Поверхностный конденсатор

— Поверхностный конденсатор с водяным охлаждением, кожухотрубный теплообменник устанавливаемый для конденсации отработанного пара паровой турбины на тепловых электростанциях . ^[1]^[2]^[3] Эти конденсаторы представляют собой теплообменники , которые переводят пар из газообразного состояния в жидкое при давлении ниже атмосферного давления . При недостатке охлаждающей воды часто используется конденсатор с воздушным охлаждением. Однако конденсатор с воздушным охлаждением значительно дороже и не может обеспечить столь же низкое давление (и температуру) выхлопных газов паровой турбины, как поверхностный конденсатор с водяным охлаждением.

Поверхностные конденсаторы также используются в других приложениях и отраслях, помимо конденсации выхлопов паровых турбин на электростанциях.

Цель

На тепловых электростанциях целью поверхностного конденсатора является конденсация выхлопного пара паровой турбины для получения максимальной эффективности , а также преобразование выхлопного пара турбины в чистую воду (называемую паровым конденсатом), чтобы ее можно было повторно использовать. в парогенераторе или котле в качестве питательной воды котла.

Паровая турбина сама по себе представляет собой устройство для преобразования тепла пара в механическую энергию . Разница между теплотой пара на единицу массы на входе в турбину и теплотой пара на единицу массы на выходе из турбины представляет собой тепло, которое преобразуется в механическую энергию. Следовательно, чем больше преобразуется тепла на фунт или килограмм пара в механическую энергию в турбине, тем выше ее КПД. За счет конденсации выхлопного пара турбины при давлении ниже атмосферного давление пара между входом и выходом турбины увеличивается, что увеличивает количество тепла, доступного для преобразования в механическую энергию. Большая часть тепла, выделяющегося при конденсации отработанного пара, уносится охлаждающей средой (водой или воздухом), используемой поверхностным конденсатором.

Схема поверхностного конденсатора с водяным охлаждением

Схема типичного поверхностного конденсатора с водяным охлаждением

На соседней диаграмме изображен типичный поверхностный конденсатор с водяным охлаждением, который используется на электростанциях для конденсации выхлопного пара паровой турбины, приводящей в движение электрический генератор, а также в других приложениях. ^[2]^[3]^[4]^[5] Существует множество вариантов конструкции изготовления в зависимости от производителя, размера паровой турбины и других условий, специфичных для конкретной площадки.

Оболочка

Оболочка представляет собой внешний корпус конденсатора и содержит трубки теплообменника. Корпус изготовлен из пластин углеродистой стали и имеет необходимую жесткость для обеспечения жесткости корпуса. Если этого требует выбранная конструкция, устанавливаются промежуточные пластины, которые служат перегородками и обеспечивают желаемый путь потока конденсирующегося пара. Пластины также обеспечивают поддержку, помогающую предотвратить провисание труб большой длины.

В нижней части корпуса, где собирается конденсат, устанавливается выпускное отверстие. В некоторых конструкциях предусмотрен отстойник (часто называемый колодцем). Конденсат откачивается из выпускного патрубка или колодца для повторного использования в качестве питательной воды котла .

Для большинства поверхностных конденсаторов с водяным охлаждением корпус находится под [частичным] вакуумом при нормальных условиях эксплуатации .

Вакуумная система

В поверхностных конденсаторах с водяным охлаждением внутренний вакуум в корпусе чаще всего создается и поддерживается внешней пароструйной эжекторной системой. Такая эжекторная система использует пар в качестве рабочей жидкости для удаления любых неконденсирующихся газов, которые могут присутствовать в поверхностном конденсаторе. Эффект Вентури , являющийся частным случаем принципа Бернулли , применим к работе пароструйных эжекторов.

Механические вакуумные насосы с приводом от двигателя , например, жидкостно-кольцевые , также популярны для этой услуги.

Трубные решетки

На каждом конце корпуса предусмотрен лист достаточной толщины, обычно изготовленный из нержавеющей стали , с отверстиями для вставки и прокатки трубок. Входной конец каждой трубки также имеет раструб для облегчения поступления воды. Это делается для того, чтобы избежать завихрений на входе в каждую трубку, вызывающих эрозию, и для уменьшения трения потока. Некоторые производители также рекомендуют использовать пластиковые вставки на входе трубок, чтобы избежать вихрей, разрушающих входной конец. В небольших агрегатах некоторые производители используют втулки для герметизации концов трубок вместо прокатки. Чтобы обеспечить расширение труб по длине, некоторые конструкции имеют компенсатор между кожухом и трубной решеткой, позволяющий последней перемещаться в продольном направлении. В агрегатах меньшего размера трубам придается некоторый провисание, чтобы обеспечить расширение труб, при этом обе концевые водяные камеры жестко прикреплены к корпусу.

Трубы

Обычно трубы изготавливаются из нержавеющей стали , медных сплавов, таких как латунь или бронза, медно-никелевый сплав или титан , в зависимости от нескольких критериев выбора. Использование медьсодержащих сплавов, таких как латунь или медно-никелевый сплав, на новых предприятиях редко используется из-за экологических проблем, связанных с токсичными медными сплавами. Кроме того, в зависимости от очистки воды в паровом цикле котла может оказаться желательным избегать материалов труб, содержащих медь. Титановые конденсаторные трубки обычно являются лучшим техническим выбором, однако использование титановых конденсаторных трубок практически исключено из-за резкого увеличения стоимости этого материала. Длина трубок для современных электростанций составляет около 85 футов (26 м), в зависимости от размера конденсатора. Выбор размера обусловлен транспортабельностью с площадки производителя и простотой монтажа на месте установки. Внешний диаметр трубок конденсатора обычно составляет от 3/4 дюйма до 1-1/4 дюйма, в зависимости от трения охлаждающей воды конденсатора и общего размера конденсатора.

Водяные боксы

Трубная решетка на каждом конце со свернутыми концами трубок, каждый конец конденсатора закрыт изготовленной крышкой коробки, известной как водяная камера, с фланцевым соединением с трубной решеткой или кожухом конденсатора. Водяная камера обычно снабжена люками на откидных крышках для возможности осмотра и очистки.

Эти водяные камеры на стороне впуска также будут иметь фланцевые соединения для впускных дроссельных клапанов охлаждающей воды , небольшую вентиляционную трубу с ручным клапаном для выпуска воздуха на более высоком уровне и ручной сливной клапан внизу для слива воды из водяной камеры для технического обслуживания. Аналогично, на выпускной водяной камере соединение охлаждающей воды будет иметь большие фланцы, дроссельные заслонки , вентиляционное соединение также на верхнем уровне и сливные соединения на нижнем уровне. Аналогичным образом для термометров на впускных и выпускных трубах расположены карманы для локального измерения температуры охлаждающей воды.

В небольших установках некоторые производители изготавливают корпус конденсатора, а также водяные камеры из чугуна .

Коррозия

На стороне охлаждающей воды конденсатора:

Трубы, трубные решетки и водяные камеры могут быть изготовлены из материалов различного состава и всегда находятся в контакте с циркулирующей водой. Эта вода, в зависимости от своего химического состава, будет выступать в качестве электролита между металлическим составом трубок и водяных камер. Это приведет к электролитической коррозии , которая сначала начнется с более анодных материалов.

Конденсаторы на основе морской воды , особенно когда в морскую воду добавлены химические загрязнители , имеют наихудшие коррозионные характеристики. Речная вода с загрязняющими веществами также нежелательна для охлаждающей воды конденсатора.

Следует смириться с коррозионным воздействием морской или речной воды и принять меры по исправлению ситуации. Одним из методов является использование гипохлорита натрия или хлора , чтобы гарантировать отсутствие морской растительности на трубах или трубках. Эта практика должна строго регулироваться, чтобы гарантировать, что оборотная вода, возвращающаяся в море или речной источник, не будет затронута.

На паровой (корпусной) стороне конденсатора:

Концентрация нерастворенных газов высока над трубами воздушной зоны. Следовательно, эти трубы подвергаются более высокой скорости коррозии. Иногда эти трубы подвергаются коррозионному растрескиванию под напряжением, если первоначальное напряжение не было полностью снято во время производства. Чтобы преодолеть эти последствия коррозии, некоторые производители в этой области используют трубы с более высокой коррозионной стойкостью.

Эффекты коррозии

По мере коррозии концов трубок существует вероятность утечки охлаждающей воды на сторону пара, загрязняющей сконденсированный пар или конденсат, что вредно для парогенераторов . Другие части водяных камер также могут пострадать в долгосрочной перспективе и потребовать ремонта или замены, предполагающих длительные остановки.

Защита от коррозии

катодная защита Для решения этой проблемы обычно используется . Жертвенные аноды из цинковых (самых дешевых) пластин монтируются в подходящих местах внутри водяных камер. Эти цинковые пластины подвергаются коррозии в первую очередь, находясь в самом нижнем диапазоне анодов. Следовательно, эти цинковые аноды требуют периодической проверки и замены. Это требует сравнительно меньшего времени простоя. Водяные камеры из стальных пластин также защищены изнутри эпоксидной краской.

Последствия загрязнения трубок

Как и следовало ожидать, при наличии миллионов галлонов циркулирующей воды, протекающей по трубкам конденсатора из морской или пресной воды, все, что содержится в воде, протекающей по трубкам, может в конечном итоге оказаться либо на трубной решетке конденсатора (обсуждалось ранее), либо внутри сама трубка. Загрязнения со стороны труб поверхностных конденсаторов делятся на пять основных категорий; засорение твердыми частицами, такое как ил и осадок, биообрастание, такое как слизь и биопленки , накипь и кристаллизация, например, карбонат кальция, макрообрастание, которое может включать в себя что угодно, от дрейссены , которая может расти на трубной решетке, до древесины или другого мусора, который блокирует трубки, и, наконец, коррозия продукты (обсуждалось ранее).

В зависимости от степени загрязнения воздействие на способность конденсатора конденсировать выхлопной пар, поступающий из турбины, может быть весьма серьезным. По мере накопления загрязнений внутри трубок создается изолирующий эффект, и характеристики теплопередачи трубок ухудшаются, что часто требует замедления турбины до точки, когда конденсатор может справиться с образующимся выхлопным паром. Как правило, это может дорого стоить электростанциям в виде снижения мощности, увеличения расхода топлива и увеличения _{CO 2} выбросов . Такое «снижение номинальных характеристик» турбины для размещения загрязненных или заблокированных трубок конденсатора является признаком того, что электростанции необходимо очистить трубы, чтобы вернуться к паспортной мощности турбины . Доступны различные методы очистки, включая онлайн- и автономные варианты, в зависимости от конкретных условий на предприятии.

Другие применения поверхностных конденсаторов

Вакуумное испарение
Вакуумное охлаждение
Тепловая энергия океана (OTEC)
Замена барометрических конденсаторов в пароэжекторных системах
Восстановление геотермальной энергии
Системы опреснения

Тестирование

Национальные и международные правила испытаний используются для стандартизации процедур и определений, используемых при испытаниях больших конденсаторов. В США ASME публикует несколько правил испытаний производительности конденсаторов и теплообменников. К ним относятся ASME PTC 12.2-2010, Поверхностные конденсаторы пара, и PTC 30.1-2007, Конденсаторы пара с воздушным охлаждением.

См. также

Ссылки

^ Роберт Терстон Кент (главный редактор) (1936). Справочник инженеров-механиков Кента (Одиннадцатое издание (Два тома) изд.). John Wiley & Sons (Серия инженерных справочников Wiley). {{cite book}}: |author= имеет общее имя ( справка )
^ Jump up to: ^а ^б Бэбкок и Уилкокс Ко. (2005). Steam: его создание и использование (41-е изд.). ISBN 0-9634570-0-4 .
^ Jump up to: ^а ^б Томас К. Эллиотт, Као Чен, Роберт Сванекамп (соавторы) (1997). Стандартный справочник по силовой технике (2-е изд.). МакГроу-Хилл Профессионал. ISBN 0-07-019435-1 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Ориентационный курс по контролю за загрязнением воздуха с веб-сайта Учебного института по борьбе с загрязнением воздуха.
^ Экономия энергии в паровых системах. Архивировано 27 сентября 2007 г. в Wayback Machine. Рисунок 3a. Схема поверхностного конденсатора (прокрутите до страницы 11 из 34 страниц в формате PDF).

[1] Роберт Терстон Кент (главный редактор) (1936). Справочник инженеров-механиков Кента (Одиннадцатое издание (Два тома) изд.). John Wiley & Sons (Серия инженерных справочников Wiley). {{cite book}}: |author= имеет общее имя ( справка )

[Babcock-2] Jump up to: ^а ^б Бэбкок и Уилкокс Ко. (2005). Steam: его создание и использование (41-е изд.). ISBN 0-9634570-0-4 .

[Elliott-3] Jump up to: ^а ^б Томас К. Эллиотт, Као Чен, Роберт Сванекамп (соавторы) (1997). Стандартный справочник по силовой технике (2-е изд.). МакГроу-Хилл Профессионал. ISBN 0-07-019435-1 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[4] Ориентационный курс по контролю за загрязнением воздуха с веб-сайта Учебного института по борьбе с загрязнением воздуха.

[5] Экономия энергии в паровых системах. Архивировано 27 сентября 2007 г. в Wayback Machine. Рисунок 3a. Схема поверхностного конденсатора (прокрутите до страницы 11 из 34 страниц в формате PDF).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]