VI. РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПОДОГРЕВ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ

25. Каково назначение системы регенеративного подогрева питательной воды? Как выбирается количество ступеней подогрева?

Недостатком водяного пара как рабочего тела является очень большая теплота конденсации r при низких давлениях (рис. 19).

Рис. 19. Зависимость теплоты конденсации пара от давления

Это приводит к значительным бесполезным потерям теплоты в конденсаторе. Если же использовать теплоту конденсации пара для

подогрева воды на тракте между конденсатором и парогенератором, то тепловая экономичность установки возрастет. Эту задачу выполняет система регенеративного подогрева питательной воды (более короткое название – система регенерации). Таким образом, назначение системы регенерации – снижение потерь теплоты в холодном источнике за счет подогрева конденсата и питательной воды отборным паром турбины.

На рис. 20 показан цикл Ренкина с регенерацией. Участок 1 – срабатывание части располагаемого теплоперепада в первом отсеке турбины, участок 2 – отвод части теплоты при конденсации отборного пара в регенеративном подогревателе, который является последним по ходу питательной воды перед парогенератором. Если количество ступенек стремится к бесконечности, то получится предельный регенеративный цикл, КПД которого приближается к КПД идеального цикла Карно.

S,

Рис. 20. Цикл Ренкина с регенерацией ( и – конечная влажность пара и термический КПД цикла с регенерацией)

Но в реальных циклах количество ступеней регенеративного подогрева ограничено – обычно их не более 8-10. Дело в том, что добавление каждой следующей ступени дает все меньший выигрыш в тепловой экономичности, и, начиная с какого-то количества подогревателей, он перестает компенсировать рост капитальных затрат.

Кроме того, в реальном цикле на регенеративный подогрев воды отводится из турбины не весь пар, как это показано на рис. 20, а только часть его, но зато эта часть пара конденсируется полностью.

Необходимо также отметить, что отбор пара в систему регенерации уменьшает его расход в конденсатор, что позволяет повысить величину допустимой конечной влажности пара.

26. Как распределяется суммарный подогрев между ступенями? Как определяется оптимальная температура питательной воды парогенератора?

Оптимальная величина подогрева в регенеративном подогревателе равна теплоперепаду между вышерасположенным отбором и отбором на данный подогреватель (для последнего по ходу питательной воды ПВД роль вышерасположенного отбора играет вход пара в турбину).

Рассмотрим конкретный пример: имеется 7 регенеративных подогревателей - 4 ПНД и 3 ПВД. Восьмым подогревателем является деаэратор, расположенный между последним ПНД и первым ПВД. Кроме того, в качестве еще одной (т.е. девятой) ступени нагрева рабочего тела до температуры насыщения рассматривается и экономайзерная часть парогенератора.

Таким образом, весь суммарный подогрев воды от энтальпии на выходе из конденсатора до энтальпии насыщенной воды в экономайзере нужно разделить на 9 отрезков. С точки зрения уменьшения капитальных затрат и удобства эксплуатации теплообменных агрегатов можно было бы принять равномерное распределение суммарного подогрева между ступенями, так как при этом достигается унификация оборудования для системы регенерации. При таком распределении подогрева оптимальная температура питательной воды составит:

где z - общее число ступеней подогрева (в нашем примере z = 9), t_к и - температура воды на выходе из конденсатора и температура насыщенной воды в экономайзере соответственно.

На выбор температуры питательной воды парогенератора влияют многие факторы. Например, при ее увеличении возрастают расход свежего пара и радиальные размеры ЦВД турбины, стоимость системы регенерации, расход энергии на привод питательных насосов, но удешевляются конденсаторы и система технического водоснабжения, снижаются радиальные размеры ЦНД и расход энергии на конденсатные насосы. Поэтому на практике оптимальная температура питательной воды определяется в результате технико-экономического анализа и примерно составляет:

- 230 ^оС для турбоустановок с начальным давлением пара 12,75 МПа;

- 265 ^оС при P_o = 23,5 МПа.

27. Каковы достоинства и недостатки регенеративных подогревателей смешивающего и поверхностного типов? Как определяется расход отборного пара в них и оптимальная величина недогрева?

В регенеративном подогревателе поверхностного типа внутри трубок теплообменной поверхности находится нагреваемая среда - в ПНД это конденсат, а в ПВД – питательная вода. В межтрубное пространство поступает пар из отбора турбины. Он конденсируется, соприкасаясь с более холодными трубками.

Регенеративные подогреватели смешивающего типа еще называют контактными подогревателями. В них нагрев воды осуществляется при ее смешении с отборным паром. Это означает, что давление в корпусе каждого последующего (по ходу воды) подогревателя больше, чем в предыдущем подогревателе, поскольку давление отборного пара выше. В связи с этим необходимо устанавливать насос после каждой ступени подогрева или же располагать подогреватели на разной высоте для обеспечения естественного перетока воды за счет гидростатического давления (без перекачивающего насоса).

Этого недостатка лишены поверхностные подогреватели, при использовании которых достаточно только двух насосов - конденсатного на всю группу ПНД и питательного для всех ПВД.

В свою очередь, недостатком поверхностных подогревателей является недогрев воды до температуры насыщения отборного пара из-за температурного перепада в стенках трубок. Увеличение недогрева несколько снижает выработку электроэнергии, ибо требуются более высокие параметры отборного пара для обеспечения нужной температуры нагреваемой среды. С другой стороны, уменьшение недогрева приводит к увеличению размеров теплообменной поверхности и, следовательно, стоимости подогревателя. Поэтому оптимальная величина недогрева определяется технико-экономическими расчетами и может составлять от 1,5-2 ^оС для латуни до 5 ^оС для нержавеющей стали.

Другим недостатком подогревателей поверхностного типа следует считать более высокую стоимость и меньшую надежность по сравнению с контактными подогревателями, так как наличие большого количества трубок поверхности теплообмена приводит не только к росту капитальных затрат на оборудование, но и повышает опасность выхода подогревателя из строя по причине коррозионных повреждений.

Расход отборного пара в регенеративный подогреватель поверхностного типа находится из уравнения теплового баланса, при составлении которого надо учесть потери энергии из-за внешнего охлаждения корпуса теплообменника. Они могут составлять примерно 1% от теплоты, отдаваемой отборным паром.

Для подогревателя смешивающего типа составляется два уравнения – материального и теплового баланса, причем потери теплоты в окружающую среду в уравнении теплового баланса можно не учитывать, поскольку они в одинаковой степени относятся и к греющей, и к нагреваемой среде.

28. Что такое коэффициент недовыработки мощности паром отбора? Как определяется расход свежего пара на турбоустановку с регенеративным подогревом питательной воды?

Отбор части пара из турбины ведет к недовыработке мощности этим потоком. Коэффициент недовыработки мощности паром отбора y показывает, какую долю теплоперепада не доработал отборный пар в турбине по отношению к полному теплоперепаду конденсационного потока (рис. 21).

Рис. 21. Коэффициент недовыработки мощности отборным паром

Отсюда вытекает, что произведение коэффициента недовыработки на расход пара в отбор есть не что иное как некоторое дополнительное количество свежего пара, которое надо направлять в голову турбины для компенсации расхода части пара в систему регенерации.

Таким образом, расход свежего пара на турбоустановку с регенеративным подогревом питательной воды определяется как сумма расхода на чисто конденсационную турбину (с таким же рабочим процессом пара) и дополнительного расхода, компенсирующего пропуск пара во все регенеративные отборы.

29. Как влияет промперегрев пара на эффективность регенерации? Сравните эффективность регенерации на КЭС и ТЭЦ.

Промежуточный перегрев пара уменьшает эффективность регенерации, т.е. снижает относительное повышение КПД, обусловленное регенеративным подогревом рабочего тела. Это происходит по следующим причинам:

- расход пара в нижние регенеративные отборы (т.е. отборы, расположенные после промперегрева) становится меньше, так как параметры отборного пара возрастают; отметим, что отборы, расположенные в турбине до направления пара на промперегрев, называют верхними;

- КПД исходного цикла (т.е. цикла с промперегревом, но без регенерации), с которым идет сравнение, выше, чем КПД цикла без промперегрева.

Ступень регенеративного подогрева, расположенную непосредственно перед промперегревом, называют «холодной», а ступень, следующую сразу за ним – «горячей». Оптимизация распределения подогрева воды между этими двумя ступенями дает основной выигрыш при многоступенчатой регенерации (такая задача может быть решена по методу «индифферентной» точки).

Рассмотрим теперь особенности регенеративного подогрева на ТЭЦ.

Температуры питательной воды на входе в парогенератор на ТЭЦ и КЭС примерно одинаковы (при аналогичных параметрах пара), а пар из регулируемых отборов теплофикационных турбин (производственного, отопительного) может использоваться и для регенеративного подогрева воды в конденсатно-питательном тракте.

Для решения задачи оптимального распределения подогрева рабочего тела теплофикационной турбоустановки весь интервал подогрева разбивают по греющему пару на три участка:

- от входа в турбину до верхнего регулируемого отбора;

- от верхнего до нижнего регулируемого отбора;

- от нижнего регулируемого отбора до выхода из турбины.

В пределах каждого из этих участков распределение подогрева между ступенями подчиняется тем же закономерностям, что и для чисто конденсационной турбоустановки.

Эффективность регенерации на ТЭЦ меньше, чем на КЭС, поскольку в теплофикационной турбоустановке осуществляется регенеративный подогрев не только основного конденсата турбины, но также обратного

конденсата от внешних потребителей теплоты и добавочной воды, восполняющей потери рабочего тела в цикле. Эти потери возникают в том числе и по причине неполного возврата конденсата от потребителей. Доля

обратного конденсата для ТЭЦ может быть значительной, а его температура выше, чем у основного конденсата. Это уменьшает требуемый расход отборного пара и тем самым снижает эффективность регенеративного подогрева на ТЭЦ по сравнению с КЭС.

30. Какие бывают схемы вывода дренажей регенеративных подогревателей? Каково назначение охладителей дренажа и пароохладителей?

Общее правило слива дренажей на ТЭС заключается в том, что любой поток желательно направить в теплообменник с наиболее близкими параметрами рабочей среды.

Для группы регенеративных подогревателей высокого давления, как правило, применяется каскадный слив дренажей греющего пара, когда дренаж последнего перед парогенератором ПВД направляется в предпоследний и т.д., а из первого по ходу питательной воды ПВД – в деаэратор.

Для подогревателей низкого давления возможны следующие варианты:

- каскадный слив с направлением суммарного потока дренажей всех ПНД в конденсатор;

- закачивание дренажей ПНД дренажными насосами в линию основного конденсата, например, из первого по ходу конденсата ПНД на вход во второй ПНД;

- комбинация (сочетание) каскадного слива с дренажными насосами (рис. 22).

Для системы ПВД схема с дренажными насосами не применяется, так как создание насосов небольшой производительности для высоких температур рабочего тела затруднительно.

На рис. 22 показан охладитель дренажа (ОД), предназначенный для уменьшения необратимых термодинамических потерь, которые могли бы возникнуть при вскипании дренажа, сливаемого в корпус предыдущего ПНД. Дренаж образуется в результате конденсации греющего пара из отбора

турбины и, следовательно, имеет температуру насыщения для давления в

Рис. 22. Схема каскадного слива дренажей ПНД с дренажным насосом

межтрубном пространстве своего ПНД. В корпусе предыдущего по ходу конденсата ПНД давление меньше, поэтому сливаемый туда дренаж надо охладить, причем, как видно из рис. 22, использование для этой цели части потока основного конденсата обеспечивает как раз нужный уровень снижения температуры дренажа для предотвращения его вскипания.

Аналогичную роль выполняет пароохладитель (ПО), расположенный в одном корпусе с ПВД. В циклах перегретого пара во все или хотя бы в последние по ходу питательной воды ПВД поступает отборный пар в перегретом состоянии. Для уменьшения необратимых термодинамических потерь при его конденсации желательно сначала охладить этот пар до температуры насыщения, а только потом сконденсировать. Охлаждение перегретого отборного пара осуществляется частью потока питательной воды.

Уровень конденсата в регенеративном подогревателе должен контролироваться, ибо в случае его понижения возможен проскок пара на слив и, вследствие этого, недовыработка электроэнергии. А в обратном случае уменьшается доля поверхности теплообмена, на которой происходит конденсация греющего пара, и может даже произойти попадание воды в турбину.

31. Какие конструкционные материалы могут использоваться для изготовления теплообменных поверхностей ПВД и ПНД? Каковы основные правила для конструкций регенеративных подогревателей поверхностного типа?

Для изготовления теплообменной поверхности регенеративных подогревателей могут применяться углеродистые стали, латунь, нержавеющие стали. Выбор конструкционных материалов определяется в первую очередь его коррозионной стойкостью, а также теплофизическими свойствами, стоимостью, технологичностью.

Подогреватели высокого давления можно изготавливать из обычной углеродистой стали, ибо они расположены после деаэратора, где удаляются из воды коррозионно-агрессивные газы – кислород и двуокись углерода.

Для ПНД, как правило, используется латунь, обладающая более высокой коррозионной стойкостью и хорошей теплопроводностью. Исключением являются подогреватели низкого давления одноконтурных АЭС - здесь необходима нержавеющая сталь, поскольку применение медьсодержащих сплавов, к которым относится латунь, чревато выносом соединений меди в активную зону реактора с последующим выпадением их на тепловыделяющих элементах (твэлах) из-за высоких тепловых потоков.

Для конструкций поверхностных подогревателей должны выполняться следующие основные правила:

- среда с более высоким давлением направляется в трубки теплообменной поверхности (в регенеративных подогревателях это нагреваемая вода), а с меньшим давлением (в данном случае это греющий пар) – в межтрубное пространство; такое распределение потоков обеспечивает снижение металлоемкости теплообменного аппарата в целом;

- греющий пар из отбора турбины направляется сверху вниз для удобства слива дренажей и вывода воздуха из верхней части подогревателя.