ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В КОНДЕНСАТОРЕ ПАРОВЫХ ТУРБИН С ПОРИСТЫМИ СТРУКТУРАМИ

STUDY OF HEAT TRANSFER IN CONDENSER OF STEAM TURBINES WITH POROUS STRUCTURES

Ruslan Iliev

Master's student, Department of Heat & Power Units, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

David Bondartsev

Associate Professor, Department of Heat & Power Units, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

Alexander Genbach

Supervisor, Dr. of Technical Sciences, prof, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev, Department of Heat & Power Units,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

Предлагается покрывать трубки конденсаторов паровых турбин ТЭС капиллярно-пористыми структурами. На основе многочисленных экспериментальных исследований теплообмена при конденсации пара на сетчатых структурах и на основе подобия и моделирования произведен расчет теплообмена по критериальной зависимости. Показано, что процесс конденсации протекает с высокой интенсивностью. Применение пористых структур позволяет иметь равномерное температурное поле в стенке трубок, уменьшить их вибрацию и развальцовку, повысить надежность фикс-пункта.

ABSTRACT

It is proposed to cover tubes of condensers of steam turbines of TPPs with capillary-porous structures. On the basis of numerous experimental studies of heat exchange at steam condensation on mesh structures and on the basis of similarity and modeling calculation of heat exchange by criterial dependence is made. It is shown that the condensation process proceeds with high intensity. Application of porous structures allows to have a uniform temperature field in the wall of tubes, to reduce their vibration and flattening, to increase reliability of the fixing point.

Ключевые слова: паровая турбина, конденсатор, капиллярно-пористые структуры.

Keywords: steam turbine, condenser, capillary-porous structures.

Современные технологии в производстве конденсаторов должны обеспечивать надежную герметизацию водяного пространства, предотвращение опасной вибрации трубок, безопасность тепловых расширений элементов конструкции, свободный проход пара в пучок, обоснованный выбор материалов для трубок и трубных досок, защиту от превышения напряжений в трубках и трубной доске. Конденсатор должен обладать приемлемыми массогабаритными характеристиками и трудоемкостью ремонта, высокой технологичностью изготовления, сборки, транспортировки и монтажа, а также высокой надежностью в эксплуатации на различных режимах работы паротурбинной установки [1].

Выбор материала труб конденсатора. При возросших в последнее время требованиях к водяной плотности конденсаторов мощных паровых турбин ТЭС необходимо осуществлять мероприятия по переходу к применению труб из материалов, более стойких к эрозионным и коррозионным разрушениям. В связи с тем, что конденсаторные трубы из медных сплавов, включая медно-никелевые, в течение срока службы турбоагрегатов не могут обеспечить требуемую герметичность конденсаторов, при пресных охлаждающих водах рекомендуется применять трубы из нержавеющих сталей, не содержащих или имеющих малое содержание молибдена, а при сильноминерализованных и морских водах — из высокохромистых нержавеющих сталей с молибденом и груб из титана [2-3]. Нержавеющие стали и титан рекомендуются вместо медных сплавов при содержании абразивных частиц (песка) более 30 мг/л, сероводорода более 0.1 мг/л, аммиака более 10 мг/л [3]. В случае неравномерных загрязнений внутренней поверхности труб в пресных или минерализованных водах при локальных отложениях взвесей и малых скоростях воды (менее 1 м/с), остановах, неплотных обрастаниях и в других случаях рекомендуется использовать высокохромистые нержавеющие стали или титан. Для морских и океанских вод необходима разработка новых марок аустенитных сталей с высоким содержанием молибдена типа Х20Н25М6, обладающих высокой стойкостью к питтинговой и щелевой коррозии.

При установке в конденсаторах труб из нержавеющей стали или титана должны учитываться как меньшая теплопроводность этих материалов, так и значительно большая подверженность их органическим обрастаниям и другим загрязнениям, но сравнению с трубами из медных сплавов [3]. С экологической точки зрения предпочтительна механическая очистка труб в эксплуатационных условиях с помощью эластичных шариков из губчатой резины. Для конденсаторов с трубами из нержавеющих сталей и титана необходимо предусматривать скорость течения воды не менее 2 - 2.5 м/с. Во избежание стояночной коррозии трубы, особенно из нержавеющей стали без молибдена, нельзя оставлять заполненными неподвижной циркуляционной водой при остановах турбин на продолжительный срок или для проведения термоочисток (термосушек). Трубы должны промываться чистой водой (обессоленной, конденсатом) и высушиваться [4].

Компоновка трубного пучка конденсатора. Совершенствование конструкции конденсационных установок осуществляется на основе расчетно-экспериментальных разработок, конструкторско-технологических решений и опыта эксплуатации. Среди основных мероприятий можно выделить:

- обеспечение надежности и плотности закрепления труб (развальцовка и обварка охлаждающих труб в основных трубных досках).

- устранение влияния на герметичность конденсатора разности тепловых расширений охлаждающих труб и корпуса.

- предотвращение стояночной коррозии (применения наклона труб).

- правильный выбор пролетов между трубными перегородками с целью уменьшения вибрации и применением эффективной компоновки трубных пучков, обеспечивающих умеренные скорости пара.

- применение эффективной модульной компоновки трубных систем [5-6].

На рисунках 1, 2 приведена компоновка трубных пучков конденсатора различных производителей.

Рисунок 1. Компоновка трубных пучков «Siemens»

Рисунок 2. Компоновка трубного пучка «Турбоатом»

В отличие от ранее применявшихся в конденсаторах турбин ленточных компоновок трубных пучков, для современных конструкций конденсаторов мощных турбин ТЭС и АЭС принята модульная компоновка трубных пуков, показавшая высокую тепловую эффективность и имеющую меньшие габаритно-массовые характеристики [5-6]. Кроме того, применение такой компоновки позволяет спроектировать конденсатор в блочном исполнении, позволяющем его транспортировку и монтаж в период капитального ремонта.

Проблемы, связанные с нарушением водно-химического режима работы конденсатора. Одним из основных факторов, влияющих на надежность работы ТЭС, являются водно-химические режим контура охлаждающей воды.

В первую очередь это связано с тем, что от состояния трубок конденсатора напрямую зависит тепловая экономичность турбины – при наличии отложений в трубках ухудшается теплообмен между конденсирующимся паром и охлаждающей водой, в результате чего снижается вакуум, и как следствие, уменьшается теплоперепад, срабатываемый на турбине, т. е. снижается экономичность энергоблока. Кроме того, в случае усиления коррозионных процессов возможен преждевременный выход трубок конденсатора из строя, что приводит к простою оборудования и затратам на ремонт конденсатора [2].

Основные требования к охлаждающей воде в системах оборотного охлаждения сводятся к тому, чтобы она имела необходимую для охлаждения потребителя температуру, не вызывала при нагреве образования отложений и биообрастаний теплопередающих поверхностей и трубопроводов и не приводила к коррозии оборудования и трубопроводов.

В системах оборотного охлаждения в результате многократного повторного использования охлаждающей воды происходит увеличение общего солесодержания и жесткости воды, что существенно влияет, с одной стороны, на интенсивность протекания коррозионных процессов, а с другой - на скорость образования отложений на трубных поверхностях конденсаторов [2].

Отложения минеральных примесей, как в градирнях, так и на поверхности трубок конденсаторов турбин снижают эффективность теплопередачи, и как следствие, КПД энергоблока. Кроме того, отложения увеличивают гидравлическое сопротивление тракта, что повышает расход электроэнергии при эксплуатации системы. Для предотвращения образования минеральных отложений в конденсаторах турбин применяют: продувку системы; физическую обработку воды в магнитном или акустическом поле; стабилизационную обработку воды с помощью химических реагентов.

Следует отметить, что использование продувки для снижения накипеобразования лимитировано возможностями источника исходной воды и экономическими составляющими (платой за исходную воду и сброс продувочной воды).

Расчет трубки конденсатора, покрытой пористой структурой. Для расчета коэффициента теплообмена в конденсаторе с пористыми вставками a_к, воспользуемся критериальным уравнением [2]:

.

Пример трубы с пористой вставкой  показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Трубка конденсатора, покрытая с внешней стороны пористой структурой

Для процесса конденсации в качестве фитиля выбрана сетчатая пористая структура, составленная из трех слоев сетки из латуни с шириной ячейки 2dr = 0.28×10^-3 м (диаметр проволоки dr = 0.14×10^-3 м; толщина структуры δ_ф = 3×0.25-3 = 0.75×10^-3 м). Также зададимся начальными параметрами (см. таблицу 1).

Таблица 1.

Начальные параметры

Выразим из полученного уравнения плотность теплового потока:

.

Из опытов принимаем t_ст.к ориентировочно на 8 °С меньше, чем t_п:

.

Заключение

Проведен обзор проблем, возникающих при эксплуатации конденсационных установок паровых турбин. Также был проведен расчет трубки конденсатора, покрытой с внешней стороны пористой структурой.

По результатам проведенного расчета было определено, что при выборе в качестве пористой структуры фитиля для внешней стороны труб с шириной ячейки 2br = 0.28×10^-3 м (толщина структуры δ_ф = 0.75×10^-3 м), эффективность конденсатора характеризуется коэффициентом теплоотдачи

Трубная система конденсатора покрытая пористыми структурами обладает свойством самоприспосабливаемости к переменными тепловым нагрузкам. Обеспечивается высокая форсировка процесса теплопередачи и равномерное распределение температурных полей за счет фазового превращения.

Список литературы:

1. Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Научная методика создания капиллярно-пористых систем охлаждения для элементов теплоэнергооборудования электростанций. «Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение», Москва, №3, 2019, С. 89-106
2. Мижериков А.А. Генбач. Нагнетатели и тепловые двигатели. Переходные режимы работы турбомашин ТЭС (нестационарный теплообмен в турбомашинах). Конспект лекций по дисциплине для студентов специальности 5В071700 – Теплоэнергетика. АУЭС, 2016, с.83
3. Шкловер Г.Г. Мильман О.О. Исследование и расчет конденсационных устройств паровых турбин//М.: Энергоатомиздат. 1985
4. Генбач А.А., Бондарцев Д.Ю. Анализ кризиса теплопередачи в капиллярно-пористой системе охлаждения элементов теплоэнергоустановок. «Известия высших учебных заведений. Машиностроение», Москва, №12, 2019, С. 21-35
5. Кирсанов Ю.А. / Теплообменные аппараты ТЭС: справочник: в 2 кн. Кн. 1 / Даминов А.З., Кирсанов Ю.А., Ковальногов Н.Н., Молочников В.М., Назмеев Ю.Г., Николаев А.Н. / под общ. ред. чл.-корр. РАН Ю.Г.Назмеева и проф. В.Н. Шлянникова. - М.: Издат. дом МЭИ, 2010. 491 с.
6. Анциферов В.Н., Храмцов В.Д. Способы получения и свойства высокопористых ячеистых металлов и сплавов. // Перспективные материалы. 2000. № 5. С.56-60