Регенеративный подогрев питательной воды

В термодинамическом цикле водяного пара при отсутствии внешних тепловых потребителей определенное количество теплоты отработавшего пара может быть использовано для подогрева питательной воды. В самом деле, конденсат отработавшего пара откачивается из конденсатора при температуре, равной температуре насыщения, отвечающей давлению в конденсаторе. В зависимости от давления рк эта температура составляет 20—40° С.

Вместе с тем температура 10, при которой происходит испарение воды в котле, отвечает начальному давлению р0. В диапазоне начальных давлений р0 от 3 до 22,13 МПа (до критического состояния) температура насыщения г0 меняется от 234 до 374° С.

Вместо того чтобы питательную воду греть в самом котле за счет теплоты сжигаемого топлива, для повышения температуры питательной воды можно использовать пар, отбираемый из промежуточной ступени турбины и совершивший

определенную работу при расширении от начального состояния до давления в отборе. Таким образом можно осуществить регенерацию теплоты, т. е. передать питательной воде часть теплоты, отдаваемой охлаждающей воде. Другими словами, нагрев питательной воды, требующий относительно небольшой затраты теплоты, можно рассматривать как тепловое потребление в комбинированном цикле, причем выигрыш в экономичности, так же как и в цикле с внешним тепловым потреблением, пропорционален мощности, вырабатываемой на базе теплового потребления.

В установках, рассчитанных на комбинированную выработку теплоты и электроэнергии для внешнего потребителя, система регенеративного подогрева питательной воды также находит применение.

Питательная вода чаще всего подогревается в подогревателях поверхностного типа; при низком давлении пара применяются также смешивающие подогреватели.

В качестве примера простейшей схемы регенеративного подогрева питательной воды на рис. 1.22 показана принципиальная схема установки конденсационной турбины с одним регенеративным подогревателем поверхностного типа. Питательный насос прокачивает воду, подаваемую в котел через трубчатую систему теплообменника и обогреваемую паром из промежуточного отбора турбины. Конденсат греющего пара отводится в конденсатор турбины.

В поверхностном подогревателе питательная вода может быть нагрета до температуры, близкой к температуре насыщения обогревающего пара. Допустим, что разность между энтальпией конденсата греющего пара Лп и энтальпией питательной воды Ап.в при выходе из подогревателя составляет Ыг = кп — кпв. Если обозначить через а количество отбираемого пара, выраженное в долях расхода пара, подаваемого к турбине, и принять, что энтальпия воды на входе в подогреватель равна Ак, то уравнение теплового баланса подогревателя напишется так:

Отсюда доля отбираемого пара составит

и мощность, развиваемая отбираемым паром,

  Зависимость между этими

питательной воды, покидающей подогреватель с недогревом 5 А.

на рис. 1.23.

Наибольшей эта площадь будет приблизительно при энтальпии отбираемого пара, близкой к средней величине между А0 и кк. Иначе говоря, максимум работы отбираемый пар совершит, если нагрев питательной воды в подогревателе составит приблизительно половину необходимого нагрева от температуры конденсата до температуры насыщения, отвечающей давлению в котле.

Дальнейшее повышение экономичности цикла с регенерацией можно получить, применяя несколько ступеней подогрева питательной воды.

  Наибольший выигрыш в экономичности регенеративного цикла мог бы быть достигнут при бесконечном числе отборов пара, когда выработка на тепловом потреблении достигла бы значения, эквивалентного площади АСВА. Как можно судить на основании рис. 1.23, при ограниченном числе ступеней подогрева целесообразно выбирать точки отбора пара с таким расчетом, чтобы повышение энтальпии (или температуры) питательной воды было приблизительно одинаковым в каждой ступени подогрева или чтобы теплоперепады между ступенями отбора пара были приблизительно равны между собой.

Приведенное рассмотрение теплового цикла с регенерацией не учитывает, однако, некоторых обстоятельств, с которыми связано повышение температуры питательной воды. Дело в том, что с ростом Лпв становится все более трудным достаточно охладить уходящие из котла газы. Поэтому теоретический выигрыш от повышения конечной температуры подогрева питательной воды может быть утрачен в связи с ростом потерь с уходящими газами котла.

Часто для выбора температуры питательной воды используют формулу

  выбирается равной 265 или 274° С.

  , а работоспособность пара эквивалентна заштрихованной площади ааЪЫеа, т. е.

Коэффициент полезного действия такого идеального регенеративного цикла представится отношением

, если верхний отбор производится при р<раа,

  (см. рис. 1.17).

  по (1.2а) и (1.19а), найдем повышение

экономичности, которое может быть достигнуто в идеальном регенеративном цикле с бесконечным числом отборов:

для установки без промежуточного перегрева пара

для установки с одним промежуточным перегревом пара

, то его выгоднее организовать не после перегрева, а до него.

Кривые на рис. 1.25 построены при неизменном для каждого графика КПД турбины г|0*; в расчете не учтены потери давления и недогрева в регенеративных подогревателях. Для рис. 1.25, а были приняты параметры пара: />0 = 4МПа;

  ; промежуточный перегрев до

будут мало отличаться от значений, представленных на рис. 1.25, а и б.

Приведенные выше соображения, формулы и графики позволяют приближенно оценить выигрыш в экономичности за счет регенеративного подогрева питательной воды/

При проектировании конкретной турбинной установки выполняется детальный расчет реальной тепловой схемы. Примером такой схемы может служить изображенная на рис. 1.26 тепловая схема установки с промежуточным перегревом пара. Из конденсатора конденсат откачивается конденсатным насосом и направляется сначала в холодильники воздушного эжектора (на схеме на рис. 1.26 воздушного эжектора нет), а затем в систему регенеративного подогрева питательной воды. Пройдя последовательно два смешивающих и несколько поверхностных подогревателей, конденсат поступает в специальный смешивающий подогреватель, питаемый паром из пятого отбора. Этот подогреватель используется в качестве деаэратора, в котором вода освобождается от растворенного в ней кислорода. Из деаэратора, куда также сбрасывается конденсат греющего пара подогревателей высокого давления (ПВД) поверхностного типа, вода забирается питательным насосом, под большим напором подающим питательную воду через систему ПВД в котел. Регенеративные подогреватели на линии конденсата от конденсатора до питательного насоса называются подогревателями низкого давления (ПНД).

В такой установке электрическая мощность агрегата находится по формуле

где С — расход свежего пара; #,— приведенная работа 1 кг пара, подводимого к турбине. Подсчитывается Нх как сумма произведений использованных теплоперепадов (рис. 1.27) на относительное количество пара, протекающего через отсек турбины, т. е.

Абсолютный электрический КПД такой установки равен

где т — число отборов до промежуточного перегрева (по потоку пара).

Использование системы регенеративных отборов пара приводит к повышению относительного внутреннего КПД турбины. Расход пара С через первые ступени возрастает, что требует увеличения высот лопаток, и тем самым повышается КПД этих ступеней (см. ниже, § 6.4). Наоборот, уменьшение расхода пара через последнюю ступень турбины означает меньшце выходные потери и более высокий КПД части низкого давления (см. § 6.2).

Выбор параметров пара, в том числе начальных, схемы с одним или двумя промперегревами и температуры промперегрева, температуры питательной воды, числа регенеративных отборов  это технико-экономическая задача. При решении ее учитывается изменение удельного расхода теплоты, капитальных затрат, надежности и других характеристик оборудования и энергоблока в целом.

На рис. 1.28 можно произвести оценку реального изменения экономичности энергоблока в зависимости от разных параметров. Наибольший выигрыш в экономичности для рассмотренного диапазона параметров, составляющий

Турбинные установки атомных электростанций

Атомная энергетика характеризуется разнообразием типов атомных электростанций (АЭС), определяемых главным образом типами применяемых ядерных реакторов. В Советском Союзе на промышленных АЭС используются три типа реакторов и соответственно три вида турбоустановок.

  Водо-графитовый реактор кипящего типа, канальной конструкции (РБМК) — реактор большой мощности, канальный. Теплоноси гелем в нем является сухой насыщенный пар, из реакторного отделения АЭС направляемый в паровую турбину при давлении 6,5 МПа. Схема такой АЭС — одноконтурная (рис. 1.29, а), и, следовательно, в турбину поступает радиоактивный пар.

Реактор с водой под дав л ением -(ВВЭР)— водо-водяной энергетический реактор корпусной конструкции. Теплоносителем является горячая, но не дЬведенная до кипения вода под давлением 13—17 МПа. Генерирование пара производится в специальном теплообменнике — парогенераторе— под давлением 4,4—8 МПа. Схема такой АЭС — двухкон-турная (рис. 1.29,6), и, следовательно, в турбину поступает нерадиоактивный пар, обычно насыщенный и реже — слегка перегретый.

Реактор на быстрых нейтронах — (ВНР); в отличие от рассмотренных, выше реакторов на тепловых нейтронах (РБМК и ВВЭР) в нем в качестве топлива можно использовать изотоп урана I]238, составляющий существенную часть природного урана, или плутоний, выработанный тепловыми реакторами (РБМК, ВВЭР и др.). Другим достоинством реактора БНР является высокий коэффициент воспроизводства (1,4 и выше). В промышленных АЭС с реакторами БНР в качестве теплоносителя используют жидкометаллический натрий. Схема АЭС—трехкоптурпая (рис. 1.29, в), она необходима для предотвращения аварийного взрывоопасного прямого контакта радиоактивного натрия с водой. В первом контуре циркулирует радиоактивный № под невысоким

давлением с температурой на выходе 550—600" С; в промежуточном— при большем давлении (чтобы не допустить попадания в него радиоактивного №)—нерадиоактивный № с температурой на 20—35° С ниже. В последнем контуре давление может выбираться в зависимости от используемых паровых турбин; температура пара на входе составляет около 500е С.

Для первых двух рассмотренных типов АЭС с водоохлаж-даемыми реакторами необходимы специальной конструкции влажнопаровые турбины, названные так потому, что большая часть их ступеней работает на влажном паре. В третьем типе АЭС до недавнего времени использовались обычные турбины, применяемые на ТЭС (например, на энергоблоке Белоярской АЭС с реактором БНР-600). Однако для улучшения эксплуатационных характеристик парогенератора новые АЭС с реактором БНР (рис. 1.29, в) создаются на пониженную начальную температуру пара *0=480 -г-485° С (в том числе при /?0~13 МПа), что требует специальной конструкции турбо-установок.

Особенности конструкций турбин на АЭС анализируются в § 10.3. Рассмотрим выбор параметров и схем турбоустановок АЭС с водоохлаждаемыми реакторами..

Выбор начального давления р0. Как и для перегретого пара при /0 = соп81, гак и для насыщенного пара повышение р0 увеличивает теоретический КПД цикла г|, только до определенного значения />0^17 МПа (пунктирная кривая на рис. 1.14).

--более

В двух контурной схеме из-за неизбежных температурных перепадов в реакторе и парогенераторе давление воды на выходе из реактора должно быть по меньшей мере на 8—11 МПа выше, чем давление пара на входе в турбину. Увеличение же давления воды связано с трудностями создания реактора и обеспечения его надежности, особенно при больших размерах его корпуса.

  МПа, а для АЭС с реакторами ВВЭР — до

Внешняя сепарация влаги и промежуточный перегрев. В процессе расширения в турбине насыщенного пара, представленном в А, ^--диаграмме кривой / (рис. 1.30), влажность пара в последних ступенях будет очень велика, доходя в конце расширения до ук = 0,2 ^-0,25. В этих условиях лопатки будут подвергаться недопустимо сильной эрозии, а КПД турбины г|0(- окажется очень низким.

В связи с этим при определении давления р^^, называемого разделительным, нар направляется в специальный сепаратор, после которого при г = 0 н-1 % поступает в последующие ступени турбины (см. рис. 1.29). Процесс расширения пара в этом случае изобразится линией 11 (рис. 1.30). Иногда применяется двукратная сепарация (линия /// на рис. 1.30). Сепарация пара повышает надежность работы последних ступеней турбины, увеличивает КПД турбины г|ы. При этом также немного возрастает КПД цикла, так как теплота сконденсировавшейся в сепараторе влаги обычно используется в системе регенеративного подогрева питательной воды.

  — (40-^20) С. Иногда перегрев выполняется двухступенчатым: сначала паром из промежуточной ступени турбины при давлении выше раздели тельного, а затем паром начальных параметров. Промежуточный перегрев снижает влажность пара в ступенях низкого давления (см, линию IV на рис. 1.30),

повышая при этом г|ы. Дренаж греющего пара в промперег-ревагеле используется для вытеснения одного из регенеративных отборов или заканчивается непосредственно в линию питательной воды, повышая ее температуру. И то и другое ведет к улучшению экономичности турбоустановки. Однако в отличие от промежуточного перегрева, осуществляемого в котельном агрегате цикла с начальным перегревом пара, в турбоустановках насыщенного пара он не повышает теоретического КПД цикла, так как уровень подвода теплоты в нем ниже, чем в основном, первоначальном цикле (рис. 1.16).

Процесс в Г, ^-диаграмме для идеального цикла турбинной установки насыщенного пара с сепарацией и промежуточным перегревом показан на рис. 1.31. Так же как и для промежуточного перегрева в турбинах высоких параметров, для турбин насыщенного пара имеется термодинамический оптимум разделительного давления, который определяется выигрышем в г|э (см. график на рис. 1.32); кроме того, учитываются допустимые значения влажности в конце процесса расширения пара перед сепарацией.

Следует указать, что до сих пор речь шла о так называемой диаграммной влажности. В действительности влажность в проточной части турбины будет меньше из-за специальных мер по влагоудалению (см. § 5.2).

= 0,06 -г 0,12, а в установке с промежуточным перегревом

  Отметим, что при очень малом рразд промежуточный перегрев термодинамически даже невыгоден.

  . В этом случае термодинамические потери цикла будут несколько меньшими, а с учетом повышения экономичности ступеней низкого давления КПД турбоустановки возрастет. Схема такой турбоустановки показана на рис. 1.29, в, процессы в ней в Г, л- и /^-диаграммах — на рис. 1.33.

Регенеративный подогрев питательной воды. Такой подогрев применяется и в турбинах АЭС, в частности во влажнопаровых турбинах, но из-за относительно малого теплоперепада турбины число отборов меньше и обычно равно 5—7.

Особенности этих отборов следующие:

термодинамически отбор влажного пара выгоднее, чем перегретого, так как температура подогреваемой воды

определяется не температурой отбираемого пара, а температурой насыщения, соответствующей давлению отбора;

в местах отбора пара особенно эффективно влагоудаление из проточной части турбины, широко применяемое во влаж-нопаровых турбинах, даже в первых их ступенях. В то же рремя влагоудаление в ступенях, не связанных с отбором, приводит к неизбежному отсосу не используемой далее части паровой среды;

в части высокого давления влажнопаровых турбин энтальпии отбираемого пара не столь высоки, как в ЧВД и ЧСД турбин ТЭС, и, следовательно, больше относительные значения отборов и благоприятно меньше расход пара через последние ступени по сравнению с расходом свежего пара;

на АЭС с реакторами РБМК повышение температуры питательной воды ведет к усложнению сепараторов кипящего реактора. Поэтому для реакторов РБМК принимаются невысокие значения /п в (для АЭС с реакторами РБМК-1000 п.в=165°С, для АЭС с реакторами РБМК-1500 /П.В=190°С) и в турбоустановке отсутствуют подогреватели высокого давления. Если на АЭС с реакторами ВВЭР используются вертикальные парогенераторы с экономайзерным участком, то в турбоустановке зачастую не применяются ПВД.

Из-за невысоких начальных параметров и пониженного относительного внутреннего гы экономичность турбоустановок насыщенного пара невелики, в лучших из них доходит до 334-35% (абсолютный КПД нетто).