Расчёт собственно подогревателя

Введение

Подогреватели высокого давления

Подогреватели высокого давления предназначены для регенеративного подогрева питательной воды за счет охлаждения и конденсации пара.

Конструктивно все подогреватели высокого давления выполняются вертикальными, коллекторного типа. Поверхность теплообмена набирается из свитых в плоские спирали гладких труб наружным диаметром 32 мм, присоединенных к вертикальным раздающим и собирающим коллекторным трубам. Основными узлами подогревателя являются корпус и трубная система. Все элементы корпуса выполняются из качественной углеродистой стали 20К. Верхняя объемная часть корпуса крепится фланцевым соединением к нижней части. Гидравлическая плотность соединения обеспечивается предварительной приваркой к фланцам корпуса и днища мембран, которые свариваются между собой по наружной кромке и другими методами. Само фланцевое соединение крепится шпильками. Конструкция трубной системы включает в себя четыре или шесть коллекторных труб для распределения и сбора воды. В нижней части корпуса устанавливаются специальные развилки и тройники для соединения коллекторных труб с патрубками подвода и отвода питательной воды.

После входного патрубка поток питательной воды разветвляется по раздающим коллекторам. Диафрагмы, установленные в этих коллекторах, разделяют потоки в зонах охладителя конденсата и пара. После нагрева части потока в зоне охладителя конденсата происходит смешение его с основным потоком питательной воды. Весь поток питательной воды поступает в собирающие коллекторы, откуда одна часть ее поступает непосредственно в выходной патрубок, а другая пройдя через трубы охладителя пара.

Греющий пар подводится через паровой штуцер. При нижнем подводе паровая труба, соединяющая этот штуцер с охладителем пара, помещается

в отдельном кожухе, защищающем ее от переохлаждения. Спиральные элементы теплообменной поверхности охладителя конденсата и пара располагаются в специальных кожухах, в которых с помощью системы промежуточных перегородок в межтрубном пространстве создается направленное движение потоков пара и конденсата.

В корпусе охладителя пара перегретый пар омывает трубный пучок в несколько ходов и передает питательной воде теплоту перегрева. Из охладителя пара поток пара поступает в подогреватель и распределяется по всей высоте его поверхности. Конденсат пара с помощью перегородок, установленных в межтрубном пространстве, отводится за пределы трубного пучка и вдоль стенок корпуса стекает в охладитель конденсата. Над верхним днищем кожуха охладителя устанавливается специальная перфорированная труба, через которую из подогревателя отводятся неконденсирующиеся газы.

У ПВД горизонтального типа поверхность теплообмена представляет собой два разделенных направленных в противоположные стороны U-образных трубных пучка. В центре корпуса расположена общая цилиндрическая водяная камера с двумя трубными досками. В подогревателе отсутствует охладитель перегрева, а поверхность охладителя конденсата выделена в нижней части трубных пучков. Греющий пар поперечным потоком омывает горизонтально расположенные трубки и конденсируется на их поверхности. Конденсат пара отводится в кожух охладителя конденсата, где передает теплоту питательной воде при продольно-встречном омывании трубок.

Все подогреватели высокого давления помимо автоматического устройства регулирования уровня конденсата в корпусе, которым оснащены и ПНД, имеют также автоматическое защитное устройство. Назначение этого устройства - защита турбины от попадания воды в случае превышения уровня ее в корпусе в результате разрыва труб, появления свищей в местах сварки и других причин.

Поддержание нормального уровня конденсата в корпусе каждого из подогревателей в заданном диапазоне осуществляется регулирующим клапаном путем изменения количества конденсата, каскадно сбрасываемого в подогреватель более низкого давления. При превышении допустимого нормального уровня открывается клапан аварийного сброса конденсата. При дальнейшем повышении уровня сверх так называемого первого аварийного предела приборы защиты дают команду на включение клапана с электромагнитным приводом, закрывающего доступ питательной воды к ПВД и направляющего ее по байпасному трубопроводу в котельный агрегат. При достижении уровнем конденсата второго аварийного предела приборы защиты дают команду на отключение питательных насосов и останов энергоблока.

Защитное устройство предусматривает одно на группу ПВД. Однако подача импульсов по уровню конденсата на него предусмотрена от каждого корпуса подогревателя. При срабатывании защиты все ПВД отключаются по питательной воде.

 

1.
Расчёт основных параметров ПВД

подогреватель давление охладитель конденсат

Параметры греющего пара: давление р_п=38,9 бар; температура t_п=295 ⁰С; энтальпия i_п=2945 кДж/кг;

Давление пара в собственно подогревателе: р^/_п=38,4 бар; температура насыщения t^н_с.п.=248 ⁰С; энтальпия конденсата за собственно подогревателем i^н_с.п.=1076,1 кДж/кг; энтальпия пара поступающего в собственно подогреватель i^/_п=2802 кДж/кг; температура пара t^/_п=262,2 ⁰С.

Параметры питательной воды: давление p_п.в.=32 МПа; температура на входе в охладитель конденсата t_в=195,6 ⁰С; энтальпия воды на входе в охладитель конденсата

i_в=834,4 кДж/кг; температура конденсата на выходе из охладителя t_др=210,1⁰С; энтальпия

i_др=897,7 кДж/кг.

Энтальпия конденсата ПВД 9 i_др9=1065,9 кДж/кг, расход его D_п9=28,841 кг/с.

Расход пара в подогреватель:

 

D_п(i^/_п-i_др)η=G_п.в.(i_c.п.-i_в)

 

Энтальпия воды на выходе из собственно подогревателя при р=32 МПа и температура t_с.п.=t^//_с.п.-υ. При υ=4,5 ⁰С имеем t_с.п.=248-4,5=243,5 ⁰С; i_с.п.=1051,9 кДж/кг.

Расход пара в подогреватель:

D_п=420*(1051,9-834,4)*0,99/(2802-897,7))=47,491 кг/с;

Определим температуру воды на выходе из охладителя конденсата, на входе в собственно подогреватель и на выходе из охладителя пара. Из уравнения теплового баланса для охладителя конденсата:

 

D_п(i^//_с.п.-i_др)+G_п.в.(i_др9.-i_др)=G_о.д..(i_о.д.-i_в)

Имеем: i_о.д.=i_в+D_п(i^//_с.п.-i_др)+G_п.в.(i_др9.-i_др)η/ G_о.д.=834,4+47,491*(1076,1-897,7)*0,99/60+28,841 (1065,9-897,7)*0,99/60=1056,5 кДж/кг и t_о.д.=244 ⁰С;

Энтальпия воды на входе в собственно подогреватель:

 

i^/_о.д.=i_в+G_о.д.(i_о.д.-i_в)/G_п.в.=834,4+60*(1056,5-834,4)/420=866,1 кДж/кг;

 

Температура воды на входе в собственно подогреватель: i^/_о.д.=203 ⁰С;

Энтальпия воды на выходе из пароохладителя при расходе G_о.п.=0,7*D_п=

=33,24 кг/с: i_п.о.=i_с.п.+D_п(i_п-i^/_п)η/G_о.п.=1051,9+47,491 (2945-2802)*0,99/33,24=1254,17 кДж/кг.

А температура: t_п.о.=283,5 ⁰С.

Тепловая нагрузка:

охладитель конденсата:

 

Q_о.д.=D_п(i^/_п-i_др)η=47,491*(1051,9-834,4)*0,99=13326 кВт;

 

охладитель пара:

 

Q_о.п.=D_п(i_п-i_о.п.)η=47,491*(2945-2802)*0,99=6723,5 кВт;

 

собственно подогреватель:

 

Q_с.п..=D_п(i^/_п-i_с.п.)η=47,491*(2802-1051,9)*0,99=81964 кВт;

 

Расчёт собственно подогревателя

Средняя логарифмическая разность температуры в подогревателе:

Δt_ср=((t^//_c.п.-t^/_о.д.) - (t^н_с.п. - t_с.п.))/(ln (t^//_c.п.-t^/_о.д.)/(t^н_с.п. - t_с.п.))= ((248-203) - (248-243))/

/(ln (248-203)/(248-243,5))=17,6 ⁰С;

 

Для определения коэффициента теплоотдачи от стенок труб к воде необходимо установить режим движения её. Скорость воды в трубах принимается в пределах 1,3-1,8 м/с.

Для скорости 1,5 м/с и соответственно средней температуре воды

 

Δt_т=(t_с.п.+t^/_о.д.)/2=(243,5+203)/2=223,25 ⁰С;

 

Соответствующие параметры:

 

υ=1,47*10^-7 м²/с;

λ=0,6411 Вт/м*K;

Pr=0,885

Re=32.65*10⁴

 

Коэффициент теплоотдачи ά₂ для этих условий определяется:

 

ά₂=0,023*λ*Re^0.8*Pr^0.4/d=0.023*0.6411*(32.65*10⁴)^0.8*(0.885)^0.4/0.032=17632 Вт/м²*К.

 

Термическое сопротивление стенки труб:

 

R_ст=δ_ст/λ_ст=5,36*10^-5

При t^ср_ст=0,5*(t_н+ Δt_т)=0,5*(248+223,25)=235,6 ⁰С;

 

Значение коэффициента b=7932;

Отсюда: Δt= Δt₁+ Δt₂+ Δt₃=(q/b)^4/3+R_ст*q+q/ά₂=6.5*10^-6*q^4/3+5.36*10^-5* *q+5.67*10^-5*q

 

При различных значениях q, строим зависимость Δt=f(q):

При Δt=17,6 ⁰С; q=52 000 Вт/м²;

 

 

Коэффициент теплоотдачи в собственно подогревателе в этих условиях:

 

к= q/Δt_cр=52*10³/17,6= 2954 Вт/м²*К

F=81964,7*10³/(2 954*17.6)=1576 м²

 

Практически поверхность нагрева должна быть несколько выше за счёт возможности загрязнений поверхности, коррозии и т.п. Принимаем F_с.п.=1584.

При принятой скорости воды в трубах, число спиралей собственно подогревателя:

N=G_п.в.*ν/(0,785*ω*d_вн²)=420*0,001215/(0,785*1,5*0,022²)=895

 

Практически число спиралей принимается кратным произведению числа секции и числа рядов в каждой секции, т.е. 6*12=72, тогда N=864 шт.

Длина спирали в этом случае:

 

l=1584/(864*π*0.032)=F_с.п./(N*π*d_н)=18 м