Технология отвода тепла от паротурбинных установок энергоэффективными воздушными конденсаторами

Большая часть электроэнергии в мире вырабатывается с помощью паровых турбин. Для конденсации пара на выходе из паровых турбин чаще всего применяют конденсаторы с использованием воды в качестве охлаждающей среды, при этом конденсация пара происходит на наружной поверхности труб.

В последние годы во многих регионах мира начинает ощущаться дефицит природной воды из-за ее чрезмерного потребления, обмеления водных источников и, как следствие, многократное увеличение ее стоимости, что, в свою очередь, сказывается на росте тарифов на вырабатываемую электроэнергию.

Как альтернатива водяным конденсаторам, все более широко применяются воздушные конденсаторы (ВК), в которых охлаждение оребрённых труб происходит атмосферным воздухом. Несмотря на их большие габариты и стоимость по сравнению с конденсаторами, охлаждаемыми водой, им нет альтернативы в районах, где отсутствует в необходимых количествах вода, которую можно использовать в технических целях. В связи с непрекращающимся ростом суммарной мощности электростанций, расширением областей их установки, в том числе в местах отсутствия водоемов и рек, возникает дефицит технической охлаждающей воды и рост её стоимости, особенно в мегаполисах.

В энергетике существует несколько типов систем отвода тепла, в которых используется воздушное охлаждение (рис. 1). Термодинамический анализ этих схем показал, что наиболее энергоэффективная технология включает в себя воздушные конденсаторы с конденсацией отработавшего пара непосредственно внутри труб.

а) – с воздушным конденсатором (1- паровая турбина; 2 – коллектор входной; 3 – поверхность теплообмена; 4 – коллектор выходной; 5 – кондесатосборник; 6 – конденсатный насос; 7 – воздухоудаляющее устройство); 

б) – со смесительным конденсатором (1-4, 6, 7 – то же, что и на а); 5 – смесительный конденсатор; 8 – гидротурбина, дроссель);

в) – с поверхностным водоохлаждаемым конденсатором (1-4, 6, 7 – то же, что и на а); 5- поверхностный конденсатор; 8 – циркуляционный насос; 9 – расширительный бак);

I – пар; II – конденсат; III – паровоздушная смесь; IV – циркуляционная вода; V – охлаждающий воздух

Рис. 1 – Схемы конденсационных установок с аппаратами воздушного охлаждения.

При одинаковых коэффициентах теплопередачи в системах воздушного охлаждения схема отвода тепла, представленная на рис. 1(а), имеет существенно меньшую поверхность теплообмена и расход энергии на привод электродвигателя.

В настоящее время в России поставку систем отвода тепла от паротурбинных установок (ПТУ) с использованием аппаратов воздушного охлаждения осуществляют в основном иностранные компании.

В частности, для охлаждения технической воды в системе отвода тепла от ПТУ GEA EGI (Венгрия) поставила в Россию три системы, работающие по схеме, представленной на рис. 1(в), для двух сочинских и Адлерской ТЭЦ. Для конденсации пара от паровой турбины на этих станциях использовался водяной конденсатор производства ОАО «Калужский турбинный завод» (т.е. схема на рисунке 1(в) наименее эффективная и наиболее дорогая).

Для отвода тепла от ПТУ для ТЭЦ мусоросжигающего завода ОАО «Экотехпром» (г. Москва), Верхне-Мутновской ГеоЭС (г. Петропавловск-Камчатский), газоперекачивающей станции ООО «Мострансгаз» (Липецкая область) использовались воздушные конденсаторы производства ОАО «Калужский турбинный завод», работающие по схеме, представленной на рис. 1а.

В результате проведенных исследований на указанных объектах ОАО «Калужский турбинный завод» было установлено три факта:

1) коэффициент теплопередачи не превышает 17 Вт/(м²·К);

2) теплообменные модули из 78 оребренных труб, последовательно вваренные в коллектор подвода пара, работают с разной тепловой нагрузкой;

3) часть теплообменных труб, расположенных в первых рядах трубного пучка на входе холодного воздуха, разрушена из-за замерзания внутри них конденсата.

Для разработки энергоэффективных воздушных конденсаторов в Межведомственной научно-исследовательской лаборатории им. В.А. Федорова (г. Калуга) был создан экспериментальный стенд для исследований макетов воздушных конденсаторов (рис. 2).

Рис. 2 – Стенд испытаний макетов воздушных конденсаторов.

В результате экспериментальных исследований и анализа работы эксплуатируемых воздушных конденсаторов были сформулированы требования к созданию типовой энергоэффективной секции ВК:

• высокая (до 75 м/с) скорость водяного пара по всему тракту его движения при условии отсутствия эрозии стали в многоходовом теплообменном аппарате;

• скорость воздуха в узком сечении трубного оребренного пучка 6–7 м/с, что соответствует перепаду статического давления на теплообменной поверхности 160–180 Па, характерному для осевых вентиляторов больших диаметров;

• коэффициент оребрения 17–20 по отношению к наружному диаметру трубы;

• гидравлическое сопротивление со стороны конденсирующегося пара не более 500 Па, так как увеличение давления на 1000 Па приводит к снижению мощности турбины примерно на 1%;

• количество рядов по воздуху не более четырех, что определяется перепадом статического давления на теплообменной поверхности совместно с вентилятором;

• установка вентилятора над трубным пучком, чтобы не было намерзания льда на лопастях и их разрушения;

• трубы с увеличенным расходом неконденсирующихся газов должны охлаждаться воздухом, нагретым в предыдущих рядах;

• устранение коллекторного эффекта должно обеспечиваться специальной конструкцией паропровода;

• обеспечение газоплотности развитой вакуумной системы ВК.

По итогам исследований были сделаны важные выводы, которые позволили создать конструкцию воздушного конденсатора, в котором зависимость среднего коэффициента теплопередачи от плотности теплового потока, определенного по оребренной наружной поверхности труб, существенно превышает аналогичные отечественные и зарубежные данные.

Наверх

ЗАО НПВП "Турбокон"
Россия, 248010, г.Калуга, ул.Комсомольская роща, д.43, E-mail: turbocon@kaluga.ru
© 2015-2024г. Все права защищены