Системы регенеративного подогрева питательной воды и промежуточного перегрева

Тепловая схема ТЭС является схемой пароводяного тракта, в который входит основное оборудование – паровой котел и паровая турбина, а также система регенеративного подогрева питательной воды вместе с трубопроводами и насосами, осуществляющие прокачку воды через цепочку подогревателей и подающим воду для питания котла при необходимом давлении. На рисунке 4 показана схема регенеративного подогрева с поверхностными подогревателями и тремя насосами, которые должны работать синхронно (например от общего привода). Первый насос 1 прокачивает основной конденсат из конденсатора 2 через первую группу подогревателей 3 и подает ее во всос второго насоса 4 с необходимым подпором, который обеспечивает работу второго насоса без кавитации. Второй насос прокачивает воду через вторую группу подогревателей 5, в которой осуществляется подогрев температуры питательной воды, и подает во всос третьего насоса 6 с необходимым подпором. Третий насос развивает давление, необходимое для питания парового котла. В каждом насосе в результате перехода механической энергии в теплоту энтальпия воды повышается на

где ∆h’_н -повышение энтальпии воды, кДж/кг;

∆p – повышение давления в насосе, МПа;

ν_в^ср-среднеарифметический удельный объем в изоэнтропном процессе сжатия воды в насосе, м³/кг;

η_н^вн- внутренний КПД насоса.

 

Рисунок 4 - Схема регенеративного подогрева с поверхностными подогревателями

 

Возможны три варианта установки насосов. Ставится один только 1 насос, который развивает полное необходимое давление. Повышение энтальпии воды для условий рассмотренного примера составит 39,6 кДж/кг, что означает существенное снижение расхода энергии на перекачку против варианта трех насосов.

Вариант одного насоса означает, что все подогреватели с водяной стороны оказываются под полным давлением, что усложняет и удорожает всю установку.

Вариант установки двух насосов (I и II) означает, что первая группа подогревателей находится с водяной стороны под низким давлением первого насоса; такой насос называется конденсатным, а подогреватели — подогревателями низкого давления (ПНД). Вторая группа подогревателей оказывается с водяной стороны под высоким давлением II насоса; этот насос называется питательным, а подогреватели — подогревателями высокого давления (ПВД).

В варианте с тремя насосами ПВД с водяной стороны находятся под промежуточным давлением, создаваемым первой ступенью питательного насоса (II насос), что является преимуществом. Кроме того, в этом варианте повышение энтальпии воды в III насосе не вытесняет отбор на регенеративный подогреватель, что имеет место в варианте двух насосов.

Считается, что варианты двух и трех насосов экономически равноценны.

Приведенная схема с одними поверхностными подогревателями является бездеаэраторной и пригодна при применении нейтрального водного режима с дозированном газообразного кислорода в конденсатный тракт.

Широко распространены установки, в которых в схему регенеративного подогрева включен деаэратор, представляющий собой смешивающий подогреватель. В этом случае питательный насос ставится после деаэратора. Подобная схема представлена на рисунок 5. Система регенеративного подогрева имеет три ПВД с каскадным сливом дренажей, которые сливаются в деаэратор, и группу ПНД. Первые две по ходу конденсата ПНД питаются паром из вакуумных отборов турбины, что в эксплуатации приводит к повышенным присосам воздуха, нарушающего процесс теплоотдачи от конденсирующегося пара. В результате в этих подогревателях имеют место повышенные недогревы пара и пониженная температура конденсата, что приводит к перегрузке третьего ПНД. Перегрузка третьего ПНД вызывает повышенную вибрацию трубного пучка, приводящую к выходу из строя трубок подогревателя. Поэтому оказалось целесообразным первые два ПНД выполнять смешивающего типа, в которых обеспечивается подогрев до температуры насыщения греющего пара.

 

Рисунок 5 - Схема регенеративного подогрева с деаэратором, ПВД и ПНД

 

Таким образом, элементами водоподогревательной системы являются регенеративные подогреватели низкого и высокого давления, поверхностного и смешивающего типа, а также насосы - конденсатные и питательные. В систему регенеративного подогрева могут быть включены испарители иих конденсаторы, предназначенные для приготовления дистиллята, используемого для подпитки пароводяного тракта.

На рисунке 6 показаны схемы турбоустановок с регенеративным подогревом питательной воды. В них вода перед поступлением в котел нагревается в поверхностном или смешивающем подогревателе паром, отводимым из турбины.

Рисунок 6 - Регенеративный цикл паротурбинной установки:

а - схема со смешивающим подогревателем; б - схема с поверхностным подогревателем; в - процесс в h, s- диаграмме; 1- смешивающий регенеративный подогреватель; 2- поверхностный регенеративный подогреватель; 3- конденсатный насос; 4- насос перекачки конденсата отборного пара (сливной насос).

Используемый для этой цели пар называется отборным, а места его вывода из турбины — регенеративными отборами. Как известно из термодинамики, регенеративный подогрев рабочего тела повышает КПД тепловых двигателей. В современных турбоустановках имеется обычно 7- 9 регенеративных подогревателей как поверхностного, так и смешивающего типа (рисунок 7). Благодаря регенеративному подогреву питательной воды на тепловых электростанциях экономится до 14% топлива.

В схеме представленной на рисунке 7а пар из отбора в количестве D с параметрами р, h смешивается в подогревателе с водой, нагревая ее до параметров насыщения t_s, h_s при давлении отборного пара р: Обозначим через D_oрасход питательной воды, равный расходу свежего пара на турбину, а через h'_k—энтальпию воды в конденсаторе и составим тепловой баланс подогревателя:

 

 

из которого получим:

 

,

 

где α=D/D₀ - доля отборного пара или, что то же самое, количество килограммов отборного пара на 1 кг свежего пара; откуда - приращение энтальпии воды в подогревателе при ее нагреве от температуры в конденсаторе t_k до температуры насыщения отборного пара t_s; q=h-h’_s- теплота, отданная одним килограммом отборного пара. Внутренняя удельная работа турбины складывается из работы потока пара, направляемого в отбор и работы потока пара, поступающего в конденсатор и в сумме на 1 кг свежего пара составляет

Рисунок 7 - Регенеративная схема турбоустановки (а) и процесс в h, s–диаграмме(б)

1- поверхностный подогреватель; 2- смешивающий подогреватель; 3- конденсационный насос; 4- питательный насос; 5- сливной насос; пунктиром показаны линии конденсата отборного пара.

 

 

откуда

 

 

Из сравнения последнего равенства с (8) следует, что в регенеративных турбоустановках удельная внутренняя работа меньше, чем в без регенеративных. В современных конденсационных турбоустановках отборы пара уменьшают вырабатываемую мощность примерно на 20%, т. е.

 

 

Доля пара, поступающего в конденсатор, ,отводимая в конденсаторе теплота q_отв.р и подведенная в котле теплоты q_ор на 1 кг свежего пара в установках с регенерацией:

 

Обозначим через h’_so энтальпию воды на линии насыщения при давлении в котле и преобразуем равенство (1):

 

 

где - теплота, израсходованная в котле на парообразование и перегрев пара;

- теплота, необходимая для нагрева воды от температуры в конденсаторе t_k до температуры насыщения в котле t_s0.

Для безрегенеративной схемы теплота, подведенная в котле, составляет:

 

 

Из сравнения этого равенства с (2) видно, что в регенеративной схеме для получения пара требуются теплоты меньше на величину ∆h, составляющие в современных турбоустановках примерно 30 % q₀ . Сравним КПД турбоустановок с регенерацией и без регенерации. Для этого запишем внутренний абсолютный КПД регенеративной установки по выработке электроэнергии, используя соотношение:

 

 

и, заменив входящие в него величины с помощью равенств описанных выше, получим:

 

 

Таким образом, регенеративный подогрев воды позволяет значительно повысить КПД турбоустановки. Если турбина имеет не один, а z регенеративных подогревателей (рисунок 7), то уравнение теплового баланса составляются для каждого подогревателя и из этих уравнений находятся доли отборного пара α₁ ,α₂ ,…,α_z, а за тем определяется доля пара, поступающего в конденсатор,

 

α_k =1-α₁ –α₂-… -α_z.

Внутренняя работа турбоустановки с отборами определяется равенством:

 

где - действительный теплоперепад от паровпуска до точек отбора;

-действительный теплоперепад от паровпуска до конденсатора.

Экономичность ТЭС существенно повышается при введении промежуточного перегрева пара. На рисунке 8 приведены рабочие процессы пара в турбине для паротурбинных установок, схемы которых показаны в лекции 2 на рисунках 2а и 2б. Как видим, КЭС с промежуточным перегревом имеет большее значение энтальпии при равных значениях энтропии, а, значит, является более экономичной.

 

Рисунок 8 - Рабочий процесс пара в h – s диаграмме для КЭС на перегретом паре без промежуточного перегрева (а) и с промежуточным перегревом (б)

h₁ - h₇ - энтальпия пара в первом - седьмом отборах соответственно; h_0, h_п.к — энтальпия пара на входе в турбину и входе в конденсатор; s - энтропия; х — степень сухости

 

В нашей стране паротурбинные КЭС на органическом топливе без промежуточного перегрева работают при начальных давлениях пара р₀ до 8,8 МПа и температуре перегретого пара на входе в турбину T₀ до 535⁰С; по циклу с промежуточным перегревом начальные давления соответственно равны 12,7 и 23,5 МПа, а T₀ =540-560⁰C. В таких условиях при обычных значениях конечного давления p_к= 0,0035-0,0045 МПа влажность пара на выходе из проточной части турбины не превышает допустимых значений (13-14%).

Для восполнения потерь пара и конденсата в водяной тракт вводят добавочную воду (химическое обессоливание) либо дистиллят (термическое обессоливание). Требования к качеству химически обессоленной воды и к дистилляту определяются требованиями к качеству питательной воды современных котлов (барабанные с давлением пара до 14 МПа, прямоточные на 25 МПа), которое должно удовлетворять следующим нормам представленным в таблице 1.

Качество дистиллята испарителей, предназначенных для восполнения потерь пара и конденсата, должно удовлетворять следующим нормам:

Соединения натрия в пересчете на Nа….. ..Не более 100 мкг/кг

Сводная углекислота……………………….Не более 2 мг кг

 

Таблица.1 - Качество питательной воды котлов

Нормируемые показатели.	Барабанный котёл.	Прямоточный котел.
Жидкое топливо.	Другие виды топлива.
Давление, МПа.
От 4 до10	10 и более
Содержание соединений Na, мкг/кг	15-25	10-15
Общая жесткость мкг-экв/кг.	3-5		0.2
Содержание кремниевой кислоты, мкг/кг.
Содержание кислорода после деаэрации, мкг/кг

 

Дистиллят испарителей, применяемый для питания прямоточных котлов, должен дополнительно очищаться в блочной обессоливающей установке для очистки конденсата.

Питательная вода испарителей должна соответствовать по качеству питательной воде котлов давлением до 4 МПа. Греющий пар поступает в испаритель из отбора турбины; в испарителе происходит генерация насыщенного пара из химически очищенной деаэрированной воды, вторичный пар поступает в конденсатор испарителя, где и конденсируется основным конденсатом турбины. Конденсат вторичного пара является дистиллятом.

Регулирование подачи питательной воды в испаритель осуществляется автоматическим регулирующим клапаном по импульсу от указателя уровня воды в корпусе испарителя. Уровень воды поддерживается постоянным на высоте 500 мм над верхней частью греющей секции. Внутри вертикального сварного корпуса помещена греющая секция, к цилиндриче­ской обечайке которой снизу и сверху приварены трубные доски. В трубных досках развальцованы стальные кипятильные трубы.

 

Вопросы для самоконтроля.

1. Назовите и опишите термодинамический цикл по которому работают тепловые электростанции.

2. Что такое относительный внутренний КПД ступени и от чего он зависит?

3. Назовите возможные пути повышения эффективности тепловых станций.

4. Как происходит восполнение потерь питательной воды?

5. Назовите понятие энтальпии, а так же закон, который отражает это понятие?

6. Назовите понятие энтропии, а так же закон, который отражает это понятие?