Водоводяные, пароводяные подогреватели и подогреватели сетевой воды
Подогреватели высокого давления
Подогреватели высокого давления (ПВД) служат для подогрева питательной воды высокого давления после деаэратора перед подачей ее в котел. Подогрев питательной воды осуществляется паром, отбираемым из отборов турбины.
По конструктивному исполнению подогреватели высокого давления разделяются на три типа:
- спирально-коллекторного типа;
- камерного типа;
- ширмового типа.
В России и странах СНГ на АЭС и ТЭС эксплуатируются в основном подогреватели спирально-коллекторного типа, разработанные в 1952 году. В других странах камерного и ширмового типа. Камерные ПВД выполняются горизонтального и вертикального типа, другие только вертикального типа.
ПВД спирально-коллекторного типа состоят из опорного днища, опирающегося на юбочную опору и служащего опорой всего подогревателя. На опорном днище установлены вертикальные подводящие и отводящие коллектора, соединенные между собой большим количеством спиральных змеевиков и образующих трубную систему подогревателя. Трубная система сверху закрывается прочным корпусом, присоединяемым на фланце к опорному днищу. Фланцевое соединение опорного днища имеет беспрокладочное мембранное соединение. Питательная вода поступает в подводящие коллекторы и, пройдя по змеевикам в отводящие коллекторы, покидает подогреватель. Пар поступает в подогреватель сверху и, проходя между змеевиками в нижнюю часть подогревателя, охлаждается и конденсируется на трубах змеевиков. Конденсат пара собирается в нижней части подогревателя и отводится из нее через регулирующий уровень клапан.
Камерные ПВД по конструкции подобны ПНД (подогреватель низкого давления) и состоят из водяной камеры с трубной доской, в которой развальцованы U-образные трубы поверхности теплопередачи, образующие вместе с закрепляющими перегородками трубную систему. Трубная система закрывается корпусом, привариваемым к трубной доске. На корпусе имеются патрубки для подвода пара и отвода конденсата. Водяная камера имеет патрубки для подвода и отвода питательной воды.
ПВД ширмового типа состоят из центрального коллектора большого диаметра, к которому крепятся вертикальные W-образные змеевики в виде радиальных или эвольвентных ширм. Основным отличием данных подогревателей является применение коллектора большого диаметра 800 мм и более для возможного доступа внутрь человека. Это значительно улучшает ремонтопригодность, т.к. для глушения труб не требуется демонтировать корпус.
Питательная вода подводится в один конец коллектора и пройдя по змеевикам снизу вверх отводится из другого конца. Пар поступает в подогреватель сверху и, проходя вниз, охлаждается на змеевиках. Конденсат стекает в нижнюю часть, откуда отводится из подогревателя через регулирующий клапан.
Подогреватели низкого давления
Подогреватели низкого давления применяются, в паротурбинной установке, для подогрева основного конденсата, поступающего из главного конденсатора, перед подачей его в деаэратор турбоустановки. Подогрев основного конденсата осуществляется паром, поступающим из отборов турбины. Отбираемый из турбины пар конденсируется на трубах подогревателей, отдавая теплоту перегрева и теплоту парообразования протекающему в трубах основному конденсату. Выигрыш в экономичности теплового цикла повышается с увеличением числа ступеней подогрева.
По конструкции подогреватели низкого давления выполняются горизонтального и вертикального типа. Первые, по ходу конденсата один или два подогревателя, как правило, встраиваются в верхнюю часть конденсатора и выполняются горизонтальными. Последующие подогреватели для экономии места в машинном зале выполняются, обычно, вертикальными.
Подогреватели низкого давления состоят из следующих составных частей: стального сварного корпуса с патрубками подвода греющего пара и патрубком отвода конденсата, водяной камеры с патрубками подвода и отвода конденсата, стальной трубной доски и пакета U-образных труб, развальцованных в трубной доске. Пакет трубок закрепляется в каркасе с перегородками, которые, направляют поток пара и предотвращают вибрацию труб.
Подогреватели сетевой воды
Подогреватели сетевой воды предназначены для подогрева сетевой воды горячего водоснабжения паром из отборов турбины. Подогреватели сетевой воды выполняются горизонтальными (ПСГ) и вертикальными (ПСВ). По параметрам среды подогреватели горячей воды делятся на основные и пиковые. Основные подогреватели сетевой воды — горизонтальные. Подогреватель сетевой горизонтальный – это высокоэкономичный аппарат, работает с малым недогревом и предназначен для нормального подогрева сетевой воды. Основные подогреватели горячей воды работают при низком давлении пара и расположены непосредственно вблизи турбины.
Пиковые подогреватели сетевой воды предназначены для дополнительного подогрева горячей сетевой воды во время сильных морозов или в тех случаях, когда температура сетевой воды после основных бойлеров недостаточна. Пиковые сетевые подогреватели выполняются вертикальными. Они питаются паром более высокого давления из нерегулируемых отборов турбины или через РОУ непосредственно от котла.
Горизонтальные подогреватели сетевой воды ПСГ состоят из корпуса, пучка груб, закрепленных в основных трубных досках и опирающихся на промежуточные перегородки. К корпусу подогревателя воды сетевой ПСГ приварены водяные камеры, одна из которых имеет съемную крышку. Корпус имеет патрубки подвода пара и слива конденсата.
К корпусу крепится конденсатосборник достаточного для работы насосов объема. Водяные камеры имеют патрубки подвода и отвода сетевой воды.
В целях экономии места, снижения потерь в трубопроводах и арматуре и повышения экономичности, возможно изготовление ПСГ, совмещенными с соответствующими подогревателями низкого давления.
Вертикальные сетевые подогреватели по конструкции близки к подогревателям низкого давления, но для обеспечения чистки трубок всегда выполняются с прямыми трубами.
Все сетевые подогреватели подведомственны Госгортехнадзору России, проходят 100% контроль сварных швов рентгеном, для чего ЗАО «Опытное машиностроительное производство» располагает аттестованной лабораторией неразрушающего контроля, укомплектованной квалифицированным и аттестованным персоналом.
Поверхность теплопередачи горизонтального аппаратов может достигать 5000 м2, содержать до 9000 трубок и иметь массу до 98 тонн.
Поверхность вертикальных подогревателей может достигать 2400 м, а масса — 90 тонн.
Подогреватель сетевой воды ПСГ-4000-0,35-1,6-4
Заказчик и правообладатель: ОАО «Силовые машины»
Сетевой подогреватель поставлен на ТЭЦ-5 и ТЭЦ-22
Сетевой подогреватель ТЭЦ предназначен для подогрева сетевой воды паром, поступающим из отбора турбины. Подогретая сетевая вода используется для отопительных, технологических и бытовых нужд.
ПСГ — подогреватель сетевой горизонтального типа, поверхность теплообмена 4000м 2 , избыточное (максимально рабочее) давление пара 0,35МПа, избыточное (максимально рабочее) давление сетевой воды 1,6МПа.
Изделие состоит из двух основных частей: сетевого подогревателя ПСГ-4000-0,35-1,6-4, конденсатосборника типа СКГ-10-0,35-4.
Изделие комплектуется узлами регулирования: клапаном регулирующим КР-300-560-4, сосудами уравнительными, водоуказательным прибором.
На изделие оформлен паспорт сосуда.
Бойлер для отопления жилых помещений
Заказчик: ЗАО «Серебро Территории»
Рабочее давление 6 атм. (испытан давлением 10 атм)
Пароводяной подогреватель ПН-350
Подогреватель ПН-350 предназначен для подогрева воды паром из контура охлаждения газотурбинной установки. Подогретая вода может использоваться например для отпления или других технических и бытовых нужд.
Источник
Паровые турбины: как горячий пар превращается в электричество
Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока — прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. В наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной.
Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.
Как устроена паровая турбина
Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.
Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.
Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. Источник: Мосэнерго
Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).
Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.
На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15—22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 МПа.
Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.
Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.
Но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).
Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.
Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.
Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.
Как появились паровые турбины
Примерно в XVIII веке до нашей эры человечество уже укротило энергию стихии, превратив её в механическую энергию для совершения полезной работы — то были вавилонские ветряные мельницы. К II веку до н. э. в Римской империи появились водяные мельницы, чьи колёса приводились в движение нескончаемым потоком воды рек и ручьёв. И уже в I веке н. э. человек укротил потенциальную энергию водяного пара, с его помощью приведя в движение рукотворную систему.
Эолипил Герона Александрийского — первая и единственная на следующие 15 веков реактивная паровая турбина. Источник: American Mechanical Dictionary / Wikimedia
Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.
В XVI веке забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.
Активная паровая турбина Бранка совершала хоть какую-то полезную работу — «автоматизировала» две ступки.
Несмотря на описание несколькими изобретателями машин, преобразующих энергию пара в работу, до полезной реализации было еще далеко — технологии того времени не позволяли создать паровую турбину с практически применимой мощностью.
Турбинная революция
Шведский изобретатель Густаф Лаваль много лет вынашивал идею создания некоего двигателя, который смог бы вращать ось с огромной скоростью — это требовалось для функционирования сепаратора молока Лаваля. Пока сепаратор работал от «ручного привода»: система с зубчатой передачей превращала 40 оборотов в минуту на рукоятке в 7000 оборотов в сепараторе. В 1883 году Лавалю удалось адаптировать эолипил Герона, снабдив-таки молочный сепаратор двигателем. Идея была хорошая, но вибрации, жуткая дороговизна и неэкономичность паровой турбины заставили изобретателя вернуться к расчетам. 
Турбинное колесо Лаваля появилось в 1889 году, но его конструкция дошла до наших дней почти в неизменном виде.
Спустя годы мучительных испытаний Лаваль смог создать активную паровую турбину с одним диском. На диск с лопатками из четырех труб с соплами под давлением подавался пар. Расширяясь и ускоряясь в соплах, пар ударял в лопатки диска и тем самым приводил диск в движение. Впоследствии изобретатель выпустил первые коммерчески доступные турбины с мощностью 3,6 кВт, соединял турбины с динамо-машинами для выработки электричества, а также запатентовал множество новшеств в конструкции турбин, включая такую их неотъемлемую в наше время часть, как конденсатор пара. Несмотря на тяжёлый старт, позже дела у Густафа Лаваля пошли хорошо: оставив свою прошлую компанию по производству сепараторов, он основал акционерное общество и приступил к наращиванию мощности агрегатов.
Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока.
Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.
В 1889 году Парсонс продал несколько сотен своих турбин для электрификации городов, а еще пять лет спустя было построено опытное судно «Турбиния», развивавшее недостижимую для паровых машин прежде скорость 63 км/ч. К началу XX века паровые турбины стали одним из главных двигателей стремительной электрификации планеты.
Сейчас «Турбиния» выставляется в музее в Ньюкасле. Обратите внимание на количество винтов. Источник: TWAMWIR / Wikimedia
Турбины Toshiba — путь длиной в век
Стремительное развитие электрифицированных железных дорог и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).
Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.
Такой спрос обусловлен точностью изготовления. Ротор с массой до 150 тонн вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту, любой дисбаланс приведёт к вибрациям и аварии. Ротор балансируется с точностью до 1 грамма, а геометрические отклонения не должны превышать 0,01 мм от целевых значений. Оборудование с ЧПУ помогает снизить отклонения при производстве турбины до 0,005 мм — именно такая разница с целевыми параметрами среди сотрудников Toshiba считается хорошим тоном, хотя допустимая безопасная погрешность на порядок больше. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах — для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов.
Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations. Источник: Toshiba
Эффективность паровых турбин
Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое.
Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%.
Если сравнить эти показатели с результатами из таблицы, окажется, что паровая турбина — это один из лучших способов для покрытия больших потребностей в электричестве. Дизели — это «домашняя» история, ветряки — затратная и маломощная, ГЭС — очень затратная и привязанная к местности, а водородные топливные элементы, про которые мы уже писали — новый и, скорее, мобильный способ выработки электроэнергии.
Интересные факты
Самая мощная паровая турбина: такой титул могут по праву носить сразу два изделия — немецкая Siemens SST5-9000 и турбина производства ARABELLE, принадлежащей американской General Electric. Обе конденсационных турбины выдают до 1900 МВт мощности. Реализовать такой потенциал можно только на АЭС.
Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью. Источник: Siemens
Самая маленькая паровая турбина была создана в России всего пару лет назад инженерами Уральского федерального университета — ПТМ-30 всего полметра в диаметре, она имеет мощность 30 кВт. Малютку можно использовать для локальной выработки электроэнергии при помощи утилизации избыточного пара, остающегося от других процессов, чтобы извлекать из него экономическую выгоду, а не спускать в атмосферу.
Российская ПТМ-30 — самая маленькая в мире паровая турбина для выработки электричества. Источник: УрФУ
Самым неудачным применением паровой турбины стоит считать паротурбовозы — паровозы, в которых пар из котла поступает в турбину, а затем локомотив движется на электродвигателях или за счет механической передачи. Теоретически паровая турбина обеспечивала в разы больший КПД, чем обычный паровоз. На деле оказалось, что свои преимущества, как то высокая скорость и надежность, паротурбовоз проявляет только на скоростях выше 60 км/ч. При меньшей скорости движения турбина потребляет чересчур много пара и топлива. США и европейские страны экспериментировали с паровыми турбинами на локомотивах, но ужасная надежность и сомнительная эффективность сократили жизнь паротурбовозов как класса до 10-20 лет.
Угольный паротурбовоз C&O 500 ломался почти каждую поездку, из-за чего уже спустя год после выпуска был отправлен на металлолом. Источник: Wikimedia
Источник
