагрегатов, а следовательно, и число вальцовочных соединений трубок существенно возрастает с ростом мощности турбоагрегатов. С учетом указанных обстоятельств при разработке и конструировании мощных турбоагрегатов были разработаны мероприятия по повышению герметичности вальцовочных соединений и устранению вредного влияния присоса сырой воды в паровое пространство конденсатора.
К таким мероприятиям относятся:
нанесение уплотняющих покрытий на трубные доски и выступающие концы трубок со стороны водяных камер;
применение двойных трубных досок;
организация «соленых» отсеков в паровом пространстве конденсаторов;
приварка трубок к трубным доскам.
Причины ухудшения вакуума.
Хорошо организованный периодический контроль оперативного персонала за работой конденсационной установки позволяет практически безошибочно определить причины ухудшения вакуума и других возможных неисправностей, находить правильные решения и способы устранения.
Ухудшение вакуума в нормально работающей турбоустановке происходит, как правило, достаточно медленно, что позволяет персоналу тщательно изучить показания приборов, а в некоторых случаях произвести даже необходимые анализы и дополнительные испытания. Исключение составляют случаи быстрого, катастрофического падения вакуума, следствием чего может быть аварийный останов турбоагрегата. На распознавание причин этого явления отводится мало времени, и предотвращение аварийного отключения турбоагрегата зависит целиком от опыта и оперативности персонала, его знаний и тренированности.
Аварийное падение вакуума может быть вызвано следующими причинами:
прекращением или резким сокращением подачи циркуляционной воды;
отключением или выходом из строя конденсатных насосов; отключением или отказом воздухоотсасывающих устройств; появлением крупного источника присоса воздуха в вакуумную систему турбоустановки.
При возникновении аварийной ситуации, вызванной резким падением вакуума, необходимо быстро разгрузить турбоагрегат, после чего приступить к определению и устранению причин, вызвавших это явление. При выходе из строя того или иного устройства конденсационной установки необходимо быстро включить в работу резервное оборудование, если оно не включилось автоматически.
Причины медленного и сравнительно небольшого падения вакуума определяются путем анализа предыдущих эксплуатационных параметров и сравнения их с фактическими (измеренными).
Все это требует от оперативного персонала определенных знаний и навыков, умения быстро применять эти знания в конкретной ситуации.
