9.2. Включение испарителей в тепловую схему электростанций. Определение производительности испарительных установок

Испаритель и конденсатор испарителя, в котором конденсируется полученный в испарителе пар, образуют испарительную установку. В испарительной установке происходит дистилляция исходной добавочной воды – переход ее в пар и последующая конденсация получаемого пара. Конденсат испаряемой воды является дистиллятом свободным от солей жесткости, растворимых солей, щелочей, кремниевой кислоты и т.п.

Испарение добавочной воды происходит за счет тепла конденсирующегося греющего пара одного из отборов турбины. Конденсация получаемого в испарителе вторичного пара происходит за счет охлаждения его водой, для конденсационных турбоустановок – конденсатом турбины. Схема включения испарительной установки в тепловую схему конденсационного блока показана на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Схема включения испарительной установки в тепловую схему конденсационного блока:
1, 2 – подвод пара из отборов турбины; И – испаритель; П_n и П_n+1 – регенеративные подогреватели; КИ – конденсатор испарителя

При такой схеме включения испарителя и его конденсатора тепло греющего пара, отбираемого из турбины, используется для подогрева основного конденсата турбины и возвращается с питательной водой в котел. Следовательно, испарительную установку, включенную по такой схеме, можно рассматривать как элемент регенеративной системы турбоустановки. Действительно, когда испаритель не включен в работу, подогрев основного конденсата турбины от h_n+1 до h_n происходит в регенеративном подогревателе П_n паром отбора 1 из турбины. Когда испаритель работает подогрев основного конденсата ведется последовательно в конденсаторе испарителя (КИ) и подогревателе П_n в том же диапазоне энтальпий. При этом общее количество отборного пара остается неизменным. Неизменной остается и тепловая экономичность турбоустановки. Такую схему включения испарительной установки в тепловую схему турбоустановки называют без потерь потенциала. В тепловой схеме конденсационной турбоустановки испарители и конденсаторы испарителей устанавливаются в системе регенеративного подогрева низкого давления, т.е. между подогревателями, установленными на линии подогрева основного конденсата до деаэратора. Для таких условий температурный перепад, который может быть использован в испарителе, не превышает разности температур насыщения пара, поступающего в смежные отборы. Обычно этот перепад не превышает 15 – 20^оС. При постоянном пропуске основного конденсата через конденсатор испарителя, его конденсирующая способность будет определяться диапазоном подогрева основного конденсата, который тем больше, чем меньше температурный перепад в испарителе.

Количество тепла, передаваемое от греющего пара в испарителе можно записать в виде

где D_пв – количество питательной воды испарителя, кг/с; D_пр – количество продувочной воды испарителя, кг /с; h^"_вт, h^'_вт и h_пв – энтальпии вторичного пара, его конденсата и питательной воды, поступающей в испаритель, соответственно, кДж/кг.

Это тепло полностью передается основному конденсату в конденсаторе испарителя, нагревая его от h_ки1 до h_ки2, т.е.

где – G_ок количество основного конденсата, проходящего через конденсатор испарителя, кг/с.

Количество тепла, определяемое уравнением (9.1), может быть также определено из уравнения теплопередачи испарителя

где kи – коэффициент теплопередачи в испарителе, Вт/(м²·К); Δt – температурный перепад в испарителе, F_и – поверхность греющей секции испарителя, м².

Значение температурного напора в испарителе равно разности температур насыщения греющего и вторичного пара (∆t_и = t_гр – t_вт).

Уравнение теплопередачи для конденсатора испарителя имеет вид

где индекс (ки) указывает на отношение величин, тех же, что и в уравнение (9.3), к конденсатору испарителя; значение температурного перепада определяется как среднелогарифмическое.

При заданных параметрах греющего пара, т.е. при принятом месте включения испарительной установки в тепловую схему, известных расходе и энтальпии основного конденсата на входе в конденсатор испарителя совместное решение уравнений (9.1 – 9.4) позволяет определить производительность установки и параметры вторичного пара.

Иллюстрацией совместного решения выше указанных уравнений является графическое решение, приведенное на рис. 9.3. Здесь для произвольно выбираемых значений температурного перепада в испарителе Δt_и, принятых значениях коэффициентов теплопередачи в испарителе и конденсаторе испарителя, а также их поверхностях нагрева, определяются величины Q_и и Q_ки. Значение Δt_и, при котором достигается равенство Q, соответствует тепловому балансу в испарительной установке. При этом производительность установки может быть определена из уравнения (9.1).

Рис. 9.3. Пример графического решения уравнений теплового баланса при определении температурного перепада в испарителе

При выполнении расчетов значения коэффициентов теплопередачи в испарителе и конденсаторе испарителя принимаются с последующим уточнением по данным промышленных испытаний в пределах kи = 2200 – 2500 Вт/(м²·К), а k_ки = 3000 – 3200 Вт/(м²·К).

Обычно при проектировании тепловой схемы турбоустановки предполагаемые потери пара и конденсата в цикле известны и необходимо правильно выбрать место включения испарительной установки и определить необходимые поверхности нагрева испарителя и конденсатора испарителя.

При включении установки в регенеративные отборы параметры греющего пара, а также количество и температура основного конденсата на входе в конденсатор испарителя будут различны. Различными будут производительность установки и затраты в ее сооружение. Наиболее экономичной работа установки будет при значении температурного напора в испарителе, которое соответствует минимальным затратам на получение добавочной воды, т.е. при Δt_и = (Δt_и)_опт.

При оптимальном значении температурного напора поверхности нагрева испарителя F_и и конденсатора испарителя F_ки определяются из выражений

Анализ тепловых схем конденсационных турбоустановок показывает, что во всех случаях необходимое количество добавочной воды может быть получено от испарительных установок (одной или двух) включенных в регенеративную систему низкого давления. Включение испарителей в тепловую схему блока К-200-130 показано на рис. 9.4. На блоке имеются две испарительные установки, одна из них подключена к пятому отбору, другая – к шестому. Испарители (И₁ и И₂) имеют свои конденсаторы (КИ₁ и КИ₂), включенные в систему регенеративного подогрева питательной воды. Умягченная питательная вода испарителей предварительно деаэрируется в деаэраторе при давлении 0.117 МПа.

Рис. 9.4. Схема включения испарителей в тепловую схему блока К-200-130:
1, 2 - пар соответственно 5-го и 6-го отборов турбины; 3 - подвод химобработанной (умягченной) воды; 4 - вторичный пар; 5 - питательная вода испарителей; 6 - продувка; 7 - отвод конденсата греющего пара; 8 - отвод дистиллята; 9 - отвод дистиллята к деаэратору; И₁ и И₂ - испарители; КИ₁ и КИ₂ - конденсаторы испарителей; ПНИ - питательный насос испарителей; ПНД - подогреватели низкого давления; ДН - дренажный насос; ОД - охладитель дренажа

Для теплофикационных турбоустановок при отпуске тепла потребителям поток основного конденсата до ввода конденсата из сетевых подогревателей весьма невелик и не может обеспечить конденсацию требуемого количества вторичного пара испарителя. Для таких турбоустановок рациональным местом включения испарительной установки является такое, при котором через конденсатор испарителя проходит максимальное количество основного конденсата. В то же время для ТЭЦ с отпуском тепла потребителям возможно получение значительно большего, чем требуется для восполнения внутренних потерь пара и конденсата, количества добавочной воды. Это достигается при включении испарительной установки в систему подогрева сетевой воды (рис. 9.5). При такой схеме включения греющим паром испарителя является часть пара, направляемого в сетевой подогреватель, а конденсация вторичного пара происходит потоком сетевой воды. Нетрудно заметить, что приведенная на рис. 9.5 схема не отличается от схемы, приведенной на рис. 9.2. Однако поток сетевой воды существенно превышает величину расхода основного конденсата в системе регенеративного подогрева. Расход пара регулируемого отбора также значительно превышает величину отборного пара в регенеративный подогреватель. В этих условиях производительность испарительной установки будет существенно выше рассмотренной ранее установки, включенной в регенеративный отбор. При этом площади поверхностей испарителя и конденсатора испарителя, несомненно, должны быть существенно большими по сравнению с применяемыми в конденсационных турбоустановках.

Рис. 9.5. Схема включения испарительной установки в систему подогрева сетевой воды теплофикационной турбины:
1 - подвод греющего пара к испарителю; 2 - отвод вторичного пара; 3 - подвод питательной воды; 4 - продувка; 5 - отвод конденсата греющего пара; 6, 8 - подвод сетевой воды к КИ и отвод ее при подключении испарителя к пару нижнего регулируемого отбора; 7, 9 - подвод сетевой воды к КИ и отвод ее при испарителя к пару верхнего регулируемого отбора; СП₁ и СП₂ - соответственно верхний и нижний сетевые подогреватели

На рис. 9.6 приведена схема многоступенчатой испарительной установки с испарителями поверхностного типа. К испарителю первой ступени установки подводится пар регулируемого отбора турбины. Образующийся в испарителе первой ступени вторичный пар, является греющим для испарителя второй ступени; вторичный пар этой ступени является греющим для испарителя третьей ступени и т.д. Часть вторичного пара каждой ступени используется для подогрева питательной воды установки. Вторичный пар испарителя последней ступени поступает в конденсатор испарителя, где он конденсируется потоком поступающей на установку питательной воды. (Для шести ступенчатой испарительной установки этого потока оказывается вполне достаточно для конденсации вторичного пара последней ступени, т.е. установка полностью замыкается по питательной воде и получаемому вторичному пару).

Рис. 9.6. Схема многоступенчатой испарительной установки:
1 - подвод греющего пара; 2 - подвод питательной воды; 3 - отвод конденсата греющего пара; 4 - продувка; 6 - отвод дистиллята; КИ₁ - КИ₆ - конденсаторы; И₁ - И₆ - испарители

Для первой ступени такой установки количество передаваемого тепла определяется уравнением (9.1). Количество вторичного пара, образующегося из 1 кг греющего пара в первой ступени равно

a₁ = D₁/D_гр.

Количество вторичного пара, образующегося во второй ступени из 1 кг вторичного пара первой ступени

a₂ = a₁ · D₂/D₁.

Количество пара, образующегося в n–ой ступени,

a_n = a_n-1 · D_n/D_n-1.

Для условий, когда весь вторичный пар каждой ступени используется в качестве греющего пара последующей ступени, а вторичный пар последней ступени конденсируется в конденсаторе, общая производительность установки

D = D_гр · Sa_i.

Для установок, работающих по схеме приведенной на рис. 9.6, когда часть вторичного пара испарителей используется для подогрева питательной воды

,

где DD_i – количество вторичного пара отдельных ступеней, отводимого для подогрева питательной воды.

Обычно при проектировании производительность установки задана. Величина продувки принимается (в пределах 2%). Параметры греющего пара также обычно заданы. Параметры вторичного пара последней ступени либо задаются потребителем (для паропреобразовательной установки), либо определяются по условиям конденсации в конденсаторе.

При принятых условиях температурный перепад в каждом испарителе определяется путем деления суммарного перепада на число ступеней и уточняется с учетом потерь давления. Далее определяются параметры вторичного пара в каждой ступени и из уравнений теплового баланса подогревателей питательной воды, определяется количество поступающего в них пара.

Схема включения установки с испарителями мгновенного вскипания в тепловую схему турбоустановки приведена на рис. 9.7. Часть отборного пара, направляемого в регенеративный подогреватель, поступает в основной подогреватель испарительной установки, где нагревает исходную воду. Подогретая исходная вода поступает в испаритель-расширитель, давление в котором ниже давления насыщения подогретой воды. Разница температур приводит к вскипанию части воды. Образовавшийся пар отводится в конденсатор испарителя, где конденсируется потоком основного конденсата турбоустановки. Неиспарившаяся в испарителе-расширителе вода, частично сбрасывается в виде продувки, а большая ее часть вновь поступает в основной подогреватель вместе с подводимой исходной водой.

Рис. 9.7. Схема включения испарителя мгновенного вскипания в тепловую схему турбоустановки:
П₁, П₂ - регенеративные подогреватели; ОП - основной подогреватель; И - испаритель-расширитель; КИ - конденсатор испарителя; 1 - подвод пара из отборов турбины; 2 - отвод вторичного пара; 3 - подвод исходной воды; 4 - продувка; 5 - отвод дистиллята

Параметры вторичного пара, получаемого в испарителе-расширителе определяются при равенстве тепла, передаваемого в основном подогревателе Q_оп, и тепла, передаваемого основному конденсату в конденсаторе испарителя Q_ок. Значения Q_оп и Q_ок определяются из выражений:

где G_цв – расход воды через основной подогреватель, кг/с; h_o и h_вх – энтальпии воды после основного подогревателя и на входе в него, соответственно, кДж/кг.

Значение величины G_цв определяется как сумма потока исходной воды, поступающей на установку G_исх и расхода неиспарившейся в испарителе-расширителе воды за вычетом продувки G_p = G_цв – D_и · (1 + P). Здесь P – величина продувки в долях от производительности установки D_и.

Энтальпия воды на входе в основной подогреватель определяется из уравнения смешения потоков:

где h_исх – энтальпия исходной воды, кДж/кг.

Температура воды на выходе из основного подогревателя и из конденсатора испарителя легко определяются при принятых значениях недогрева (u_оп и u_ки) в них, т.е. t_о = t^'_гр – u_оп и t_ок2 = t^'_вт – u_ки. Таким образом, совместное решение уравнений (9.7) и (9.8) при принятом значении расхода циркулирующей воды (G_цв) и выбранном месте включения испарительной установки позволяет определить расчетные параметры вторичного пара испарительной установки и ее производительность.

Принципиальная схема многоступенчатой установки с испарителями мгновенного вскипания приведена на рис. 9.8.

Рис. 9.8. Схема многоступенчатой установки с испарителями мгновенного вскипания:
1 - основной подогреватель; 2 - конденсатор; 3 - сборник дистиллята; 4 - камера испарения; 5 - охладитель продувки; 6 - отвод дистиллята; 7 - подвод исходной воды; 8, 9 - подвод и отвод охлаждающей воды; 10 - продувка; 11 - рециркуляция

Исходная вода после фильтрации, охладителя дистиллята и конденсатора поступает в змеевеки камер последних ступеней вскипания, где подогревается образующимся в них паром. Подогретая вода поступает в деаэратор, где деаэрируется и вновь поступает в змеевеки конденсаторов установленных в камерах вскипания. Из последней камеры вода поступает в головной подогреватель, где подогревается паром из отбора турбины до t₀. Подогретая вода поступает в первую ступень установки, а затем в последующие ступени, где происходит ее испарение. Из последней ступени одна часть воды в виде продувки сбрасывается в осветлитель, а другая направляется в контур циркуляции (для повышения кратности упаривания в установках предусматривается несколько контуров циркуляции при сохранении в допустимых пределах кратности циркуляции в ступенях с наиболее высокой температурой воды). Для предотвращения отложений солей в камерах вскипания и в контуре подогрева воды в исходную воду добавляются затравочные кристаллы (мелкодисперсный мел или гипс).

В многоступенчатых испарительных установках мгновенного вскипания разность между энтальпиями воды на входе в ступень и выходе из нее h_ст принимается одинаковой для всех ступеней. Тогда

где n – число ступеней; r_ср – средняя по ступеням теплота парообразования, кДж/кг; G_цв – расход циркулирующей воды, кг/с.