Достижение оптимального вакуума в конденсаторе паровой турбины

Одним из основных способов достижения высокого термического КПД паротурбинной установки является понижение параметров пара за турбиной. С понижением давления и температуры отработавшего в турбине пара уменьшается количество теплоты, передаваемой холодному источнику, что, как известно из термодинамики, при неизменных параметрах свежего пара повышает мощность турбины (за счет увеличения теплоперепада) и экономичность цикла в целом.

Обычно в конденсаторе поддерживается давление от 3 кПа до 7,5 кПа, что соответствует температуре конденсации от 24°С до 40°С. Дальнейшее снижение давления в конденсаторе, то есть конечного давления, нецелесообразно, так как:

• 1)    При более глубоком вакууме (разрежении) возрастает удельный объем пара, поступающего из паровой турбины в конденсатор. Поэтому размеры конденсатора и последних ступеней турбины увеличиваются [1];

• 2)    При более глубоком разрежении уменьшается температура насыщения в конденсаторе: давлению 3 кПа соответствует температура в 24°С, давлению 2 кПа соответствует температура в 17,2°С. При этом разность температур конденсирующегося пара и охлаждающей воды становится слишком малой, что опять приводит к увеличению размеров конденсатора [2].

Экономичность и надежность работы турбины во многом определяется давлением в конденсаторе (вакуумом). Значение давления (глубина вакуума) зависит от ряда факторов: чистоты трубной системы и трубных досок конденсаторов, присосов воздуха в вакуумную систему турбоустановки, расходов охлаждающей воды и ее температуры.

Для большинства паровых турбин средних параметров отклонение давления в конденсаторе на ±1 кПа приводит к изменению мощности турбины примерно на 1%. Для экономичной работы турбоустановки необходимо, чтобы прирост мощности паровой турбины при понижении давления пара в конденсаторе и неизменном расходе пара был больше увеличения расхода электроэнергии на циркуляционные насосы при традиционном способе охлаждения. В реальных условиях эксплуатации паровых турбин предельный вакуум, как правило, не достигается, так как быстрее устанавливается экономический вакуум, при котором полезная мощность турбоустановки (за вычетом затрат мощности на привод циркуляционных насосов) при данном расходе пара в конденсатор достигает максимального значения [3].

В табл. 1 в качестве примера представлены данные по изменению мощности турбин и экономичности паротурбинных установок (ПТУ) при изменении давления пара за турбиной на ±1 кПа и неизменных параметрах свежего пара [4].

Таблица 1

Как видно из табл. 1, при изменении давления за турбиной на 1 кПа экономичность паротурбинных установок тепловых электростанций изменяется примерно на 1 %, а для атомных электростанций это изменение достигает 1,5-2,0%. Большее изменение в экономичности паротурбинных установок атомных электростанций определяется тем, что для турбин с малым теплоперепадом, в частности для турбин насыщенного пара, относительное изменение перепада оказывается большим.

Значительное повышение давления в конденсаторе приводит и к увеличению температуры в выхлопном патрубке турбины, что может вызвать расцентровку и появление повышенной вибрации агрегата, а также усталость рабочих лопаток в среде более плотного пара. Предельная допустимая температура в выхлопном патрубке устанавливается заводом-изготовителем турбины и зависит, в частности, от типа турбин. Для предотвращения аварий, вызванных значительным повышением давления в конденсаторе, турбоагрегаты оснащаются автоматической защитой, отключающей турбину при ухудшении вакуума до определенного значения, указываемого заводом - изготовителем турбины. Для большинства конденсационных турбин значение этой температуры устанавливается на уровне 60-70°С, а для теплофикационных турбин на некоторых режимах может достигать 85°С [5].

Для теплофикационных паровых турбин со значительными отборами пара на теплофикацию не недопустима работа турбины, когда через конденсатор не пропускается пар, т. е. когда весь пар идет в отбор, так как вращение ротора в корпусе, через который не пропускается пар, приведет за счет сил трения между лопатками и рабочим телом к чрезмерному перегреву ротора из-за недостаточного отвода теплоты и, как следствие, понижению механической прочности металла. Для отвода этой теплоты через часть низкого давления должно обязательно пропускаться некоторое вентиляционное количество пара. Минимальное количество вентиляционного пара составляет 5-10% от расчетного, проходящего через часть низкого давления [6].

Поэтому достижение оптимального вакуума характеризуется тем, что температура (давление) конденсации в наибольшей степени зависит от начальной температуры охлаждающей воды и, следовательно, от источника и системы водоснабжения, а также от времени года. Но при одной и той же начальной температуре охлаждающей воды изменение вакуума в конденсаторе существенно зависит от кратности охлаждения, и чем глубже вакуум, тем больше должна быть поверхность теплообмена в конденсаторе и кратность охлаждения. Следовательно, возрастают капиталовложения в циркуляционную установку, и увеличивается расход электроэнергии на привод циркуляционных насосов. Поэтому важно, чтобы прирост мощности паровой турбины из-за углубления вакуума был технико-экономически обоснованным.