Поверхностный конденсатор — это водоохлаждаемый кожухотрубчатый теплообменник, установленный для конденсации отработавшего пара из паровой турбины на тепловых электростанциях . [1] [2] [3] Эти конденсаторы представляют собой теплообменники , которые преобразуют пар из газообразного в жидкое состояние при давлении ниже атмосферного . В случае нехватки охлаждающей воды часто используется конденсатор с воздушным охлаждением. Однако конденсатор с воздушным охлаждением значительно дороже и не может достичь такого же низкого давления (и температуры) выхлопа паровой турбины, как поверхностный конденсатор с водяным охлаждением.
Поверхностные конденсаторы также используются в других областях и отраслях, помимо конденсации выхлопных газов паровых турбин на электростанциях.
На тепловых электростанциях целью поверхностного конденсатора является конденсация отработавшего пара из паровой турбины для достижения максимального КПД , а также преобразование отработавшего пара турбины в чистую воду (называемую паровым конденсатом) для повторного использования ее в парогенераторе или котле в качестве питательной воды для котла.
Паровая турбина сама по себе является устройством для преобразования тепла пара в механическую энергию . Разница между теплом пара на единицу массы на входе в турбину и теплом пара на единицу массы на выходе из турбины представляет собой тепло, которое преобразуется в механическую энергию. Следовательно, чем больше преобразование тепла на фунт или килограмм пара в механическую энергию в турбине, тем выше ее эффективность. При конденсации отработавшего пара турбины при давлении ниже атмосферного, перепад давления пара между входом и выходом турбины увеличивается, что увеличивает количество тепла, доступного для преобразования в механическую энергию. Большая часть тепла, выделяемого в результате конденсации отработавшего пара, уносится охлаждающей средой (водой или воздухом), используемой поверхностным конденсатором.
На соседней схеме изображен типичный конденсатор с водяным охлаждением, который используется на электростанциях для конденсации отработанного пара из паровой турбины, приводящей в действие электрогенератор, а также в других областях применения. [2] [3] [4] [5] Существует множество вариантов конструкции в зависимости от производителя, размера паровой турбины и других условий, характерных для конкретного места.
Корпус — это внешний корпус конденсатора, в котором находятся трубки теплообменника. Корпус изготовлен из пластин углеродистой стали и усилен по мере необходимости для обеспечения жесткости корпуса. При необходимости выбранной конструкции устанавливаются промежуточные пластины, которые служат перегородками, обеспечивающими желаемый путь потока конденсирующегося пара. Пластины также обеспечивают поддержку, которая помогает предотвратить провисание длинных трубок.
В нижней части оболочки, где собирается конденсат, установлен выпускной патрубок. В некоторых конструкциях предусмотрен поддон (часто называемый конденсатоотводчиком). Конденсат откачивается из выпускного патрубка или конденсатоотводчика для повторного использования в качестве питательной воды для котла .
В большинстве поверхностных конденсаторов с водяным охлаждением корпус при нормальных условиях эксплуатации находится под [частичным] вакуумом .
Для конденсаторов с водяным охлаждением внутренний вакуум оболочки чаще всего обеспечивается и поддерживается внешней системой паровой струи эжектора . Такая система эжектора использует пар в качестве движущей жидкости для удаления любых неконденсирующихся газов, которые могут присутствовать в поверхностном конденсаторе. Эффект Вентури , который является частным случаем принципа Бернулли , применяется к работе паровых струйных эжекторов.
Для этой цели также популярны механические вакуумные насосы с приводом от двигателя , например, жидкостно-кольцевого типа.
На каждом конце оболочки предусмотрен лист достаточной толщины, обычно из нержавеющей стали , с отверстиями для вставки и прокатки труб. Входной конец каждой трубы также имеет раструб для обтекаемого входа воды. Это необходимо для того, чтобы избежать завихрений на входе каждой трубы, вызывающих эрозию, и для уменьшения трения потока. Некоторые производители также рекомендуют пластиковые вставки на входе труб, чтобы избежать завихрений, разрушающих входной конец. В небольших агрегатах некоторые производители используют наконечники для герметизации концов труб вместо прокатки. Чтобы позаботиться о продольном расширении труб, некоторые конструкции имеют компенсатор между оболочкой и трубной решеткой, позволяющий последней перемещаться в продольном направлении. В небольших агрегатах трубам придается некоторый прогиб, чтобы позаботиться о расширении труб, при этом оба концевых водяных короба жестко закреплены на оболочке.
Обычно трубы изготавливаются из нержавеющей стали , медных сплавов, таких как латунь или бронза, медно-никелевого сплава или титана , в зависимости от нескольких критериев выбора. Использование медных сплавов, таких как латунь или медно-никелевый сплав, редко встречается на новых заводах из-за экологических проблем, связанных с токсичными медными сплавами. Также в зависимости от обработки воды парового цикла для котла может быть желательно избегать материалов труб, содержащих медь. Титановые трубки конденсатора обычно являются лучшим техническим выбором, однако использование титановых труб конденсатора было фактически исключено из-за резкого увеличения затрат на этот материал. Длина труб составляет около 85 футов (26 м) для современных электростанций в зависимости от размера конденсатора. Выбранный размер основан на транспортабельности с завода-изготовителя и простоте монтажа на месте установки. Наружный диаметр труб конденсатора обычно составляет от 3/4 дюйма до 1-1/4 дюйма, исходя из соображений трения охлаждающей воды конденсатора и общего размера конденсатора.
Трубная решетка на каждом конце с завальцованными концами труб, для каждого конца конденсатора закрывается изготовленной крышкой коробки, известной как водяная камера, с фланцевым соединением с трубной решеткой или оболочкой конденсатора. Водяная камера обычно снабжена люками на откидных крышках для обеспечения осмотра и очистки.
Эти водяные камеры на стороне входа также будут иметь фланцевые соединения для впускных клапанов охлаждающей воды , небольшую вентиляционную трубу с ручным клапаном для выпуска воздуха на более высоком уровне и ручной сливной клапан внизу для слива водяной камеры для обслуживания. Аналогично на выпускной водяной камере соединение охлаждающей воды будет иметь большие фланцы, клапаны-бабочки , вентиляционное соединение также на более высоком уровне и сливные соединения на более низком уровне. Аналогично карманы термометра расположены на впускных и выпускных трубах для локальных измерений температуры охлаждающей воды.
В небольших агрегатах некоторые производители изготавливают корпус конденсатора, а также водяные камеры из чугуна .
На стороне охлаждающей воды конденсатора:
Трубы, трубные решетки и водяные коробки могут быть изготовлены из материалов с различным составом и всегда находятся в контакте с циркулирующей водой. Эта вода, в зависимости от ее химического состава, будет действовать как электролит между металлическим составом труб и водяных коробок. Это приведет к электролитической коррозии , которая начнется с более анодных материалов.
Конденсаторы на основе морской воды , особенно когда в морскую воду добавлены химические загрязнители , имеют наихудшие коррозионные характеристики. Речная вода с загрязнителями также нежелательна для охлаждающей воды конденсатора.
Коррозионное воздействие морской или речной воды должно быть терпимо и должны быть приняты методы исправления. Одним из методов является использование гипохлорита натрия или хлора , чтобы гарантировать отсутствие морского обрастания на трубах или трубках. Эта практика должна строго регулироваться, чтобы гарантировать, что циркулирующая вода, возвращающаяся в море или реку, не будет затронута.
На паровой (корпусной) стороне конденсатора:
Концентрация нерастворенных газов высока над трубами воздушной зоны. Поэтому эти трубы подвергаются более высоким скоростям коррозии. Иногда эти трубы подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением, если первоначальное напряжение не было полностью снято во время производства. Чтобы преодолеть эти эффекты коррозии, некоторые производители предлагают более коррозионностойкие трубы в этой области.
Поскольку концы трубок подвергаются коррозии, существует вероятность утечки охлаждающей воды на паровую сторону, загрязняя конденсированный пар или конденсат, что вредно для парогенераторов . Другие части водяных коробок также могут быть затронуты в долгосрочной перспективе, требуя ремонта или замены, включающей длительные простои.
Катодная защита обычно применяется для решения этой проблемы. Жертвенные аноды из цинковых пластин (самые дешевые) устанавливаются в подходящих местах внутри водяных коробок. Эти цинковые пластины будут подвергаться коррозии в первую очередь, поскольку находятся в самом нижнем диапазоне анодов. Поэтому эти цинковые аноды требуют периодического осмотра и замены. Это требует сравнительно меньшего времени простоя. Водяные коробки, изготовленные из стальных пластин, также защищены изнутри эпоксидной краской.
Как и следовало ожидать, при миллионах галлонов циркулирующей воды, протекающей через трубку конденсатора из морской или пресной воды, все, что содержится в воде, протекающей через трубки, в конечном итоге может оказаться либо на трубной решетке конденсатора (обсуждалось ранее), либо внутри самой трубки. Загрязнение трубной стороны поверхностных конденсаторов делится на пять основных категорий: загрязнение частицами, такими как ил и осадок, биообрастание, такое как слизь и биопленки , накипь и кристаллизация, такая как карбонат кальция, макрообрастание, которое может включать в себя все, от мидий, которые могут расти на трубной решетке, до древесины или другого мусора, который блокирует трубки, и, наконец, продукты коррозии (обсуждалось ранее).
В зависимости от степени загрязнения воздействие может быть довольно серьезным на способность конденсатора конденсировать отработанный пар, поступающий из турбины. По мере накопления загрязнения внутри трубок создается изолирующий эффект, и характеристики теплопередачи трубок снижаются, что часто требует замедления турбины до точки, когда конденсатор может справиться с произведенным отработанным паром. Как правило, это может быть довольно дорогостоящим для электростанций в виде снижения производительности, увеличения расхода топлива и увеличения выбросов CO2 . Это «снижение номинальных характеристик» турбины для размещения загрязненных или заблокированных трубок конденсатора является признаком того, что заводу необходимо очистить трубки, чтобы вернуться к паспортной мощности турбины . Доступны различные методы очистки, включая онлайн и офлайн варианты, в зависимости от конкретных условий на месте установки.
Национальные и международные коды испытаний используются для стандартизации процедур и определений, используемых при испытании больших конденсаторов. В США ASME публикует несколько кодов испытаний производительности конденсаторов и теплообменников. К ним относятся ASME PTC 12.2-2010, Поверхностные конденсаторы пара, и PTC 30.1-2007, Конденсаторы паровые с воздушным охлаждением.
{{cite book}}: |author=имеет общее название ( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )