4-4. ВНЕШНИЕ СЕПАРАТОРЫ И ПРОМПЕРЕГРЕВАТЕЛИ
Типы сепараторов и промперегревателей
В современных стационарных турбинах насыщенного и слабоперегретого пара всегда применяется внешняя сепарация, в большинстве случаев сочетаемая с промежуточным перегревом. В целях компактности, снижения стоимости и уменьшения потерь давления сепараторы и промперегреватели обычно объединяются в один аппарат — СПП.
На рис. 4-9 показаны некоторые типы сепараторов: центробежные, пластинчатые, сетчатые. Пластинчатые рифленые (так называемые жалюзийные или шевронные — рис. 4-9,в, г) и сетчатые сепараторы (рис. 4-9,д) наиболее совершенны и применяются чаще всего. Их эффективность весьма высока и обеспечивает почти полную подсушку пара. В частности, фирма ДЭ при расчете своих установок принимает ηсеп=1 (см. § 1-3); опытные данные приведены на рис. 4-10 [125].
В сетчатых проволочных сепараторах допустима очень малая скорость пара; на входе в сепарационное устройство она составляет 2—6 м/с. Сетки устанавливаются горизонтально или под небольшим наклоном (до 15°).
Шевронные сепараторы допускают удвоенную по сравнению с проволочными сепараторами скорость пара, что сокращает их габариты. Предпринимаются попытки сократить размеры сепараторов, устанавливая их в ресиверах между цилиндрами турбины. Возможно применение компактных типов сепараторов, например вихревых.
Рис. 4-9. Схемы внешних сепараторов.
a — вихревого типа; б — пластинчатый: 1 — пластины; 2 — дренажные желоба; в — шевронный (жалюзийный) фирмы СС; г — жалюзийный (типа Пирлес) фирмы ДЭ; 1 — жалюзи; 2 — экраны; д — сетчатый: 1 — сетки.
Промежуточные перегреватели всегда выполняются поверхностного типа, трубчатыми. Встречаются конструкции, в которых греющий пар проходит внутри трубок и, наоборот, в межтрубном пространстве. Нет единой точки зрения на то, какими должны быть СПП — вертикальными или горизонтальными; даже одни и те же фирмы применяют схемы с различным расположением СПП. По эффективности нет доказательств в пользу того или иного варианта расположения, и обычно решение диктуется условиями компоновки всей установки, удобством ремонта. Вертикальная конструкция, как считают, например, ХТГЗ и фирма КВУ, упрощает компоновку, сокращает размеры машинного зала. В то же время, особенно в одноконтурных АЭС, где обычно СПП находится в специальном боксе, трудно расположить вертикальный СПП. Весьма важен выбор материалов для СПП. В СПП устанавливаются трубки из обычной углеродистой стали, из простой нержавеющей стали и из стали аустенитного класса. От материала трубок зависит надежность аппарата и его стоимость. Следует учесть, что, например, при вы полнении трубок из нержавеющих аустенитных сталей стоимость СПП достигает стоимости собственно турбины.
Для обеспечения высокой надежности работы всей АЭС важно иметь возможность просто и за короткое время отключить отдельные элементы СПП при появлении протечек и присосов и произвести замену этих элементов. Поэтому, как это принято ЗиО в конструкциях последних типов СПП, сепараторы набираются из отдельных секций, а промперегреватели из отдельных модулей. При этом обеспечивается быстрая замена целых секций и модулей.
Рис. 4-10. Результаты испытаний сепаратора фирмы ДЭ.
К сепаратору-промперегревателю предъявляются следующие требования:
- высокая эффективность, т. е. при заданных влажности основного потока пара y1 и температуре промперегрева tпп меньший расход тепла и меньшие поверхности теплообмена. Важно также, чтобы температура tпп мало менялась в зависимости от нагрузки агрегата. Для высокой эффективности всего СПП необходимо снижение степени влажности на выходе из сепаратора — у2;
- наименьшие потери давления при прохождении через СПП основного потока пара. Как видно из табл. 1-4, при оптимальных значениях разделительного давления каждый процент потери давления в СПП снижает экономичность всей установки на 0,12—0,14%;
- высокая надежность конструкции СПП и всех его элементов;
- возможность легкого ремонта и замены отдельных элементов СПП в случае обнаружения неполадок в его работе;
- компактная конструкция СПП и удобство компоновки СПП с другим оборудованием турбинной установки;
- невысокая стоимость СПП. Снижение стоимости достигается рациональной конструкцией аппарата, его высокой эффективностью, применением более дешевых материалов.
Интересные данные по влиянию на стоимость СПП термодинамических характеристик приведены в [127] — каждый ГС повышения tпп при одноступенчатом перегреве увеличивает стоимость СПП на 4,3%, а при двухступенчатом промперегреве — на 3,2%. Соответственно каждый 1% влажности пара у2 после сепаратора увеличивает стоимость СПП на 29,5 и 7,9%. Снижение потерь давления основного потока пара ∆р на 10 кПа (т. е. на ∆р/рразд=0,7-1,3%) повышает стоимость СПП на 14,5%. Эти данные относятся к конкретной конструкции СПП фирмы АДЭ (см. с. 109).
Сепараторы и промперегреватели турбин ХТГЗ
На турбинных установках насыщенного пара ХТГЗ применяются различные схемы для сепарации и промперегрева. В турбинах К-70-30—только сепаратор, для быстроходных турбин К-220-44 и К-500-65 — сепаратор и двухступенчатый промперегреватель. Такая же схема принята и для тихоходных турбин двухконтурных АЭС, а для турбин большой мощности для работы с кипящим реактором — сепаратор и одноступенчатый промперегреватель.
Для быстроходных турбин разделительное давление составляет около рразд≈0,3- 0,5 МПа, для тихоходных ∆рразд≈1,2 МПа.
Принципиально конструкции всех СПП одинаковы: сепараторы жалюзийного типа с гофрированными вертикальными поверхностями. В промперегревателе серийных СПП греющий пар движется по трубкам, а основной паровой поток — в межтрубном пространстве. Все СПП — цилиндрические вертикальные.
Для быстроходных турбин один СПП рассчитан на мощность Рэ=110-180 МВт, для тихоходных — на Рэ=250 МВт. Потери давления в СПП наименьшие при высоком разделительном давлении и составляют ∆р/рразд=0,04. Основные характеристики и параметры серийных СПП для турбин ХТГЗ представлены в табл. 4-2.
Рассмотрим конструкции серийных СПП турбин ХТГЗ [51]. Для турбин К-220-44 применяется СПП-220 (рис. 4-11,а). В верхней части аппарата располагается сепаратор, в нижней — обе ступени промперегрева, пар подается через патрубок в верхней части СПП и направляется в раздающую камеру 4 и после сепаратора 3 вниз к секциям (кассетам) первой ступени промперегревателя. У днища СПП пар поворачивается и направляется вверх через кассеты второй ступени промперегрева. Выход пара вверх через центральное отверстие.
Трубки промперегревателя выполнены с продольными ребрами. Каждая кассета образуется шестигранным трубным пучком из 37 труб. Кассеты первой ступени располагаются на периферии аппарата, второй ступени — в центральной части и устанавливаются на решетчатой опоре, приваренной внутри корпуса в нижней его части.
Таблица 4-2
Характеристики серийных сепараторов-промперегревателей турбин ХТГЗ
1 Индекс I относится к первой ступени промперегрева, индекс II —ко второй ступени.
Рис. 4-11. Серийные сепараторы-промперегреватели турбин ХТГЗ.
а — СПП-220: 1 — первая ступень перегревателя; 2 — вторая ступень перегревателя; 3 — сепарационная часть; 4 — парораздающая камера; 5 — кассеты с трубками; В — вход влажного пара; Г — выход перегретого пара; Д — подвод греющего пара к 1-й ступени; Е — подвод греющего пара ко 2-й ступени; Ж — отвод конденсата греющего пара 1-й ступени; 5 — отвод конденсата греющего пара 2-й ступени; И — отвод сепарата; К — дренирование; б — СПП-500; 1 — опорная решетка; 2 — модули 2-й ступени перегрева; 3 — модули 1-й ступени перегрева; 4 — перегородка между модулями 1-й и 2-й ступени; 5 — корпус; 6 — сепарационные блоки; 7 — раздающая камера; А — вход влажного пара; Б — отвод сепарата после сепарационной части; В — выход перегретого пара; Г — подвод греющего пара ко· 2-й ступени; Д — подвод греющего пара к 1-й ступени; Е — отвод конденсата греющего пара из 2-й ступени; Ж — отвод неконденсирующихся газов из модулей 1-й ступени; 5 — отвод конденсата греющего пара из 1-й ступени; И — отвод неконденсирующихся газов из модулей 2-й ступени.
Для турбин К-500-65/3000 используется аппарат СПП-500-1 [2] (рис. 4-11,6). Нагреваемый пар подается через боковой патрубок А, расположенный в верхней части аппарата. Затем пар направляется в раздающую камеру 7 с наклонным верхним листом. Сепаратор находится в верхней части СПП и состоит из 20 секций, расположенных радиально между корпусом и центральной трубой, по которой осуществляется выход уже перегретого пара. Секция сепаратора состоит из трех пакетов с направляющим и дырчатым листами. Между секциями расположены изогнутые листы. Отвод сепарата производится через корыта и дополнительные жалюзийные пакеты. Из СПП сепарат отводится через патрубок Б.
Перегревательные поверхности образуются из модулей — отдельных теплообменников, каждый из которых представляет собой трубы 0325 и 273 мм с вваренными в них трубными досками. В каждом модуле в трубных досках его развальцованы и приварены трубки 014 мм. Первая ступень промперегрева состоит из 60 модулей, вторая — из 70. Модули устанавливаются на опорной решетке, приваренной к нижней части корпуса СПП. Первая ступень располагается по периферии аппарата, вторая — в средней его части; между ними — вертикальная цилиндрическая перегородка. Направление потока пара такое же, как и в СПП-220. Греющий пар подается в аппарат через четыре камеры, расположенные между нижней частью сепаратора и верхними трубными досками модулей. Отвод конденсата греющего пара осуществляется в нижней части СПП.
Для удобства контроля и при необходимости для того, чтобы заглушить отдельные трубки, подводящие и отводящие камеры греющего пара выполнены с фланцевыми соединениями.
Сепаратор-промперегреватель СПП-1000 для тихоходных турбин двухконтурных АЭС конструктивно близок к СПП-220. Характеристики серийных СПП турбин ХТГЗ приведены в табл. 4-2.
ХТГЗ считает [51] необходимым выполнение следующих условий при конструировании и эксплуатации СПП.
- При работе установки сепарат и конденсат должны выводиться из СПП и накапливаться в промежуточных полостях. Это уменьшает опасность заброса воды в турбину и испарение влаги при сбросах нагрузки (см. § 6-3). В этих емкостях должен поддерживаться постоянный уровень воды, чтобы избежать пропуска основного потока пара без сепарации.
- Необходимо обеспечить надежное удаление из СПП неконденсирующихся газов, выделяющихся при конденсации греющего пара. Это удаление улучшает теплообмен в промперегревателе, а при работе на радиоактивном паре предотвращает опасную концентрацию гремучей смеси.
- Необходима система предохранительных клапанов и аварийных переключений при недопустимом повышении давления.
Материалы для СПП турбин ХТГЗ следующие: корпуса выполняются из сталей ВСтЗсп5 (для АЭС с ВВРд) и 12Х18Н9Т (для АЭС с ВВРк); жалюзи сепараторов — из сталей 12Х18Н9Т.
Подробно конструкции СПП, их арматура и эксплуатация приведены в [51].
Конструкции СПП зарубежных фирм
Фирма АДЭ применяет в турбинах насыщенного пара совмещенные сепараторы-промперегреватели горизонтального расположения. Турбина мощностью Д=1200 МВт снабжается двумя СПП, основной поток пара к которым подводится четырьмя ресиверами диаметром 1,2 м. В турбинах фирмы АДЭ разделительное давление принимается рразд=0,7-1,4 МПа. Выбор схемы промперегрева (одно- или двухступенчатого) и его температуры tпп производится на основе технико-экономических расчетов. (О влиянии термодинамических характеристик СПП на его стоимость см. с. 106.)
Применяемая конструкция СПП видна из рис. 4-12, где показан один из двух аппаратов для турбины Рэ=350 МВт [127]. Сепаратор — сетчатого типа с несколькими горизонтальными рядами сотовых пластин, через которые основной поток пара проходит снизу вверх после первичной распределительной плиты.
Исследования такого типа сепаратора показали, что имеется относительно узкий диапазон оптимальных скоростей потока. Ниже этого диапазона скоростей сепарация оказывается неполной, а при скоростях выше оптимального диапазона па сотовых панелях образуется водяная пена, которая плохо дренируется, что нарушает нормальную работу аппарата. Верхняя граница оптимального диапазона существенно зависит от давления пара, уменьшаясь при его росте. Нижняя же граница несколько увеличивается с повышением давления. При р>1 МПа оптимальный диапазон настолько сужается, что сепарация происходит только с относительно крупными каплями (d>5-7 мкм).
Малая скорость потока в такого типа сепараторах требует очень больших его размеров, и фирма АДЭ проводит исследования с целью замены сетчатой конструкции на шевронную.
Для удаления неконденсирующихся газов, ухудшающих процесс теплопередачи (особенно в одноконтурных АЭС, где в результате радиолиза образуется свободный кислород), в СПП предусмотрена целая система трубок, коллекторов и отсосов (рис. 4-12). Трубки, применяемые в промперегревателе, омываются снаружи основным потоком пара. Эти трубки выполняются заодно с ребрами плавникового типа.
Большое внимание уделяется надежности СПП. Трубки автоматической сваркой соединяются с крайними трубными досками; промежуточные трубные доски позволяют свободно прогибаться трубкам и имеют отверстия с зазором, допускающим тепловые расширения. Трубные доски детально рассчитываются на прочность с учетом концентрации напряжений и термических градиентов; проводится вибрационный расчет. Частота собственных колебаний (первого тона) трубок при расчетных условиях составляет 31 Гц и зависит от радиального зазора в промежуточных трубных досках.
Для внешнего корпуса СПП и его каркаса используется углеродистая сталь, соты сепаратора изготавливаются из аустенитной нержавеющей стали 18/8. Лотки распределения сепаратора и тепловые экраны выполняются из хромистой стали. Для трубок промперегрева могут использоваться нержавеющая сталь, углеродистая сталь и медно-никелевые сплавы.
Рис. 4-12. Конструкция сепаратора-промперегревателя фирмы АДЭ.
1 — вход основного потока пара; 2 — плиты предварительного распределения потока пара; 3— плиты сепаратора сотовой (сетчатой) конструкции; 4 — сетчатые панели; 5 — трубные пучки промперегрева; 6 — выход основного потока пара; 7 — вход греющего пара; 8 — распределительный коллектор греющего пара; 9 — перегородки в коллекторе; 10 — дренаж греющего пара; 11 — коллектор дренажа сепарата; 12 — промежуточные трубные доски промперегревателя; 13 — трубы отвода неконденсирующихся газов; 14 и 15 — входной и выходной коллекторы этих трубок; 16 — выпуск газов; 17 — тепловые экраны; 18 — главная боковая балка; 19 — поперечный кронштейн каркаса, 20 — опоры всего СНП; 21 — вспомогательные люки.
Углеродистая сталь, в частности, благоприятна тем, что при высоких температурах на ее поверхности образуется магнетитовая пленка, дающая хорошую защиту как во время работы СПП. так при остановке агрегата.
При выборе материала для трубок СПП для одноконтурных схем АЭС необходимо учитывать возможность отложения солей, в частности хлористых. Для Рє=1200 МВт каждый из двух СПП выполняется длиной 34 и диаметром 4 м и для перевозки на судах аппарат делится на две части, которые свариваются на мосте монтажа.
Фирма «Парсонс» применяет горизонтально расположенные сепараторы циклонного типа.
Рис. 4-13. Сепаратор (а) и промперегреватель (б) турбин фирмы «Парсонс».
Пар входит в сепаратор (рис. 4-13,а) и проходит через расширяющиеся каналы к расположенным по кольцу поворотным лопаткам. Пар в этих каналах приобретает тангенциальное направление и далее проходит через цилиндрическую камеру. За счет центробежных сил вода отбрасывается к специальным жалюзи, расположенным в наружной стенке сепаратора. Сепарат дренируется в камеру в нижней части сепаратора и поступает далее в систему подогрева питательной воды установки.
Осушенный пар через центральное сопло покидает сепаратор и направляется в последующий промперегреватель. Опыты показали, что эффективность сепаратора при всех рабочих режимах превосходит 95%.
Сепараторы выполняются сварной конструкции; входная их часть изготовлена из стали с 2,25% хрома, поворотные лопатки и жалюзи — из 12%-ной хромистой стали.
Созданию данной конструкции сепаратора предшествовали лабораторные исследования [134], проводившиеся на моделях, причем подготовка влажного пара обеспечивалась предвключенной паровой турбиной. Наибольшее давление пара перед сепаратором составляло 0,2 МПа, а максимальная влажность достигала 0,06.
При переносе результатов модельных исследований на натурные условия учитывались иные параметры пара и тем самым иные размеры капель влаги. Расчетами и опытами было обнаружено, что капли с d>15 мкм достигают поверхности жалюзийного цилиндра по всей его осевой длине. Поскольку средневзвешенный размер капель в натурных условиях оказался равным d=44 мкм, то предполагается, что эффективность сепарации и другие характеристики натурного сепаратора будут аналогичны полученным в лаборатории.
Непосредственно за сепаратором располагаются два промперегревателя (рис. 4-13,б) вертикального расположения. Вследствие малого коэффициента теплоотдачи к пару низкого давления необходимы большие поверхности труб, что обеспечивается трубами плавникового типа. Греющий поток пара проходит через объединенные в секции прямые вертикальные трубы, в которых пар конденсируется. Основной поток пара движется в межтрубном пространстве. Вертикальное расположение труб облегчает дренаж конденсата и улучшает теплообмен.
Рис. 4-14. Различные варианты компоновки двух СПП с турбиной КВУ (Рэ=1200-1300 МВт, n=25 c). а — горизонтальные СПП; б — вертикальные СПП.
Для предотвращения возможной коррозии ребер и (в меньшей степени) внутренней поверхности труб при остановке агрегата применяется продувка корпуса промперегревателя азотом и теплым воздухом.
Рис. 4-15. Конструкция вертикальных СПП фирмы КВУ: а — тип А; б — тип Б; 1 — вход греющего пара; 2 — выход основного потока пара; 3 — промперегреватель; 4 — выход конденсата греющего пара; 5 — элементы сепаратора; 6 — удаление сепарата; 7 — первичный сепаратор; 8 — удаление из него сепарата; 9 — вход основного потока пара; 10 — жалюзи; 11 — отражательные листы; 12 — дырчатый лист; 13 — влагоотводящий желоб.
Фирма КВУ применяет комбинированные СПП. В первых агрегатах использовалась горизонтальная конструкция по лицензии фирмы «Вестингауз». Однако для выпускаемых в настоящее время турбин большой мощности устанавливаются вертикальные СПП. Так, например, для турбин Рэ=1200ч-1300 МВт горизонтальные СПП (два на один агрегат) имели бы длину 39 и диаметр 4 м; установка двух СПП сбоку турбины увеличила бы ширину комплектного агрегата до 37,5 м (рис. 4-14,а). При вертикальных СПП высота помещения не увеличивается, так как СПП высотой 22,5 м, будучи установленным в подвальном помещении машинного зала, почти не возвышается над осью турбины (рис. 4-14,6), а ширина компоновки сокращается до 22,5 м, т. е. на 15 м.
Конструкция двух вариантов СПП приведена на схемах рис. 4-15.
На рис. 4-15,а показан аппарат АЭС «Библис А» [78]. Основной поток пара в количестве 760 кг/с с давлением 1,08 МПа и влажностью 0,13 подходит к СПП сбоку через два патрубка 9 и поступает в первичный участок сепаратора 7, обтекает полый центральный цилиндр и, частично освободившись от влаги, направляется внутри этого цилиндра снизу вверх. Далее поток расходится к периферии основного сепаратора 5. В двухэтажном сепараторе, состоящем из 32 секций — отражательных листов 11 и жалюзи 10, происходит почти полная осушка пара (до 0,007). Жалюзи выполнены из листов в форме полуокружности с зазором, примерно равным 10 мм. Пар, проходя через основной сепаратор, неоднократно меняет свое направление. В первичном сепараторе через дренаж 5 и в основном через дренаж 6 сепарат удаляется из аппарата. После сепаратора пар направляется в промперегреватель 3, проходит между его трубками и выходит из СПП через патрубок 2. Греющий пар поступает в СПП сверху через входной патрубок 1, а его конденсат удаляется через трубу 4. Температура пара на выходе из промперегревателя 220°С.
- Близка к стали 12Х18Н9Т.
- Близка к стали 08X17Т.
Внутренний цилиндр первичного сепаратора и его поворотные листы выполнены из стали 1 Х10 CrNiTil8.9; основной сепаратор и его защитные листы — из стали 2 X8CrNbl7; элементы сепаратора — из высокохромистой стали, хорошо противостоящей эрозии и коррозии; корпус промперегревателя и внешний корпус сепаратора — из стали 17 Мп 4 ; трубные доски и днища коробов из стали 15 NiCuMoNb ; трубки промперегревателя из углеродистой стали St 35.8III; внешние три ряда трубок — из эрозионно-устойчивой стали1 10СrМо9.10. Промперегреватель имеет 2523 трубки большей частью с толщиной стенок 2,3 мм; трубки внешних рядов. (532 шт.) — толщиной 3,2 мм.
Другой вариант выполнения СПП (рис. 4-15,6) отличается конструкцией сепаратора — увеличен диаметр внутреннего цилиндра первичного сепаратора, изменена конструкция входа в этот цилиндр и дренажа сепаратора. Элементы основного сепаратора располагаются в пять этажей и состоят из зигзагообразных шевронов 13. Шевроны на входе и на выходе окружены дырчатыми листами 12, служащими для выравнивания потока. Сепарат из основного сепаратора удаляется через четыре трубы.
Для французских турбин большой мощности, в том числе для АЭС «Фессенхейм», СПП изготавливает фирма «Штейн» [85], выполняющая заказы и для ряда турбин фирмы КВУ. СПП — горизонтального расположения и в зависимости от мощности имеют диаметр 3,1 и 4,8 м, длину 15 и 16 м, массу 85 и 165 т. В установке с тремя ЦНД по бокам располагаются по два (всего 4) СПП. Возможна схема с двумя вертикальными СПП.
Фирма ББЦ для мощных турбин отказалась от первых конструкций СПП, примененных, в частности, на АЭС «Бецнау». В первых СПП сепаратор был сетчатого типа, а промперегреватель образовался короткими трубками. Однако принцип горизонтального расположения СПП фирма сохранила и в новых разработках. Конструкция СПП, использованная фирмой для турбоагрегата Рэ=1160 МВт АЭС «Дональд Кук», показана на рис. 4-16.
В последних конструкциях турбин фирма ББЦ [118] использует СПП горизонтального расположения, которые охватывают по длине всю группу ЦНД и устанавливаются по бокам турбины по два на каждый турбоагрегат большой мощности (см. рис. 5-28). Пар после ЦВД подводится с одного торца аппарата, корпус которого имеет цилиндрическую форму. Выход пара производится через радиальные патрубки, находящиеся в верхней части. Число патрубков в каждом СПП равно числу ЦНД.
Рис. 4-16. Сепаратор-промперегреватель ББЦ для турбины Рэ=1160 МВт (два СПП на одну турбину).
Рис. 4-17. Промперегреватель СПП ББЦ.
1 — греющий пар; 2 — основной поток пара из ЦВД; 3 — отвод конденсата.
Сепараторная часть СПП состоит из шевронных элементов длиной 2 м, располагаемых один за другим. Опытами на моделях и теоретическим исследованием удалось добиться равномерного потока пара в секциях: в пяти секциях по длине сепаратора скорость на основных участках в худшем случае отличается от средней на весь аппарат скорости не более чем на 15—20%.
Промперегрев осуществляется в перегревателе, где греющий пар проходит внутри длинных трубок относительно малого диаметра с гладкой поверхностью. Чтобы избежать неустойчивого режима движения двухфазной жидкости внутри перегревательных труб, а именно образования паровых пробок в трубках или волнового характера потока, и тем самым повысить надежность работы СПП и улучшить процесс теплопередачи, все трубки разделены на три последовательно включенные секции (рис. 4-17). В первой секции конденсируется примерно 55% поступающего в перегреватель греющего пара, во второй 36%, в третьей 8%. Оставшаяся несконденсировавшейся часть пара направляется в ПВД.
В агрегатах мощностью свыше Рэ=800 МВт (с тремя ЦНД) по длине СПП устанавливаются два параллельно работающих перегревателя. В этом случае пар из ЦВД поступает через два патрубка — из нижнего пар после сепарационных секций направляется в ближайший, а из верхнего — в дальний перегреватель. В трубках перегревателя и в коленах U-образных труб температура по длине выдерживается практически постоянной. Правда, фирма не имеет еще достаточной проверки своих новых СПП в эксплуатационных условиях.
Внутри корпуса каждый аппарат (один или два) устанавливается на роликах, что обеспечивает свободное тепловое удлинение. При этом обращается внимание на температурные разности в элементах, которые достигают своих максимальных значений пои частичных режимах.
Рис. 4-18. Давление греющего ргр (2-я ступень перегрева) и отборного ротб пара перед СПП фирмы ББЦ в зависимости от нагрузки турбины.
Для пуска и нагружения турбоагрегата разработаны режимы, обеспечивающие высокую надежность как СПП, так и собственно турбины. В частности, при нагрузке до 0,15Рном давление (и тем самым температура) греющего пара не превышают 5% номинального значения; номинальное значение давления достигается лишь при 0,5Рном (рис. 4-18). Одновременно ведется контроль за повышением температуры трубных досок перегревателя, где можно ожидать наивысших термических напряжений.
Широко используется нержавеющая аустенитная сталь 18/8, из нес изготавливаются элементы сепаратора и те места входных участков, где можно опасаться эрозии. Трубки перегревателя для одноконтурных АЭС также выполняются из этой стали. Для двухконтурных АЭС используется углеродистая сталь, однако при этом применяются особые меры для консервации при длительной остановке турбины. Камеры греющего пара и трубные доски изготовлены из стали 15МоЗ и имеют покрытия из стали 18/8.
При конструировании СПП фирма большое внимание уделяет замене элементов; предусматривается двухступенчатая защита от утечек и подробная система контроля во многих местах, особенно при работе радиоактивным паром.
Фирма «Стал-Лаваль» для турбины Рэ=460 МВт АЭС «Оскархам» с ВВРк применяет два СПП горизонтального расположения, устанавливаемые по бокам турбины примерно на уровне ее горизонтальной оси. Длина каждого из двух СПП составляет около 29 м, а расстояние между их осями 14 м.
Фирма «Вестингауз» в результате лабораторных исследований, испытании на натурных стендах и на основе опыта эксплуатации своих агрегатов отработала ряд конструкций СПП [127а].
Эффективность сепаратора, по мнению фирмы П20], почти не зависит от средней скорости пара.
Основным фактором, определяющим эффективность сепарации и сильно влияющим на надежность сепаратора, является распределение потоков пара. Организация равномерного распределения потока пара при поступлении его па поверхность сепарации и во входном участке СПП не так проста, ибо в ресиверах от ЦВД к СПП скорость пара обычно 45—60 м/с, а в самом сепараторе она составляет всего 5—10% этого значения. Поэтому важно обеспечить равномерное распределение всего потока пара, так как недопустимо даже местное превышение предельной скорости. Чтобы избежать этого, предусматривается система перепускных труб.
Фирма применяет СПП для горизонтального расположения (рис. 4-19 и 5-33). Одним из преимуществ такого расположения считается лучшая возможность для равномерного стекания дренажа греющего пара. Для пароперегревателя применяются трубки с ребрами, изготовленными заодно. При отдельном выполнении ребер и соединении их с трубками, например, сваркой возможна концентрация напряжений, а также худшая сопротивляемость эрозии, чем при цельной конструкции.
Опыт фирмы показал, что оребренные трубки можно пропускать через промежуточные трубные доски без специальных втулок. Для обеспечения равномерного распределения скоростей и тепловых нагрузок используются распределительные каналы и коллекторы, форма которых получена в результате экспериментальных исследований и специальных расчетов. Трубки промперегревателя имеют большую длину и малый диаметр, U-образную форму и объединены в пучки аналогично конструкциям, применяемым фирмой для подогревателей питательной воды. Особое внимание обращается на возможность легкого удаления трубки из аппарата для контроля, ремонта или замены.
Материал трубок выбирается с учетом параметров и состава пара и противодействия коррозионно-эрозионному износу. Для двухконтурных схем используются те же материалы, что и для ПВД этих же схем, т. е. медно-никелевые сплавы (для СПП сплавы 90-10 и 80-20), углеродистая и аустенитная нержавеющая
Рис. 4-19. СПП второго поколения фирмы «Вестингауз» с шевронным сепаратором и двухступенчатым перегревом.
сталь. Для одноконтурных АЭС трубки промперегревателя изготавливаются только из углеродистой стали (из-за радиолитического кислорода). В то же время для ПВД в таких схемах используются только нержавеющие стали [91].
Сначала применялись СПП с одной ступенью перегрева и сетчатым сепаратором. Анализ экономичности различных схем турбинных установок насыщенного пара показал целесообразность использования во многих случаях двухступенчатого перегрева. В связи с тем, что не удалось удачно скомпоновать сетчатый горизонтальный сепаратор и две ступени перегрева, фирма применила шевронный вертикально расположенный сепаратор. В дальнейшем была принята такая же конструкция сепаратора и при одноступенчатом перегреве.
Типовая конструкция СПП второго поколения показана на рис. 4-19. Основной поток пара после распределительных коллекторов, расположенных по бокам, примерно на оси аппарата, входит в СПП сбоку, поступает в вертикально расположенный шевронный сепаратор и далее идет вверх, проходя последовательно первую и вторую секции перегрева. Выход основного потока осуществляется вверху. Сначала фирма для лучшего распределения потоков и равномерной тепловой нагрузки применяла конструкцию с несколькими выходами основного потока пара. Однако опыты показали, что в этом нет необходимости, и выход пара производится через общий коллектор.
В настоящее время для третьего поколения турбин используется новая конструкция СПП.
Фирма ДЭ в первых, как правило, одноконтурных АЭС применяла сначала только внешнюю сепарацию без промперегрева. Для этого использовалась конструкция сепаратора типа Пирлес вертикального расположения с шевронными элементами (см. рис. 4-9,г). Высота сепаратора 7 м, наружный диаметр 4 м. В последующих конструкциях этот сепаратор сочетался с отдельно располагаемым перегревателем.
При эксплуатации было несколько случаев поломок в распределительных коллекторах внутри корпуса, выполненных из нержавеющей стали, а также наблюдалось коррозионное растрескивание в головной части шевронных пластин [106]. Замена этих распределительных труб в сочетании с ужесточением их или использование новой конструкции распределителя позволила решить эту проблему. Однако в большинстве работающих агрегатов и во всех новых турбинах фирма применяет горизонтальные сепараторы или комбинированные СПП горизонтального расположения, что обеспечивает компактность установки и более экономичную компоновку агрегата [106]. Вместо одного вертикального аппарата устанавливаются два горизонтальных.
Конструкция такого СПП с двумя ступенями промперегрева показана на рис. 4-20 [62]. Длина СПП 14 м, наружный диаметр 3,25 м. Вход основного потока пара производится с одного торца аппарата, пар расходится внутри корпуса сбоку, вдоль всей длины, и далее проходит через элементы сепаратора из рифленых пластин. После сепаратора пар направляется в первую ступень промперегрева, расположенную внизу, в центральной части СПП, а оттуда вверх, в такого же типа вторую ступень промперегрева. Греющий пар подается в обе ступени перегрева через входные патрубки небольшого размера, находящиеся на торце СПП, противоположном тому, где входит основной поток пара. На торце находятся и патрубки дренажа греющего пара. Выход основного потока пара производится через два патрубка в верхней части корпуса. Трубки промперегревателей — оребренные.
Результаты испытаний вертикального сепаратора фирмы ДЭ [125] показаны на рис. 4-10. Здесь дана зависимость эффективности сепаратора ηсеп от количества поступающей влаги (в долях от максимальной расчетной) Свл/(Свл)0. Эффективность ηсеп=0,98- 0,995.
Рис. 4-20. Сепаратор-промперегреватель фирмы ДЭ.
1 — подвод основного потока пара; 2 — подвод греющего пара; 3 — выход основного потока пара; 4 — дренаж греющего пара; 5 — элементы сепаратора; 6 — трубный пучок первой ступени промперегрева; 7 — то же второй ступени.
Рис. 4-21. Сепаратор-промперегреватель турбин фирмы «Тосиба».
1 — вход основного потока пара из ЦВД; 2 — коллектор-распределитель основного потока пара; 3 — сепаратор; 4 — вход греющего пара из отбора ЦВД; 5 — секции труб первой ступени перегрева; 6 — вход греющего пара начальных (перед турбиной), параметров; 7 — секции труб второй ступени перегрева; 3 — выходные патрубки основного потока пара к ЦНД; 9 — дренаж сепарата (к ПНД); 10 — выход конденсата из первой ступени перегрева (в ПВД); 11 — то же из второй ступени (к ПВД); 12 — трубные доски; 13 —люки; I — сухой насыщенный или перегретый пар; II — влажный пар; III — дренаж.
Фирма «Тосиба» (см. § 5-4) применяет как сепараторы, так и сепараторы-промперегреватели (СПП). Разделительное давление рразд=1,1 МПа, влажность пара на выходе из ЦВД у1=12%. Для проектируемых агрегатов рэ=1000-1200 МВт планируются два СПП с двухступенчатым промперегревом до tпп=268,5°С.
Конструкция такого СПП видна из рис. 4-21. Основной поток пара из ЦВД входит в СПП с торца и поступает в центральный разделительный коллектор. Из него через отверстия, расположенные внизу, пар расходится в две боковые секции сепаратора шевронного типа, выполненные со сложной системой зигзагообразных пластин. Сепарат дренируется через несколько выходных патрубков в дне СПП и направляется в ПНД установки. Пар после каждого сепаратора идет вверх и проходит последовательно через первую и вторую ступени промперегревателя, между их трубками. Выход основного потока осуществляется через три выходных патрубка соответственно числу ЦНД агрегата. Греющий пар из отбора ЦВД и начальных перед турбиной параметров также поступает с торца СПП и проходит внутри трубок. Выход конденсата греющего пара, как и подвод пара, производятся через торец СПП.
Важнейшей проблемой создания эффективного СПП такой конструкции является равномерное распределение всех потоков и обеспечение равномерного температурного поля на выходе. Этим задачам, так же, как и снижению потерь давления в тракте, фирма уделяет большое внимание, проводя комплекс исследований [126]. Опыты показали, что в самых худших из режимов при у1=15% конечная влажность у2=0,3%.
Результаты работы ряда СПП и поломки в некоторых из них разобраны в § 7-4.
