Плотность вакуумной системы имеет очень большое значение для достижения наивысшей тепловой экономичности, возможной при данных начальных параметрах пара и температуре охлаждающей воды. Большое содержание воздуха в отработавшем паре снижает достижимый вакуум. Так, например, в соответствии с характеристикой эжектора в турбоустановке типа ВПТ-25-4 увеличение количества отсасываемого воздуха с 10 до 30 кг/час снижает вакуум на 0,008 ат, что увеличивает расход пара турбиной на 1—1,5%. Установка эжектора большей производительности может восстановить вакуум, но увеличит расход пара на эжектор и нагрев в нем конденсата, чем вытеснит некоторое количество регенеративного отбора.
Чтобы уменьшить попадание воздуха в конденсатор, нужно знать вероятные источники и пути его проникновения в вакуумную систему турбины.
Анализы газов, выходящих из эжектора турбины, показывают преобладающее содержание в них кислорода и азота в соотношении, близком к нормальному для воздуха. Кроме кислорода и азота, анализы показывают наличие углекислоты, окиси углерода, свободного водорода, метана и других углеводородов, аммиака и еще некоторых газов. Относительное содержание этих газов измеряется долями процента при большой величине подсоса и возрастает с его уменьшением.
Приведенные данные говорят о том, что основной причиной появления газов в конденсаторе служат подсосы наружного воздуха через неплотности. Каковы же пути попадания остальных упомянутых выше газов?
Основным, а может быть и единственными источником их попадания является разложение солей, содержащихся в котловой воде, а также органических соединений, поступающих в питательную воду с добавочной химически очищенной водой. Как правило, количество образующихся таким путем газов невелико. Например, если всего отсасывается из конденсатора сухих газов 20 кг/час, а суммарное содержание всех газов, кроме кислорода и азота, равно 0,5—1,5%, то общее весовое количество этих газов составит 0,1—0,3 кг/час. Следовательно, таким путем не может попадать в конденсатор значительное количество неконденсирующихся газов.
С питательной водой в котел поступает некоторое количество растворенного в ней воздуха, который потом вместе с паром идет в турбину и далее попадает в конденсатор. Если содержание растворенного в питательной воде воздуха оценить в 0,1 мг/л, то при поступлении в конденсатор,, так как в образующемся конденсате будет растворено примерно такое же или даже большее количество воздуха. Таким образом, воздух, попадающий с паром в конденсатор, не может там накапливаться, а все время уходит с конденсатом.
При высокой температуре пара происходит его частичная диссоциация на водород и кислород. Однако при применяемых в паротурбинных установках даже наивысших температурах пара степень его диссоциации ничтожно мала, как видно из следующих данных:
Следовательно, попадание газов с паром может дать лишь весьма небольшую часть от количества, обычно отсасываемого эжектором.
Основную часть удаляемых эжектором газов, как уже говорилось, составляет воздух, подсасываемый через неплотности. Наличие этих подсосов определяется не только качеством изготовления, но и конструкцией, в частности, влияющей на уменьшение плотности во время работы.
Через отверстие площадью 1 мм2 подсасывается в конденсатор 0,7—0,8 кг/час воздуха. Ясно, что при больших размерах и разветвленности вакуумной системы турбины достижение высокой ее плотности, характеризуемой общим подсосом всего 2—3 кг/час или меньше, представляет большие трудности. Они усугубляются отсутствием хорошего способа обнаружения неплотностей. Обычное гидравлическое испытание лишь частично решает вопрос. К тому же плотность нарушается также во время работы.
Стационарные турбины, как правило, заполняются водой только до лопаток последней ступени и испытываются без давления, что снижает ценность испытания. Горизонтальный разъем турбины при этом остается неиспытанным. Кроме того, при внутреннем давлении соединение может быть плотным, а при наружном возникнет подсос.
Судовые турбины находятся в лучшем положении. Опасность попадания морской воды и небольшая высота установки, крайне ограничивающей гидростатическое давление воды при заливе парового пространства, заставляют проводить гидропневматические испытания. С помощью специального приспособления полностью закупоривают уплотнения турбины, после чего залитая водой внутренняя полость конденсатора ставится под давление сжатого воздуха. Однако такое испытание тоже не дает гарантии полной плотности системы.
Рассмотрим возможные места и наиболее часто встречающиеся причины подсосов воздуха, а также меры их предупреждения.
Часто имеется подсос через уплотнение со стороны н. д. Если это уплотнение гидравлическое, то периодические прорывы воздуха объясняются нестабильностью водяного слоя в затворе. В паровом уплотнении подсос возможен в случае поддержания в нем слишком малого среднего давления: по окружности камеры давление распределяется неравномерно и в отдельных ее точках может оказаться меньше атмосферного. Увеличение давления пара устраняет подсос по этой причине.
Постоянным местом подсосов является горизонтальный разъем турбины, через который, по-видимому, в большинстве случаев подсасывается наибольшее количество воздуха. Разъем пришабривается или чисто строгается и уплотняется мастикой. При отсутствии на него нагрузки соединительные болты в части низкого давления, а также фланцы обычно сравнительно слабы и не дают хорошую затяжку. Испытаний на плотность стык не проходит. Возможностей появления подсосов здесь достаточно.
Слабое место разъема — это зона заднего уплотнения: горячая обойма парового уплотнения распирает холодный корпус. Применение упругой посадки обоймы в корпус лишь частично помогает делу. Устранение этого недостатка возможно применением очень гибкой конструкции обоймы или уплотнением паром или водой пространства между обоймой и корпусом.
Очень слабым участком являются крестовины в местах пересечения вертикального и горизонтального разъемов. Крестовины обычно сопровождаются уступами в соединении двух частей каждой из половин цилиндра. Уплотнение крестовин с помощью мастики малонадежно и со временем может нарушиться. Устранить крестовины и уступы очень трудно. Уменьшить их вредное влияние можно перенесением стыков в зону более высокого давления, а также повышением точности изготовления, применением болтов большего диаметра.
Кардинальным решением задачи повышения воздушной плотности паротурбинных установок явилось бы применение конструкций с разъемом, уплотняемым водой или паром. Однако такое решение тоже связано с трудностями.
Причиной потери плотности вертикального фланцевого соединения двух частей цилиндра из разных материалов может быть их относительное перемещение при нагреве, вызванное разными коэффициентами расширения и разностью температур.
Источником подсосов воздуха могут быть фланцевые соединения трубопроводов. Неплотности в этих местах могут быть вызваны плохой затяжкой болтов, короблением фланцев при приварке их к трубам, передачей на них больших усилий при тепловых расширениях. Наиболее эффективной мерой предупреждения неплотностей фланцевых соединений является замена их приваркой. Сваркой же присоединяется конденсатор к выхлопному патрубку. Такие соединения уже широко распространены. Надо, однако, заметить, что сварочные швы, особенно не испытываемые большим давлением, могут содержать много мест с незначительной неплотностью. Для повышения их герметичности могут применяться покрытия, закупоривающие даже мельчайшие поры.
Большое количество воздуха может подсасываться через предохранительные клапаны, находящиеся под давлением меньше атмосферного. Особенно опасен предохранительный клапан на отопительном отборе пара. Он должен открываться точно при установленном давлении и при малом подъеме обладать большой пропускной способностью. Выполнению этих условий очень мешает паровое уплотнение между тарелкой и седлом. К тому же линия соприкосновения клапана с седлом обычно велика, а сила прижатия мала (свойство предохранительного клапана), и при самой тщательной притирке получить полную плотность практически невозможно. Неизбежна также деформация тарелки и седла вследствие коробления корпуса, нагрева или внешних сил. Поэтому введение уплотнения здесь совершенно необходимо для получения высокой воздушной плотности, и создание таких конструкций весьма актуально. Легче решается вопрос, когда на повышение давления реагирует импульсный клапан небольшого диаметра, который управляет открытием большого предохранительного клапана.
При сбросе нагрузки местом подсоса могут стать и предохранительные клапаны, нормально работающие под давлением больше атмосферного.
Атмосферный клапан имеет низкую температуру, надежно уплотняется водой и при правильной конструкции и эксплуатации обеспечивает практически полную герметичность. Заменяющие его захлопки, в которых при давлении выше атмосферного разрывается уплотняющее паронитовое (или иное) кольцо, в существующих конструкциях часто дают значительные подсосы воздуха.
Могут быть подсосы через штоки или валики, выходящие из внутренних полостей, находящихся под вакуумом. Устранение их достигается паровым или водяным уплотнением. Усложнение установки, вызываемое этими уплотнениями, требует всемерного сокращения числа таких шпинделей, штоков, валиков.
Подсос воздуха происходит и во вспомогательном оборудовании. Опасным местом является уплотнение вала конденсатного насоса со стороны всасывания. Условие удовлетворительной работы этого узла — подвод уплотняющей воды под достаточно большим давлением. Наилучший же выход — применение консольных насосов или внутреннего подшипника с водяной смазкой.
Воздух может попадать вместе с конденсатом из первой ступени эжектора и из второй ступени, если слив из нее осуществляется также в конденсатор. Для предупреждения этого нужен достаточный запас по высоте сифона и надежное его заполнение, во избежание выброса воды при случайных толчках давления.
Подсос воздуха может быть и в присоединенных к конденсатору теплообменных аппаратах, куда он попадает через неплотности фланцев, сальники откачивающих насосов и другими путями. Чтобы не пропускать этот воздух через конденсатор, иногда предусматривается специальный эжектор для отсоса его из теплообменников. Однако такое решение вряд ли правильно, так как в результате появляется дополнительный аппарат; лучше принимать возможные конструктивные и производственные меры для снижения величины подсосов.
Выше сделан вывод, что воздух в конденсатор попадает почти исключительно через неплотности соединений. Следовательно, подсос можно свести к минимальной величине, поскольку любая неплотность может быть устранена. Если же величина подсоса будет меньше, чем разность между количеством газов, поступающих с паром и уходящих в растворенном виде с конденсатом, то турбина вообще могла бы работать без эжектора. Необходимость эжектора вызвана не физической сущностью происходящих процессов, а несовершенством паротурбинной установки ее неплотностью.
