4.4. Сетевые насосы

Сетевые насосы устанавливаются на ТЭС индивидуально (на каждую турбоустановку) или как групповые. Число насосов регламентируется [1] следующим образом: при индивидуальной установке ставят два насоса по 50% производительности каждый; на складе предусматривается один резервный насос для всей ТЭЦ или один на каждый тип насосов.

При групповой установке сетевых насосов, если число их не более трех, устанавливается один резервный насос; при четырех насосах и более – резерва не устанавливают.

Подача насосов рассчитывается по расходу сетевой воды D_св, определяемому при расчете тепловой схемы.

Подогреватели сетевой воды современных турбин (от ПТ – 60/80 – 130 до Т – 250/300 - 240) допускают давление воды до 0,8 МПа; сопротивление трубопроводов теплосети значительно выше. Это приводит к необходимости

19

применять две ступени сетевых насосов: первая ступень (СН I) устанавливается до сетевых подогревателей, вторая (СН II) – перед ПВК.

Давление нагнетания СН I, Р_н^I, МПа, рассчитывается на преодоление сопротивления подогревателей и создания допустимого кавитационного запаса на входе в насос второй ступени:

Р_н^I = Р_сп1 + Р_сп2 + Р_в^II.

Кавитационный запас Р_в^II указан в справочнике [6] и составляет в зависимости от производительности насоса 0,05 – 0,40 МПа. Входное давление насосов первой ступени Р_в^I определяется давлением обратной сетевой воды (0,3 – 0,5 МПа). Давление нагнетания сетевых насосов второй ступени Р_в^II в зависимости от сопротивления внешних трубопроводов теплосети составляет 1,5 – 2,2 МПа. Электропитание сетевых насосов производится от двух независимых источников.

Конденсат сетевых подогревателей СП1 и СП2 составляет основную часть потока питательной воды котлов. Конденсатные насосы подогревателя второй ступени СП2 устанавливают без резерва; насосы подогревателя первой ступени СП1 имеют резервный насос.

5. Тепловой расчет регенеративных и сетевых подогревателей

Тепловые расчеты подогревателей могут выполняться как поверочные или как конструкторские. В результате конструкторского расчета определяются поверхность нагрева и конструктивные размеры подогревателя. Целью поверочного расчета является определение температуры одного из теплоносителей или величины подогрева.

Исходные данные принимаются из расчета тепловой схемы или данных испытаний. К ним относятся расход и параметры греющего пара, расход нагреваемой воды, её давление и температура на входе в подогреватель.

20

В основе теплового расчета лежат уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи.

Для условий, когда одним из теплоносителей является пар, а другим – вода, уравнение теплового баланса имеет вид

Q = G (h^I_в - h^II_в) = D_п (h_п – h_др) (5.1)

Здесь Q – поток теплоты, передаваемой нагреваемой среде в подогревателе, кВт; G, D_п – расходы пара и воды, кг/с; h^I_в, h^II_в – удельные энтальпии нагреваемой воды на выходе и на входе в подогреватель, кДж/кг; h_п, h_др – удельные энтальпии греющего пара на входе в подогреватель и конденсата греющего пара (дренажа) на выходе из подогревателя соответственно, кДж/кг;  - коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду (равен 0,98 – 0,99).

Поверхность нагрева определяется из уравнения теплопередачи

Q = kF t_ср (5.2)

Здесь k – коэффициент теплопередачи, кВт/м²К; t_ср – средний температурный напор для поверхности нагрева, К.

Расчеты регенеративных и сетевых подогревателей идентичны. У сетевых подогревателей. отсутствуют охладители пара и дренажа, в связи с чем их расчет упрощается.

Для регенеративного подогревателя, в котором предусмотрены охладитель пара и охладитель конденсата (дренажа) греющего пара, поток теплоты равен

Q = Q_п.о+ Q_с.п+ Q_о.д (5.3)

Здесь:

• количество теплоты, передаваемой в охладителе пара

Q_п.о = G_п.о (h^II_п.о - h^I_п.о) = D_п (h_п - h_п.о) _п = k_п.о F_п.о t_ср (5.4)

• количество теплоты, передаваемой в собственно подогревателе

Q_с.п = G_с.п (h^II_с.п - h^I_с.п) = D_п (h_п.о – h^в_н) _п = k_с.п F_с.п t_ср (5.5)

количество теплоты, передаваемой в охладителе дренажа

Q

21

_о.д = G_о.д (h^II_о.д - h^I_о.д) = D_п (h^в_н – h^в_др) _п = k_о.д F_о.д t_ср (5.6)

В уравнениях (5.4) - (5.6) h слева – удельные энтальпии нагреваемой среды (воды) на входе и выходе в подогреватели; h справа – удельные энтальпии пара на входе и выходе из каждого отсека (h_п – пар на входе в подогрев; h_п.о – пар на выходе из пароохладителя; h^в_н – пар в состоянии насыщения, h^в_др – конденсат пара).

П

а)

ри проведении тепловых расчетов количество теплоты, передаваемой в отдельных элементах подогревателей, оценивается по температуре греющей и нагреваемой сред (рис. 5.1).

Рис.5.1. Схема движения сред (а) и температурный график

теплоносителей (б)

22

Так, температура воды на выходе из охладителя пара t_п.о может приниматься по температуре насыщения t_н:

t_п.о = t_н + (10 – 25) ^оС,

а температура среды на выходе из охладителя конденсата

t_др = t^I_в + (5 – 10) ^оС.

Для собственно подогревателя температуру греющей среды можно принять постоянной и равной температуре насыщения при давлении греющего пара. Для уменьшения габаритов охладителя конденсата и охладителя пара через них пропускается только часть поступающей в подогреватель воды (10 – 20 %). После смешения потоков воды за охладителем конденсата температура воды на входе в собственно подогреватель t^II_с.п становится ниже t^II_о.д. Аналогично при принятой схеме включения охладителя пара температура воды на выходе из подогревателя t^II_с.п будет ниже t^II_о.п.

Недогрев воды до температуры насыщения в собственно подогревателе и минимальные температурные напоры в охладителях пара и конденсата выбираются на основании технико-экономических расчетов.

Уменьшение температурных напоров приводит к повышению тепловой экономичности блока (за счет более полного использования теплоты отборного пара), но сопровождается ростом металлозатрат и капиталовложений в подогреватели. Можно рекомендовать следующие температурные напоры:

Минимальный температурный напор	ПВД	ПНД
tо.п	10 - 15	7 – 12
tс.п	3 - 5	2 – 4
tо.к	6 - 10	3 - 6

Средний температурный напор для поверхностей нагрева отдельных элементов и подогревателя в целом определяется как среднелогорифмический; т. е.

t_ср = (t_б - t_м) / ln(t_б / t_м) (5.7)

23

Здесь большие и меньшие температурные разности определяются в соответствии с графиком (рис. 5.1) для собственно подогревателя t_б = t_н - t^I_с.п, t_м = t_н - t^II_с.п, для охладителя пара (при противотоке) t_б = t_н - t^II_в и t_м = t^II_о.п - t^I_с.п, для охладителя конденсата t_б = t_н - t^I_с.п и t_м = t^II_о.к - t^I_в.

Для тонкостенных труб, применяемых в регенеративных подогревателях, с достаточной степенью точности можно определить коэффициент теплопередачи по формуле для плоской стенки

k = (1/ ₁ + _ст / _ст +  _н / _н + 1/ ₂) ^–1 (5.8)

Здесь  ₁ и  ₂ – коэффициенты теплоотдачи от греющей среды к стенке труб и от стенки к нагреваемой среде соответственно, Вт/ м² К;  _ст,  _ст,  _н,  _н – соответственно толщины стенки труб и слоя накипи, м, и коэффициенты теплопроводности металла и накипи, Вт/ м К.

При расчете регенеративных подогревателей термическим сопротивлением стенки можно пренебречь, а накипь на стенках труб практически всегда отсутствует.

Поверхность теплообмена подогревателя F определяется из уравнения теплопередачи. Для подогревателей принято определять её значения по наружному диаметру труб F_н:

F_н = (Q/kt_ср)  (d_н /d_р) (5.9)

где значение d_р = d_вн при  ₁   ₂; d_р = 0,5 (d_вн = d_н) при  ₁   ₂ и d_р = d_н при

 ₁   ₂.

Для определения k и последующего определения F_н необходимо вычислить  ₁ и  ₂. При определении коэффициентов теплоотдачи важным является значение условий теплообмена и состояния теплопередающих сред. Так, например, в охладителе пара и конденсата теплообмен протекает без изменения агрегатного состояния вещества. В собственно подогревателе агрегатное состояние пара изменяется. Для всех элементов регенеративных

п

24

одогревателей характерно вынужденное движение нагреваемой среды, при этом режим движения, как правило, турбулентный.

Теплообмен с однофазной средой при течении внутри труб и в каналах произвольной формы поперечного сечения (продольное омывание) при l/d_э  40 и турбулентном режиме (Re  10⁴) характеризуется уравнением

Nu = 0,021 Re^0,8 Pr_ж^0,43 (Pr_ж/Pr_ст)^0,25 (5.10)

Здесь Nu =  d_э/ - число Нуссельта, в состав которого входит искомый коэффициент теплоотдачи; d_э – определяющий размер: при течении среды в трубах используется внутренний диаметр d_вн, а при продольном обтекании труб и каналов – эквивалентный диаметр d_э = 4f /P, где P – смоченный периметр; f – площадь поперечного сечения канала, м². Число Рейнольдса Re = wd_э/v определяет режим движения среды, где w – скорость, м/с, и v – коэффициент кинематической вязкости, м²/с. Число Прандтля Pr = v/а характеризует физические свойства среды, где а – коэффициент её температуропроводности, м²/с. Индексы «ж» и «ст» при числе Pr указывают на значения температуры, при которой определяется это число. При нагревании воды или пара температура стенки труб близка к температуре среды и значение Pr_ст оказывается близким значению Pr_ж. Отношение Pr_ж/Pr_ст в этом случае принимают равным 1.

При развитом турбулентном движении жидкости (Re  10⁴) в трубах и прямолинейных каналах некруглого сечения с достаточной степенью точности можно использовать вместо (5.10) уравнение вида

Nu = 0,023 Re^0,8 Pr_ж^0,4 _l (5.11)

Коэффициент _l учитывает изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы. Если l/d_э  50, то _l = 1, при l/d_э  50 значения _l даны в таблице (5.1)

25

Таблица 5.1

Значения коэффициента _l в формуле (5.11)

Re	l/dэ
	1	2	5	10	15	20	30	40
1104	1,65	1,50	1,34	1,23	1,17	1,13	1,07	1,03
2104	1,51	1,40	1,27	1,18	1,13	1,10	1,05	1,02
5104	1,34	1,27	1,18	1,13	1,10	1,08	1,04	1,02
1105	1,28	1,22	1,15	1,10	1,08	1,06	1,03	1,02
1106	1,14	1,11	1,08	1,05	1,04	1,03	1,02	1,01

Для определения коэффициента теплоотдачи при движении жидкости в спиральных трубах, применяющихся в ПВД, в уравнение вводится поправка на турбулизацию потока за счет его поворота. Уравнение (5.11) в этом случае

Nu = 0,023 Re^0,8 Pr_ж^0,4 (1+11,11D_вн n_в n_п /l_сп) (5.12)

где D_вн – внутренний диаметр наименьшего витка спирали, м; n_в – число витков в одной плоскости спирали; n_п число полостей у спиральной трубы (одинарная или двойная спираль); l_сп – длина спирали, м.

Входящие в числа подобия теплофизические параметры сред определяются при средней расчетной температуре теплоносителя

t_ср = t_вых + (t_вых - t_вх)( t_ср - t_м)/(t_б - t_м) (5.13)

В условиях движения жидкости, когда значения числа Re оказываются меньшим 2200 (ламинарное течение) коэффициент теплоотдачи определяется из уравнения

Nu = 0,17 Re^0,33 Gr^0,1 Pr_ж^0,43 (Pr_ж/ Pr_ст)^0,25 _l (5.14)

Здесь Gr = gd³t/v² – число Грасгофа; t – разность между температурами стенки и теплоносителя, ^оС;  = 1/t – коэффициент объемного расширения, 1/^оС.

При значении числа Re = 2200 – 10⁴ (переходный режим движения жидкости) коэффициент теплоотдачи определяется из выражений (5.11) или (5.12) с учетом поправки , значение которой определяется из табл. 5.2.

26

Таблица 5.2.

Значения поправочного коэффициента  к уравнениям (5.11) и (5.12)

Re	2200	2300	2500	3000	3500	5000	6000	7000	10000
	0,22	0,35	0,45	0,59	0,7	0,86	0,91	0,96	0,99

В охладителях пара и конденсата передача теплоты к поверхности нагрева происходит без изменения агрегатного состояния пара при внешнем поперечном омывании пучков прямых или спиральных труб. При турбулентном течении пара ( Re> 6*10³ ) уравнение для определения коэффициента теплоотдачи имеет вид

Здесь S₁, S₂, d_н – шаги труб в поперечном и продольном направлениях потока и наружный диаметр труб соответственно, м; _z – коэффициент, учитывающий влияние количества рядов труб z вдоль потока (для подогревателей ТЭС z >20; _z=1). Значения коэффициента С и показателей степени m, n и р принимаются из табл. 5.3

Таблица 5.3.

Характеристика пучка труб	С	m	n	р
Коридорный из гладких прямых труб	0,2	0,64	0,35	0
Шахматный или спиральный	0,305	0,6	0,35	0,25
Спиральный при Re >105	0,027	0,84	0,4	0

Для гладкотрубного пучка труб, наклоненного к потолку под углом , выражение 5.15 дополняется поправкой _=0,25sin(2 - 70) + 0,75. При смешанном (продольном и поперечном) омывании пучков труб коэффициент теплоотдачи определяется раздельно для каждой части пучка и усредняется:

27

Для расчета теплообмена в элементах подогревателей, где изменение агрегатного состояния теплоносителей не происходит, необходимо выбрать скорость движения среды (после определения конструктивных размеров подогревателя скорость уточняется). Скорость движения теплоносителей выбирается на основании технико-экономических расчетов. Увеличение скорости улучшает условия теплообмена, что приводит к снижению требуемой поверхности нагрева, т.е. снижению стоимости регенеративных подогревателей. В то же время с увеличением скорости возрастает гидравлическое сопротивление движению жидкости, что приводит к возрастанию мощности, затрачиваемой на перекачивание. Оптимальные значения скорости в значительной степени зависят от стоимости топлива и давления в трубной системе. Для ПНД значения скорости принимаются 1,7-2,2 м/с при дешевом топливе и 1,5-1,8 м/с при дорогом; для ПВД соответственно 1,6-1,9 и 1,5-1,7 м/с.

В регенеративных подогревателях можно считать, что теплообмен происходит почти в неподвижном паре. Главными условиями теплообмена в этом случае являются скорость стекания и толщина пленки конденсата, образующегося на трубах.

Режим течения пленки конденсата определяется числом Рейнольдса

Re_к=10^-3ql/g_кr (5.17)

Здесь q=Q/F – средняя плотность теплового потока через поверхность нагрева, Вт/м²; l – высота участка труб между соседними перегородками, м; _к – коэффициент динамической вязкости пленки конденсата, нс/м²; r – удельная теплота конденсации пара, кДж/кг. При пленочной конденсации чистого медленно движущегося пара при Re_к <100 определение коэффициента теплоотдачи можно производить из выражения

28

и плотность конденсата; _н – плотность пара; коэффициент С для вертикальных труб равен 1,13; _r – поправка на шероховатость и загрязнение внешней поверхности труб (для латунных и нержавеющих труб _r=1, для стальных цельнотянутых труб _r=0,8); t₁=t_н - t_сп^ср – средний перепад температур в пограничном слое со стороны греющего пара; b – комплекс физических величин.

При Re_к >100 значение коэффициента теплоотдачи определяется из выражения:

пара на условия теплообмена.

Для многорядных коридорных и шахматных пучков горизонтальных труб (с числом рядов n) средний коэффициент теплоотдачи

₁n^-0,25 (5.20)

При определении ₁ важным является знание температуры стенки поверхности нагрева. Определение ее проводится методами последовательных приближений или графоаналитическим. Сущность последнего сводится к графическому решению уравнения для плотности потока через стенку трубы.

29

t

t_ср

q q

Рис. 5.2. Графоаналитическое определение плотности теплового

потока в зависимости от температурного напора

Выражение для плотности теплового потока можно записать в виде

q = bt^0.75₁ (5.21)

Вид графического решения уравнения (5.22). показан на рис.5.2. Используя эту зависимость для найденного из выражения (5.18) t_ср, определяют величину q. По найденному значению q легко определить значения t₁, t₂ и t_ср, коэффициент теплоотдачи ₁, а затем коэффициент теплопередачи k=q/t и необходимую поверхность нагрева F.

30

Литература

1. Нормы технологического проектирования тепловых электрических станций и тепловых сетей.- М.: Теплоэлектропроект, 1981.

2. Паровые котлы большой мощности. Отраслевой каталог 20-90-07.- М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1990.

3. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции.- М.: Энергоатомиздат, 1987.

4. Малющенко В.А., Михайлов А.К. Энергетические насосы. Справочное пособие.- М.: Энергоиздат, 1981.

5. Смирнов А.Д., Антипов К.М. Справочная книжка энергетика.- М.: Энергоатомиздат, 1987.

6. Тепловые и атомные электрические станции. Справочник./ Под ред. В.А. Григорьева, В. М. Зорина.- М.: Энергоатомиздат, 1989.

7. Рихтер Л.А., Елизаров Д.П., Лавыгин В.М. Вспомогательное оборудование тепловых электрических станций.- М.: Энергоатомиздат, 1989.

8. Аэродинамический расчет котельный установок. Нормативный метод. – Л.: Энергия, 1977

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41