Введение
Компонент парового двигателя
Поверхностный конденсатор – это водяной теплообменник кожухотрубного типа, устанавливаемый для конденсации отработанного пара от паровой турбины на тепловых электростанциях. Эти конденсаторы являются теплообменниками, преобразующими пар из газообразного состояния в жидкое при давлении ниже атмосферного. В случаях, когда охлаждающая вода ограничена, часто используется воздушный конденсатор. Однако воздушный конденсатор значительно дороже и не позволяет достичь такого низкого давления (и температуры) отработанного пара паровой турбины, как водяной поверхностный конденсатор. Поверхностные конденсаторы также применяются в других областях и отраслях промышленности, помимо конденсации отработанного пара паровых турбин на электростанциях.
Цель
В тепловых электростанциях поверхностный конденсатор предназначен для конденсации отработанного пара из паровой турбины с целью достижения максимальной эффективности, а также для преобразования отработанного пара турбины в чистую воду (именуемую конденсатом), чтобы её можно было повторно использовать в парогенераторе или котле в качестве питательной воды. Сама паровая турбина является устройством для преобразования тепловой энергии пара в механическую работу. Разница между теплосодержанием пара на единицу массы на входе в турбину и теплосодержанием пара на единицу массы на выходе из турбины представляет собой количество тепла, которое преобразуется в механическую мощность. Следовательно, чем больше тепла, преобразуемого в механическую мощность на фунт или килограмм пара в турбине, тем выше её эффективность. Конденсируя отработанный пар турбины при давлении ниже атмосферного, увеличивается перепад давления пара между входом и выходом турбины, что повышает количество тепла, доступного для преобразования в механическую мощность. Большая часть тепла, выделяющегося при конденсации отработанного пара, отводится охлаждающей средой (водой или воздухом), используемой в поверхностном конденсаторе.
Диаграмма поверхностного конденсатора с водяным охлаждением
На прилегающей диаграмме изображен типичный поверхностный конденсатор с водяным охлаждением, используемый на электростанциях для конденсации отработанного пара от паровой турбины, приводящей в действие электрический генератор, а также в других областях применения. Существует множество вариантов конструкции, зависящих от производителя, мощности паровой турбины и других условий, обусловленных конкретным местоположением.
Раковина
Оболочка является внешним корпусом конденсатора и содержит теплообменные трубки. Оболочка изготавливается из листов углеродистой стали и при необходимости усиливается для обеспечения её жёсткости. При необходимости, в соответствии с выбранной конструкцией, устанавливаются промежуточные пластины, выполняющие функцию бафл-плит, обеспечивающих заданную траекторию движения конденсирующегося пара. Эти пластины также служат опорой, предотвращающей провисание длинных труб. В нижней части оболочки, где собирается конденсат, предусмотрен выход. В некоторых конструкциях имеется отстойник (часто называемый горячим колодцем). Конденсат откачивается из выхода или горячего колодца для повторного использования в качестве питательной воды котла. Для большинства поверхностных конденсаторов с водяным охлаждением оболочка находится под [частичным] вакуумом в нормальных условиях работы.
Вакуумная система
Для поверхностных конденсаторов с водяным охлаждением внутренний вакуум корпуса чаще всего создается и поддерживается внешней системой пароструйных эжекторов. Такая система использует пар в качестве рабочего тела для удаления любых неконденсируемых газов, присутствующих в поверхностном конденсаторе. В работе пароструйных эжекторов применяется эффект Вентури, являющийся частным случаем принципа Бернулли. Механические вакуумные насосы с приводом, такие как жидкокольцевые, также широко используются для этой цели.
Трубчатые листы
На каждом конце корпуса предусмотрен лист металла достаточной толщины, обычно из нержавеющей стали, с отверстиями для установки и раскладки труб. Входные концы каждой трубы также имеют расширение в форме колокола для обтекаемого входа воды. Это необходимо для предотвращения образования вихрей на входе в каждую трубу, вызывающих эрозию, и снижения гидравлического сопротивления. Некоторые производители также рекомендуют использовать пластиковые втулки на входе в трубы для защиты от эрозии, вызванной вихрями. В небольших устройствах некоторые производители используют обжимные муфты для герметизации концов труб вместо раскладки. Для компенсации продольного расширения труб в некоторых конструкциях предусмотрен компенсационный зазор между корпусом и трубной решеткой, позволяющий последней перемещаться в продольном направлении. В небольших устройствах трубам придается небольшой прогиб для компенсации теплового расширения, при этом обе водосборные камеры жестко закреплены на корпусе.
Трубы
Как правило, трубы изготавливаются из нержавеющей стали, медных сплавов, таких как латунь или бронза, медно-никелевого сплава или титана, в зависимости от ряда критериев выбора. Использование медных сплавов, таких как латунь или медно-никелевый сплав, встречается редко на новых электростанциях из-за экологических проблем, связанных с токсичностью этих материалов. Кроме того, в зависимости от системы водоподготовки для парового цикла котла, может быть целесообразно избегать использования трубных материалов, содержащих медь. Титановые конденсаторные трубы обычно являются оптимальным техническим решением, однако их применение практически прекратилось из-за резкого роста стоимости этого материала. Длина труб в современных электростанциях может достигать 26 м, в зависимости от размера конденсатора. Выбор размера обусловлен удобством транспортировки от производителя и простотой монтажа на месте установки. Внешний диаметр конденсаторных труб обычно составляет от 3/4 до 1 1/4 дюйма, исходя из гидравлического сопротивления охлаждающей воды и общих размеров конденсатора.
Водяные ящики
Трубная пластина с каждым концом, в котором концы труб раскатаны, для каждого конца конденсатора закрывается изготовленной коробчатой крышкой, известной как водяная камера, с фланцевым соединением с трубной пластиной или корпусом конденсатора. Водяная камера обычно оснащается смотровыми люками на крышках на петлях для обеспечения осмотра и очистки. Эти водяные камеры на входной стороне также имеют фланцевые соединения для входных бабочковых клапанов охлаждающей воды, небольшую вентиляционную трубу с ручным клапаном для удаления воздуха на верхнем уровне и ручной сливной клапан внизу для слива водяной камеры при техническом обслуживании. Аналогично, на выходной водяной камере соединение охлаждающей воды имеет большие фланцы, бабочковые клапаны, вентиляционное соединение также на верхнем уровне и сливные соединения на нижнем уровне. Аналогично, термокарманы расположены на входных и выходных трубопроводах для локального измерения температуры охлаждающей воды. В небольших установках некоторые производители изготавливают как корпус конденсатора, так и водяные камеры из чугуна.
Последствия коррозии
По мере коррозии концов труб возникает вероятность утечки охлаждающей воды на паропроводную сторону, что может привести к загрязнению конденсата или сконденсированного пара, что вредно для парогенераторов. Со временем коррозия может затронуть и другие части водонапорных ящиков, что потребует ремонта или замены и, как следствие, длительных остановок оборудования.
Защита от коррозии
Катодная защита обычно используется для решения этой проблемы. Жертвенные аноды из цинка (как наиболее дешевый вариант) устанавливаются в подходящих местах внутри водозаборных ящиков. Эти цинковые пластины будут корродировать первыми, поскольку они находятся в ряду наиболее активных анодов. Следовательно, цинковые аноды требуют периодического осмотра и замены. Это обеспечивает сравнительно небольшое время простоя. Водозаборные ящики из стальных листов также защищены изнутри эпоксидной краской.
Влияние накисления на стороне трубки
Как и следовало ожидать, поскольку через конденсаторные трубы из морской или пресной воды циркулируют миллионы литров воды, любые вещества, содержащиеся в воде, протекающей по трубам, в конечном итоге могут оказаться либо на трубной решетке конденсатора (обсуждалось ранее), либо внутри самих труб. Загрязнение со стороны труб для поверхностных конденсаторов подразделяется на пять основных категорий: загрязнение частицами, такое как ил и осадок, биозагрязнение, например слизь и биопленки, образование накипи и кристаллизация, например карбоната кальция, макрозагрязнение, которое может включать в себя все, начиная от мидий-зебр, растущих на трубной решетке, до древесины или другого мусора, блокирующего трубы, и, наконец, продукты коррозии (обсуждалось ранее). В зависимости от степени загрязнения, это может серьезно снизить способность конденсатора конденсировать отработанный пар из турбины. По мере накопления загрязнения внутри труб создается теплоизолирующий эффект, и характеристики теплопередачи труб ухудшаются, что часто требует снижения скорости турбины до уровня, при котором конденсатор сможет справиться с объемом отработанного пара. Как правило, это обходится электростанциям довольно дорого из-за снижения выработки электроэнергии, увеличения расхода топлива и увеличения выбросов CO2. Это "дерейтинг" турбины, вызванный загрязненными или заблокированными трубами конденсатора, является признаком того, что установке необходимо очистить трубы для восстановления проектной мощности турбины. Существует множество методов очистки, включая онлайн и офлайн варианты, в зависимости от специфических условий на конкретном объекте.
Испытания
Национальные и международные стандарты испытаний используются для унификации процедур и определений, применяемых при испытаниях крупных конденсаторов. В США ASME издает ряд стандартов по проведению испытаний на производительность конденсаторов и теплообменников, включая ASME PTC 12.2 2010, "Паровые поверхностные конденсаторы", и PTC 30.1 2007, "Воздушно-охлаждаемые паровые конденсаторы".