Оценка конструкций паровых турбин - Конденсатор и эжектор

В конденсаторе совершается часть общего термодинамического цикла перевода тепла в работу, а именно — отвод тепла к холодному источнику после окончания расширения пара. В турбине же осуществляется другая часть цикла — расширение рабочего тела. Поэтому конденсатор является частью турбоустановки, но не турбины. Тем не менее он тесно связан с турбиной и очень сильно влияет на ее работу. Поэтому хотя бы некоторые вопросы, касающиеся этой части турбоустановки, должны быть здесь рассмотрены.
Для выполнения основного назначения конденсатора — конденсация отработавшего пара при возможно низкой температуре— необходимо: достаточное количество и возможно более низкая температура охлаждающей воды; достаточная поверхность охлаждения; малое содержание воздуха в паре при конденсации.
Конденсатор должен удовлетворять также ряду других требований: водяной плотности, небольшого содержания кислорода В конденсате, малого сопротивления и др.
Количество и температура охлаждающей воды определяются внешними условиями и не зависят от конструкции конденсатора. Точно также почти не зависит от конденсатора содержание воздуха в паре (см. часть I, гл. 14). Необходимая поверхность охлаждения конденсатора определяется величиной общего достигаемого в нем коэффициента теплопередачи. Величина этого коэффициента находится в зависимости главным образом от конструкции конденсатора, в частности от системы разбивки трубок. В настоящее время наиболее распространены две системы: ленточная и радиальная. Иногда еще применяется почти сплошная набивка трубок с небольшими проходами для пара; однако сопротивление проходу пара при такой разбивке очень велико. Наименьшее сопротивление дает ленточная разбивка. Радиальная разбивка лучше всего сочетается с центральным отсосом.
Относительно места расположения отсосов следует заметить, что при центральном отсосе и подводе пара по периферии конденсатора его стенки почти всюду имеют температуру пара. Когда возрастает температура пара (например, во время пуска или холостого хода, при заднем ходе судовой турбины, в случае малого пропуска пара в конденсатор) стенки последнего по сравнению с трубками нагреваются сильнее, так как температура трубок в этих условиях будет близка к температуре воды. В результате возможны повреждения трубок, нарушение плотности вальцовки. При боковом расположении отсосов стенки почти всего конденсатора защищены трубками и могут иметь температуру только насыщенного пара, т. е. их температура не будет заметно отличаться от температуры трубок, близкой в этом случае к температуре пара. Поэтому напряжения в трубках и в местах их вальцовки будут определяться только разностью коэффициентов удлинения материалов корпуса и трубок.
Отрицательно сказываются на работе конденсатора тепловые перекосы, т. е. неравномерное тепловое напряжение по длине и по половинам конденсатора. В итоге возникают местные нагревы и деформации, перегрузка одних и недогрузка других зон, т. е. ухудшение вакуума.
При попадании пара на холодную трубку он конденсируется, вследствие чего в этом месте образуется большее разрежение и продолжается поступление сюда новых порций пара. Поверхность охлаждения как бы всасывает пар. Поэтому при симметричной конструкции конденсатора для равномерного распределения пара по его половинам необходимо прежде всего равномерное распределение охлаждающей воды, что, в свою очередь, зависит главным образом от выполнения подводящих и отводящих водоводов и очень мало от конструкции конденсатора.
Кроме неравномерности распределения воды, причиной перекоса может быть динамический напор входящего в конденсатор пара, так как в большинстве случаев (кроме выхлопа двухпоточной турбины в один симметричный конденсатор) этот поток попадает на поверхность охлаждения несимметрично. Борьба с перекосом по этой причине возможна путем внимательного проектирования выхлопного патрубка турбины.
В двухходовых конденсаторах в первом (по пару) ходе конденсируется 55—60 % всего количества пара, т. е. почти в 1,5 раза больше, чем во втором. По длине конденсатора конденсация происходит при переменной разности температур «пар — вода». Однако в среднем по длине конденсатор загружен почти равномерно, так как один ход компенсирует другой. В одноходовом конденсаторе (судовые турбины) возможные неравномерность нагрева и перекос по длине снижаются тем, что обычно судовые конденсаторы работают с большим расходом воды и малым ее нагревом.
Если воздушная плотность зависит главным образом от устройства турбины, вспомогательного оборудования и соединяющих их трубопроводов, то водяная плотность зависит исключительно от самого конденсатора, в первую очередь от конструкции и выполнения соединений трубок с трубными досками.
Уменьшение подсоса сырой воды в конденсат чрезвычайно важно для современных котлов высокого давления, особенно для прямоточных, для которых величина подсоса не должна превышать 0,001 %. При конденсации пара 200 m/час это соответствует допустимому пропуску в конденсатор всего 2 л воды/час примерно через 20000 мест соединений трубок. Конечно, выполнение этой задачи очень сложно, и она не может быть решена только путем улучшения технологии вальцовки трубок.
Применение сальников для подвижного соединения трубок с досками когда-то было допустимо, так как даже сравнительно большой подсос воды через них не причинял вреда котлам низкого давления. Кроме того, старые турбины не имели таких ограничений, как современные· могли работать с ухудшенным вакуумом, работали на выхлоп, конденсатор мог оставаться без воды. В этих случаях относительные расширения трубок и корпуса были велики.
В настоящее время соединение трубок с трубными досками осуществляется почти исключительно при помощи вальцовки. Качество ее во многом зависит от правильного выполнения, но не может быть гарантировано только технологическими мерами; кроме того, переменные термические и динамические напряжения приводят при эксплуатации к нарушению даже первоначально плотных соединений. Поэтому разработан ряд конструктивных мер по повышению плотности этих соединений.
Одной из этих мер является применение двойных трубных досок с подачей конденсата между ними, что дает полную защиту от проникновения в конденсатор сырой воды. Наиболее оправдана эта конструкция при охлаждении морской водой, попадание которой в конденсат особенно опасно. Однако такой способ удорожает изготовление конденсатора, увеличивает расход трубок; при неплотности вальцовки во внутренней доске нельзя установить место течи; трудно заменять трубки.
Всесоюзный теплотехнический институт разработал и рекомендует уплотняющие покрытия, которые наносятся на трубную доску после вальцовки трубок. Этот способ уплотнения усложняет изготовление; обнаружение мест неплотностей здесь тоже затруднительно. Результаты эксплуатации таких покрытий пока неизвестны.
В США при особо высоких требованиях к водяной плотности конденсатора стали осуществлять приварку трубок к трубной доске. После приварки и гидргиспытания трубки дополнительно развальцовываются для предохранения мест сварки от динамических напряжений, вызываемых вибрацией трубок. Результаты эксплуатации таких конденсаторов нам неизвестны. Изготовление их очень дорого и сложно.
Очень простым и эффективным является предложенный ВТИ так называемый «соленый отсек». Он образуется трубной перегородкой, приваренной на расстоянии 100—150 мм от каждой из трубных досок. Таким образом выделяется часть поверхности охлаждения; образующийся на ней конденсат будет содержать в себе всю сырую воду, попавшую через неплотности. Если количество попавшей сырой воды окажется недопустимо большим, эта часть конденсата, т. е. 1—2% со стороны одной из трубных досок, может быть удалена отдельно и дальше не использоваться. Этим способом может быть предотвращена остановка турбины при нарушение плотности трубной системы.
Однако такая система требует дополнительной вакуумной арматуры и насосов для удаления конденсата из соленых отсеков, приводит к потере конденсата и увеличивает трубную систему, так как эффективность ее работы в соленых отсеках невелика. Это является крупным недостатком данной системы, в целом простой и эффективной.
Побочной для конденсатора (с точки зрения его основной функции) является задача снижения содержания кислорода в конденсате до величины, допустимой для питательной воды (не более 0,05 мг/л). Имея иное основное назначение, конденсатор плохо приспособлен для работы в качестве деаэратора. Вместе с тем заманчива идея устранения из установки отдельного громоздкого деаэратора, завершая вместо него весь процесс удаления воздуха в самом конденсаторе. Однако этот вопрос тесно переплетается с общестанционными и не может рассматриваться только с точки зрения конструкции конденсатора.
В известной мере спорным является вопрос об организации поверхности воздухоохладителя. Выделение для него части обшей поверхности охлаждения (около 10%) не особенно выгодно: характер теплообмена здесь резко отличается от теплообмена остальной поверхности конденсатора, коэффициент теплопередачи очень низок. По характеру теплообмена в этой области следовало бы применять оребренные со стороны воздуха трубки, повышать скорости газа, устраивать несколько ходов воды. Эти требования могут быть выполнены при вынесением воздухоохладителе, однако при этом возрастет его паровое сопротивление. Все’же можно ожидать, что вынесенные воздухоохладители в будущем найдут применение, особенно в крупных конденсаторах.
Важным узлом конденсационной установки является устройство для удаления воздуха. В первые десятилетия развития паровых турбин преобладали поршневые или водокольпевые насосы, насосы Леблана и другие подобные. Струйные аппараты для этих целей применялись редко, возможно, вследствие низкой экономичности (что особенно чувствительно для установок малой мощности) и неизученности вопроса. В дальнейшем разные механические устройства были полностью вытеснены струйными приборами, как более простыми и надежными. Преимущественное применение паровых эжекторов объясняется полной автономностью их работы и независимостью от источника электроэнергии, в то время как работа водяного эжектора связана с получением большого количества воды под давлением, т. е. с бесперебойной работой насоса.
С переходом на все более высокие параметры пара применение паровых эжекторов стало усложняться. Экономичность таких эжекторов снижается, увеличиваеся нагрев конденсата, растут энергетические потери, усложняется установка, возрастает ее цена. Использование для эжекторов насыщенного пара приводит к увеличению его расхода. Паровой эжектор становится невыгодным устройством для удаления воздуха из конденсаторов современных турбин. Преимущества переходят к идеально простым и надежным водяным эжекторам, несмотря на необходимость установки насосов, повышающих давление воды сверх создаваемого циркуляционными насосами, и потерю конденсата пара, содержащегося в отсасываемой паровоздушной смеси (около 0,01 % от проходящего через турбину пара).
Поскольку сейчас принимаются все меры к уменьшению попадания воздуха в конденсатор, что снижает расход воды на работу эжектора, водяной эжектор можно считать наиболее перспективной воздухоудаляющей установкой. Резервом к нему должен быть паровой одноступенчатый эжектор без холодильников, включающийся автоматически при падении разрежения перед ним.
В заключение отметим, что основными проблемными вопросами по современным конденсационным установкам можно считать следующие: 1) обеспечение водяной плотности; 2) улучшение чистки трубок с водяной стороны при работе турбины; 3) предупреждение коррозии трубок; 4) повышение коэффициента теплопередачи.