Научная статья на тему 'Определение оптимального расхода циркуляционной воды вконденсаторахтепловых и атомных электростанций'

Определение оптимального расхода циркуляционной воды вконденсаторахтепловых и атомных электростанций Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
306
26
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОНДЕНСАТОР / ТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ / ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / CAPACITOR / HEAT POWER STATION / ENERGYSAVE

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Канюк Геннадий Иванович, Мезеря Андрей Юрьевич, Фокина Анна Романовна, Бабенко Игорь Анатольевич

В статье рассмотрены подходы к решению важной технической задачи в тепловой и атомной энергетике относительно определения оптимального расхода циркуляционной воды в конденсаторах станций. Определены критерии оптимальности и приведены основные аналитические зависимости, которые определяют оптимальный расход.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Канюк Геннадий Иванович, Мезеря Андрей Юрьевич, Фокина Анна Романовна, Бабенко Игорь Анатольевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DETERMINATION of the OPTIMUM CONSUPTION circulation WATER In CAPACITOR HEAT And ATOMIC POWER STATION

Approaches are considered In article to decision of the important problem of engineering in heat and atomic energy for determinations of the optimum consuption circulation woter in capacitor station. The certain criteria of optimum and are brought main analytical dependencies, which define the optimum consuption.

Текст научной работы на тему «Определение оптимального расхода циркуляционной воды вконденсаторахтепловых и атомных электростанций»

УДК 621.311.25:519.816

Канюк Геннадий Иванович, д-р техн. наук, профессор кафедры теплоэнергетики и энергосбережения

Мезеря Андрей Юрьевич, канд. техн. наук, доцент кафедры электроэнергетики

Фокина Анна Романовна , аспирант кафедры теплоэнергетики и энергосбережения

Бабенко Игорь Анатольевич, аспирант кафедры теплоэнергетики и энергосбережения

Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков , Украина. Ул. Университетская 16, г. Харьков,

Украина, 61003

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО РАСХОДА ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ВОДЫ В КОНДЕНСАТОРАХ

ТЕПЛОВЫХ И АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

В статье рассмотрены подходы к решению важной технической задачи в тепловой и атомной энергетике относительно определения оптимального расхода циркуляционной воды в конденсаторах станций. Определены критерии оптимальности и приведены основные аналитические зависимости, которые определяют оптимальный расход.

Ключевые слова: конденсатор, тепловая электростанция, энергосбережение

Канюк Геннадш 1ванович, д-р техн. наук, професор кафедри теплоенергетики та енергозбереження Мезеря Андрш Юрийович, канд. техн. наук, доцент кафедри електроенергетики Фокша Ганна Ромашвна, астрант кафедри теплоенергетики та енергозбереження Бабенко 1гор Анатолшович, астрант кафедри теплоенергетики та енергозбереження

Украинська шженерно-педагогична академiя, м. Харшв , Украша. Вул. Ушверситетська 16, м. Харшв, Украша, 61003

ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИМАЛЬНО1 ВИТРАТИ ЦИРКУЛЯЦШНО1 ВОДИ В КОНДЕНСАТОРАХ ТЕПЛОВИХ I АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦ1Й

У статтi розглянуто тдходи до виршення важливог технiчноi задачi у тепловш та атомнт енергетицi щодо визначення оптимальног витрати циркуляцшно'г' води в конденсаторах станцт. Визначено критерп оптимальностi та показано основт аналiтичнi залежностi, як описують визначення оптимальног витрати.

Ключовi слова: конденсатор, теплова електростанцiя, енергозбереження

Kanyuk Gennadiy Ivanovich, D-r Sci. (Eng), professor of department of heat energy and energysave

Mezerya Аndhey Jurevich, Ph.D., associate professor of department of electroenergy

Fokina Аnna Romanovna, graduate student of department of heat energy and energysave

Babenko Igor Anatolevich, graduate student of department of heat energy and energysave

Ukrainian engineer-pedagogical academy, Kharkov, Ukraine. Universitetskaya str. 16, Kharkov, Ukraine, 61003

DETERMINATION OF THE OPTIMUM CONSUPTION CIRCULATION WATER IN CAPACITOR

HEAT AND ATOMIC POWER STATION

Approaches are considered In article to decision of the important problem of engineering in heat and atomic energy for determinations of the optimum consuption circulation woter in capacitor station. The certain criteria of optimum and are brought main analytical dependencies, which define the optimum consuption.

Keywords: capacitor, heat power station, energysave

Введение

В настоящее время практически исчерпаны резервы повышения экономичности паротурбинных электростанций за счет повышения начальных параметров, усовершенствования систем регенеративного подогрева питательной воды и промежуточного перегрева пара [1]. Вместе с тем, обострение проблем в топливно-энергетическом комплексе и ухудшение экологической ситуации диктует необходимость системного подхода к решению проблем повышения экономичности и экологических характеристик ТЭС и АЭС. В связи с этим, в энергетической отрасли большое внимание стало уделяться низкопотенциальным комплексам электростанций как структурных единиц энергоблоков, оказывающих непосредственное влияние на экономичность их эксплуатации за счет влияния на конечные параметры пара и на расход электроэнергии для собственных нужд. По данным Запорожской АЭС, недовыработка электроэнергии из-за плохих условий теплообмена в конденсаторах ежегодно составляет порядка 1,5 млрд кВтч [2].

Поэтому обеспечение оптимальных режимов работы конденсационных установок, минимизация всех видов энергетических потерь в них предоставляет собой важную и актуальную научно-техническую проблему. Эта проблема может быть решена путем создания энергосберегающих систем автоматического управления режимами работы систем низкопотенциального комплекса, в частности - конденсаторов паровых турбин.

Изложение основного материала

Для конденсации пара в конденсаторе при заданном значении давления Р^К. его нужно охладить до значения температуры конденсации:

С = / (РК). (1)

Для этого в конденсатор подается охлаждающая вода циркуляционным насосом, которая, проходя по внутренним поверхностям охлаждающих пучков, обеспечивает необходимый теплообмен.

При этом поверхностная плотность теплового потока, передаваемого от пара к наружным поверхностям трубных пучков, проходящего через стенки трубных пучков и отдаваемого внутренними стенками трубных пучков охлаждающей воде, определяется выражениями:

а = аср иср - (ср'), (2)

о п V пк ст / ' \ /

г гг

С +сР

г - г

а _ ст_ст \

о п , (3)

I (3/ л)

I _1

а _ асвр (С"- ), (4)

где линеаризованные функции средних коэффициентов теплоотдачи от пара к внешним стенкам трубных пучков и от внутренних стенок трубных пучков к охлаждающей воде:

г

аСР _ С'н /СР + С'н /СР (5)

^п ап пн ап ст , (5)

авР _ Сёаьвь, (6)

г п

ср ср

где 1ст и 1ст - средние значения температур внешних и внутренних поверхностей

трубных пучков; ^ - среднее значение температуры насыщенного пара (при котором происходит его конденсация);

3 и Л - толщины и теплопроводности слоев стенок трубных пучков (с учетом возможных покрытий и отложений);

С'аНп , са, С а - соответствующие коэффициенты линеаризации;

Оь - расход охлаждающей воды.

При этом массовый расход образующегося конденсата:

_ ЩкЧ , (7)

где

_ А1г, (8)

где Лк - площадь поверхности трубных пучков;

Г - удельная теплота парообразования (конденсации) при соответствующих значениях

давления и температуры насыщения Рср и П.

Циркуляционный насос, подавая в конденсатор охлаждающую воду, развивает полезную гидравлическую мощность:

— а, Рв/ Рв — б цв Рв, (9)

где бцв - объемный расход охлаждающей воды (подача циркуляционного насоса); рв - плотность воды; Рв - давление, развиваемое насосом.

Давление, развиваемое циркуляционным насосом, должно обеспечивать компенсацию гидравлического сопротивления конденсатора (ДРгк) и циркуляционного трубопровода

(ДРгут ) :

Р — Д Р + Д Р . (10)

в гк гут 4 у

Гидравлическое сопротивление конденсатора:

Д Рл — Г (Д Рг 1 + Д Рг 2) + (г + 1) Д Рг 3, (11)

где 2 - число ходов воды; Сопротивление конденсаторных трубок:

Д Р -X — рви в2 -X — рвб цВ . (12)

ДРг1 Хр а2 2 Хр а2 2 522

Сопротивление на входе и выходе охлаждающей воды из трубной системы:

Д Рг 2 -¿2 Р. (и в - и к )2. (13)

Сопротивление водяных камер:

и2

ДРг3 -¿зРв -у . (14)

где Хтр - коэффициент гидравлического трения, определяемый как функция числа Рейнольдса;

— и а2 - длина и диаметр конденсаторных трубок; ие — бе!- скорость воды;

- коэффициент, зависящий от способа крепления трубок (при сальниковом креплении —1,5; при двусторонней развальцовке — 1; при смешанном способе крепления трубок — 1,25 );

и - скорость воды в камерах, оцениваемая как (0,15 — 0,30)ив; ивх — ик -скорость воды на входе в каждую камеру;

с^3 - коэффициент гидравлического сопротивления входа воды в камеру (^3 ~ 1) . Функция гидравлического сопротивления конденсатора может быть представлена в

виде:

ДРг — СРббц2в, (15)

или, в линеаризованном варианте:

ДРг — С'РвбцВ , (16)

где СРд и С'рд - соответствующие коэффициенты.

Сопротивление циркуляционного трубопровода:

л р — (2 ^Ут + Тг ) р @цв + д р @цв (17)

^ ут \ ут Л Ьмут) 2 2 V 2 ^Р 3 2 2 V2'

ут ут Р 3

где 2ут - коэффициент гидравлического трения в циркуляционном трубопроводе; Ьут и $.ут - длина и диаметр циркуляционного трубопровода; X дмут - суммарный коэффициент местных сопротивлений циркуляционного трубопровода; Бут - площадь поперечного сечения циркуляционного трубопровода; др3 - коэффициент местного сопротивления регулирующей задвижки; площадь проходного сечения регулирующей задвижки: Бр 3 — Бр 3( Хр 3), или

8Р 3 — 8р 3(Рр 3) •

Сопротивление циркуляционного трубопровода может быть представлено в виде:

ЛРут — { СЦт + 0,25Рвдр3 [ М Хр3) ]/[ ^р3(Хр3) ]' } , (18)

где

Сут — 0,25(2ут ^ +Хдмут ) р./ V • (19)

ут

др3 [Vр3(Xр3) - функция коэффициента гидравлического сопротивления

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

регулирующей задвижки от площади проходного сечения регулируемой задвижки;

V 3(X 3) - функция площади проходного сечения регулирующей задвижки от ее

положения (линейного X 3 или углового (рр3). В линеаризованном варианте:

а Рут - срт Хр 3 + срт еЦв, (20)

Сут ^ут 11

рх и Срд - коэффициент линеаризации.

Если насос работает при неизменном положении регулирующей задвижки (в частности, при полностью открытой задвижке), то:

АРут — (С ут )'бцв, (21)

При пренебрежении геометрической высотой подъема циркуляционной воды:

АР — АР + АР , (22)

в ут г' V""/

и функция полезной мощности циркуляционного насоса принимает вид:

N — йвАРут — (Су;хр3 + С-Оцв) о,в, (23)

В линеаризованном варианте:

N — СртХр3 + С^Оцв , (24)

или, при полностью открытой задвижке (при неизменном положении задвижки):

N — (Сщ УОцв, (25)

Функция потребляемой мощности циркуляционного насоса:

Щ7 = ме/ , (26)

где функция КПД циркуляционного насоса:

%н =%н (Оцв , Пцн ), (27)

Пцн - частота вращения насоса.

В свою очередь функция зависимости подачи насоса от частоты вращения:

Оцв = Оцв (Пцн) . (28)

В линеаризованном варианте:

Оцв = С5 (Пцн); (29)

лцн = сон • бцв + суп: Пцн, (30)

или

= (С% • с-+с;*) Пцн, (31) и линеаризованная функция мощности насоса:

^цтр = С- • Хрз+сцоПцн. (32)

При поступлении в конденсатор отработанного пара, охлаждающей воды, в процессе

поддержания вакуума и образования конденсата тепловой баланс конденсатора в стационарном режиме описывается соотношением:

О? = ОТ + Оод + , (33)

или

Ф« = ф™ +Фконд +фпэ , (34)

где °п , ФГ, QГ, ФГ, Оконд, Ф конд, °пэ, Фпэ - соответственно, количества

теплоты и тепловые потоки, которые содержатся в паре, входящем в конденсатор; отдаваемые паром охлаждающей воде; в отводимом конденсате; в паре, отсасываемом эжекторами.

С учетом того, что в стационарном режиме соответствующие тепловые потоки определяются соотношениями:

Фех ^~<вх / ,вх +вх\ /~<ех г\

п = Спр Уп - КК ) Сп , (35)

ФГ = чА , (36)

Ф = с С (гср - Гср ) (37)

конд р конд к\1 пк 1конд) • V-3 ')

Фэ = сКРПСПЭ (С - ¡с) , (38)

уравнение теплового баланса может быть представлено в виде:

--рп Тп Сп — с рп пк Сп ~ ЧЛк + с р конд Ск пк —

срп гср пк Сп

г сР конд + с * рп

с д С к д + ск С п — ск С г

р конд к конд рп пэ пк рп пэ с

1пк (С рп ^п + С рконд ^к + Срп ^пэ ) ~

. (40)

вх вх вх ср к

_ V ^рп 1п^п рконд ^к 1кон^^рп ^пЭ'с) Ч^к

Анализ математической модели конденсатора, предварительный анализ экспериментальных данных и обзор существующей литературы, приведенный в работе [3] показал, что на процесс теплообмена в конденсаторе, а, следовательно, на энергоэффективность работы турбины и НПК, влияют следующие факторы (параметры):

- расход пара через конденсатор Б2, величина которого пропорциональна мощности турбины Ыт и электрической мощности Ыэ блока в целом. Мощность блока задается энергосистемой, и является в большинстве случаев для НПК нерегулируемым параметром;

- величина вакуума в конденсаторе Р2, уровень которого поддерживается, в том числе, эжекторными установками;

- расход циркуляционной воды;

- температура циркуляционной воды г1 ;

- расход конденсата (интенсивность откачки конденсата)

- физико-механические свойства трубных пучков с учетом возможных покрытий и отложений (толщина, площадь трубных пучков, теплопроводность слоев стенок и т. д.). Эти параметры также являются нерегулируемыми.

Таким образом, процесс регулирования НПК, в основном, сводится к регулированию производительностью эжекторных установок и циркуляционных насосов. От оптимального выбора значений основных параметров этих установок с учетом всех возможных потерь в них, будет зависеть энергоэффективность работы НПК и турбины.

Из опыта эксплуатации турбинного оборудования известно, что зависимость расхода пара через конденсатор Б2 от расхода первичного пара Б0 (или мощности турбины Ыт) имеет вид, характер которого при линейной аппроксимации показан на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость расхода пара в конденсатор Б2 от расхода первичного пара Б0 . Конденсатор турбины 300 МВт Змиевской ТЭС

Основным задающим параметром в системе регулирования НПК является расход пара через конденсатор, который, в свою очередь, напрямую зависит от электрической мощности генератора, величина которой является главным задающим воздействием блока в целом.

Исходя из зависимости на рис. 2, можно записать: В2=ЛВ(/Во+ВВо , или П2=Лыт-Ыт+Выт или В2=Лмэ-Ыэ+Вмэ ,где N - электрическая мощность генератора, Лво , Вво , Лмт-, В^т , Лыэ'Выэ - соответствующие коэффициенты линеаризации.

Значение вакуума в конденсаторе при любых значениях расхода пара Б2 определяется величиной расхода охлаждающей воды, и её температурой. На рис. 3 показаны значения давления в конденсаторе Р2 в зависимости от расхода пара в нем В2 для различных значений

температур охлаждающей воды и фиксированном расходе охлаждающей воды Qцв . Тогда величина вакуума в конденсаторе будет являться функцией 3-х переменных:

Р2=т , QцB,

(41)

Задача имеет два решения: какой будет вакуум при заданных Б2 , Qцв и ^, или какой

необходим расход охлаждающей воды для обеспечения требуемого вакуума при заданных В2

При снижении давления в конденсаторе увеличивается энергетическая эффективность работы турбины, однако также увеличиваются потери на приводы циркуляционных насосов и эжекторов.

Изменения (поправки) удельных расходов тепла, топлива и расхода свежего пара в зависимости от уровня вакуума в конденсаторе имеют вид, показанный на рис. 4.

Р2, Па

□2 тах 02, кг/с

Рис. 3. Характер изменения давления в конденсаторе Р2 от расхода пара в нем В2 для различных значений температур охлаждающей воды ^ и фиксированном расходе охлаждающей воды Qцв . Конденсатор турбины 300 МВт Змиевской ТЭС

Рис. 4. Поправки к удельному расходу тепла, топлива и расходу свежего пара на отклонения давления в конденсаторе, приведенному к проектному (схождение в одной точке).

Турбина 300 МВт Змиевской ТЭС

Выводы

1. Анализ показал, что при работе блока на нагрузку ниже номинальной, уменьшение уровня вакуума дает тем больший энергетический эффект (уменьшение расхода пара через турбину, уменьшение удельного расхода топлива и тепла), чем ниже нагрузка блока;

2. Переменная нагрузка блока остро ставит задачу оптимального управления циркуляционным насосом, при котором потери в нем будут минимальны, а выгода от увеличения вакуума - максимальна.

Список использованной литературы:

1. Муравьев В. И. Разработка и анализ технических решений по рационализации конденсационных систем низкопотенциального комплекса ТЭС и АЭС: монография [Текст] / В. И. Муравьев, Д. В. Михайский, М. И. Суханов и др. - Харьков: ХУВС, 2010. - 122 с.

2. Артюх С. Ф. Анализ резервов энергосбережения и возможностей повышения технико-экономической эффективности насосных установок низкопотенциального комплекса (НПК) тепловых и атомных электростанций [Текст] / С. Ф. Артюх, И. Г. Шелепов, Г. И. Канюк и др. // Вестник Национального технического университета «ХПИ». - 57'2005. - Харьков. - С. 32-42.

3. Канюк Г. И. Резервы энергосберегающего управления технологическими процессами на действующих ТЭС и АЭС: монография [Текст] / Канюк Г. И, Мезеря А. Ю., Михайский Д. В., Лаптинов И. П., Фокина А. Р. -Харьков: Изд-во «Точка», 2012. -184 с. Русс. яз. ISBN 978-617-669-064-1

References:

1. Muraviev V. I. The Development and analysis of the technical decisions on rationalizations horse systems turbin complex TES and AES: monograph [Razrabotka i analiz tehnicheskih resheniy po ratsionalizatsii kondensatsionnyih sistem nizkopotentsialnogo kompleksa TES i AES: monografiya] / V. I. Muraviev, D. V. Mihayskiy, M. I. Suhanov and others - Harkov: HUVS, 2010. - 122 p.

2. Artyuh S. F. The Analysis reserve energysave and possibilities of increasing technical-economy performance of the pumping installation turbin complex (NPK) heat and atomic power station [Analiz rezervov energosberezheniya i vozmozhnostey povyisheniya tehniko-ekonomicheskoy effektivnosti nasosnyih ustanovok nizkopotentsialnogo kompleksa (NPK) teplovyih i atomnyih elektrostantsiy] / S. F. Artyuh, I. G. Shelepov, G. I. Kanyuk. The Buzzard and others // Herald of the National technical university "HPI - 57'2005. - Harikov. - p. 32-42.

3. Kanyuk G.I. The Reserves energysave governing the technological process on acting TES and AES: monograph [Rezervyi energosberegayuschego upravleniya tehnologicheskimi protsessami na deystvuyuschih TES i AES: monografiya] / Kanyuk G. I, Mezerya A. Y., Mihayskiy D. V., Laptinov I. P., Fokina A. R. - Harkov: Izd-in "Point", 2012. - 184 p. Russ. yaz. ISBN 978-617-669-064-1.

Поступила в редакцию 25. 04 2015 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.