В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с устройством, конструкцией и принципами работы подогревателей высокого давления на тепловых и атомных электростанциях. Также рассматриваются различные типы, области применения и меры по обеспечению безопасной эксплуатации.
Расположение в схеме ТЭС и АЭС и назначение ПВД
Большинство паротурбинных установок на электрических станциях в настоящее время работают по регенеративному циклу. Тепло отработанного пара в паровой турбине частично используется для нагрева питательной воды и конденсата. Для этого в тепловой схеме электростанции применяются так называемые подогреватели высокого давления — теплообменники.
Подогреватель высокого давления предназначен для подогрева воды, которая подается в него из деаэратора благодаря насосам.
Питательные насосы создают высокое давление — отсюда и название подогреватели высокого давления. ПВД находятся под давлением питательных насосов.
ПВД состоит из сварного корпуса, в котором расположены входной и выходной коллекторы для воды. К коллекторам присоединены нагревательные элементы изготовленные из спиральных стальных труб.
Вода нагревается паром высокого давления из паровой турбины с помощью подогревателей высокого давления. Эти устройства выполнены в виде теплообменников, в которых происходит процесс охлаждения и конденсации пара. Принцип работы подогревателей высокого давления заключается в передаче тепла от нагретого пара к нагреваемой воде через систему трубопроводов. Вода от насосов проходит через систему труб, а пар от турбины подается в межтрубное пространство корпуса подогревателя.
Конденсат отводится каскадно, то есть последовательно от вышестоящего к нижестоящему. Это позволяет полностью использовать тепло пара, подаваемого турбиной.
В процессе работы ПВД можно выделить 3 этапа:
- Охлаждение пара в охладителе пара (ОП). Если отбираемый из турбины пар был в перегретом состоянии, то вначале происходит его охлаждение до температуры насыщения.
- Конденсация пара в собственно подогревателе (СП). Изотермический процесс конденсации отбираемого пара. Процесс протекает при постоянной температуре пара с образованием конденсата на трубках. В результате этого этапа происходит передача скрытой теплоты конденсации пара питательной воде.
- Охлаждение конденсата в охладителе конденсата (ОК). После собственно подогревателя конденсат имеет температуру насыщения. Эта температура может быть гораздо выше чем температура питательной воды. Применение охладителя конденсата позволяет более полно регенерировать теплоту в цикле возвращая её питательной воде.
Подогреватели высокого давления и насосы питательной воды расположены под турбиной в конденсационном помещении машинного зала.
Маркировка подогревателей
Маркировка подогревателей на заводах-изготовителях зачастую осуществляется с применением буквенных и цифровых обозначений в соответствии с ГОСТ 108.271.17-76. В данном стандарте приведено описание кодов и значений, используемых для идентификации подогревателей. Например, одним из таких обозначений может быть ПВ-1200-38-4,3-I, где:
- Первые буквы (ПВ) указывают на место установки подогревателя и его тип (в данном случае — высокого давления).
- Первое число (1200) отражает площадь поверхности теплообмена данного подогревателя, выраженную в квадратных метрах.
- Второе и третье числа (38 и 4,3) обозначают соответственно пробные давления нагреваемой воды и греющего пара, измеряемые в МПа.
- Последняя цифра (I) представляет модификацию данного типа подогревателя.
Устройство ПВД
Для того чтобы представление о подогревателях высокого давления было более понятным мы представим схему конструкции:
Конструкция спирально – коллекторного ПВД
Подогреватель высокого давления представляет собой аппарат сварной конструкции вертикального типа.
Основными компонентами таких нагревателей являются спиральные трубки, коллекторы и корпуса. Спиральная труба представляет собой намотанный спиральный змеевик из углеродистой стали. Сталь в ПВД устойчива к высоким температурам и давлению. Коллектор отвечает за распределение теплоносителя внутри нагревателя и обеспечивает его равномерный нагрев.
Принцип работы ПВД
Принцип работы подогревателя высокого давления на тепловых электростанциях (ТЭС) основан на применении пара для нагрева воды. Подогреватель высокого давления устанавливается после питательных насосов. Его основная задача — нагревать воду, которая уже нагрелась в подогревателе низкого давления и деаэраторе. Подогрев воды в ПВД происходит до температуры зависящей от начальных параметров ТЭС и АЭС. Зачастую эта температура составляет 200 — 250°С. Обычно подогреватель высокого давления состоит из нескольких паровых подогревательных поверхностей, которые разделены промежуточными перегородками. Тепловой носитель (обычно это пар) подается на вход подогревателя высокого давления, где происходит теплообмен с водой.
Зоны ПВД:
- 1) OП — охладитель перегретого пара с температурой выше температуры насыщения при заданном давлении;
- 2) СП -собственно подогреватель с теплообменом при конденсации насыщенного пара;
- 3) ОК — охладитель конденсата с конвективным теплообменом при охлаждении конденсата пара.
Схема движения теплообменивающихся сред в зонах ПВД
Включение зоны охлаждения пара может быть различным. Смешивание потоков питательной воды, проходящих через каждый пароохладитель, происходит на входе в паровой котел. Этот метод переключения известен как метод Рикара-Никольного. Другой способ охлаждения пара заключается в том, что вода поступает в паровой котел после всех подогревателей — метод Виолен. Можно применить метод последовательного включения всех зон или использовать комбинированный метод.
В обоих случаях только часть питательной воды проходит через пароохладитель, а другая часть выводится из пароохладителя через ограничивающую диафрагму.
Схемы включения пароохладителей
Схема Рикара-Никольного
Изображенная схема имеет применение на электростанциях, где используется промежуточный пар, позволяющий повысить КПД на 0,5%. Увеличение КПД происходит за счет уменьшения потерь энергии благодаря уменьшению температурных напоров во время теплообмена в подогревателе. Увеличение КПД связано с частичным удалением пара низкого давления.
Схема Виолен
Схема Виолен имеет отличие от предыдущей из-за того, что в ней на выносной пароохладитель переходит весь поток воды после ПВД.
Расположение ПВД в тепловой схем
Одноподъемная схема
Достоинства: простота и компактность установки, быстрота включения в работу;
Недостатки: кавитация, небольшая мощность, работа ПВД при высоком давлении воды, соответственно, снижение надежности.
Суть данной системы заключается в том, что питательный насос сжимает воду конечного давления. Затем вода подается в питательный узел парового котла через ПВД.
Одноподъемная схема с пред включенным бустерным насосом
Достоинства: нет кавитации, быстрота включения в работу, у блоков любой мощности;
Недостатки: усложнение и удорожание установки, снижается надежность ПВД из-за работы при высоком давлении воды.
Эта система, в которой бустерный насос подключен последовательно с основным питательным насосом. Роль бустерного насоса заключается в создании подпора перед основным питательным насосом. Это необходимо для предотвращения появления пузырьков пара на рабочих колесах питательных насосов — кавитации. Кавитация опасна износом рабочих колес и срывом насоса — отключение насоса, аварийный останов энергоблока.
Двухподъемная схема
Достоинства: повышенная надежность из-за меньшего давления воды в ПВД, возможно применение более дешевых конструкций, кавитационная надежность.
Недостатки: сложность работы отдельных устройств ( в частности питательных насосов).
Система, в которой питательный насос первого подъема направляет воду через ПВД к питательному насосу второго подъема, который, в свою очередь, направляет воду в паровой котел.
Организация безопасной эксплуатации подогревателей высокого давления на ТЭС
Безопасная эксплуатация подогревателей высокого давления на тепловых электростанциях (ТЭС) является важным аспектом работы электростанции. Рекомендации по организации безопасной эксплуатации подогревателей высокого давления на ТЭС включают регулярное техническое обслуживание и осмотр оборудования. Анализ инцидентов, связанных с разрушением подогревателей высокого давления, показывает, что в основном они вызваны срабатыванием устройства защиты по уровню воды на ТЭС.
Схема защиты ПВД от переполнения
Для предотвращения повышения уровня воды в подогревателе данное устройство должно быть отсоединено от трубопроводов питательной воды и пара. В нормальных условиях питательная вода поступает в подогреватель 2 через входной клапан 1, проходит через обратный клапан 3 и направляется в котел. При повышении уровня воды в паровом пространстве подогревателя датчик уровня воды подает сигнал на электромагнитный клапан 5, который направляет конденсат под давлением от конденсатного насоса на поршень 6 гидравлического сервомотора. Сервомотор перемещает тарелку клапана 7, которая закрывает проход для подачи воды и подводит ее к обратному клапану 3. Тарелка обратного клапана 4 опускается, поток опорной воды прекращается, и вся группа подогревателей отключается от трубопровода ПВД.
Указатели уровня воды в ПВД
Регенеративные подогреватели должны быть оборудованы указателем уровня воды, сигнализацией и системой защиты от переполнения уровня воды на выходе греющего пара. Слишком большой объем воды в подогревателе неизбежно приведет к попаданию воды в турбину, что повлечет за собой нежелательные последствия. Особенно опасно переполнение подогревателя высокого давления, которое может привести к разрыву водопроводных труб. В этом случае даже при наличии исправного обратного клапана в линии отбора греющего пара нормальное давление отбора пара составляет около 1-6 МПа, а сам подогреватель находится под давлением воды за насосом питательной воды (на сверхкритических установках — более 26 МПа).
