Исследование и разработка водораспределительных устройств новых конструкций колонок термических деаэраторов для мощных энергоблоков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат технических наук Егоров, Павел Викторович

• Егоров, Павел Викторович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Егоров, Павел Викторович

Содержание

Введение

1. Анализ конструкций водораспределительных устройств

термических деаэраторов

1.1 Классификация термических деаэраторов и

предъявляемые к ним требования

1.2 Водораспределительные устройства термических деаэраторов

1.3 Сопоставление технических характеристик колонкового и бесколонкового термических деаэраторов для турбоустановок мощностью 1000 МВт энергоблоков с реактором ВВЭР-1000

2. Описание теплоотдачи при конденсации насыщенного пара

на поверхности струй и капель воды применительно к деаэраторам повышенного давления большой производительности ТЭС и АЭС

2.1 Основные сведения о процессе деаэрации воды

2.2 Анализ теплоотдачи при конденсации насыщенного пара

на поверхности струй воды

2.3 Совершенствование подхода к построению зависимостей для теплоотдачи при конденсации насыщенного пара

на поверхности струй

2.4 Анализ теплоотдачи при конденсации насыщенного пара на поверхности капель и оценка вклада участка

диспергированной струи в подогрев воды

3. Разработка термических деаэраторов повышенного давления

с водораспределительными устройствами нового типа

3.1 Совершенствование конструкции деаэрационных колонок серийных деаэраторов для турбоустановок энергоблоков

с реактором ВВЭР-1000

3.2 Разработка термических деаэраторов с горизонтальной

колонкой для турбоустановок мощных энергоблоков АЭС

3.3 Разработка термических деаэраторов с вертикальными деаэрационными колонками для турбоустановок

энергоблоков АЭС мощностью 1200 МВт

4. Экспериментальные и расчетные исследования водораспределительного устройства бесколонкового

термического деаэратора большой производительности

4.1 Экспериментальные исследования водораспределительного устройства деаэратора питательной воды энергоблока №

АЭС «Бушер»

4.2 Теплогидравлические расчеты деаэратора энергоблока №1

АЭС «Бушер»

5. Заключение

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Е

Приложение Ж

Приложение 3

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка водораспределительных устройств новых конструкций колонок термических деаэраторов для мощных энергоблоков»

Введение

Целью энергетической политики России является максимально эффективное использование природных ресурсов и потенциала энергетического сектора. Это позволит обеспечить устойчивый рост экономики, повышение качества жизни населения страны и содействие укреплению ее внешнеэкономических позиций.

Задачи развития энергетики в ближайшие годы должны решаться за счет строительства новых энергоблоков АЭС, развития парогазовых технологий и создания установок на суперсверхкритические параметры (параметры, соответствующие давлению пара более 24 МПа и/или температуре более 565 °С).

Важным направлением в совершенствовании оборудования турбоустановок современных ТЭС и АЭС является повышение эффективности теплообменных аппаратов в конденсатно-питательном тракте. В отечественной энергетике широкое распространение получили схемы регенерации с подогревателями низкого и высокого давления и деаэраторами питательной воды.

Современные термические деаэраторы повышенного давления, предназначенные для мощных энергетических блоков ТЭС и АЭС, должны обеспечивать надёжную работу при скользящем давлении. В этом случае давление в корпусе деаэратора изменяется в соответствии с изменением нагрузки и давления в отборе турбины в регулировочном диапазоне турбоустановки. Одновременно растут требования к уменьшению вертикального габарита, повышению надёжности и маневренности деаэраторов. Это, в свою очередь, предъявляет новые требования к конструктивному устройству деаэраторов, которое должно обеспечивать максимально интенсивный теплообмен при контакте деаэрируемой воды и греющего пара, наиболее эффективную работу применяемых ступеней обработки воды.

Практическое решение перечисленных задач требует разработки новых и модернизации существующих конструкций термических деаэраторов с использованием усовершенствованных методов расчета тепло- и массообменных процессов при конденсации пара на струях и каплях «недогретой» воды.

Целью настоящей работы являлось исследование и разработка водораспределительных устройств для новых конструкций деаэрационных колонок термических деаэраторов, отвечающих современным требованиям и условиям работы турбоустановок мощных энергоблоков.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

- проведено исследование существующих конструкций деаэрационных колонок термических деаэраторов повышенного давления, выявлены их недостатки и сформулированы пути интенсификации процессов, протекающих в деаэраторах и, в частности, использование конденсации пара на поверхности напорных струй и в парокапельных системах;

- выполнен комплексный анализ литературных источников, посвященных конденсации пара на поверхности струй и капель «холодной» воды;

- проведено исследование недостатков эмпирических корреляционных зависимостей для теплоотдачи к струям и разработана схема построения расчетной зависимости для локальных коэффициентов теплоотдачи, дающая возможность теоретически определить показатели степени для основных чисел подобия;

разработаны конструкции низконапорных водораспределительных устройств, обеспечивающие повышение эффективности работы и снижение массогабаритных характеристик термических деаэраторов за счет интенсификации протекающих в них тепло- и массообменных процессов;

- выполнен анализ возможности применения бесколонкового термического деаэратора поставки в схеме отечественной турбоустановки мощностью 1000 МВт на основе проведенных экспериментальных и расчетных исследований;

- проведено изучение вопросов, касающихся перехода на отечественную бесколонковую конструкцию термических деаэраторов большой производительности.

Актуальность работы

С ростом мощности энергоблоков соответственно растут единичная производительность и габариты входящего в их состав тепломеханического оборудования, в том числе систем регенерации турбоустановок. Создание отечественных энергоблоков мощностью 800 и 1200 МВт ТЭС и 1000 МВт АЭС привело к росту единичной производительности деаэраторов до 3200 т/ч, а деаэрационных колонок до 2800 т/ч. При этом вертикальный габарит деаэрационных колонок и деаэраторов принятого конструктивного исполнения вырос соответственно до 7800 мм и 11100 мм. Условный диаметр деаэраторного бака и деаэрационных колонок составил 3400 мм. Такой диаметр являлся практически предельным по существовавшим условиям транспортирования железнодорожным или автомобильным транспортом.

Значительная высота деаэрационных колонок привела к увеличению металлоемкости деаэраторов и высоты деаэраторной этажерки машинного зала электростанции, усложнила условия обеспечения сейсмостойкости деаэрационной установки. Возникла необходимость разработки и применения специального антисейсмического каркаса.

В связи с созданием новых энергоблоков АЭС мощностью 800, 1000 и 1200 МВт изменились требования к деаэраторам питательной воды в сторону дальнейшего увеличения единичной производительности и допустимых тепловых нагрузок, повышения рабочего давления, работы деаэратора на скользящем давлении, снижения остаточной концентрации кислорода в питательной воде.

При принятой ранее конструктивной схеме деаэраторов дальнейшее увеличение их производительности при одновременном повышении рабочего давления практически невозможно.

С учетом принятых правительством РФ планов строительства ряда отечественных энергоблоков АЭС и ТЭС, весьма актуальной является задача создания новых, надежных и эффективных термических деаэраторов, в полной мере соответствующих условиям работы мощных современных турбоустановок.

Научная новизна

1. Предложена форма зависимости для теплоотдачи струи на основе подхода, предложенного В.Г.Левичем, отражающая характер взаимодействия потоков пара и воды около волновой поверхности раздела фаз и дающая возможность описать влияние чисел Вебера и Онезорге без привлечения опытных данных, что придает зависимости определенный физический смысл.

2. Показано, что использование в большинстве работ при построении корреляционных зависимостей для теплоотдачи осредненных по длине опытных значений параметров струи приводят к очевидным противоречиям, которые наглядно иллюстрируются в работе. В предлагаемой зависимости для коэффициента теплоотдачи используются локальные параметры струи, что позволило учесть особенности начального участка струи, а в перспективе обеспечивает также возможность учета влияния относительной длины сопла.

3. Предложена упрощенная методика для определения теплоотдачи, которая дала возможность уточнить величины подогрева на участке распада струи.

4. Экспериментальные и расчетные исследования водораспределительного устройства (струйной форсунки) бесколонкового термического деаэратора с переменным выходным сечением показали, что коэффициент гидравлического сопротивления форсунки слабо зависит от температуры воды. Это позволяет на основе полученных результатов на холодной воде надежно оценить потери давления в любых рабочих режимах деаэратора.

Достоверность научных положений

Предложенная в настоящей работе расчетная методика для определения количественной зависимости локальной теплоотдачи от чисел Вебера и Онезорге позволяет расчетным путем получить кривые изменения локальной температуры струи, хорошо соответствующие данным прямых опытных замеров распределения температуры.

Полученные зависимости величин потерь давления от расхода воды на водораспределительном устройстве деаэратора энергоблока №1 АЭС «Бушер»

построены на основании проведенных экспериментальных и расчетных исследований. Достоверность полученных в ходе эксперимента данных обеспечивается правильностью и корректностью постановки задачи, надежностью выбранных средств и приборов измерения на специально созданном стенде.

Практическая ценность работы

Результаты настоящей работы использовались при разработке новых конструкций термических деаэраторов большой производительности, стадии внедрения которых отражены в таблице 1.

Таблица 1 - Новые деаэраторы, разработанные для строящихся

энергоблоков АЭС.

Применение Мощность энергоблока, МВт Тип деаэратора Стадия внедрения деаэратора (на март 2013 г.)

Ростовская АЭС: энергоблок №3 энергоблок №4 1000 1000 ДП-3200(2х1600)/185-А-М ДП-3200(2х1600)/185-А-М установлен в изготовлении

АЭС «Куданкулам» (Индия): энергоблок №1 энергоблок №2 1000 1000 ДП-6000/250-А-1 ДП-6000/250-А-1 установлен установлен

Белоярская АЭС: энергоблок №4 800 ДП-3200/220-А установлен

Нововоронежская АЭС-2: энергоблок №1 энергоблок №2 1200 1200 ДП-6400(4х1600)/250-А ДП-6400(4х1600)/250-А установлен в изготовлении

Ленинградская АЭС-2: энергоблок №1 энергоблок №2 1200 1200 ДП-6400(4х1600)/250-А ДП-6400(4х1600)/250-А установлен в изготовлении

Проведенными экспериментальными и расчетными исследованиями подтверждена возможность применения бесколонкового деаэратора поставки К\\П в схеме отечественной турбоустановки мощностью 1000 МВт энергоблока №1 АЭС «Бушер» в Иране.

В 2011-^2013 гг. проводились приемо-сдаточные испытания энергоблока №1 АЭС «Бушер». В августе 2012 г. был освоен режим со 100% нагрузкой. Деаэратор работает надежно, обеспечивает необходимые нагрев и качество питательной воды.

Личный вклад автора

Автором проведен анализ противоречий, связанных с использованием при построении корреляционных зависимостей для теплоотдачи осредненных по длине параметров струи вместо локальных.

Автором предложена зависимость для локального коэффициента теплоотдачи, в которой учитываются особенности начального участка струи.

При разработке технических проектов новых деаэраторов повышенного давления для энергоблоков АЭС мощностью 800, 1000 и 1200 МВт автор:

- проводил конструктивные проработки и экспериментальные исследования моделей струйно-капельных водораспределительных устройств различного типа на гидравлическом стенде производительностью до 120 т/ч;

- участвовал в выборе профиля конструкции, вариантной проработке и исследованиях технических решений по основным узлам деаэраторов;

- выполнял теплогидравлические расчеты деаэрационных колонок;

- разрабатывал конструкторскую документацию;

- осуществлял авторский надзор на предприятиях-изготовителях и на площадках строящихся АЭС.

При непосредственном участии автора разработан и создан гидравлический стенд большой производительности (до 1300 т/ч), проведены экспериментальные и расчетные исследования водораспределительного устройства бесколонкового деаэратора энергоблока №1 АЭС «Бушер». Автором выполнены теплогидравлические расчеты, подтвердившие возможность применения деаэратора поставки в схеме отечественной турбоустановки мощностью

1000 МВт.

В соавторстве разработал ряд технических решений в конструкциях термических деаэраторов, которые защищены патентами РФ.

Апробация результатов работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практическом семинаре «Ресурс и надежность тепломеханического

оборудования энергетических и промышленных предприятий» (июнь 2005 г., Санкт-Петербург, Россия); на XIV Минском международном форуме по тепло- и массообмену (сентябрь 2012 г., Минск, Республика Беларусь).

Публикации

По теме диссертации опубликовано четыре научные публикации, из которых две - в периодических изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, и получено шесть патентов РФ.

Автор защищает;

1. Анализ недостатков, связанных с использованием при построении корреляционных зависимостей для теплоотдачи, осредненных по длине параметров струи вместо локальных.

2. Разработку схемы построения расчетной зависимости для определения локальной теплоотдачи, использующую учет влияния волновой формы межфазной поверхности на характеристики турбулентного переноса тепла с помощью методики В.Г. Левича.

3. Упрощенную методику для определения теплоотдачи на участке распада струи, дающую возможность уточнить величины подогрева струи при практических расчетах термических деаэраторов повышенного давления.

4. Разработку конструкций новых деаэрационных колонок термических деаэраторов питательной воды для отечественных и зарубежных энергоблоков АЭС мощностью 800, 1000 и 1200 МВт.

5. Обоснование применения бесколонкового деаэратора в схеме отечественной турбоустановки мощностью 1000 МВт на основе проведенных экспериментальных и расчетных исследований.

Работа выполнена в ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ»),

1 Анализ конструкций водораспределительных устройств термических деаэраторов

1.1 Классификация термических деаэраторов и предъявляемые к ним требования

Как в энергетике нашей страны, так и за рубежом термическая деаэрация воды является основным методом борьбы с коррозией омываемых водой поверхностей теплосилового оборудования и трубопроводов.

Термические деаэраторы предназначены для удаления коррозионно-агрессивных газов (кислорода и свободной углекислоты) из питательной воды парогенераторных установок, подпиточной воды систем теплоснабжения и горячего водоснабжения, при одновременном нагреве этой воды на ТЭС, АЭС и в котельных всех видов, а также для создания рабочего резерва воды в деаэраторном баке.

Термический деаэратор, как правило, состоит из деаэраторного бака и установленной на нем деаэрационной колонки. В обоснованных случаях на баке могут устанавливаться две деаэрационные колонки (и более).

Для обеспечения нагрева и деаэрации воды в термических деаэраторах в качестве теплоносителя используется пар или перегретая (относительно давления в них) вода.

Классификация деаэраторов

В зависимости от величины рабочего давления в корпусе (при котором осуществляется процесс деаэрации воды) термические деаэраторы в соответствии с ГОСТ 16860-88 [1] подразделяются на следующие типы:

ДП - деаэраторы повышенного давления;

ДА - деаэраторы атмосферного давления;

ДВ - вакуумные деаэраторы.

По способу распределения потоков воды и пара в ступенях аппарата деаэраторы делятся на плёночные, струйные, капельные, барботажные, а также комбинированные. В случае применения в деаэраторе одного из указанных

способов распределения, аппарат считается одноступенчатым, при комбинации двух-трех способов - двух или трехступенчатым.

Для обеспечения глубокой и надежной деаэрации воды в широком диапазоне изменения расходов и других рабочих параметров в последние годы все большее применение находят комбинированные деаэраторы, имеющие две и более ступени деаэрации воды. В комбинированных деаэраторах различные типы деаэрационных колонок (пленочные, струйные или капельные) могут сочетаться с барботажным устройством, применяемым в качестве очередной ступени деаэрации воды. Барботажное устройство может располагаться в баке или в нижней части колонки.

Применение комбинированной схемы обработки позволяет обеспечить наиболее глубокую и стабильную деаэрацию воды и уменьшить вертикальный габарит деаэратора.

По конструктивному исполнению различают деаэраторы колонковые и бесколонковые. Колонки деаэраторов могут выполняться вертикального или горизонтального типов.

Кроме того, все деаэраторы подразделяются на две группы:

- деаэраторы, в которых непосредственно осуществляется нагрев воды до температуры насыщения, соответствующей рабочему давлению в деаэраторе (деаэраторы с подводом теплоносителя в корпус);

- деаэраторы, в которые подается исходная вода, предварительно нагретая до температуры превышающей температуру насыщения при рабочем давлении в деаэраторе (деаэраторы без подвода теплоносителя в корпус).

Отечественные деаэраторы, предназначенные для удаления коррозионно-агрессивных газов из питательной воды паровых котлов и подпиточной воды систем теплоснабжения и горячего водоснабжения должны удовлетворять требованиям ГОСТ 16860-88 [1], который определяет типы и типоразмерные ряды деаэраторов, устанавливает диапазоны изменения производительности и нагрева воды в них, требования к качеству деаэрированной воды и др. Указанные нормативные характеристики представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1- Основные параметры термических деаэраторов

отечественной разработки.

Наименование параметра Значение для деаэраторов типа

ДП ДА ДВ

1. Абсолютное рабочее давление, МПа ■у (кгс/см ) 0,6-1,0 (6-10) 0,11-0,13 (1,1-1,3) 0,015-0,08 (0,15-0,8)

2. Нагрев воды в деаэраторе при номинальной производительности,°С 10-40 10-50 15-25

3. Содержание растворенного кислорода в деаэрированной воде на выходе из деаэратора, мкг/кг, не более: при содержании кислорода в исходной воде на входе в деаэратор не более 13 мг/кг Не * нормируется 20 50

при содержании кислорода в исходной воде на входе в деаэратор не более 1,0 мг/кг 10 20 50

4. Содержание свободной углекислоты в деаэрированной воде, мг/кг, не более: при содержании свободной углекислоты в исходной воде на входе в деаэратор не более 20 мг/кг и бикарбонатной щелочности более 0,7 мг-экв/кг Не нормируется отсутствует отсутствует

при содержании свободной углекислоты в исходной воде на входе в деаэратор не более 5 мг/кг и бикарбонатной щелочности 0,2-0,4 мг-экв/кг Не нормируется отсутствует 0,5

5. Удельный расход выпара на выходе из деаэратора, кг/т деаэрированной воды, не более 1,5 2,0 5,0

6. Диапазон изменения производительности деаэратора, % номинальной 30-120 (30-100)*" 30-120 30-120

7. Полный назначенный срок службы, лет, не менее 30 30 30

* Для деаэраторов промышленных котельных - 20 мкг/кг.

** Для деаэраторов промышленных котельных - отсутствует.

*** Для деаэраторов энергетических блоков.

Деаэраторы повышенного давления

Деаэраторы повышенного давления применяются для удаления коррозионно-агрессивных газов из питательной воды парогенераторов на ТЭС и АЭС в схемах турбоустановок мощностью до 1200 МВт и более.

Деаэратор, как правило, состоит из деаэраторного бака и установленной на нём одной вертикальной или горизонтальной деаэрационной колонки (или нескольких колонок). В некоторых случаях деаэраторы выполняются бесколонковыми.

В качестве теплоносителя в деаэраторах повышенного давления применяется пар. Параметры греющего пара, подаваемого в деаэратор, зависят от конкретной схемы турбоустановки.

Современные деаэраторы повышенного давления, предназначенные для энергетических блоков ТЭС и АЭС, должны обеспечивать надёжную работу при скользящем давлении [2, 3]. В этом случае давление в корпусе деаэратора изменяется в соответствии с изменением нагрузки и давления в отборе турбины в регулировочном диапазоне турбоустановки. Одновременно растут требования к уменьшению вертикального габарита, повышению надёжности и маневренности деаэраторов и др. Это, в свою очередь, предъявляет новые требования к конструктивному устройству деаэраторов, которое должно обеспечивать более интенсивный теплообмен при контакте деаэрируемой воды и греющего пара, наиболее эффективную работу применяемых ступеней обработки воды [4].

Деаэраторы для ТЭС должны соответствовать требованиям [1, 5], деаэраторы для АЭС - требованиям [6, 7] и др.

Технические характеристики разработанных НПО ЦКТИ серийных деаэраторов повышенного давления, установленных на ТЭС и АЭС внутри страны и за рубежом, приведены в таблицах 1.2, 1.3 на основании данных каталогов [8, 9, 10].

В обозначении типоразмера деаэраторов первое число соответствует производительности деаэратора, а второе - полезному объёму деаэраторного бака.

Таблица 1.2 - Деаэраторы повышенного давления для ТЭС

Типоразмер деаэратора Давление рабочее абсолютное, МПа (кгс/см2) Габг деаэ фИТЫ затора Масса деаэратора, КГ Турбоустановки (т/у)

Длина (бака), мм Высота, мм

ДП-80/20 0,69 (7,0) 8150 3600 5300 Парогазовые установки

ДП-225/65 0,59 (6,0) 9000 7400 20235 т/у мощностью менее 60 МВт

ДП-500/65 0,59 (6,0) 9000 7070 20850 т/у мощностью 60-И 70 МВт

ДП-500/100 0,69 (7,0) 13500 7070 27800

ДП-1000/100 0,69 (7,0) 13500 8130 30950 т/у мощностью 175:300 МВт

ДП-1000/100-2 1,03 (10,5) скользящее 13500 5700 47000

ДП-1000/120 1,08(11,0) скользящее 17000 7500 55000

ДП-2000/150 0,69 (7,0) 20120 8370 46854 т/у мощностью 500 и 1200 МВт

ДП-2000/185 0,69 (7,0) 24270 8370 52654

ДП-2800/185 0,74 (7,5) 24270 10470 59200 т/у мощностью 800 МВт

Таблица 1.3 - Серийные деаэраторы повышенного давления для АЭС

Типоразмер деаэратора Давление рабочее абсолютное, МПа •у (кгс/см ) Габариты деаэратора Масса деаэратора, кг Тип энергоблока (реактора)

Длина (бака), мм Высота, мм

ДП-2000(2х1000)/120-А 0,70 (7,0) 0,76 (7,6) 17000 8300 43200 ВВЭР-440, РБМК-1000

ДП-2200/120-А 1,2(12) 17340 10680 71300 РБМК-1500

ДП-3200(2х1600)/185-А 0,69 (0,7) 23415 11160 93000 ВВЭР-1000

1.2 Водораспределительные устройства термических деаэраторов

Устройства, используемые для распределения воды в паре в конструкциях термических деаэраторов повышенного давления, условно можно разделить на две группы:

- безнапорные водораспределительные устройства (на распределение воды в основном влияют силы гравитации);

- напорные водораспределительные устройства (распределение воды происходит за счет энергии входящего потока и сил гравитации).

Безнапорные водораспределительные устройства

Существуют несколько видов безнапорных водораспределительных устройств, применявшихся ранее и используемых в настоящее время в термических деаэраторах:

- водораспределительные устройства пленочного типа с упорядоченными насадками;

- водораспределительные устройства пленочного типа с неупорядоченными насадками;

- перфорированные струйные тарелки.

В деаэрационных колонках с упорядоченными насадками исходная вода в виде тонкой пленки стекает по поверхности насадки сверху вниз, а пар движется снизу, т.е. имеет место противоток. Насадка обычно выполнялась из листов различной формы, собираемых в пакеты. При значительной высоте насадки жидкость отклоняется к периферийной части деаэрационной колонки, а пар проходит в середине ее. Для исключения возникающих при этом перекосов в распределении воды и пара по поперечному сечению аппарата между пакетами насадки делались разрывы для того, чтобы собрать жидкость и вновь направить ее на орошение насадки. Для обеспечения равномерного орошения деаэратора водой по всей высоте, пакеты располагались относительно друг друга так, чтобы направление движения пленки менялось на 45° или 90°.

На рисунке 1.1 показаны основные виды применяемых в деаэраторах упорядоченных насадок [11].

Рисунок 1.1 - Основные виды упорядоченных насадок: а - плоскопараллельная из вертикальных листов; б - пакетная из вертикальных листов с расположением смежных пакетов под углом 90°; в - пакетная из наклонных листов; г -зигзагообразная.

Одним из примеров использования упорядоченных насадок в конструкции деаэрационной колонки может служить пленочный деаэратор разработки ОРГРЭС, получивший распространение в 1950-х годах [12].

Деаэрационные колонки с упорядоченными насадками обладали большим вертикальным габаритом, значительным гидравлическим сопротивлением и неустойчивостью в работе. При малых скоростях пара его воздействие на пленку жидкости незначительное. Увеличение скорости парового потока приводит к торможению стекания пленки и увеличению ее толщины. Пар начинает срывать отдельные капли воды и подхватывать их. При этом средняя скорость течения пленки уменьшается и возрастает гидравлическое сопротивление деаэрационной колонки. Дальнейшее увеличение скорости парового потока приводит к накоплению в аппарате жидкости, находящейся в виде эмульсии. Наступает так называемый режим подвисания, сопровождающийся резким возрастанием гидравлического сопротивления деаэрационной колонки. При этом выход

жидкости и выпара из аппарата не прекращается. Дальнейшее повышение скорости пара приводит к заполнению аппарата жидкостью, через которую барботируется пар. Наступает режим «захлебывания» колонки. Последующее повышение скорости пара приводит к обращенному движению жидкости из аппарата [11].

Таким образом, при воздействии парового потока на пленку жидкости гидравлическое сопротивление деаэрационной колонки возрастает за счет:

- уменьшения сечения для прохода пара (особенно в режимах, близких к «захлебыванию»);

- увеличения относительной скорости пара;

- передачи от пара к жидкости части энергии, затрачиваемой на преодоление сил гравитации и потери энергии, вызванной движением волн на поверхности жидкости.

В конструкциях деаэраторов с неупорядоченными насадками неупорядоченная (или нерегулярная) насадка выполнялась из небольших элементов той или иной формы (рисунок 1.2), засыпаемых на опорные решетки в деаэрационной колонке без определенного порядка. При этом деаэрируемая вода стекает по насадке сверху вниз, а навстречу ей движется пар.

В качестве элементов неупорядоченной насадки применяли [13, 14]:

- кольца в виде полых цилиндров, высота которых равна наружному диаметру (кольца Рашига);

- кольца с продольными перегородками (кольца Лессинга);

- кольца с крестообразными и спиральными перегородками;

- кольца с прободенными стенками (кольца Палля);

- седла Берля;

- седла Инталокс;

- омегообразные насадки и др.

Рисунок 1.2 - Типы насадок: а - кольца Рашига; б - кольца Лессинга; в - кольца с крестообразной перегородкой; г - кольца Палля; д - седла Берля; е - седла Инталокс; ж - омегообразные насадки с отверстиями.

Всесоюзный теплотехнический институт (ВТИ) совместно с Барнаульским котельным заводом (БКЗ, ныне ОАО «Сибэнергомаш») применяли омегообразные насадки из нержавеющей стали в деаэрационных колонках производительностью 320 и 500 т/ч, выпускавшихся с 1962 г. для энергоблоков мощностью 200 и 300 МВт [15].

Опыт производства и эксплуатации деаэрационных колонок с неупорядоченными насадками показал, что они обладают следующими недостатками [11]:

- большой расход нержавеющей стали и значительная трудоемкость изготовления насадки определяют высокую стоимость таких водораспределительных устройств.

- неустойчивость насадочного слоя и возможность его перемещения под динамическим воздействием пара и воды. Это приводит к гидравлическим перекосам и снижению эффективности дегазации;

- имеет место смятие насадки в процессе работы, уменьшение ее удельной поверхности и проходных сечений;

- так как пар и вода движутся соосно, то установка водораспределительного устройства с небольшим уклоном приводит к гидравлическим перекосам, особенно при низких нагрузках.

Наибольшее распространение в качестве водораспределительных устройств термических деаэраторов получили перфорированные струйные тарелки, устанавливаемые в деаэрационных колонках.

В таких аппаратах деаэрируемая вода системой перфорированных тарелок дробится на струи, стекающие каскадами сверху вниз. Греющий пар подается в нижнюю часть колонки.

В деаэрационных колонках ДСП-400 и ДСП-225, изготовлявшихся БКЗ до 1970 г., количество установленных перфорированных струйных тарелок достигало семи и восьми соответственно. Это определяло их значительную высоту.

Многолетний опыт эксплуатации, а также исследования серийных одноступенчатых деаэраторов отечественного производства с высокими струйными колонками показали, что они не обеспечивают требуемое качество питательной воды.

К основным недостаткам таких деаэраторов можно отнести [16, 17]:

- большая высота деаэрационной установки (до 8 м), повышенная металлоемкость и сложность внутренних устройств;

- невысокий допустимый нагрев воды при номинальной производительности (10-15 °С);

- эффективность деаэраторов резко понижается как при небольших перегрузках (10-15 % сверх номинальной производительности), так и при нагрузках ниже 40%;

- низкая интенсивность десорбции газов при струйном распределении воды.

Позже БКЗ был налажен серийный выпуск разработанных совместно с НПО ЦКТИ деаэраторов повышенного давления производительностью 225; 500; 1000; 2000; 2200; 2800; 3200 т/ч на рабочее давление 0,6; 0,7 и 1,2 МПа (таблицы 1.2, 1.3). В деаэраторах применена двухступенчатая (струйно-барботажная) схема обработки воды паром. Причем обе ступени расположены в колонках деаэраторов: струйные тарелки - в верхней части колонок, барботажная «непровальная» тарелка — в нижней части.

Для энергоблоков АЭС с реактором ВВЭР-1000 был разработан деаэратор ДП-3200(2х1600)/185-А, состоящий из двух деаэрационных колонок производительностью по 1600 т/ч каждая, установленных на одном деаэраторном баке [10]. Принципиальная схема колонки КДП-1600-А приведена на рисунке 1.3. Энергоблок комплектуется двумя такими деаэраторами.

В конструкции деаэратора ДП-3200(2х1600)/185-А также применена двухступенчатая (струйно-барботажная) схема обработки воды. Основной конденсат подается в деаэрационную колонку и попадает в струйный отсек, где осуществляется его подогрев паром до температуры, близкой к температуре насыщения. Далее вода обрабатывается на барботажной тарелке и стекает в деаэраторный бак. В баке, на завершающей стадии процесса деаэрации, вода «отстаивается». Греющий пар подается в нижнюю часть колонок под барботажную тарелку. При этом часть пара проходит сквозь перфорацию тарелки, обрабатывая воду, и поступает в струйный отсек, а оставшаяся часть пара направляется непосредственно в струйный отсек через пароперепускную трубу. Таким образом, обе ступени деаэрации - струйная и барботажная - расположены в деаэрационной колонке.

Греющий пар

Рисунок 1.3 - Принципиальная схема деаэрационной колонки КДП-1600-А. 1 - переходный штуцер; 2 - горловина; 3 - патрубок; 4 - трубы.

Как показал многолетний опыт эксплуатации на ряде энергоблоков ТЭС и АЭС, деаэрационные колонки производительностью 225-^-2800 т/ч в составе указанных выше серийных деаэраторов работают достаточно надежно. Однако таким деаэрационным установкам присущи недостатки, влияющие на технико-экономические показатели и надежность работы энергоблока. К ним относятся:

- значительная высота и масса деаэрационных колонок;

- повышенная металлоемкость и сложность внутренних устройств колонок;

- ограниченный ресурс узла сопряжения колонки с деаэраторным баком;

- сложности с обеспечением сейсмостойкости деаэрационной установки;

- работа деаэраторов при постоянном рабочем давлении.

Напорные водораспределительные устройства термических деаэраторов В напорных водораспределительных устройствах термических деаэраторов распыливание воды осуществляется с помощью форсунок, клапанов и других устройств.

В качестве примера на рисунке 1.4 показан деаэратор производительностью 70 т/ч для судовой паросиловой установки [18, 19]. Давление в деаэраторе составляет 0,23 МПа. Такие деаэраторы устанавливались на серийных судах типа «Ленинский комсомол», на танкерах типа «Прага» и других судах с паротурбинными установками.

Рисунок 1.4 - Деаэратор производительностью 70 т/ч для судовой паросиловой установки.

1 - корпус; 2 - вход конденсата выпара; 3 - подвод деаэрируемой воды; 4 -удаление выпара; 5 - дополнительная распыливающая головка; 6 - основная распыливающая головка; 7 - подвод греющего пара; 8 - распыливающе-смесительный клапан; 9 - пружины; 10 - поплавковый регулятор верхнего уровня; 11 - поплавковый регулятор нижнего уровня; 12 - направляющие перегородки; 13 - водомерный прибор; 14 - уравнительная труба; 15 - выход деаэрированной воды; 16 - поплавковый датчик аварийного уровня.

Деаэрируемая вода поступает через патрубок 3 в распыливающую головку 6, в которой имеется ряд форсунок или нагруженных пружинами клапанов. Пройдя

через форсунки, вода в распыленном состоянии поступает в верхнюю часть деаэратора. Взаимодействуя с греющим паром, заполняющим внутреннее пространство деаэратора, вода подогревается до температуры, близкой к температуре насыщения, и при этом деаэрируется. Подводимый через патрубок 7 и распыливающе-смесительный клапан 8 греющий пар поступает в паровое пространство деаэратора в виде струи, имеющей форму конуса. На диск клапана 8 сверху стекает разбрызгиваемая вода, которая паром распыливается на мелкие капли, нагревается и окончательно деаэрируется. Смешанная с конденсатом греющего пара деаэрируемая вода стекает в нижнюю часть корпуса деаэратора.

Распыливающе-смесительный клапан 8 посредством штока, системы серег, шарниров, тяг, горизонтального валика и рычагов нагружен пружинами 9, расположенными снаружи корпуса деаэратора. Клапан 8 открывается, преодолевая натяжение пружин 9, под действием давления пара на диск клапана, которое превышает давление в корпусе деаэратора на 0,03-0,05 МПа (0,3^0,5 ата). Избыток давления необходим для создания постоянной скорости пара с целью обеспечения надежного распыливания воды и для преодоления сопротивлений и натяжения пружин. Скорость открывания клапана регулируется демпфером.

Внутри корпуса деаэрационной колонки имеются перегородки 12. Часть воды стекает по стенкам корпуса и этим перегородкам. Поэтому в рассматриваемом деаэраторе наблюдается и пленочная деаэрация.

В деаэратор также подаются дренажные конденсаты из испарительной установки, подогревателей питательной воды и др. Эти конденсаты в зависимости от схемы конденсатно-питательной системы могут подаваться через отдельные патрубки, снабженные невозвратными клапанами и имеющие внутри устройство для разбрызгивания воды, или через дополнительную распыливаюшую головку 5, снабженную такими же форсунками, что и основная головка 6.

На рисунке 1.5 приведена конструкция дополнительной сдвоенной распыливающей головки с десятью форсунками. Подлежащая деаэрации вода подается через патрубок 1 и распыливается в восьми форсунках 2. Через патрубок 4 воду можно независимо подавать еще к двум форсункам.

Рисунок 1.5 - Распиливающая головка деаэратора для судовой паросиловой установки.

1 - подвод воды; 2 - форсунка; 3 - пружина форсунки; 4 - патрубок независимого подвода воды к двум форсункам.

На рисунке 1.6 изображено водораспределительное устройство, ранее применявшееся в конструкции зарубежных термических деаэраторов и запатентованное в ФРГ [11, 20].

Рисунок 1.6 - Распыливающее устройство термических деаэраторов. 1 - бак-аккумулятор; 2 - патрубок; 3 - цилиндр; 4 - камера; 5 - штуцер подвода деаэрируемой воды; 6 - сопловые отверстия; 7 - поршневая заслонка; 8 - шток; 9 - сальник; 10 - пружина; 11 - диск; 12 - гайка; 13 - штуцер подвода пара в затопленное барботажное устройство; 14 - коллектор выпара; 15 - штуцер отвода выпара.

В паровом пространстве бака 1 на штуцере 2 установлен цилиндр 3 с камерой 4 и патрубком 5 для подачи под напором деаэрируемой воды. В цилиндре 3 имеются сопловые отверстия 6, расход воды через которые регулируется поршневой заслонкой 7 на штоке 8, выведенном из аппарата через сальник 9. На шток надета пружина 10, над которой размещается диск 11, зажимаемый штурвалом с гайкой 12. Напряжение пружины 10, стремящейся поднять поршень 7, регулируется этим штурвалом. На поршень 7 воздействует давление воды, подаваемой в патрубок 5; ему противодействует давление в паровом пространстве бака под поршнем и напряжение пружины 10. Поршень приводится в движение разностью указанных давлений. При уменьшении расхода воды давление на поршень снижается и пружиной 10 поршень отжимается вверх. При увеличении расхода воды давление над поршнем возрастает и он перемещается вниз до нового положения равновесия.

Подбирая предварительное напряжение пружины 10, можно обеспечить незначительное изменение разности давлений над и под поршнем с тем, чтобы скорость и форма (характер истечения) выхода воды оставались постоянными.

Пар подается через штуцер 13 под уровень воды в «затопленное» барботажное устройство, расположенное в деаэраторном баке. Проходя через слой воды в баке, пар обрабатывает ее. Затем пар поступает в зону распыла воды, нагревает струи и капли, практически полностью конденсируясь на них. Отвод выпара осуществляется через коллектор 14, присоединенный к трубе 15.

Верхняя граница пучка струй при изменении нагрузки деаэратора остается всегда на одной и той же высоте. Однако при минимальных нагрузках характер истечения может нарушаться и в работе распыливающего устройства (первой ступени деаэратора) появляется гидравлический перекос по воде и пару. Для устранения этого недостатка было разработано представленное на рисунке 1.7 водораспределительное устройство, запатентованное фирмой «Koninklijke Machinefabric Gebr. Stork & Co» [21].

Рисунок 1.7 - Распыливающее устройство фирмы «Koninklijke Machinefabric Gebr. Stork & Co».

1 - бак-аккумулятор; 2 - патрубок; 3 - цилиндр; 4 - камера; 5 - штуцер подвода деаэрируемой воды; 6 - сопловые отверстия; 7 - поршень; 8 - шток; 9 - сальник; 10 - винтовая пружина; 11 - диск; 12 - маховик; 13 - штуцер подвода греющего пара в «затопленное» барботажное устройство; 14 - уровень воды в баке-аккумуляторе; 15 - секторные листы; 16 - торцевая стенка бака-аккумулятора; 17 - дугообразная перегородка; 18 - упор; 19 - штанга; 20 - радиальные листы; 21 - штуцер отвода выпара.

На баке 1 установлен патрубок 2, в который вмонтирован цилиндр 3. На цилиндре расположена камера 4 с патрубком 5 для подачи исходной воды. В цилиндре 3 выполнены сопловые отверстия 6, расположенные в двух противолежащих сегментах, занимающих дугу окружности, соответствующую 90°. К неперфорированным сегментам цилиндра 3 примыкают два листа 15 в форме

секторов, которые расположены под углом, повторяющим форму истечения воды, и оканчиваются ниже уровня воды 14. Один из листов 15 примыкает к торцовой стенке 16 бака-аккумулятора, а второй - к вертикальной дугообразной перегородке 17, доходящей до периферийной стенки бака. Листы 15 ограничены с боков радиальными листами 20, примыкающими к стенке бака-аккумулятора, благодаря чему пар не может проникать в пространство над листами 17.

Расход воды через сопловые отверстия 6 регулируется поршнем 7, закрепленным на штоке 8, который выводится через сальник 9. Остальные узлы и принцип работы данного водораспределительного устройства такие же, как и у описанного выше. Преимуществом данного устройства является то, что даже при минимальных нагрузках деаэратора в работе остаются несколько рядов сопловых отверстий, образующих достаточно эффективный распыл воды. Пар, поднимающийся с поверхности воды в баке-аккумуляторе, нагревает струи и капли.

Фирма «Stork» (Нидерланды) длительное время занимается вопросами, связанными с разработкой напорных водораспределительных устройств для термических деаэраторов и имеет ряд наработок в этой области.

В конструкции деаэраторов малой производительности (до 30 т/ч) фирма применяла делительные форсунки.

Такая форсунка управляется пневматическим сервомотором, который получает импульсы от регулятора уровня, предназначенного для поддержания в деаэраторе постоянного уровня и одновременно для регулирования производительности. Форсунка открывается шире при понижении уровня в деаэраторе и, наоборот, прикрывается при повышении уровня.

При использовании форсунки производительностью 30 т/ч на малых нагрузках (10 т/ч и ниже) открыто небольшое число отверстий для выхода воды. Для обеспечения плотного струйного пучка в этих условиях разработаны следующие впрыскивающие системы:

1. Сегментная форсунка, в которой часть отверстий в цилиндре перекрывается пластинами. В работе остаются два сегмента струйного пучка, обеспечивая таким образом его плотность.

2. Клапанная форсунка с воздушным управлением. В этом случае цилиндр форсунки не имеет отверстий, а шток поршня снабжен коническим фасонным клапаном. Такая конструкция обеспечивает плотный струйный пучок даже при низких нагрузках. Эта форсунка применяется на небольших деаэраторах (например, с испарителями и вертикальными паровыми редукционными клапанами). Недостатком такого типа форсунок является их чувствительность к небольшим изменениям давления и загрязнениям, которые нарушают плотный струйный пучок.

3. Центробежная форсунка с воздушным управлением. Деаэрируемая вода по касательной подводится в цилиндр через профилированные отверстия. Плунжер прикрывает эти отверстия в большей или меньшей степени, регулируя таким образом расход воды. Перемещение плунжера (из-за его малых величин) осуществляется посредством мембранного сервомотора одностороннего действия, снабженного клапанным позиционером. При необходимости перепад давления в конических отверстиях может поддерживаться постоянным с помощью отдельного регулятора перепада давления. В такой форсунке тонкое распыливание достигается благодаря тому, что нижняя часть цилиндра, открываемая плунжером, сконструирована в виде вихревой камеры и при любой нагрузке вода не может покинуть цилиндр, не приобретя вращательного движения. При выходе воды из вихревой камеры центробежная сила обеспечивает равномерно распределенный пучок мелких водяных капель. При постоянном перепаде давления в отверстиях скорость капель не зависит от нагрузки. Даже при нагрузке 5% от номинальной достигается равномерно распределенный плотный струйный пучок. При достаточно большом диаметре вихревой камеры получается струйный пучок с большим углом при вершине даже при максимальной нагрузке, т.е. форма струйного пучка практически не зависит от нагрузки.

Для деаэрационных установок производительностью до 700 т/ч фирма «Stork» ранее использовала форсунку с регулировочной пружиной, показанную на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 - Форсунка с регулировочной пружиной фирмы «Stork».

Такая форсунка состоит из цилиндра, в котором выполнены впрыскивающие отверстия, расположенные по двойной винтовой линии. Цилиндр содержит поршень, нагруженный пружиной, который в зависимости от занимаемого положения открывает больше или меньше впрыскивающих отверстий. Таким образом, питательная вода, подаваемая под поршень, попадает через изменяющееся сечение в деаэратор. При увеличении нагрузки большее количество воды должно быть подано в деаэратор и, следовательно, поршень должен открыть больше отверстий, заняв более низкое положение. При этом необходимо более высокое давление на поршень, чтобы преодолеть натяжение пружины, т.к. давление в деаэраторе остается постоянным. Поэтому при увеличении нагрузки увеличивается перепад давления во впрыскивающих отверстиях и возрастает скорость капель воды.

Для форсунок с регулировочной пружиной напор, необходимый для впрыскивания воды, находится в пределах между 1 м.в.ст. (минимальная нагрузка) и 5 м.в.ст. (полная нагрузка). Регулирующий клапан подачи воды в деаэратор установлен на подводящем к форсунке трубопроводе. При снижении нагрузки сопротивление форсунки падает, а регулирующего клапана увеличивается. Однако,

при скользящем давлении сопротивление регулирующего клапана увеличивается заметнее, а скорость впрыскивания остается такой же.

При необходимости регулировать работу деаэратора в более широких пределах, чем это возможно с помощью форсунки с регулировочной пружиной, фирма «Stork» использовала форсунку с воздушным управлением. Перепад давления в такой форсунке поддерживается постоянным автоматической системой регулирования, что гарантирует постоянство скорости капель воды во всем диапазоне изменения нагрузок.

На рисунке 1.9 представлено принципиальное устройство такой форсунки, поршень которой перемещается сервомотором двойного действия, снабженным клапанным «позиционером». Регулирующим импульсом может служить перепад давления на форсунке, который поддерживается регулятором, а также уровень в конденсаторе или расход пара.

Рисунок 1.9 - Форсунка с воздушным управлением фирмы «Stork».

В форсунке с воздушным управлением обеспечивается более точное регулирование положения поршня, чем в форсунке с регулировочной пружиной, т.к. регулирующим усилием в последней является перепад давления на поршне. Улучшенное управление положением поршня имеет особенное преимущество при параллельной эксплуатации нескольких деаэраторов или при установке на одном деаэраторе двух (или более) форсунок, когда желательно, чтобы все форсунки были одинаково загружены. В этих случаях необходимо, чтобы форсунки были

связаны с общей конденсатной системой, которая обеспечивает равномерное распределение воды по форсункам. Система из двух форсунок на одном деаэраторе применялась, когда производительность превышала 700 т/ч.

Для электростанций, работающих на органическом топливе и атомных электростанций с водо-водяными и кипящими реакторами большой мощности фирмой «Stork» разработано низконапорное водораспределительное устройство (струйная форсунка) для деаэраторов повышенного давления производительностью 300-^-1200 т/ч [22], конструкция которого показана на рисунке 1.10. Цифры без скобок указаны для производительности 600 т/ч, в скобках - для производительности 1200 т/ч.

Такие водораспределительные устройства применены в деаэраторах, установленных на ряде энергоблоков ТЭС и АЭС Западной Европы и других стран (например, Phillipsburg 2 Nuclear Power St. в Германии, Nuclear Power St. Borssele в Нидерландах, Trillo в Испании и др.).

На АЭС «Бушер» в Иране струйные форсунки фирмы «Stork» предполагалось использовать в составе деаэратора фирмы «Deutshe Babcock FG» в схеме турбоустановки Kraftwerk Union (KWU) мощностью 1300 МВт. После проведения экспериментальных и расчетных исследований, приведенных в главе 4 настоящей работы, была подтверждена возможность применения указанного деаэратора в схеме турбоустановки Ленинградского металлического завода (JIM3) мощностью 1000 МВт энергоблока №1 АЭС «Бушер».

Форсунка работает следующим образом. Разбрызгивание воды осуществляется через узкую щель между двумя упругими элементами тарельчатого типа. Кольцеобразное выходное сечение зубчатой формы обеспечивает размер капель и равномерность их распределения аналогично описанному выше водораспределительному устройству фирмы «Stork» с пружинным регулятором. Для увеличения производительности несколько пар тарелок устанавливаются друг над другом и зажимаются тягами 2 между перфорированными кольцами 1. Для равномерного распределения воды между тарелками используется распределитель потока 3, ниже которого установлен сборник 4 для сбора элементов загрязнений.

Рисунок - 1.10 Форсунка большой производительности фирмы «Stork». 1 - перфорированные кольца; 2 - тяги; 3 - распределитель потока; 4 - сборник.

В нерабочем состоянии концы тарелок прижимаются друг к другу с заданным предварительным напряжением. Под действием напора воды тарелки прогибаются и происходит распыл воды.

1.3 Сопоставление технических характеристик колонкового и

бесколонкового термических деаэраторов для турбоустановок мощностью 1000 МВт энергоблоков с реактором ВВЭР-1000

Для проведения сопоставительного анализа выбраны деаэраторы, примененные в составе турбоустановок мощностью 1000 МВт блоков с реактором ВВЭР-1000: серийный деаэратор ДП-3200(2х1600)/185-А (рисунок 1.11), установленный на ряде отечественных энергоблоков АЭС, и деаэратор энергоблока №1 АЭС «Бушер» (рисунок 1.12).

Основной конденсат

Грєюций

ПОР

. Выпар

03 4 4-Є

\ )

Деаэрированная вода

)

£3415

Рисунок - 1.11 - Серийный деаэратор ДП-3200(2х1600)/185-А.

Принципиальная схема (рисунок 1.3) и описание работы деаэрационной колонки КДП-1600-А, входящей в состав серийного деаэратора ДП-3200(2x1600)/185-А, приведены в разделе 1.2. настоящей главы.

Устройство деаэратора энергоблока №1 АЭС «Бушер» представлено на рисунке 1.12. В деаэраторе применена двухступенчатая схема обработки воды: первая ступень - струйно-капельная, вторая - барботажная.

Конструктивно деаэратор является бесколонковым аппаратом. Струйно-капельная (водораспределительная) ступень, включающая пять форсунок фирмы

«Stork», размещается в паровом объеме бака. Для интенсификации процесса нагрева воды в струйной ступени, в верхней части парового объема бака деаэратора установлены десять перегородок (по две на каждую форсунку). Барботажная ступень, включающая основное и пусковое барботажные устройства, размещается в водяном объеме бака.

Л

Заключение диссертации по теме «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты», Егоров, Павел Викторович

Заключение

В заключении сформулируем основные результаты выполненной работы:

1. Выполнен обзор существующих конструкций деаэрационных колонок термических деаэраторов повышенного давления. Выявлены их недостатки и сформулированы пути интенсификации процессов, протекающих в деаэраторах и, в частности, использование конденсации пара на поверхности струй и капель «недогретой» воды.

2. Проведен анализ противоречий, связанных с традиционным использованием при построении корреляционных зависимостей для теплоотдачи осредненных по текущей длине параметров струи вместо локальных в сочетании с логарифмическим температурным напором. Показано, что при существенном изменении коэффициента теплоотдачи вдоль струи использование логарифмической формы решения при описании процесса может привести к большим погрешностям.

3. Предложена схема построения расчетной зависимости для определения локальной теплоотдачи, обладающая ясным физическим смыслом, использующая учет влияния волновой формы межфазной поверхности на характеристики турбулентного переноса тепла с помощью методики В.Г. Левича. Этот подход дает возможность определить количественно показатели степени в зависимости теплоотдачи от чисел Вебера и Онезорге без привлечения экспериментальных данных, что существенно увеличивает ее надежность при экстраполяции за пределы экспериментально исследованных интервалов.

4. В предлагаемой зависимости для коэффициента теплоотдачи используются локальные параметры струи, что позволило учесть особенности начального участка струи, а в перспективе обеспечивает также возможность учета влияния относительной длины сопла.

5. Предложена упрощенная методика для определения теплоотдачи на участке распада струи, дающая возможность уточнить величины подогрева струи при практических расчетах термических деаэраторов повышенного давления.

6. Разработаны конструкции новых деаэрационных колонок термических деаэраторов питательной воды для отечественных и зарубежных энергоблоков АЭС мощностью 800, 1000 и 1200 МВт.

7. Проведены экспериментальные и расчетные исследования водораспределительного устройства (струйной форсунки) с переменным выходным сечением бесколонкового термического деаэратора. Анализ процесса показал, что коэффициент гидравлического сопротивления форсунки слабо зависит от температуры воды. Это позволяет на основе полученных результатов на холодной воде надежно оценить потери давления в любых рабочих режимах деаэратора.

8. Выполнены теплогидравлические расчеты бесколонкового термического деаэратора, предназначавшегося ранее для турбоустановки К\\^и мощностью 1300 МВт. Расчеты показали, что применение в конструкции деаэратора эффективных струйных форсунок и «затопленного» барботажного устройства позволяют достаточно надежно обеспечить необходимые нагрев и деаэрацию воды во всех расчётных режимах работы отечественной турбоустановки ЛМЗ мощностью 1000 МВт энергоблока №1 АЭС «Бушер» в Иране.

9. Проведено изучение вопросов, касающихся перехода в отечественной практике на бесколонковую конструкцию термических деаэраторов большой производительности, применяемую на ряде зарубежных энергоблоков. При реализации такого технического решения процессы нагрева воды переносятся в паровое пространство деаэраторного бака, что требует, главным образом, применения эффективных струйно-капельных форсунок и некоторого увеличения парового объема деаэратора. Вопрос о разработке отечественных бесколонковых деаэраторов целесообразно рассмотреть в дальнейшем при проектировании перспективных энергоблоков ТЭС и АЭС.

9. Результаты настоящей работы были использованы при разработке технических проектов деаэраторов питательной воды новых энергетических блоков Нововоронежской АЭС-2, Ленинградской АЭС-2, АЭС «Куданкулам» в Индии, Белоярской АЭС, Ростовской АЭС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Егоров, Павел Викторович, 2013 год

Список литературы

1. ГОСТ 16860-88 Деаэраторы термические. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. - 6 с.

2. Гиммельберг, A.C. Деаэратор с малогабаритной деаэрационной колонкой для энергоблоков мощностью 300 МВт / A.C. Гиммельберг, В.Г. Михайлов, Г.В. Григорьев, JI.A. Хоменок, П.В. Егоров, Н.Е. Шилова, Б.М Соколов // Электрические станции. - 2006. № 4. - с. 17.

3. Григорьев, Г.В. Укрупненные термические деаэраторы с горизонтальной колонкой для мощных энергоблоков АЭС / Г.В. Григорьев, A.C. Гиммельберг, П.В Егоров, Н.Е. Шилова, В.Г. Михайлов, А.Н. Баева // Теплоэнергетика. -2008. № 2 - с.62.

4. Гиммельберг, A.C. Новые термические деаэраторы для ТЭС и котельных / A.C. Гиммельберг, Г.В. Григорьев, В.Г. Михайлов, П.В. Егоров, Н.Е. Шилова // Сборник докладов научно-практического семинара «Ресурс и надежность тепломеханического оборудования энергетических и промышленных предприятий». - 2006. Выпуск 2. - с.85.

5. ПБ 03-576-03 Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. - СПб.: Издательство ДЕАН, 2003.

6. ПНАЭ Г-7-008-89 Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

7. ОСТ 108.301.01-81 Деаэраторы термические атомных электростанций. Основные параметры и общие технические требования. - СПб.: НПО ЦКТИ, 1988.

8. Каталог-справочник 18-7-71 в двух томах. Деаэраторы атмосферного и повышенного давления. Деаэраторы вакуумные. - М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1972.

9. Отраслевой каталог 20-89-09 Теплообменное оборудование паротурбинных установок. Часть I. - М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1989.

10. Отраслевой каталог 77-94 Деаэраторы термические. - М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1995.

11. Оликер, И.И. Термическая деаэрация воды на тепловых электростанциях / И.И. Оликер, В.А. Пермяков. - Д.: Энергия, 1971.

12. Копьев, С.Ф. Вспомогательное оборудование машинных цехов электростанций / С.Ф Копьев. - Москва: Госэнергоиздат, 1954.

13. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии /

A.Г. Касаткин. - Госхимиздат, 1960.

14. Рамм, В.М. Абсорбция газов / В.М. Рамм. - М.: Химия, 1966.

15. Столяров, Б.М. Результаты испытаний деаэраторов повышенного давления ДСП-320 и ДСП-500 с омегообразной насадкой / Б.М. Столяров. - М.: Информационное сообщение ВТИ № Т-30/66. БТИ ОРГРЭС, 1967.

16. Труды ЦКТИ Теплообменная аппаратура паротурбинных установок. Выпуск 63.-СПб., 1965.

17. Грищук, И.К. Наладка, эксплуатация и испытание деаэрационных колонок БКЗ / И.К. Грищук // Электрические станции. - 1957. - № 2.

18. Агафонов, В.А. Судовые конденсационные установки / В.А. Агафонов,

B.Г. Ермилов, Е.В Панков. - Л.: СУДПРОМГИЗ, 1963.

19. Анатолиев, Ф.А. Теплообменные аппараты судовых паросиловых установок / Ф.А. Анатолиев. - Л.: СУДПРОМГИЗ, 1963.

20. Патент ФРГ. Класс 13в, 15/01, № 932185, 1955.

21. Патент Швейцарии. Класс 13в, 15/01, № 378906, 1964.

22. Экспресс информация. Научно-исследовательский институт экономики, организации производства и технико-экономической информации в энергетическом машиностроении, 1978 г.

23. Whitman W.G. «Chem. Met. End.», 1923, 29, 147.

24. Higbie R. «Trans of Am. Inst. Chem. Eng.», 1935, 31, N 2, 365.

25. Danckwerts «Ind. Eng. Chem.», 1951, 43, N 6, 1460.

26. Кафаров, B.B. Основы массопередачи. «Высшая школа» / В.В Кафаров, 1962.

27. Грищук И.К. Эксплуатационные характеристики дегазационных колонок. Сб. «Повышение параметров пара и мощности агрегатов в теплоэнергетике / И.К. Грищук. - Госэнергоиздат, 1961.

28. Оликер, И.И. Исследование процесса термической дегазации воды под вакуумом при барботаже водяным паром : дис. канд. тех. Наук / Оликер Исай Иосифович. - МИСИ, 1964.

29. Готовский, М.А. Анализ теплоотдачи при конденсации насыщенного пара на поверхности струй недогретой воды применительно к теплообменным аппаратам смешивающего типа для АЭС / М.А. Готовский, П.В. Егоров, Ю.Г. Сухоруков // XIV Минский международный форум по тепло- и массообмену. Тезисы докладов и сообщений. Том 2, часть 1. Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова НАН Беларуси. - Минск, 2012.

30. Кутателадзе, С.С. Теплопередача при конденсации и кипении. / С.С. Кутателадзе. - М-Л.: Машгиз, 1952. - 212 с.

31. Абрамович, Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. / Г.Н. Абрамович. - М.: ГЭИ , 1960.

32. Hasted, В.Р. The Physics behind water mist systems / B.P. Hasted, G. Holmsted, T. Herzberg // Proc IWMA conference 2004. - Rome, Italy (Web copy, 15 pp).

33. Kim, S. Condensation on Coherent Turbulent Liquid Jets, J.Heat Transfer. / S. Kim, K.F. Mills, 1989. - v. 111, pp. 1068-1082.

34. Johnson, D. et al. High Pressure Jet Condensation Heat Transfer Experimental Studies. (Preprint of Penn. Univ.), 2010.

35. Исаченко, В.П. Теплообмен при конденсации / В.П. Исаченко. - М.: Энергия, 1977.-239 с.

36. Celata, G.P. A comprehensive analysis of direct 5 contact condensation of saturated steam on subcooled liquid jets, Int. J. Heal Mass Transfer / G.P. Celata, M. Cumo, G.I. Farello, G. Focardi. - 1989, v. 32, No. 4, pp. 639-654.

37. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. -Новосибирск: Наука, СО, 1970. - 659 с.

38. Левин, В.Г. Физико-химическая гидродинамика / В.Г. Левин. - ФМЛ, 1962. - 650 с.

39. Шкловер, Г.Г. Обобщение экспериментальных данных по конденсации пара в условиях вакуума на вертикальной струе / Г.Г. Шкловер, Н.Д. Родивилин // Теплоэнергетика. - 1970. - № 10. - с. 27.

40. Волков, Д.И. Теплообмен при конденсации пара на струе жидкости / Д.И. Волков, В.И. Иванов, В.А. Чистяков // Сборник статей «Теплообмен в двухфазном потоке». Труды ЦКТИ. - 1988. - вып.241. - с.113.

41. Трофимов, Л.И. Экспериментальное исследование теплопередачи при конденсации пара на струях воды / Л.И. Трофимов // Теплоэнергетика. -2002. - № 2. - с.64.

42. Ерошкина, Е.В. Экспериментальное исследование теплообмена при конденсации пара из пароводяной смеси на струях холодной воды при высоком давлении / Е.В. Ерошкина, В.И. Кисина, А.Л. Шварц, A.B. Колбасников // Теплоэнергетика. - 2007. - № 1. - с. 53.

43. Сомова, Е.В. Процесс конденсации пара из пароводяной смеси на струях воды при высоком давлении / Е.В. Сомова, В.И. Кисина, А.Л. Шварц, A.B. Колбасников // Теплоэнергетика. - 2009. - № 1. - с. 63.

44. Сомова, Е.В. Исследования смешивающего подогревателя питательной воды на фрагменте II контура реакторной установки нового поколения / Е.В. Сомова, В.И. Кисина, А.Л. Шварц, A.B. Колбасников // Теплоэнергетика. - 2009. - № 6. - с. 59.

45. Trinh, Н.Р. Modeling of Turbulence Effect on Liquid Jet Atomization / H.P. Trinh. - NASA, Alabama, 2007.

46. Уголева, И.Р. Обобщение опытных данных по тепло- и массообмену движущейся паровоздушной смеси с каплями воды / И.Р. Уголева, Б.Г. Гордон, A.C. Григорьев // Теплоэнергетика. - 1989. - № 8. - с. 74.

47. Celata, G.P. Direct Contact Condensation of Steam on Droplets / G.P. Celata, M. Cumo, D'Annibale, G.E. Farello. - Int. J. Multiphase Flow. - 1991, v. 17, № 2, pp.191-211.

48. Takahashi, M. Heat Transfer in Direct Contact Condensation of Steam to Subcooled Water Spray / M. Takahashi, A.K. Nayak, S. Kitagawa, H. Murakoso. - J. Heat Transfer.

49. Brennen, C.E. Fundamentals of Multiphase Flows / C.E. Brennen. - Cambridge University Press, 2005. - pp.293-299.

50. Kolev, N.I. Multiphase Flow Dynamics 2. Thermal and Mechanical Interactions / N.I. Kolev. - Springer, 2007. - pp.273-295.

51. Clift, R. Bubbles, Drops and Particles / R. Clift, J.R. Grace, M.E. Weber. -Academic Press, 1978. -pp.97-142

52. Нормы расчетов на прочность элементов реакторов, парогенераторов, сосудов и трубопроводов атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок. - М.: Металлургия, 1973.

53. ОП 1513-72 Основные положения по сварке и наплавке узлов и конструкций атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок. - М.: Металлургия, 1975.

54. ПК 1514-72 Правила контроля сварных соединений и наплавки узлов и конструкций атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок. -М.: Металлургия, 1975.

55. ПНАЭ Г-7-002-86 Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

56. РТМ 108.030.21 Расчет и проектирование термических деаэраторов. - JL: НПОЦКТИ, 1979.

57. Патент - 47874 РФ, МПК С 02F 1/20 A, F 22D 1/50 В. Термический деаэратор / А.С. Гиммельберг, В.Г. Михайлов, Г.В. Григорьев, П.В. Егоров, Н.Е. Шилова; ОАО «НПО ЦКТИ». - № 2005113140/22; Заяв. 29.04.2005; Опубл. 10.09.2005, Бюл. № 25.

58. Патент - 2274803 РФ, МПК F22D 1/50. Термический деаэратор / А.С. Гиммельберг, В.Г. Михайлов, Г.В. Григорьев, П.В. Егоров, Н.Е. Шилова;

ОАО «НПО ЦКТИ». - № 2005111337; Заяв. 18.04.2005; Опубл. 20.04.2006, Бюл. №11.

59. Патент - 2314262 РФ, МПК C02F 1/20. Термический деаэратор / A.C. Гиммельберг, В.Г. Михайлов, Г.В. Григорьев, П.В. Егоров, Н.Е. Шилова, А.Н. Баева; ОАО «НПО ЦКТИ». - № 2006107507; Заяв. 10.03.2006; Опубл.

10.01.2008, Бюл. № 1.

60. Патент - 2352860 РФ, МПК F22D 1/50. Термический деаэратор / A.C. Гиммельберг, В.Г. Михайлов, Г.В. Григорьев, П.В. Егоров, Н.Е. Шилова, А.Н. Баева; ОАО «НПО ЦКТИ». - № 2007126307; Заяв. 10.07.2007; Опубл.

20.04.2009, Бюл. № 11.

61. Патент - 2473009 РФ, МПК F22D 1/50. Термический деаэратор / A.C. Гиммельберг, М.В. Чупраков, П.В. Егоров, Г.В. Григорьев, В.Г. Михайлов, А.Н. Баева, А.Д. Эрнандес; ОАО «НПО ЦКТИ». - № 2011127612; Заяв. 05.07.2011; Опубл. 20.01.2013, Бюл. № 2.

62. Решение о выдаче патента на изобретение. Термический деаэратор / A.C. Гиммельберг, П.В. Егоров, М.В. Чупраков, Г.В. Григорьев, В.Г. Михайлов, А.Н. Баева, Н.Е. Шарапова; ОАО «НПО ЦКТИ». - № 2011127609; Заяв. 05.07.2011.

63. Материалы UGB Kraftwerkstecnik, 1978, 58. - № 4. - с 261.

64. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик. -М.: Машиностроение, 1975г.

65. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. - М.: Атомиздат, 1979г.

66. Абрамович, Г.Н. Турбулентный теплообмен в струе при наличии конденсации / Г.Н. Абрамович, А.П. Проскуряков. - Издательство бюро новой техники НКАП, 1945г.

67. Вукалович, М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара / М.П. Вукалович. — М.: Машиностроение, 1967г.