теплоэнергетика

131

Рис. 8.16. Вид на машинный зал с турбоагрегатом К-300-240:

1 – группа ПВД, 2 – паровая турбина К-300-240; 3 – электрический генератор; 4 – турбопривод питательного насоса; 5 – питательный насос; 6 – электродвигатель ПЭН

131

8.10. Водоснабжение ТЭС

8.10.1. Система оборотного водоснабжения

Основными потребителями воды на ТЭС являются конденсаторы паровых турбин (для этой цели расходуется 92...96 % общего количества воды), газоохладители электрических генераторов (2...4 %), маслоохладители (1...2 %), система охлаждения подшипников вращающихся механизмов (0,3...0,8 %), гидротранспорт воды и шлака (0,1...0,4%), водоподготовка (0,05...0,8 %). Применяются прямоточная, оборотная и смешанная системы водоснабжения. наиболее простой и экономичной является прямоточная система водоснабжения. Она предпола-

гает наличие в районе электростанции естественного источника воды (реки, озера, моря) с дебитом, в три-четыре раза превышающем потребность в охлаждающей воде. Вода поступает на электростанцию по водопроводам или специальному каналу, а затем циркуляционными насосами подается к конденсаторам турбин и другим потребителям. Сброс воды происходит ниже по течению (если водоисточником является река) или в удаленное от водозабора место (озеро или море).

К сожалению, использование прямоточной системы водоснабжения ограничено и возможности его применения с каждым годом снижаются. Дело, во-первых, в том, что для питания крупных электростанций требуются реки с достаточно большим расходом, и, во-вторых, в соответствии с требованиями «Правил охраны поверхностных вод от загрязнений сточными водами» разрешенный подогрев воды в реках очень мал. Он не должен превышать 3 oС летом и 5 oС зимой.

Вусловиях постоянного роста мощностей электростанций и нехватки охлаждающей воды, особенно в европейской части России, большое распространение получают системы оборотного водоснабжения, в которых осуществляется повторное использование отработавшей в конденсаторе воды после охлаждения её в атмосферных условиях. В настоящее время около 70 % электростанций используют оборотное водоснабжение. Различают две системы оборотного водоснабжения: с водохра- нилищами-охладителями и градирнями.

Впервой системе источником охлаждающей воды является водохранилище, сооружаемое в долине реки или ее пойме и заполняемое в течение нескольких лет. Иногда строят специальные наливные водохранилища вне поймы реки. Забор охлаждающей воды производят обычно у плотины, а место сброса опре-

132

деляется местными условиями (формой и глубиной водохранилища). При вытянутой форме водохранилища нагретую воду сбрасывают на расстоянии примерно 10 км от места забора. При глубоком водохранилище места забора и сброса можно сблизить. При этом нагретая вода направляется в придонные (холодные) слои водоема.

Охлаждение воды в водохранилищах происходит за счет частичного ее испарения и конвективного теплообмена. Забор и сброс воды для нужд электростанции производятся в удаленных друг от друга местах водоема.

Достоинствами водохранилищ - охладителей являются малый расход воды на возмещение ее потерь, низкая температура воды зимой, хорошие условия водозабора. Недостатком таких схем являются большие площади, требующиеся для охлаждения воды (ориентировочно 8...10 м2 на 1 кВт установленной мощности), необходимость сооружения плотины.

Искусственный охладитель выполняется в виде брызгальных устройств (рис. 8.17). Разбрызгивание воды в них происходит посредством сопл за счет напора насосов. На 1 кВт установленной мощности необхо-

ший по сравнению с водохранилищами-охладителями эффект охлаждения, боль-

ший унос воды, что приводит к увлажнению, а в зимнее время – к обледенению местности в радиусе до 200 м.

133

8.10.2. Градирня

Часто в качестве охладителей в системе оборотного водоснабжения используют башенные градирни, применение которых позволяет заметно повысить компактность сооружений электростанции. Градирни используются тогда, когда нет возможности соорудить водохранилище-охладитель в месте строительства электростанции. Такое положение возникает, например, при строительстве крупных ТЭЦ в больших городах.

Градирня – это железобетонная пустотелая вытяжная башня (рис. 8.18) высотой до 80 м и выходным диаметром 20 – 40 м, которая создает самотягу для воздуха, поступающего снизу че-

испаряться, за счет чего охлаждается циркуляционная вода.

134

Охлажденная вода собирается внизу в водосбросном бассейне 5 и оттуда циркуляционным насосом подается в конденсатор. Основным достоинством градирен по сравнению с водохра- нилищами-охладителями является их компактность при хорошем эффекте охлаждения.

Удельная площадь поверхности охлаждения градирен составляет 0,01...0,02 м2/кВт, т.е. на каждые 100 МВт электрической мощности турбины необходимо иметь градирню с площадью поверхности охлаждения 1 000 – 2 000 м2.

Применение градирен позволяет избежать затопления большого количества земли, однако изменяет микроклимат из-за выброса в атмосферу значительного количества испарившейся воды. Поэтому градирни строят высокими с большим выходным диаметром. Площадь оросительного устройства достигает

10000 м2.

Врайонах с большим дефицитом охлаждающей воды применяют так называемые радиаторные (сухие) градирни, в которых отсутствует капельный унос влаги с воздухом. Вода в таких градирнях циркулирует в замкнутом контуре, прокачиваясь через радиаторы, которые охлаждаются потоками воздуха. Движение воздуха может осуществляться благодаря естественной тяге или тяге специально установленного вытяжного вентилятора.

8.11. Насосное оборудование электростанций

Насосы – это машины, предназначенные для перемещения жидкостей и сообщения им энергии. По принципу действия насосы делятся на две основные группы: динамические и объемные. В теплоэнергетике наиболее распространены динамические лопастные насосы: центробежные, осевые и вихревые.

Насосный агрегат – устройство, состоящее из насоса, приводного двигателя, соединительной муфты (или вариатора частоты вращения) и контрольно-измерительных приборов.

В тепловую систему ТЭС входят конденсаторные, сливные, питательные, бустерные, сетевые, циркуляционные и другие насосы.

Через циркуляционные насосы КЭС проходят большие потоки охлаждающей воды для создания кратности охлаждения в конденсаторе 40...60 кг/кг. При этом не требуется большого напора, так как сброс воды после конденсатора осуществляется чаще всего по самотечным каналам. Этим условиям удовлетворяют пропеллерные вертикальные насосы, в которых регулиро-

135

вание производительности осуществляется поворотом лопастей. На ТЭЦ потоки пара в конденсатор малы, количество охлаждающей воды заметно меньше, чем на КЭС, и поэтому в качестве циркуляционных применяют центробежные (радиальные) насосы.

Конденсатные насосы должны обеспечить напор, достаточный для преодоления сопротивления тракта системы регенерации низкого давления, и предназначаются для подачи конденсата в основную линию.

Сетевые насосы, перекачивающие воду к потребителю теплоты, выполняются, как правило, в виде двух групп. Вторая группа насосов работает на обратной сетевой воде и имеет напор, необходимый для преодоления сопротивления сетевой установки. Напор сетевых насосов первой группы зависит от длины трубопроводов, рельефа местности. По абсолютной величине он значительно больше, чем у насосов второй группы.

Все перечисленные насосы ТЭС имеют электропривод и, как правило, выполняются без регулирования частоты вращения.

Питательные насосы (рис. 8.19) предназначены для подачи воды в котел. Они наиболее сложны в конструктивном исполнении и эксплуатации. Значительное давление воды на выходе обеспечивается многоступенчатой конструкцией проточной части насоса, а большая производительность и компактность – выполнением насоса быстроходным. Кроме того, питательный насос должен иметь широкий регулировочный диапазон для обеспечения работы котла от минимальных до максимальных нагрузок.

Приводом питательных насосов может быть электродвигатель или паровая турбина. Мощности современных энергетических блоков таковы, что на привод питательных насосов требуется тратить 9 – 30 МВт. На такие мощности нет электродвигателей, и поэтому в качестве приводного агрегата применяются паровые турбины. Вода поступает в питательный насос из деаэратора, где подогревается до температуры насыщения при его рабочем давлении. Перекачка такой воды может сопровождаться явлением кавитации. Кавитация возникает при понижении давления на входе в насос вследствие гидравлического сопротивления входного патрубка, когда перекачиваемая вода оказывается перегретой и частично вскипает, образуя паровую и жидкую фазы. При последующем повышении давления паровые пузырьки конденсируются, и в результате образуются ударные

136

волны, которые являются причиной вибрации, шума, снижения КПД насоса и в конечном итоге могут привести к разрушению рабочих лопаток насоса.

Рис. 8.19. Продольный разрез питательного насоса СВПТ-350-1350: 1 – передний подшипник; 2 – ротор; 3 – корпус переднего уплотнения; 4 – камера отбора; 5 – внешний корпус; 6 – внутренний корпус; 7 – обшивка; 8 – крышка цилиндра; 9 – корпус заднего уплотнения; 10 – задний подшипник; 11 – датчик осевого сдвига; 12 – отверстия перепуска

жидкости из камеры разгрузки на всасывание насоса; 13 – рама; 14 – напорный патрубок; 15 – всасывающий патрубок; 16 – регулирую-

щий болт; 17 – гидропята; 18 – воздушник

Для предотвращения кавитационных явлений повышают давление питательной воды на входе в насос до значений, исключающих кавитацию. Это достигается установкой деаэраторов на отметках, на 14...20 м более высоких, чем отметки, на которых установлены питательные насосы. Если таким путем обеспечить противокавитационный запас давления не удается, то применяют подкачивающие (бустерные) насосы, которые располагают между деаэратором и питательными насосами, и создают дополнительное давление воды, исключающее появление кавитации во всех режимах работы питательного насоса.

137

Контрольные вопросы

1.Чем отличается энергетический блок от ТЭС с поперечными связями?

2.Как классифицируются ТЭС по уровню начального давле-

ния?

3.Назовите назначение основных элементов паротурбинного энергоблока: энергетического котла, паровой турбины, конденсатора и питательного насоса.

4.С какой целью в мощных турбоустановках применяют промежуточный перегрев пара?

5.Какие функции на ТЭС выполняют электрогенератор и трансформатор?

6.Для чего в паротурбинной установке используется регенеративный подогрев питательной воды?

7.В каких аппаратах осуществляется регенеративный подогрев питательной воды?

8.Какой энергоблок более экономичный: пылеугольный или газомазутный?

9.Назовите преимущества и недостатки ТЭС по сравнению с ГЭС и АЭС.

10.В чем преимущество комбинированной выработки электрической и тепловой энергии перед раздельной?

11.Назовите показатели, которыми характеризуется экономичность работы ТЭЦ.

12.Приведите принципиальную схему ТЭЦ с противодавлен-

ческой турбиной.

13.Что такое выработка электроэнергии на тепловом потреблении и в чем его физический смысл?

14.Запишите формулу для КПД нетто ТЭС и назовите примерные значения всех величин, входящих в нее.

138

Раздел 9. Газотурбинные установки

9.1. Принцип действия ГТУ

По принципу действия газовая турбина аналогична паровой, с тем отличием, что рабочим теплом является не пар, а газообразные продукты сгорания топлива в смеси с воздухом или нагретые до высоких температур газы.

Первая газотурбинная установка (ГТУ) была построена в России в 1900 г. инженером П.Д. Кузьминским. Она состояла из поршневого воздушного компрессора, камеры сгорания топлива и радиальной газовой турбины. Охлаждение продуктов сгорания перед газовой турбиной до требуемой температуры производилось паром, который образовывался в парогенераторе (змеевике), расположенном в камере сгорания.

В1904 г. в Германии инженером Штольце построена и испытана ГТУ, в которой в качестве воздушного компрессора впервые был применен многоступенчатый осевой компрессор, а в многоступенчатой газовой турбине расширялся воздух, нагретый до высокой температуры в камере сгорания поверхностного типа, т.е. без смешения воздуха с продуктами сгорания топлива.

Испытания первых ГТУ из-за низких значений КПД компрессоров

итурбин давали отрицательные результаты: установки не могли самостоятельно работать даже без нагрузки. Затраты мощности на сжатие воздуха в компрессоре были больше, чем мощность, вырабатываемая турбиной. Требовалось совершенствование аэродинамики турбомашин и повышение температуры газов на входе в газовую турбину.

В1939 г. в Швейцарии построена энергетическая ГТУ мощностью 4000 кВт с коэффициентом полезного действия около 18%, это было большое достижение того времени и свидетельствовало о совер-

шенстве конструкции компрессора и турбины. В этой установке температура газов перед турбиной составляла 550 оС. ГТУ предназначалась для привода электрического генератора на резервной электростанции и автоматически запускалась и включалась в сеть при понижении частоты электрического тока в сети ниже допустимого уровня.

Вистории теплоэнергетики можно заметить своеобразное «соревнование» между паровыми и газовыми турбоустановками и их термодинамическими циклами. Отсутствие соответствующих технологий в прошлом не позволяло использовать продукты сгорания в качестве рабочего тела, и водяной пар применялся как промежу-

139

точное рабочее тело. Параллельное развитие газовых и паровых циклов, однако, не привело к их антагонизму. Напротив, максимально использовали их положительные свойства, создав комбинированную парогазовую установку. В ней теплота выходных газов ГТУ совершает работу в паротурбинном цикле.

Газотурбинная установка (ГТУ) – это тепловой двигатель, рабочим телом в котором являются газообразные продукты сгорания топлива в смеси с воздухом во всех точках теплового цикла.

В ГТУ происходит последовательное преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания, тепловой (потенциальной) энергии рабочего тела в кинетическую энергию потока газов, которая, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию вращения ротора газовой турбины. В состав оборудования простейшей ГТУ входят: компрессор (К), камера сгорания (КС), газовая турбина (ГТ). Компрессор засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до заданного давления и подает в камеру сгорания. Туда же подается топливо, которое смешивается с воздухом и сгорает. Образовавшиеся газообразные продукты сгорания направляются в газовую турбину (рис. 9.1), заставляя вращаться ротор.

Рис. 9.1. Схема газотурбинного агрегата:

К – воздушный компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина; ЭГ – электрический генератор

140