Подогреватели питательной воды для ТЭС: повышение эффективности, снижение затрат и защита котла от теплового удара. Оптимизация термодинамического цикла.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Компонент электростанции
Power plant component
Нагреватель питательной воды — это компонент электростанции, используемый для предварительного нагрева воды, поступающей в парогенерирующий котел. Предварительный нагрев питательной воды снижает необратимости, связанные с образованием пара, и, следовательно, повышает термодинамическую эффективность системы. Это уменьшает эксплуатационные расходы электростанции и также помогает предотвратить тепловой удар металла котла при подаче питательной воды обратно в паровой цикл. В паровой электростанции (обычно моделируемой как модифицированный цикл Ранкина) нагреватели питательной воды позволяют постепенно повышать температуру питательной воды до температуры насыщения. Это минимизирует неизбежные необратимости, связанные с передачей тепла рабочему телу (воде). Подробнее об этих необратимостях см. в статье о втором законе термодинамики.
A feedwater heater is a power plant component used to pre heat water delivered to a steam generating boiler. Preheating the feedwater reduces the irreversibilities involved in steam generation and therefore improves the thermodynamic efficiency of the system. This reduces plant operating costs and also helps to avoid thermal shock to the boiler metal when the feedwater is introduced back into the steam cycle. In a steam power plant (usually modeled as a modified Rankine cycle), feedwater heaters allow the feedwater to be brought up to the saturation temperature very gradually. This minimizes the inevitable irreversibilities associated with heat transfer to the working fluid (water). See the article on the second law of thermodynamics for a further discussion of such irreversibilities.
Обсуждение и объяснение цикла
Энергия, используемая для нагрева питательной воды, обычно отбирается из пара, извлекаемого между ступенями паровой турбины. Следовательно, пар, который мог бы использоваться для совершения работы расширения в турбине (и, соответственно, для выработки энергии), не используется по прямому назначению. Доля общей массы пара в цикле, направляемая на подогреватель питательной воды, называется фракцией отбора и должна быть тщательно оптимизирована для достижения максимальной тепловой эффективности электростанции, поскольку увеличение этой фракции приводит к снижению выходной мощности турбины. Подогреватели питательной воды могут быть "открытого" или "закрытого" типа. Открытый подогреватель – это теплообменник, в котором отбираемый пар смешивается с питательной водой. Такой подогреватель обычно требует наличия питательных насосов как на входе, так и на выходе, поскольку давление в подогревателе находится между давлением в котле и давлением в конденсаторе. Деаэратор является частным случаем открытого подогревателя питательной воды, специально предназначенным для удаления неконденсирующихся газов из питательной воды. Закрытые подогреватели питательной воды обычно представляют собой кожухотрубчатые теплообменники, в которых питательная вода протекает по трубам и нагревается отбираемым паром из турбины. Для них не требуются отдельные насосы до и после подогревателя для повышения давления питательной воды до давления отбираемого пара, как в случае с открытым подогревателем. Однако отработанный пар (который, скорее всего, почти полностью конденсируется после нагрева питательной воды) затем должен быть дросселирован до давления конденсатора, что является изоэнтальпическим процессом, приводящим к некоторому увеличению энтропии и незначительному снижению общей эффективности цикла.
The energy used to heat the feedwater is usually derived from steam extracted between the stages of the steam turbine. Therefore, the steam that would be used to perform expansion work in the turbine (and therefore generate power) is not utilized for that purpose. The percentage of the total cycle steam mass flow used for the feedwater heater is termed the extraction fraction and must be carefully optimized for maximum power plant thermal efficiency since increasing this fraction causes a decrease in turbine power output. Feedwater heaters can also be "open" or "closed" heat exchangers. An open heat exchanger is one in which extracted steam is allowed to mix with the feedwater. This kind of heater will normally require a feed pump at both the feed inlet and outlet since the pressure in the heater is between the boiler pressure and the condenser pressure. A deaerator is a special case of the open feedwater heater which is specifically designed to remove non condensable gases from the feedwater. Closed feedwater heaters are typically shell and tube heat exchangers where the feedwater passes throughout the tubes and is heated by turbine extraction steam. These do not require separate pumps before and after the heater to boost the feedwater to the pressure of the extracted steam as with an open heater. However, the extracted steam (which is most likely almost fully condensed after heating the feedwater) must then be throttled to the condenser pressure, an isenthalpic process that results in some entropy gain with a slight penalty on overall cycle efficiency:
Многие электростанции оснащаются несколькими подогревателями питательной воды и могут использовать как открытые, так и закрытые компоненты. Подогреватели питательной воды применяются как на тепловых электростанциях, работающих на ископаемом топливе, так и на атомных электростанциях.
Many power plants incorporate a number of feedwater heaters and may use both open and closed components. Feedwater heaters are used in both fossil and nuclear fueled power plants.
Экономизатор
Экономизатор выполняет аналогичную функцию, что и подогреватель питательной воды, но технически отличается тем, что не использует пар из цикла для нагрева. На тепловых электростанциях экономизатор использует самые низкотемпературные дымовые газы из топки для нагрева воды перед ее поступлением в основной котел. Это позволяет осуществлять теплообмен между топкой и питательной водой при меньшем среднем температурном градиенте (для парогенератора в целом). Таким образом, общая эффективность системы дополнительно повышается при оценке с учетом фактической теплотворной способности топлива. Большинство атомных электростанций не оснащены экономизатором. Однако, в конструкции ядерной установки System 80+ компании Combustion Engineering и ее последующих модификациях (например, APR 1400 Корейской электроэнергетической корпорации) предусмотрен интегральный экономизатор питательной воды. Этот экономизатор предварительно нагревает питательную воду парогенератора на входе в парогенератор, используя самую холодную первичную теплоноситель.
An economizer serves a similar purpose to a feedwater heater, but is technically different as it does not use cycle steam for heating. In fossil fuel plants, the economizer uses the lowest temperature flue gas from the furnace to heat the water before it enters the boiler proper. This allows for the heat transfer between the furnace and the feedwater to occur across a smaller average temperature gradient (for the steam generator as a whole). System efficiency is therefore further increased when viewed with respect to actual energy content of the fuel. Most nuclear power plants do not have an economizer. However, the Combustion Engineering System 80+ nuclear plant design and its evolutionary successors, (e. g. Korea Electric Power Corporation's APR 1400) incorporate an integral feedwater economizer. This economizer preheats the steam generator feedwater at the steam generator inlet using the lowest temperature primary coolant.
Испытания
Широко используемый кодекс, определяющий процедуры, инструкции и рекомендации по определению термогидравлических характеристик закрытого подогревателя питательной воды, – это стандарт ASME PTC 12.1 для подогревателей питательной воды.
A widely use Code for the procedures, direction, and guidance for determining the thermo hydraulic performance of a closed feedwater heater is the ASME PTC 12.1 Feedwater Heater Standard.