Компоновка трубного пучка

Выбор рациональной компоновки трубного пучка — определяющее условие высокоэффективной работы конденсатора. В связи с этим в ряду вопросов, кото­рые приходится решать при проектировании конденсатора, данный вопрос наиболее сложен и трудоемок.

При проведении предварительных или оценочных расчетов конденсатора, когда нет чертежа разбивки трубок, удобно использовать коэффициент заполнения труб­ной доски η_тр, еще удобнее воспользоваться коэф­фициентом использования трубной доски u_тр, (не нужно задаваться шагом S).

Использование для конденсатора понятия условного диаметра трубной доски D_y вынужденное, так как трубные доски современных конден­саторов практически не бывают полностью круглыми. В связи с этим условно заме­няют трубную доску произвольной формы круглой доской равновеликой площади.

Взаимосвязь поверхности теплообмена конденсатора с вышеприведенными параметрами при полезной длине трубок L представлена следующими зависимостями:

(112)

(113)

Основной признак классификации компоновочных решений трубных пучков конденсаторов — направление движения потока пара, что, в свою очередь, взаи­мосвязано с местом расположения отсоса паровоздушной смеси. По направлению движения парового потока в трубном пучке конденсаторы можно разделить на четыре основных типа (рис. 9).

Рис. 9. Принципиальные схемы компоновочных решений трубного пучка конденсаторов: а – с нисходящим потоком пара; б – с восходящим потоком пара; в – с центральным отбором ПВС; г – с боковым потоком пара; А – пар из турбины; В – отсос ПВС.

В конденсаторе с нисходящим потоком пара (см. рис. 9, а) пар поступает в трубный пучок сверху, а отсос паровоздушной смеси организуется в нижней час­ти корпуса. Достоинством данной схемы является ее компактность, а недостатками — большое паровое сопротивление и большое переохлаждение конденсата. Пер­вое вызвано прежде всего большой скоростью пара на входе в трубный пучок (ма­лые проходные сечения со стороны входа пара), а также большой длиной пути, проходимого паром по пучку. Второе определяется тем, что стекающий с трубки на трубку конденсат в нижней части конденсатора приходит в соприкосновение с паровоздушной смесью, сильно обогащенной воздухом и имеющей более низкую температуру, чем поступающий в конденсатор пар. Полностью устранить или значительно уменьшить переохлаждение конденсата можно за счет его подогрева с помощью пара. Такие конденсаторы называются регенеративными. Современные конденсаторы, как правило, все регенеративные.

В конденсаторе с восходящим потоком пара (см. рис. 9, б) принцип регене­рации используется наиболее полно. Поступающий в конденсатор с такой компо­новкой пар, направляемый специальными щитами в нижнюю часть конденсатора, непосредственно соприкасается с поверхностью конденсата в конденсатосборнике, а стекающий с трубки на трубку конденсат подогревается паром, движущимся навстречу. При таком конструктивном решении переохлаждение конденсата мо­жет быть устранено практически полностью, что является достоинством данной компоновки трубного пучка.

Основным недостатком рассматриваемой компоновки является ее значитель­ное паровое сопротивление, вызванное теми же причинами, что и в конденсаторе с нисходящим потоком пара, а также наличием поворота потока пара на 180° (в нижней части), в связи с чем такая компоновка практически не применяется.

На рис. 9, в показана схема трубного пучка конденсатора с центральным потоком пара. Трубный пучок имеет форму круга, пар подводится практически по всей наружной поверхности пучка и движется радиально к центру — к месту от­соса паровоздушной смеси. Стекающий сверху конденсат, а также поверхность конденсата в конденсатосборнике контактируют с частью пара, поступающей в нижнюю часть конденсатора, и этим обеспечивается принцип регенерации. Паро­вое сопротивление трубного пучка при данной компоновке меньше, чем у ранее описанных, что определяется большей поверхностью пучка со стороны входа пара и меньшей длиной пути пара в пучке (пар двигается практически по радиусу).

Достоинством данной компоновки является постепенное уменьшение проход­ного сечения для пара в пучке от периферии к центру (за счет соответствующей разбивки трубок), а также в нижней части трубного пучка (за счет эксцентрисите­та ε корпуса и трубного пучка). Это обеспечивает поддержание необходимого уров­ня скоростей пара в нижних рядах трубок и отсутствие контакта между основным конденсатом и отсасываемой паровоздушной смесью, способствующее дегазации конденсата.

Конденсатор с боковым потоком пара (см. рис. 9, г) имеет развитый цент­ральный проход для пара, благодаря чему обеспечивается контакт конденсата и пара как в трубном пучке, так и в конденсатосборнике. В конденсаторах с такой компоновкой трубного пучка, особенно в сочетании с ленточной компоновкой (см. ниже), переохлаждение конденсата незначительно (обычно доли градуса), а паро­вое сопротивление сравнительно невелико, что определяется развитой поверхно­стью со стороны входа пара в пучок и сравнительно небольшой длиной пути пара.

Компоновки трубных пучков, приведенные на рис. 9, характерны в основ­ном для конденсаторов паровых турбин небольшой мощности и в настоящее вре­мя в таком виде практически не применяются. В отдельных случаях элементы таких компоновок используются во взаимном сочетании.

Анализ компоновок трубных пучков конденсаторов паровых турбин различ­ных отечественных и зарубежных турбинных заводов показал, что, несмотря на многообразие конструктивных решений, основные соображения, закладываемые конструкторами при их проектировании, совпадают с принципами рациональной компоновки, изложенными в разделе 5.1.

С ростом единичной мощности турбоагрегатов и увеличением размеров кон­денсаторов преимущественное применение получила так называемая ленточная компоновка (в виде узкой изогнутой ленты, толщина которой определяет длину пути пара в этом сечении), удовлетворяющая практически всем основным требо­ваниям рационального проектирования пучков, а также наиболее компактная.

Рис. 10. Схемы ленточных компоновок трубных пучков конденсаторов тур­бин. 1 100-КЦС-4 (К-100-90-2 ЛМЗ), 2 200-КЦС-2 (К-200-130 ЛМЗ), 3 300-КЦС-1 (К-300-240 ЛМЗ), 4 КГ2-6200-1 (Т-110/120-130 ТМЗ), 5 К-100- 3685 (К-100-90 ХТЗ), 6 К-150-9115 (К-160-130-2 ХТЗ), 7 К-15240 (К-300-240 ХТЗ), 8 К-11520 (К-500-240 ХТЗ). Стрелкой обозначено место отсоса паровоздушной смеси

На рис. 10 показаны схемы некоторых характерных примеров выполне­ния ленточной компоновки трубных пучков. Такие компоновки позволяют срав­нительно равномерно распределять пар по отдельным зонам конденсатора при небольшом его паровом сопротивлении.

Трубные пуч-ки с ленточной компоновкой достаточно компактны. Разбивка трубок внутри ленточной компоновки, как правило, треугольная. Поступаю­щий в конденсатор с такой компоновкой трубного пучка поток отработавшего пара набегает по широкому фронту на трубки с относительно малым количеством ря­дов трубок по толщине ленты. Пар (паровоздушная смесь) проходит при этом сравнительно короткий путь к месту отсоса воздуха из конденсатора. В пучках имеют­ся выделенные воздухоохладители, а в некоторых конструкциях предусматрива­ются устройства для улавливания и отвода конденсата на промежуточных по вы­соте пучка уровнях. Широкие центральные проходы для доступа пара в нижнюю часть обеспечивают подогрев конденсата до температуры насыщения отработав­шего пара и его деаэрацию в нижней части конденсатора.

Рост единичной мощности турбоагрегатов, достигшей 1000 МВт и более, при­вел к тому, что в одном корпусе конденсатора потребовалось размещать большие поверхности. В этих условиях для обеспечения высоких теплотехнических характеристик конденсаторов наиболее целесообразно использование модульного прин­ципа организации поверхности охлаждения.

В модульных пучках вся расположенная в корпусе поверхность делится на ряд одинаковых модулей (пучков), разделенных проходами для пара и имеющих воз­духоохладительный пучок и индивидуальный отсос воздуха. Это позволяет уве­личить доступный для поступающего пара суммарный периметр всех модулей и ограничить в каждом из них толщину ленты, обеспечив таким путем и при очень большой общей поверхности охлаждения более равномерное распределение пара и небольшое паровое сопротивление.

Несомненным достоинством модульной компоновки является и то, что ее не­сколько проще отрабатывать как экспериментальными, так и расчетными метода­ми. Для этого достаточно провести всестороннее исследование одного модуля. Кроме того, модульные пучки легко типизировать и унифицировать, что позволя­ет, меняя три параметра — типоразмер профиля, количество модулей и длину тру­бок, — создать неограниченный ряд конденсаторов необходимых типоразмеров и характеристик (параметров). Характерные примеры выпол­нения модульных компоновок трубного пучка представлены на рис. 11 и 12.

Трубный пучок каждого корпуса конденсатора турбины К-750-65/3000 ХТЗ (все­го корпусов четыре) разделен на четыре модуля (см. рис. 11), между которыми оставлены каналы для прохода пара в пучок модуля и в деаэрационное устрой­ство, размещенное под каждым модулем. В пределах каждого модуля трубный пучок по конфигурации выполнен в виде замкнутой ленты, вытянутой по вертикали. На правой и левой ветвях ленты на высоте горизонтального монтажного шва, делящего пучок пополам, симметрич­но расположены воздухоохладительные пучки. Конденсатор не имеет специально выделенного конденсатосборника, его функции выполняет нижняя часть всего корпуса. Аналогичная компоновка трубного пучка предусмотрена и в подвальных конденсаторах для турбин АЭС мощностью 1000 МВт ХТЗ.

Рис. 11. Компоновка трубного пучка конден­сатора турбины К-750-65/3000 ХТЗ. 1,2 верхняя и нижняя части основного пуч­ка модуля, 3 воздухоохладительные пучки, 4 деаэрационное устройство

Трубный пучок конденсатора турбины К-800-240 ЛМЗ (см. рис. 12) также разделен на модули. Конденсатор — одноходовой, аксиальный, с двумя после­довательно включенными по охлаждающей воде корпусами. В каждом корпусе трубный пучок разделен на восемь самостоятельных модулей. Особенность ком­поновки этого конденсатора состоит в том, что в пределах каждого модуля труб­ный пучок выполнен в виде сплошного массива трубок, вытянутого по вертика­ли и расширяющегося в чижней части. Между модулями оставлены проходы для пара. Каждый модуль имеет самостоятельный отсос паровоздушной смеси (в центральной по высоте части). Выделенного воздухоохладительного пучка модули не имеют. Эту функцию выполняет часть трубного пучка каждого моду­ля, примыкающая к месту отсоса воздуха. Эта зона отгорожена щитами, препят­ствующими попаданию в нее и в патрубок для отсоса воздуха отработавшего пара помимо охлаждающих трубок основной части пучка. Модули попарно об­ращены друг к другу воздухоохладительными зонами, т. е. как бы зеркально ото­бражены. Аналогичная компоновка трубного пучка применяется и в конденса­торах турбины К-1200-240 ЛМЗ.

Рис. 12. Компоновка трубного пучка конденсатора турбины К-800-240 ЛМЗ. 1,2 верхняя и нижняя части трубного пучка одного модуля, 3 отсос паровоздушной смеси, 4 щиты, препятствующие попаданию пара в отсос мимо охлаждающих трубок

При проектировании компоновки трубного пучка и окончательного контура трубной доски необходимо учи­тывать общую компоновку конденсатора в составе турбоагрегата (например рас­положение конденсатора относительно турбины, форму и размеры фундамента и др.), технологичность изготовления трубных досок и промежуточных перегоро­док определенной формы, вопросы сборки, транспортировки и монтажа конден­сатора на станции (с учетом трассировки различных расположенных рядом тру­бопроводов) и другие факторы.

На всех этапах проектирования компоновки трубного пучка, особенно при оп­ределении окончательных размеров трубной доски, рекомендуется ориентироваться на оптимальные величины коэффициентов заполнения η_тр и использования и_тр трубной доски, значения и взаимосвязь которых с основными геометрическими размерами конденсатора приведены выше.