Article

4.5. Материалы и конструкции ПНД и ПВД

При поверхностных ПНД и ПВД продукты коррозии, образующиеся в конденсатном тракте, могут отлагаться на поверхности теплообмена в парогенераторе двухконтурной АЭС и реакторе одноконтурной АЭС. При этом возможно ухудшение теплоотвода и снижение тепловой экономичности и надежности работы АЭС. С наибольшей интенсивностью коррозия протекает в области температуры, характерной для конденсатного тракта. В связи с этим для теплообменной поверхности ПНД используют материалы, обладающие высокой коррозионной стойкостью. К их числу относятся латуни и нержавеющие стали.

Латуни дешевы и обладают высокой теплопроводностью. Однако поступление в воду оксидов меди, составляющей основу латуней, недопустимо для одноконтурной АЭС. Поэтому латунные ПНД могут использоваться только в турбинных установках двухконтурной АЭС.

Нержавеющие аустенитные стали дороги и обладают низкой теплопроводностью, поэтому их применение для ПНД ограничивается турбинными установками одноконтурной АЭС.

Различие в стоимости вызывает различие в оптимальных значениях температурного напора в ПНД. Так, для латунных ПНД принимают δt = 1,5 °C, а для аустенитных нержавеющих ПНД δt = 3,5÷5 ℃, чем дороже материал ПНД, тем большим должен быть температурный напор, чтобы

уменьшить требующуюся поверхность нагрева. Проводимые в настоящее время научно-исследовательские работы позволяют надеяться на возможность применения в дальнейшем для ПНД мартенситно-ферритной стали 08Х14МФ, обладающей высокой коррозионной стойкостью, она не только дешевле аустенитной нержавеющей, но и более технологична и теплопроводна. Для таких ПНД возможно использование столь же малого температурного перепада, как для латуней.

В области температуры, характерной для питательного тракта, коррозия конструкционных материалов протекает с существенно меньшей интенсивностью. Поэтому для ПВД используют дешевые углеродистые стали, принимая для них δt = 1,5 °C.

Для всех конструктивных схем поверхностных регенеративных подогревателей характерны следующие общие положения:

— теплообменная поверхность располагается в корпусе. При компоновке машинного зала предусматривается возможность извлечения трубной системы из корпуса;

— среда с большим давлением (конденсат, питательная вода) направляется внутрь труб малого диаметра; греющий пар — снаружи, то есть корпус подогревателя, имеющий большой диаметр, рассчитывается на давление греющего пара, поэтому он получается менее металлоемким, чем при обратном взаимном движении сред;

— греющий пар в регенеративных подогревателях всегда направляется сверху вниз, так как при этом облегчается вывод воздуха из верхней части корпуса и отвод конденсата из нижней части;

— змеевиковая поверхность нагрева подогревателей выполняется наиболее компактно;

— трубки отвода неконденсирующихся газов из корпуса выполняются из нержавеющих аустенитных сталей.

— за счет большего давления нагреваемой среды (конденсат, питательная вода) обеспечивается невскипание воды в подогревателях и отсутствие гидравлических ударов.

На рис. 4.8 представлена конструкция латунного ПНД. Незначительные рабочие давления позволили сделать этот подогреватель с фланцем и трубной доской 5, что упрощает как его конструкцию, так и эксплуатацию. В цилиндрическом корпусе размещается поверхность нагрева, состоящая из U-образных трубок 6, завальцованных в трубной доске 5 и скрепленных обечайкой — каркасом 7, придающим пучку жесткость и предохраняющим его от вибраций. Водяная камера 4 разделена перегородкой на две части. Нагреваемая вода входит через патрубок 3, проходит по трубкам сначала вниз, а затем вверх и выходит через патрубок 12. Скорость воды в трубках принимается в пределах 1,5 — 3 м/с. Греющий пар подводится через штуцер 1. Для улучшения омывания поверхности

Рис. 4.8. Регенеративный теплообменник с трубной системой из латуни
Рис. 4.8. Регенеративный теплообменник с трубной системой из латуни

1 — ввод греющего пара; 2 — защитный лист; 3 — вход нагреваемого конденсата; 4 — водяная камера; 5 — трубная доска; 6 — латунные U-образные трубки; 7 — обечайка — каркас для трубок; 8 — направляющие перегородки; 9 — патрубок отсоса воздуха; 10 — сливной трубопровод конденсата греющего пара; 11 — отводы конденсата в импульсную камеру сигнализатора уровня; 12 — выходной патрубок основного конденсата; 13 — опоры корпуса; 14 — подвод паровоздушной смеси из соседнего подогревателя; 15 — отводы к водоуказательному прибору; 16 — приемный патрубок конденсата греющего пара из смежного подогревателя

змеевиков в корпусе установлены горизонтальные перегородки 8. Конденсат скапливается внизу корпуса и выводится через конденсатоотводчик, не допускающий проскока пара. Подогреватель рассчитан на каскадный слив дренажа и каскадный отсос газов. Поэтому в нем имеются штуцер 16 для приема

Рис. 4.9. Регенератинный ПНД с трубной системой из аустенитной нержавеющей стали:
Рис. 4.9. Регенератинный ПНД с трубной системой из аустенитной нержавеющей стали:

1 — трубная система; 2 — вход воды; 3 — выход воды; 4 — отсос парогазовой смеси; 5 — к водоуказательному прибору; 6 — опорожнение трубной системы; 7 — выход конденсата греющего пара; 8 — впуск конденсата греющего пара соседнего подогревателя; 9 — вход греющего пара

конденсата греющего пара смежного подогревателя большего давления и штуцер 15 для поступления из него паровоздушной смеси. Отсос паровоздушной смеси из данного подогревателя производится на том же уровне через патрубок 9. Корпус подогревателя имеет опоры для подвески к металлическим конструкциям или установки на бетонном основании у турбины. Данная конструкция ПНД не позволяет охладить конденсат греющего пара ниже температуры насыщения.

На ряде ТЭС и АЭС легко производилась замена змеевиков с латунных на аустенитные нержавеющие.

Конструктивная схема регенеративного ПНД с трубной системой, разработанная специально из нержавеющей

Рис. 4.10. Регенеративный подогреватель высокого давления коллекторно-спирального типа с трубной системой из углеродистой стали:
Рис. 4.10. Регенеративный подогреватель высокого давления коллекторно-спирального типа с трубной системой из углеродистой стали:

1 — выход питательной воды; 2 — трубная система; 3 — коллекторы трубной системы; 4 — к водоуказательному прибору; 5 — вход питательной воды; 6 — вход греющего пара; 7 — впуск конденсата греющего пара соседнего подогревателя; 8 — отсос парогазовой смеси; 9 — выход конденсата греющего пара

аустенитной стали типа ОХ18Н10Т, представлена на рис. 4.9. Охлаждение конденсата греющего пара осуществляется в самом подогревателе. Корпус подогревателя выполняют из перлитных сталей, иногда с плакировкой нержавеющей аустенитной. Та же конструкция может использоваться для стали 08Х14МФ.

Для ПВД пока наиболее распространена конструкция, представленная на рис. 4.10. Вместо водяных камер и трубных досок применены вертикальные коллекторы, к которым

присоединяют горизонтальные змеевики, выполненные в виде сварных спиралей. Перегородки (секционирование) в вертикальных коллекторах позволяют получать в змеевиках достаточно большую скорость воды (4 — 5 м/с) для обеспечения высокого коэффициента теплопередачи и уменьшения необходимой поверхности нагрева. Греющий пар опускается вниз, причем направляющие перегородки обеспечивают хорошее смывание змеевиков. Змеевиковая система выполнена из простых углеродистых сталей. Она имеет хорошую температурную компенсацию, что важно, так как ПВД работают в большем интервале температуры, чем ПНД. Вся змеевиково-коллекторная система закреплена внизу корпуса.

Преимущество конструкции регенеративного подогревателя, приведенного на рис. 4.10, — возможность замены любой из спиралей и четко организованное противоточное движение греющей и обогреваемой сред. В нижней части этого ПВД организовано противоточное движение греющей и обогреваемой сред. В нижней части этого ПВД организовано охлаждение конденсата ниже температуры кипения, отвечающей давлению греющего пара. В связи с этим невозможно вскипание конденсата греющего пара при его сливе в предыдущий ПВД. При этом исключается снижение тепловой экономичности за счет уменьшения расхода греющего пара в этот ПВД.

В конструкциях, для которых внутренние охладители дренажи не предусматриваются, на тракте ПНД устанавливают вынесенные охладители конденсата (рис. 4.11). Чтобы чрезмерно не осложнять регенеративную схему, можно устанавливать их не у каждого ПНД, а, например, после каждых двух. Из рис. 4.11 видно, что конденсат греющего пара подогревателя 1 по пути в предыдущий подогреватель 3 проходит через охладитель дренажа 4. На основном потоке воды устанавливают дроссельную шайбу 2, в связи с чем часть воды после подогревателя 3 поступает в охладитель дренажа и затем соединяется с общим потоком, направляемым в подогреватель 1. Установка охладителей дренажа может быть предусмотрена и на полный расход воды. Охладители дренажа не поставляют комплектно с ПНД, так как их устанавливают в зависимости от схемы откачки дренажей подогревателей. На дренажах, закачиваемых в конденсатный трубопровод, устанавливать их незачем, так как охлаждение дренажа повышает экономичность, только если конденсат греющего пара сливается в предшествующий ПНД.

Регенеративные подогреватели выпускают в широком ассортименте. Обычно на каждую турбинную установку

Рис. 4.11. Вынесенный охладитель дренажа ПНД
Рис. 4.11. Вынесенный охладитель дренажа ПНД

сооружают по одной нитке подогревателей; для очень мощных турбин — две параллельные. Габаритные размеры подогревателей довольно значительны: высота ПНД доходит до 5 м для латунных трубок и до 10 м для аустенитных нержавеющих, а высота ПВД — до 10 м. Это следует учитывать при компоновке подогревателей с учетом возможностей выемки трубной системы при ремонте.

Для турбин двухконтурной АЭС устанавливают и ПНД, и ПВД. Это видно по конечной температуре регенеративного подогрева, то есть по температуре питательной воды, которая для турбин двухконтурной АЭС пока больше, чем для турбин одноконтурной АЭС, для которой применялись ранее только ПНД, что снижало тепловую экономичность. В настоящее время проявляется тенденция к повышению температуры питательной воды одноконтурной АЭС и развитию ее регенеративной системы.

Конструкция ПВД, представленная на рис. 4.10, несмотря на все описанные ее достоинства, является наиболее ненадежным элементом тепловой схемы и вынуждает всю группу ПВД снабжать байпасом, причем этот байпас включается довольно часто. Причинами, побуждающими к выключению всех ПВД, являются такие недостатки конструкции, как выполнение змеевиков не из мерных труб, а сварными, с частым разрушением сварного стыка из-за вибрации. Кроме того, применялась (и до сих пор применяется) простая углеродистая сталь. Такие коллекторно-спиральные ПВД устанавливались и на двухконтурной АЭС. Исследования работы ПВД (как на ТЭС, так и, особенно, на АЭС) показывают, что необходимо отказаться от коллекторно-спирального типа

Рис. 4.12. Конструктивная схема вертикального ПВД камерного типа
Рис. 4.12. Конструктивная схема вертикального ПВД камерного типа

а, б — вход и выход питательной воды; в — вход пара; г — выход конденсата
КПВ-камера питательной воды; КП — конденсационная поверхность; ОП и КП — охладители пара и конденсата

ПВД и перейти к иному типу конструкции ПВД, причем тепло-обменные трубки следовало применять диаметром не 32 × 4,5, а 22 × 3,5, и обязательно мерные; сталь должна быть по крайней мере качественная перлитная, а не простая углеродистая. Целесообразность уменьшения диаметра трубок была проверена на опытах с ПВД, установленных на одной из ТЭС. Кроме того, был выполнен проект камерной конструкции ПВД, а также особая навивка, позволяющая увеличить заполнение ПВД и уменьшить его вибрацию. Образец такого ПВХ представлен на рис. 4.12. Технорабочий проект такого ПВД находится в настоящее время на реализации по заказу для двух турбоустановок к ВВЭР-1000 производством ЛМЗ и ХТГЗ, то есть для турбин тихоходной и быстроходной.

Пример конструктивной схемы смешивающего подогревателя низкого давления представлен на рис. 4.13. Конденсат поступает через патрубок 4 и глухим щитом 2 направляется на верхний перфорированный щит 1. Пройдя через него, он струйками стекает на два расположенных ниже таких же перфорированных щита. Продеаэрированный конденсат отводится через штуцер 5, а выделившиеся газы вместе с некоторым количеством пара отводятся через штуцер 9. Греющий пар поступает по линии 8 и направляется под перфорированные щиты. В двух нижних перфорированных щитах в центральной части на большой длине сделаны прорези для прохода пара под выше расположенный щит. Эти прорези снабжены бортиками 3 для того, чтобы вода не поступала в них и не мешала свободному проходу пара. Отсос паровоздушной смеси производится через патрубок 6; для аварийного сброса конденсата предусмотрен патрубок 7.

Несмотря на простоту и дешевизну смешивающих подогревателей и обеспечиваемую ими несколько более высокую тепловую экономичность, основным типом подогревателей в регенеративной системе принят все же поверхностный, как это было обосновано в § 4.4.

Рис. 4.13. Конструктивная схема смешивающего регенеративного подогревателя
Рис. 4.13. Конструктивная схема смешивающего регенеративного подогревателя

Важным преимуществом смешивающих подогревателей является возможное отсутствие теплообменной поверхности, коррозия которой могла бы вызвать загрязнение конденсата. Именно в связи с этим в некоторых проектах одноконтурной АЭС предполагалось первый и второй или только второй

ПНД выполнять смешивающими, а остальные — поверхностными. Следует иметь в виду, что один смешивающий подогреватель пока всегда присутствует в регенеративных системах паротурбинных установок — это деаэратор, устанавливаемый в конце конденсатного тракта. Так как основное его назначение — дегазация конденсата, то рассмотрение работы деаэратора перенесено в следующую главу.