CC BY
29
УДК 621.311.22
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНДЕНСИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОСУШИТЕЛЯ ВЛАЖНОГО ВОДОРОДА
В.Б. ГРУЗДЕВ, Н.Д. ЧИЧИРОВА
Казанский государственный энергетический университет
В настоящей статье представлены экспериментальные данные по конденсирующей способности нового осушителя газов - термоэлектрического осушителя влажного водорода, применяемого в качестве хладагента в турбогенераторах электростанций.
В настоящее время на российских электростанциях участились аварийные случаи на турбогенераторах, охлаждаемых электролизным водородом. Только за последние 10 лет произошло 25 аварийных остановов и разрушений турбогенераторов, которые в основном связаны с повышенной влажностью водорода и частым выходом из строя применяемых осушительных устройств [1].
Одним из авторов статьи, Груздевым В.Б., в 2004г. была запатентована новая установка для осушки влажного водорода - термоэлектрический осушитель газов - работающая как холодильник по принципу эффекта Пельтье и не имеющая вращающихся узлов и хладагентов [2].
Для исследования конденсирующей способности термоэлектрического осушителя водорода (ТЭОВ) была выполнена экспериментальная установка, схема которой показана на рис. 1.
Рис. 1 Схема экспериментальной установки по исследованию конденсирующей
способности ТЭОВ
Работа установки заключается в следующем: из общепромышленного газового баллона редуцированный 1 до давления Р=0,3 МПа изначально сухой водород через предохранительный газовый клапан 2 поступает в герметичный алюминиевый резервуар объемом К=2,0м3.
© В.Б. Груздев, Н.Д. Чичирова
Проблемы энергетики, 2007, № 11-12
Для увлажнения сухого водорода в его поток врезан трубопровод химически очищенной воды (ХОВ) и трубопровод турбинного масла.
Вода, подогретая до температуры 50*60оС, через дозирующее устройство (на схеме не показано) в виде аэрозоля впрыскивается в трубопровод водорода, тем самым создавая температуру общего потока 40*45оС с максимальной абсолютной влажностью 50,0 г/м3, что в 1,5-2,0 раза превышает абсолютную влажность водорода в действующих турбогенераторах. Это же количество воды в виде конденсата предполагалось получить при дренаже осушительной камеры ТЭОВ.
Турбинное масло также впрыскивается через дозирующее устройство в трубопровод уже влажного водорода. Концентрация масла в объеме влажного водорода изменялась до 50,0 г/м3 (при норме - только следы). Затем весь водомасляный поток водорода поступает в ТЭОВ, где, контактируя с его холодной стенкой, температура которой в процессе эксперимента варьировалась от - 10,0оС до + 10,0оС, охлаждается до температуры - 5,0оС + + 5,0оС, а конденсат выводится из ТЭОВ через бронзовый вентиль, который открывается вручную.
Конденсат сливается по резиновому шлангу, прикрепленному к вентилю, в пластиковую прозрачную и тарированную в миллилитрах емкость объемом 1,0 дм3. Из ТЭОВ осушенный водород опять поступает в газовый резервуар, получая новую порцию ХОВ и турбинного масла. Каждые 15-ть минут через дренажный вентиль полученный конденсат сливался и отстаивался (время деэмульсации масла, согласно [3], должно быть не более 8-ми минут). В эксперименте делалась выдержка отстоя водомасляной эмульсии в два раза дольше, чем требовалось по нормам, чтобы проба была более представительной.
В контрольных точках 3, 4, З, б определялись физические параметры исследуемого водорода: расход, влажность и температура. Расход измерялся преобразователем расхода типа «ЭМИС» - г. Санкт-Петербург (серии ЭВ-200-ЕхС взрывозащищенным, с блоком питания «ЭМИСБРИЗ» на 24 В постоянного тока; точность измерения составляет 1,35% от 0,1Q max до Q max, межповерочный интервал - 36 месяцев). Температура и влажность водорода измерялись с помощью анализатора влажности и температуры точки росы типа ИПТВ (серии ИПТВ-056 взрывозащищенным, с блоком питания на 24 В постоянного тока, с основной абсолютной погрешностью ± 1,0 %).
На электростанциях все действующие турбогенераторы, охлаждаемые водородом, оборудованы специальной системой уплотнения вала ротора генератора для предотвращения выброса в атмосферу водорода, давление которого избыточное. В качестве уплотняющей среды применяется турбинное масло, которое насосами уплотнения вала генератора забирается из главного маслобака турбины. Перепад давления масло-водород должен составлять не более
0,01*0,015 МПа [4]. При эксплуатации турбогенератора часть масла все-таки попадает в газовый объем генератора, что ведет к загрязнению водорода и ухудшению его качества. При температурах свыше 50оС турбинное масло интенсивно шлакуется. Поэтому, согласно [3], запрещено эксплуатировать турбину при температуре турбинного масла более 50оС. Для предотвращения шлакования, окисления, корродирования и деэмульгирования в турбинное масло вводятся химически-активные присадки.
Следующим этапом исследований было изучение влияния турбинного масла на конденсирующую способность ТЭОВ, для чего была проведена серия замеров температуры и влажности водорода при добавке турбинных масел с присадками марки Ткп-22 и Т-22п, широко применяемых на электростанциях.
© Проблемы энергетики, 2007, № ll-l2
В результате анализа полученных экспериментальных данных было установлено, что снижение температуры и влажности водорода наблюдалось до некоторой критической величины концентрации масла в газовом объеме турбогенератора, которая составила 23,0*25,0 г/м3.
При дальнейшем увеличении концентрации масла свыше 25,0 г/м3 конденсирующая способность ТЭОВ снижалась. Видимо, это связано с тем, что теплопроводность турбинного масла почти в два раза ниже, чем у водорода, и в четыре раза ниже, чем у воды. Образующаяся в корпусе генератора водомасляная эмульсия, покрывая холодную стенку осушительной камеры ТЭОВ, ухудшает теплообмен между горячим и влажным водородом и холодной стенкой камеры. На рис. 2, 3 приведены экспериментальные графики изменения температуры и влажности водорода с добавлением и без добавления турбинного масла, при этом дозировка масла варьировалась от 5,0 до 50,0 г/м3.
Рис. 2. Изменение температуры водорода в зависимости от времени измерения в камере ТЭОВ (с турбинным маслом и без турбинного масла)
Рис. 3. Изменение влажности водорода в зависимости от времени измерения в камере ТЭОВ (с турбинным маслом и без турбинного масла)
Также было установлено, что процесс конденсации в ТЭОВ при добавлении турбинного масла марки Т-22п ухудшается на 5-10 % по сравнению с маслом марки Ткп-22. Видимо, это связано с химическим составом ингредиентов присадок.
Был также проведен ряд опытов по определению расхода влажного водорода через ТЭОВ без ущерба его конденсирующей способности (рис.4).
В результате было установлено, что при увеличении расхода влажного водорода до 15,0 м3/час (с маслом и без него) изменения конденсирующей © Проблемы энергетики, 2007, № 11-12
способности ТЭОВ не наблюдалось. Но при увеличении расхода водорода свыше 15,0 м3/час конденсация влаги ухудшается.
По итогам этих опытов можно сделать вывод, что оптимальным значением расхода водорода через ТЭОВ является расход не более 15м3/час, что подтверждается работой ныне действующих фреоновых осушителей водорода на электростанциях.
Рис. 4. Зависимость влажности водорода на выходе из ТЭОВ от его расхода и концентрации масла: 1 - без добавления масла; 2 - 25,0 г/м3; 3 - 35,0 г/м3; 4 - 45,0 г/м3; 5 - 55,0 г/м3
Выводы
В результате проведения экспериментов по исследованию конденсирующей способности осушительной камеры ТЭОВ было установлено:
1. Процесс конденсации влажного водорода с примесями турбинного масла, как с химически-активными присадками, так и без них, определяется критическими значениями концентрации масла в единице объема влажного водорода, равными 23,0 и 25,0 г/м3 для турбинных масел марки Ткп-22 и Т-22п соответственно. Дальнейшее увеличение концентрации масел во влажном водороде приводит к ухудшению конденсирующей способности ТЭОВ.
2. Концентрация масла при значениях менее критических величин практически не сказывается на конденсирующей способности ТЭОВ, что важно при эксплуатации осушительной установки на действующих турбогенераторах.
3. Максимальная конденсирующая способность ТЭОВ достигается при температуре холодной стенки осушительной камеры равной минус 5,0оС, при этом абсолютная влажность водорода достигает своего минимального значения 0,5 г/м3, что в четыре раза меньше разрешенного заводами-изготовителями турбогенераторов. Дальнейшее снижение температуры холодной стенки ТЭОВ ведет к повышению энергозатрат на получение более низких температур.
4. Расход влажного водорода через ТЭОВ при значении не более 15,0 м3/час является оптимальным расходом для рециркуляции водорода через объем холодильной камеры ТЭОВ. Увеличение расхода влажного водорода свыше 15,0м3/час ведет к ухудшению конденсирующей способности ТЭОВ.
© Проблемы энергетики, 2007, № 11-12
Summary
In persisting article are presented experimental given on condensering abilities new of condenser gas - an of thermoelectrical condenser humid hydrogen, applicable as refrigerant in turbo-alternator power station.
Литература
1. Циркуляры МинТопЭнерго РФ Ц-3-98(э) и РАО «ЕЭС» ЭЦ-3-02(э). - М.: Изд. МТиЭ. - С. 55.
2. Патент №39282 Термоэлектрический осушитель газов. - Зарегистр. 27.07.04, бюл. № 21. - 2004.
3. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. -М.: МЭИ, 2000. - С.138.
4. Иванов В.С., Серебрянский Ф.З. Газо-масляное хозяйство генераторов с водородным охлаждением. - М.: Энергия, 1994. - С. 226-227.
Поступила 24.09.2007
© Проблемы энергетики, 2007, № 11-12
