Назначение и устройство испарителей

Удаление примесей из добавочной воды может производиться не только химиче­ским, но и термическим путем, при испарении воды в специаль­ном поверхностном тепло­обменнике - испарителе с последующей конденсаци­ей полученного вторично­го пара. Таким способом можно получить весьма чистую добавочную воду, однако применение его требует включения в теп­ловую схему ТЭС допол­нительных теплообменных аппаратов — испарителей, а часто и специальных конденсаторов вторично­го пара. Испарители — это поверхностные теплооб­менники, с одной стороны поверхности нагрева ко­торых конденсируется гре­ющий пар (первичный), а с другой — происходит испарение воды, т. е. обра­зование вторичного пара. На ТЭС в настоящее время применяют в основ­ном вертикальные водо­трубные испарители с ес­тественной циркуляцией воды (рис.2). Устройст­во его таково. Внутри вер­тикального цилиндрического сосуда размещен второй цилиндр меньшего диаметра. Торцы этого цилиндра закрыты трубными досками, в которые ввальцованы прямые трубки. Корпус испа­рителя заполнен водой так, что внутренний цилиндр оказывается полностью погруженным в водяной объем. В межтрубное про­странство внутреннего цилиндра через верхнюю трубную доску подводится греющий пар, омывающий снаружи трубную поверх­ность. При этом вода нагревается, и в трубках начинается паро­образование, обеспечивающее устойчивую естественную циркуляцию с подъемным движением внутри труб и опускным в коль­цевом зазоре между цилиндрами.

Для получения сухого чистого вторичного пара и уменьше­ния процента продувки испарители снабжаются специальными паропромывочными и паросепарационными устройствами. Обра­зующийся в трубках пар через дырчатый лист, расположенный в верхней части водяного объема, поступает в паровое простран­ство. В паровом пространстве размещен паропромывочный дыр­чатый лист, на который подается вода, подлежащая испарению и создающая над листом слой воды. Образовавшийся в испари­теле пар проходит через паропромывочный дырчатый лист, жалюзийный сепаратор и удаляется из испарителя с солесодержанием не более 0,3 мг/л.

Вода, поступающая в испаритель, должна быть предвари­тельно очищена. Это необходимо не только для получения чи­стой добавочной воды, но и для повышения надежности работы испарителей (исключения накипеобразования и коррозии). По­этому в испарителях используется химически очищенная вода с жесткостью не выше 30 мкг-экв/кг, а при сильно минерализо­ванной исходной воде — не выше 75 мкг-экв/кг. Содержание кислорода в воде допускается не выше 0,03 мг/кг, а поэтому вода, идущая в испарители, должна быть обязательно деаэри­рована. Для удаления накапливающихся солей в водяном объ­еме испарителей необходимо производить непрерывную про­дувку.

Характерным для рабочего процесса испарителей является то, что в них по одну сторону поверхности нагрева конденси­руется греющий пар при температуре насыщения, соответствую­щей давлению первичного пара р_и1, а по другую происходит испарение воды при температуре насыщения, соответствующей давлению вторичного пара р_и2. Поэтому величина температур­ного напора в испарителе определяется разностью между тем­пературами насыщения первичного и вторичного пара . От этого температурного напора зависит поверх­ность нагрева испарителя и давление греющего пара. Оптималь­ная величина t_И определяется на основании технико-экономи­ческих расчетов и обычно находится в пределах от 12 до 25° С. Такой разности температур соответствует разность давлений в несколько атмосфер. Например, при р_и1=0,34 МПа (3,5 ата) t_и1 =135°С, а при р_И2 =0,196 МПа (2 ата) t_и2 =120°С.

Обычно испарители включают в тепловую схему регенера­тивного подогрева питательной воды в качестве одного из теп­лообменников, и греющий пар для него берется из отбора тур­бины (рис. 2). Получаемый вторичный пар конденсируется в системе регенерации, отдавая свое тепло потоку конденсата турбин. При такой схеме почти все тепло, поступающее в испа­ритель с первичным паром, возвращается со вторичным паром в систему РППВ.

Рисунок 46 – Вертикальный водотрубный испаритель с естественной циркуляцией

Уравнение теплового баланса испарителя будет иметь вид

,

где _охл — коэффициент охлаждения, учитывающий отдачу теп­ла в окружающую среду и равный 0,98—0,99.

При обычной величине продувки, равной 2—3%, и разности между температурами продувочной воды и воды, поступающей из деаэратора в испаритель, равной 10—15°, второй член пра­вой части равенства будет очень небольшим. Поэтому выход, вторичного пара примерно равен расходу первичного.

Включение испарителей в тепловую схему станции.

Для испарителя желательно выбрать такой отбор пара, при котором давление вторичного пара бу­дет выше 98 кПа (1 ата). Вы­сокое давление принимать не­выгодно, так как испаритель будет тяжелее, дороже, а от­борный пар выработает мень­ше электроэнергии по теплофи­кационному циклу.

При включении испарителя в тепловую схему станции важнейшим является вопрос о месте конденсации вторичного пара. Для этой цели можно ис­пользовать регенеративный подогреватель, обогреваемый паром из отбора с давлением ниже давления вторичного пара испари­теля (РП-5; см. рис. 3). Но при этом появятся энергетические потери, связанные с уменьшением расхода из отбора более низ­кого давления вследствие подачи в него вторичного пара из ис­парителя, обогреваемого паром более высокого давления. Вели­чина этой потери ( Q) будет пропорциональна расходу тепла в испаритель Q_И и разности между перепадами энтальпий пара в турбине от i₀ до отбора в подогреватель более низкого давле­ния (h₅ = i₀—i₅) и в испаритель (h₄ =i₀—i₄):

.

Эти потери будут тем больше, чем больше будет разность h₅—h₄ при неизменном перепаде энтальпий пара от турбины до конденсатора h_K. Этот способ конденсации вторичного пара заманчив тем, что его применение не требует дополнительного оборудования, хотя и связано с появлением энергетических потерь.

Эти потери можно исключить, применив для конденсации вторичного пара специальный теплообменник — конденсатор ис­парителя (КИ), включенный по ходу нагреваемой воды перед регенеративным подогревателем, использующим пар из отбора, идущего на испаритель (рис.3). В этом случае испаритель, конденсатор испарителя и включенный за ним регенеративный подогреватель образуют одну ступень подогрева, и никаких энергетических потерь не будет. Дополнительные затраты тепла здесь будут связаны только с небольшими потерями из-за про­дувки испарителя и внешнего охлаждения испарителя и конден­сатора испарителя.

Конденсат вторичного пара из конденсатора испарителя на­сосом добавочной воды (НДВ) подается либо прямо в деаэра­тор, либо через смеситель включается в поток главного конденсата перед подогревателем РП-4. Следует заметить, что применение такой схемы включе­ния испарителя требует дополнительных затрат на установку конденсатора испарителя. Эти затраты должны быть оправданы стоимостью сэкономленного топлива. Поэтому целесообразность установки конденсатора должна быть подтверждена соответст­вующими технико-экономическими расчетами.

Рисунок 47- Схема включения испарителя в систему РППВ без энергетических потерь

Возможности конденсации вторичного пара в конденсаторе испарителя ограничены расходом главного конденсата и диапа­зоном повышения его температуры в конденсаторе испарителя. Интервал изменения температур конденсата в каждой ступени регенерации ограничен и обычно не превышает 30—40° С, а по­догрев главного конденсата в конденсаторе испарителя может составлять лишь часть этого интервала.

Интервал подогрева воды можно увеличить только за счет уменьшения подогрева конденсата в ранее включенных реге­неративных подогревателях. Однако это приведет к уменьше­нию или даже полному прекращению расхода пара из отборов низкого давления и появлению связанных с этим энергетических потерь.

Возможности этой схемы можно оценить из теплового балан­са конденсатора испарителя

.

Если принять интервал подогрева воды в конденсаторе испа­рителя равным 25° С, то первый член правой части равенства будет меньше 0,05, а из него еще нужно вычесть небольшой по величине второй член.

Большее количество, добавочной воды можно получить, если применить двух-, трех- и многоступенчатые испарительные уста­новки. В многоступенчатых установках вторичный пар из пер­вой ступени направляется в качестве греющего во вторую сту­пень, а из второй в третью и т. д. до последней ступени, из которой пар поступает в конденсатор испарителя. Таким обра­зом, при том же количестве пара, конденсирующегося в конден­саторе испарителя, можно получить значительно большее коли­чество добавочной воды за счет конденсата греющего пара, получающегося в каждой ступени испарения.

При этом давление отборного пара, идущего в первую ступень испарения, будет много выше и должно, выбираться с та­ким расчетом, чтобы были обеспечены необходимые темпера­турные напоры в каждой ступени, а в последней ступени испа­рения получался пар с давлением выше 98 кПа (1 ата). Так как в каждой ступени количество полученного вторичного пара при­мерно равно затраченному количеству первичного, то ориенти­ровочно можно считать, что количество полученного конденсата будет пропорционально числу ступеней испарения.

Схема питания водой в многоступенчатых испарительных установках может быть параллельной или последовательной. В первом случае питательная вода из деаэратора испарителя подводится отдельно к каждой ступени испарения, и продувка осуществляется из каждого испарителя. Во втором случае вся питательная вода поступает в первую ступень с наиболее высо­ким давлением пара, а затем каскадно из первой во вторую, из второй в третью и т. д. Продувка же в этом случае осуществля­ется только из последней ступени, в которой будет максималь­ная концентрация солей в испаряемой воде. Качество дистилля­та при такой схеме получается выше из-за значительно лучшего качества конденсата, выходящего из всех ступеней, кроме по­следней. На рис. 4 показана схема включения двухступенча­той испарительной установки в тепловую схему системы РППВ.