Эжекторы конденсационных установок паровых турбин


Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина








                ЭЖЕКТОРЫ КОНДЕНСАЦИОННЫХ УСТАНОВОК ПАРОВЫХ ТУРБИН





Учебное пособие


Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов, обучающихся по направлению подготовки 141100 «Энергетическое машиностроение»






2-е издание, стереотипное













Москва
Издательство «ФЛИНТА» Издательство Уральского университета 2017

УДК 621.165:621.17(075.8)
ББК 31.363.2-049я73
     Э28

Авторы: К.Э. Аронсон, А.Ю. Рябчиков, Д.В. Брезгин, И.Б. Мурманский


Рецензенты:
завкафедрой энергетики Уральского государственного лесотехнического университета проф., д-р техн. наук С. М. Шанчуров;
д-р техн. наук, проф. А. Г. Шемпелев (Вятский государственный технический университет)

      Эжекторы конденсационных установок паровых турбин Э28 [Электронный ресурс] : учебное пособие / К. Э. Аронсон, А. Ю.
      Рябчиков, Д. В. Брезгин, И.Б. Мурманский. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 131, [1] с.


            ISBN 978-5-9765-3029-4 (ФЛИНТА)
            ISBN 978-5-7996-1490-4 (Изд-во Урал. ун-та)


            Рассмотрены газодинамические процессы в струйных аппаратах различ-ного назначения. Представлены методики расчета пароструйных и водоструйных эжекторов. Приводятся технические характеристики и типовые конструкции эжекторов различных производителей. Рассмотрены основные неисправности и особенности эксплуатации эжекторов.
            Пособие предназначено для изучения работы вспомогательного оборудования паротурбинных установок в курсах «Тепловые и атомные электростанции», «Паротурбинные установки», «Газотурбинные установки», «Парогазовые установки», «Теплообменники энергоустановок», «Сборка, монтаж и ремонт турбин».
            Библиогр.: 31 назв. Табл. 10. Рис. 36.


УДК 621.165:621.17(075.8)
ББК 31.363.2-049я73


ISBN 978-5-9765-3029-4 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1490-4 (Изд-во Урал. ун-та)

© Уральский федеральный университет, 2015

        ОГЛАВЛЕНИЕ


Основные обозначения..........................................5
Введение......................................................6
1. Воздушный насос как элемент конденсационной установки паровой турбины............................................8
  1.1. Назначение воздушных насосов и их влияние на работу конденсационных установок.........8
  1.2. Типы воздушных насосов.............................10
  1.3. Герметичность вакуумной системы и производительность воздушного насоса..................11
  1.4. Схемы включения эжекторов в технологическую схему паротурбинной установки.................................14
2. Пароструйные эжекторы..................................19
  2.1. Устройство и принцип действия пароструйного эжектора...19
  2.2. Эксплуатационные характеристики пароструйных эжекторов. . .23
  2.3. Конструкции пароструйных эжекторов.....................30
      2.3.1. Эжекторы ЛМЗ.................................30
      2.3.2. Эжекторы ХТЗ.................................41
      2.3.3. Эжекторы УТЗ.................................43
      2.3.4. Эжекторы КТЗ.................................51
  2.4. Методики расчета пароструйных эжекторов................53
      2.4.1. Методика расчета пароструйного аппарата эжектора.56
      2.4.2. Методика расчета охладителя эжектора [22]....81
  2.5. Методика испытаний пароструйных эжекторов..........85
  2.6. Эксплуатационное обслуживание пароструйных эжекторов и их основные неисправности.............................89
3. Водоструйные эжекторы..................................96
  3.1. Устройство и принцип действия водоструйного эжектора...96
  3.2. Эксплуатационные характеристики водоструйных эжекторов. . .100
  3.3. Конструкции водоструйных эжекторов................108

3

  3.4. Влияние различных факторов на характеристики эжектора..112
  3.5. Методика расчета водоструйного эжектора...........114
  3.6. Методика испытаний водоструйных эжекторов.........116
  3.7. Эксплуатационное обслуживание водоструйных эжекторов и основные неисправности...............................119
4. Механические вакуумные насосы.........................121
  4.1. Принцип работы вакуумных водокольцевых насосов....121
  4.2. Классификация водокольцевых насосов...............122
Библиографический список.................................128

4

        ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ


      ВКН — водокольцевой насос
      ВН — вакуумный насос
      ВТИ — Всероссийский технологический институт
      К — компрессор
      КТЗ — Калужский турбинный завод
      ЛМЗ — Ленинградский металлический завод
      НЗЛ — Невский металлургический завод
      ПВС — паровоздушная смесь
      ПГУ — парогазовая установка
      ПТУ — паротурбинная установка
      УТЗ — Уральский турбинный завод
      ХТЗ — Харьковский турбинный завод

5

        ВВЕДЕНИЕ


      Экономичность паротурбинной установки в значительной мере определяется конечным давлением пара на выходе из турбины. Понижение параметров пара за турбиной происходит в конденсаторе за счет конденсации пара. Давление пара в конденсаторе обычно составляет 3...5 кПа, поэтому в конденсатор, кроме поступающего из турбины пара, подсасываются через различные неплотности вакуумной системы неконденсирующиеся газы (воздух).
      Воздушный насос (эжектор), который является составной частью конденсационной установки, предназначен для удаления воздуха и поддержания вакуума в конденсаторе.
      Пар, отработавший в турбине, направляется в конденсатор 1 (см. рисунок), где происходит его конденсация путем отвода теплоты пара к охлаждающей воде, протекающей через трубки поверхности теплообмена под напором циркуляционного насоса 3. Образовавшийся конденсат стекает в конденсатосборник 2, откуда откачивается конденсатным насосом 4 и подается в тракт основного конденсата 2. Отсос паровоздушной смеси из парового пространства конденсатора осуществляется воздушным насосом (эжектором) 5.


Принципиальная схема конденсационной установки:
1 — конденсатор; 2 — конденсатосборник; 3 — циркуляционный насос;
4 — конденсатный насос; 5 — воздушный насос (эжектор);
А — подвод рабочего тела (пар или вода); Б — пар из турбины;
В — отвод в систему регенерации

      Понижение давления в конденсаторе при неизменных начальных параметрах пара увеличивает полезную работу и термический КПД цикла паротурбинной установки. Эффективность конденсатора непосредственно влияет на экономичность работы турбоустановки таким образом, что при изменении давления в конденсаторе на 1 кПа мощность паротурбинных установок ТЭС изменяется примерно на 1%, а для АЭС это изменение достигает 1,5...2,0 %.


6

Введение

      С помощью конденсатных насосов основной конденсат из конденсатора подается через подогреватели системы регенерации низкого давления в деаэратор, далее с помощью питательных насосов питательная вода направляется в котел.
      Качество работы воздушного насоса, отсасывающего воздух (неконденсирующиеся газы) из конденсатора, влияет не только на его эффективность, но и на надежность. При недостаточном разрежении, создаваемом воздушным насосом, увеличивается содержание воздуха в паровом пространстве конденсатора, понижается температура конденсата, в котором растворяется кислород воздуха, что может вызвать коррозию трубок конденсатора и конденсатного тракта.
      В конденсационных установках турбин на тепловых электрических станциях России наибольшее распространение получили многоступенчатые пароструйные и водовоздушные эжекторы. На паровых турбинах зарубежных ПГУ устанавливаются для отсоса воздуха из конденсатора водокольцевые насосы.

7

        1.         ВОЗДУШНЫЙ НАСОС КАК ЭЛЕМЕНТ КОНДЕНСАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

    1.1.       Назначение воздушных насосов и их влияние на работу конденсационныхустановок

     При работе турбины в паровое пространство конденсатора через неплотности вакуумной системы турбоагрегата проникает атмосферный воздух. Присутствие в паре воздуха ухудшает условия функционирования конденсатора и приводит к повышению давления (понижению вакуума), а следовательно, и к понижению экономичности работы турбоагрегата. Это вызвано тем, что присутствие неконденсирующихся газов снижает коэффициент теплопередачи и увеличивает соответственно температурный напор и температуру отработавшего пара. Кроме того, в паровом пространстве конденсатора могут образовываться застойные зоны с высоким содержанием воздуха в паре. При этом часть поверхности конденсатора фактически не участвует в теплообмене. Если бы поступающий вместе с паром воздух не удалялся, то, накапливаясь в конденсаторе, он настолько ухудшил бы условия теплопередачи, что поддержание требуемого вакуума в конденсаторе стало бы невозможным.
     Для постоянного удаления из конденсатора воздуха приходится применять специальные воздушные насосы (эжекторы), которые сжимают отсасываемый из-под вакуума воздух до значения давления, немного превышающего барометрическое, и выбрасывают воздух наружу. В действительности воздушный насос отсасывает из конденсатора не только воздух, но и некоторое количество несконденсировавшего-ся пара. Поступающая к насосу паровоздушная смесь находится, как правило, в насыщенном состоянии, и содержание в ней пара зависит от парциального давления пара или температуры этой смеси.
     Отсос воздуха при помощи воздушного насоса (эжектора) не устраняет полностью неблагоприятное влияние примеси воздуха в паре на теплопередачу в конденсаторе, а лишь ограничивает это влияние, предотвращая рост концентрации воздуха с течением времени. При больших присосах воздуха средний коэффициент теплопередачи конденсатора и поддерживаемый в нем вакуум оказываются при этом зависящими от характеристики воздушного насоса, представляющей собой зависимость давления всасывания насоса от расхода воздуха, который содержится в отсасываемой паровоздушной смеси, и от температуры смеси.
     Чтобы паровоздушная смесь поступала из конденсатора в воздушный насос, давление всасывания на входе в эжектор (р н) должно

8

1.1. Назначение воздушных насосов и их влияние на работу конденсационных установок

быть всегда ниже давления пара р к на входе в конденсатор. Разность (р к — р н) определяет величину парового сопротивления конденсатора и трубопроводов паровоздушной смеси Ар и, следовательно,
Р к= р н + Ар.                   (1.1)
      Давление всасывания эжектора р н растет с увеличением расхода сухого воздуха, содержащегося в отсасываемой паровоздушной смеси, и с увеличением температуры смеси, определяющей содержание в ней водяного пара. С ростом же р н растет и давление отработавшего пара р к. При этом несколько понижается паровое сопротивление Ар ввиду снижения удельного объема паровоздушной смеси, но для современных конденсаторов Ар невелико и поэтому влияет на давление (вакуум) в конденсаторе относительно мало.
      При установившихся параметрах функционирования конденсационной установки и определенном присосе воздуха в систему, состояние отсасываемой паровоздушной смеси зависит от условий теплопередачи в конденсаторе. Чем больше поверхность охлаждения конденсатора и чем выше коэффициент теплопередачи, зависящий от конструкции конденсатора и степени чистоты его поверхности охлаждения, тем ниже (при прочих равных условиях) температура отсасываемой смеси и меньше содержание в ней пара. При этом ниже также и давление всасывания воздушного насоса р н.
      Таким образом, функционирование конденсатора оказывает влияние на давление всасывания воздушного насоса р н, а последнее влияет на давление в горловине конденсатора р к.
      Если в результате выключения одного из циркуляционных насосов и соответствующего уменьшения расхода (и скорости) охлаждающей воды условия теплопередачи в конденсаторе внезапно ухудшились, то это вызовет увеличение содержания пара в отсасываемой воздушным насосом смеси и рост значения ее температуры. Вследствие этого давление всасывания воздушного насоса р н увеличится, что приведет к увеличению давления в горловине конденсатора р к. Однако увеличение р к и соответственно температуры отработавшего пара приведет к увеличению разности температур конденсирующегося пара и охлаждающей воды и вследствие этого к увеличению количества конденсирующегося пара в конденсаторе с соответствующим понижением содержания пара в отсасываемой воздушным насосом смеси и температуры последней. Давление всасывания эжектора р н и давление в конденсаторе р к вследствие этого несколько понизятся. Новое установившееся состояние системы будет достигнуто, когда значения р н и р к будут удовлетворять равенству (1.1), отвечая в то же время характеристикам конденсатора и воздушного насоса.

9

1. Воздушный насос как элемент конденсационной установки паровой турбины


    1.2.       Типы воздушных насосов

      По принципу действия воздушные насосы конденсационных установок паровых турбин подразделяются на насосы струйного типа и механические.
      В конденсационных установках энергетических турбин отечественных заводов в настоящее время применяются насосы струйного типа, в которых рабочей (эжектирующей) средой служит пар (пароструйные эжекторы) или вода (водоструйные эжекторы).
      В конденсационных устройствах судовых энергоустановок применяются электроприводные вакуумные насосы. В зарубежной практике находят применение водокольцевые вакуум-насосы, принадлежащие к числу ротационных насосов вытеснения.
      По назначению эжекторы подразделяются на следующие виды:
      •      основные, предназначенные для удаления воздуха из конденсатора при нормальной работе турбины;
      •      пусковые, создающие при пуске турбоустановки разрежение в паровом пространстве конденсатора (при достижении давления 20...30 кПа пусковые эжекторы отключаются и включаются основные эжекторы);
      •      пусковые эжекторы циркуляционной системы, создающие разрежение в водяном пространстве конденсатора для заполнения его и сливных циркуляционных водоводов водой, а также удаляющие при работе турбоустановки скапливающийся воздух из верхней точки циркуляционной системы при наличии в ней разрежения.
      По степени сжатия и степени расширения струйные аппараты для упругих сред можно классифицировать следующим образом [1]:
      •      аппараты с большой степенью расширения и умеренной степенью сжатия. Такие аппараты называются газоструйными или пароструйными компрессорами. Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах является пар или газ. Степень расширения рабочего потока в компрессорах велика. Отношение значений давления рабочего и инжектируемого потоков перед компрессором во много раз больше критического отношения давлений. Степень сжатия, развиваемая такими аппаратами, обычно находится в пределах 2,5 > р с/р н > 1,2. К ним относятся аппараты для повышения давления отработавшего пара, газа в сети и др.;
      •      аппараты с большой степенью расширения и большой степенью сжатия. Такие аппараты обычно применяются в установках, в которых требуется поддерживать глубокий вакуум, и называются они газоструйными или пароструйными эжекторами. Степень расширения рабочего

10

1.3. Герметичность вакуумной системы и производительность воздушного насоса

потока в эжекторах также весьма значительна. Отношение значений давления рабочего и инжектируемого потоков перед эжектором р р/р н также во много раз больше критического отношения давлений. Степень сжатия, создаваемая такими аппаратами, рс/рн > 2,5;
      •      аппараты с большой степенью расширения и малой степенью сжатия. Такие аппараты называются газоструйными или пароструйными инжекторами. Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах является пар или газ (может быть также жидкость; например, инжекторы смазки в маслобаках теплофикационных турбин). Степень расширения рабочего потока в инжекторах значительна, но степень сжатия мала: р с/р н < 1,2. Поскольку степень сжатия мала, упругие свойства инжектируемого и смешанного потоков проявляются слабо. Поэтому при расчете таких аппаратов в основных расчетных уравнениях могут не учитываться свойства сжимаемости инжектируемого и смешанного потоков. К этим аппаратам относятся: паровоздушные дутьевые инжекторы топочных устройств котлов и котельных установок, воздушные обдувочные инжекторы, газовые эжекционные горелки, эжекторы уплотнений паровых турбин и др.

    1.3.       Герметичность вакуумной системы и производительность воздушного насоса

      Выбор производительности воздушного насоса, кроме мощности, параметров и конструктивных особенностей турбоагрегата, зависит от ожидаемой воздушной плотности (герметичности) его вакуумной системы, включающей в себя находящиеся под разрежением части турбины и регенеративной установки и собственно конденсационные устройства. Местами присосов воздуха в систему могут являться следующие:
      •      концевые уплотнения вала турбины при неудовлетворительном их состоянии;
      •      расположенные в вакуумной зоне фланцевые и сварные соединения турбины, регенеративных подогревателей низкого давления, конденсационных устройств, трубопроводов и арматуры;
      •      сальниковые уплотнения вентилей и задвижек, водоуказательных стекол (конденсатора и подогревателей низкого давления) и конденсатных насосов;
      •      присоединения измерительных и регулирующих устройств и неплотности в этих устройствах;
      •      неплотно закрытые из-за износа, смещения клапана или попадания посторонних предметов в запорные органы, например, задвижки на воздушных линиях (особенно на ответвлении к резервному или пусковому воздушному насосу) или атмосферные клапаны.


11

1. Воздушный насос как элемент конденсационной установки паровой турбины

      Присосы воздуха могут вызываться и появлением трещин в трубопроводах, компенсаторах, корпусах арматуры или оборудования, поломкой водоуказательных стекол, установленных на корпусах теплообменных аппаратов, и др.
      Вероятность появления неплотностей и возможное количество проникающего через них воздуха тем больше, чем выше мощность турбоагрегата и чем разветвленнее его вакуумная система. Присосы воздуха обычно возрастают также по мере понижения нагрузки турбоагрегата или для теплофикационных турбин — понижения расхода пара через часть низкого давления, так как при этом зона низкого давления турбины и установки регенеративного подогрева питательной воды, которая находится под разрежением, увеличивается. Размеры присосов в значительной степени зависят от эффективности мероприятий, предусматриваемых заводами-изготовителями оборудования для обеспечения его воздушной плотности, а также от тщательности эксплуатационного контроля над герметичностью системы, позволяющего своевременно обнаружить и устранить появляющиеся неплотности.
      При нормальной работе паротурбинной установки нормативную величину присосов воздуха можно оценить по формуле, рекомендуемой правилами технической эксплуатации [2] (в последних изданиях ПТЭ такие рекомендации отсутствуют).
G« = 8 + 0,065 N,                    (1.2)
где N — номинальная мощность турбины.
      Производительность воздушного насоса или группы насосов, обслуживающих данную конденсационную установку, принимается со значительным запасом по отношению к рассмотренному выше присосу воздуха Gвн, допустимому при нормальных условиях работы. Необходимость такого запаса вызывается следующими причинами:
      •       возможностью понижения рабочей (весовой) производительности воздушного насоса при изменении режима работы установки или при изменении состояния воздушного насоса;
      •       возможностью появления значительных присосов воздуха, которые по условиям работы турбоагрегата не могут быть быстро устранены.
      Максимальную весовую производительность по сухому воздуху, которую должен обеспечивать воздушный насос (или группа насосов) при возрастании давлений р н и р к в пределах, допустимых для работы турбины без снижения ее нагрузки, можно определить как
Gв* = nGД                          (1.3)
где п — коэффициент запаса.
      Коэффициент запаса п принимается равным 6...10 в зависимости от условий работы установки. Одной величины Gв*, однако, недостаточно, чтобы характеризовать требуемую производительность воздушного 12