ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЬ ТУРБОУСТАНОВКИ
STEAM TURBO PLANT

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при проектировании сепараторов-пароперегревателей турбоустановок атомных электростанций.
Уровень техники
Трубные пучки пароперегревателей турбоустановок, которые являются основным узлом сепараторов-пароперегревателей турбоустановок атомных электростанций, характеризуются в работе тепловой и гидравлической неравномерностями при движении конденсирующегося пара внутри параллельно включенных труб, что приводит к накоплению неконденсирующихся газов (кислород, водород, азот и другие газы) в зонах встречи основного и обратного потоков и образованию парогазовых «пробок» и термопульсаций в теплообменных трубах.
Накопление неконденсирующихся газов начинается с более теплонапряженных труб трубного пучка, и с течением времени в этот процесс вовлекаются остальные трубы, исключая из работы часть теплообменной поверхности, что ведет к уменьшению температуры перегреваемого пара и, соответственно, к снижению экономичности турбоустановки.
Термопульсации возникают в результате охлаждения парогазовой «пробки» и металла теплообменной трубы до температуры нагреваемого пара и сопровождаются ростом гидростатического давления с последующим выталкиванием «пробки», возобновлением конденсации пара на этом участке и ростом температуры металла теплообменной трубы.
Известен пароперегреватель турбоустановки (аналог), содержащий размещенные в вертикальном корпусе один под другим верхний и средний пучки U-образных теплообменных труб для конденсации греющего пара, а также нижний пучок U -образных теплообменных труб для охлаждения конденсата, причем концы теплообменных труб подключены к соответствующим отсекам вертикального коллектора, отделенным один от другого соответствующими поперечными перегородками, а в нижней части коллектора установлен заданный уровень конденсата, расположенный выше входных концов труб нижнего пучка и ниже выходных концов труб среднего пучка, при этом верхний отсек коллектора подсоединен к трубопроводу подвода греющего пара, а нижний его отсек  - к трубопроводу отвода конденсата (RU 2371633 С1, МПК F22G 1/00, 27.10.2009).
В аналоге поверхность теплообмена труб верхнего пучка выбирается такой, что в них конденсируется не весь пар, а примерно 85…90%. Остальные примерно 10…15% пара проходят эти трубы транзитом. Благодаря такой продувке паром, несмотря на разную теплонапряженность труб верхнего пучка, образования парогазовых пробок в них не происходит.
Для конденсации остального греющего пара в аналоге предназначены трубы среднего пучка. Чтобы не происходило образование в нем парогазовых пробок предусмотрена продувка 10…15% греющего пара от расхода пара на входе в средний пучок.
Недостатком аналога является повышенный вертикальный габарит пароперегревателя турбоустановки, из-за последовательного расположения по высоте корпуса трех пучков U-бразных теплообменных труб. В результате, в случае использования аналога в сепараторах-пароперегревателях последний будет выступать над площадкой обслуживания турбины, что затруднит ремонт турбины в процессе эксплуатации. А большое количество мест закрепления концов коротких U-образных теплообменных труб в коллекторе снижает надежность аналога. Кроме того, в коллекторе приходится использовать много поперечных перегородок, включая перегородку с гидрозатвором, что усложняет возможные ремонтные работы в коллекторе пароперегревателя турбоустановки.
Эти недостатки препятствуют использованию такого пароперегревателя в турбоустановках атомных электростанций.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является пароперегреватель турбоустановки, содержащий установленные внутри вертикального корпуса теплообменные трубы с поперечными и продольными участками, подключенные входными и выходными концами, к верхнему и нижнему отсекам, соответственно, вертикального коллектора, отделенным один от другого поперечной перегородкой, а также трубопровод подвода греющего пара, подсоединенный к верхнему отсеку коллектора, и трубопровод отвода конденсата, подключенный к его нижнему отсеку, в котором установлен заданный уровень конденсата (SU 368448 А1, МПК F22G 1/00, 26.01.1973).
Описанный пароперегреватель турбоустановки принят за прототип изобретения.
К преимуществу прототипа относительно описанного выше аналога можно отнести использование единого трубного пучка для конденсации греющего пара, отсюда сравнительно небольшое количество мест закрепления в коллекторе входных и выходных концов труб, а также использование только одной поперечной перегородки в коллекторе, что повышает его надежность и упрощает возможные ремонтные работы в коллекторе.
Однако, в прототипе, чтобы неконденсирующиеся газы не попали обратным ходом в наиболее теплонапряженные трубы с образованием парогазовых пробок, из зоны нижнего отсека коллектора, расположенной над уровнем конденсата, предусмотрен отвод неконденсирующихся газов вместе с частью греющего пара, который проходит теплообменные трубы транзитом и не участвует в теплообмене. Это повышает расход греющего пара через пароперегреватель турбоустановки.
Расход греющего пара через пароперегреватель турбоустановки дополнительно повышается потому, что в прототипе для обеспечения требуемых характеристик перегреваемого пара используется только тепло конденсации греющего пара, а тепло охлаждения конденсата греющего пара не используется.
Повышенный расход греющего пара через пароперегреватель турбоустановки приводит к снижению расхода пара через проточную часть турбины, то есть, к снижению экономичности турбоустановки, что резко снижает возможность использования прототипа при проектировании сепараторов-пароперегревателей турбоустановок атомных электростанций.
Кроме того, недостатком прототипа является повышенный вертикальный габарит пароперегревателя турбоустановки из-за использования U-образных теплообменных труб.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение расхода греющего пара через пароперегреватель турбоустановки, а также снижение вертикальных габаритов пароперегревателя турбоустановки.
Технический результат заявленного изобретения заключается в использовании для перегрева пара не только тепла конденсации греющего пара, но и тепла охлаждения конденсата, а также исключение потерь греющего пара с продувкой, благодаря растворению неконденсирующихся газов в охлаждаемом конденсате за счет разделения коллектора перегородкой на верхний и нижний отсеки, расположения теплообменных труб с поперечными и продольными участками, подключенных входными и выходными концами к верхнему и нижнему отсекам, соответственно, вертикального коллектора, а также подключению трубопровода отвода конденсата, к нижнему отсеку, в котором установлен заданный уровень конденсата, причем уровень конденсата в нижнем отсеке коллектора установлен выше выходных концов теплообменных труб и с образованием в продольных участках теплообменных труб, расположенных ниже поперечной перегородки коллектора, дополнительных уровней конденсата, и установки на трубопроводе отвода конденсата клапана, соединенного импульсной линией с измерителем уровня конденсата в нижнем отсеке коллектора.
Для достижения указанного технического результата предлагается пароперегреватель турбоустановки, включающий вертикальный корпус, с установленным внутри него вертикальным коллектором разделенным перегородкой на верхний и нижний отсеки, теплообменные трубы с поперечными и продольными участками, подключенные входными и выходными концами, к верхнему и нижнему отсекам коллектора, соответственно, а также трубопровод подвода греющего пара, подсоединенный к верхнему отсеку коллектора, и трубопровод отвода конденсата, подключенный к нижнему отсеку, в котором установлен заданный уровень конденсата выше выходных концов теплообменных труб и с образованием в продольных участках теплообменных труб, расположенных ниже поперечной перегородки коллектора, дополнительных уровней конденсата, при этом на трубопроводе отвода конденсата установлен клапан, соединенный импульсной линией с измерителем уровня конденсата в нижнем отсеке коллектора.
Кроме того, в предпочтительных вариантах:
теплообменные трубы могут быть выполнены в виде многозаходных змеевиков, в каждом заходе которых продольные участки теплообменных труб расположены поочередно со стороны корпуса и коллектора;
поперечные участки теплообменных труб могут быть выполнены с наружным оребрением.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что установка уровня конденсата в нижнем отсеке коллектора выше выходных концов теплообменных труб и с образованием в продольных участках теплообменных труб, расположенных ниже поперечной перегородки коллектора, дополнительных уровней конденсата, а также установка на трубопроводе отвода конденсата клапана, соединенного импульсной линией с измерителем уровня конденсата в нижнем отсеке коллектора, позволяет организовать в каждой теплообменной трубе зону охлаждения конденсата для дополнительного нагрева перегреваемого пара с обеспечением стабильности его параметров, а также стабильности температуры охлажденного конденсата на выходе из пароперегревателя турбоустановки. При этом расход греющего пара через пароперегреватель турбоустановки снижается, так как для перегрева пара используются не только тепло конденсации греющего пара, но и тепло охлаждения конденсата греющего пара. Соответственно, увеличивается расход греющего пара по проточной части турбины, что повышает экономичность и надежность турбоустановки.
При этом уровни конденсата устанавливают именно в продольных участках теплообменных труб, в которых колебание уровня приводит к наименьшему изменению поверхностей конденсации пара и охлаждения конденсата.
Благодаря охлаждению конденсата создаются благоприятные условия работы (без кавитации) арматуры и трубопроводов на трактах слива охлажденного конденсата греющего пара. Поэтому отвод охлажденного конденсата от пароперегревателя турбоустановки может осуществляться по трубопроводам из черной стали вместо нержавеющей стали при отводе конденсата при температуре насыщения, как в прототипе.
Кроме того, выполнение теплообменных труб в виде многозаходных змеевиков, в каждом заходе которых продольные участки теплообменных труб расположены поочередно со стороны корпуса и коллектора, приводит к снижению требуемой поверхности теплообмена для достижения тех же параметров в пароперегревателе турбоустановки. Выполнение поперечных участков теплообменных труб с наружным оребрением увеличивает теплоотдачу к нагреваемому пару в межтрубном пространстве, что дополнительно понижает требуемую поверхность теплообмена. В результате в пароперегревателе турбоустановки снижаются вертикальные габариты пароперегревателя турбоустановки.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид пароперегревателя турбоустановки, а на фиг. 2 представлена теплообменная труба многозаходного змеевика, позициями обозначены:
1 - вертикальный корпус;
2 - теплообменные трубы;
3 - входные концы теплообменных труб;
4 - верхний отсек коллектора;
5 - коллектор;
6 - выходные концы теплообменных труб;
7 - нижний отсек коллектора;
8 - трубопровод подвода греющего пара;
9 - трубопровод отвода конденсата;
10 - поперечная перегородка коллектора;
11  - поперечные участки теплообменных труб;
12 - продольные теплообменных труб;
13 - наружное оребрение теплообменных труб.
14 - уровень конденсата коллектора;
15 - уровень конденсата продольных участков теплообменных труб;
16 - регулирующий клапан;
17 - импульсная линия;
18 - измеритель уровня конденсата.
Осуществление и примеры реализации изобретения
Пароперегреватель турбоустановки фиг. 1 содержит установленные внутри вертикального корпуса 1 теплообменные трубы 2 фиг. 2, подключенные входными концами 3 к верхнему отсеку 4 вертикального коллектора 5 и выходными концами 6 к нижнему отсеку 7 вертикального коллектора 5. Пароперегреватель турбоустановки имеет также трубопровод 8 подвода греющего пара, подсоединенный к верхнему отсеку 4 коллектора 5, и трубопровод 9 отвода конденсата, подключенный к его нижнему отсеку 7. Верхний отсек 4 и нижний отсек 7 коллектора 5 отделены один от другого поперечной перегородкой 10.
Теплообменные трубы 2 имеют поперечные и продольные участки 11 и 12, соответственно, и выполнены в виде многозаходных змеевиков, в каждом заходе которых продольные участки 12 теплообменных труб 2 расположены поочередно со стороны корпуса 1 и коллектора 5. Поперечные участки 11 теплообменных труб 2 предпочтительно выполнены с наружным оребрением 13.
В нижнем отсеке 7 коллектора 5 выше выходных концов 6 теплообменных труб 2 установлен заданный уровень 14 конденсата. При этом в продольных участках 12 теплообменных труб 2, расположенных ниже поперечной перегородки 10 коллектора 5, образуются (как в сообщающихся сосудах) уровни 15 конденсата.
На трубопроводе 9 отвода конденсата установлен клапан 16, соединенный импульсной линией 17 с измерителем 18 уровня 14 конденсата в нижнем отсеке 7 коллектора 5.
Пароперегреватель турбоустановки работает следующим образом.
Греющий пар по трубопроводу 8 подает в верхний отсек 4 коллектора 5. Из верхнего отсека 4 коллектора 5 греющий пар попадает в теплообменные трубы 2 многозаходных змеевиков, в которых он конденсируется, отдавая тепло конденсации перегреваемому пару в межтрубном пространстве. Образовавшийся при этом конденсат сливается на уровни 15 конденсата в продольных участках 12 теплообменных труб 2, расположенных ниже поперечной перегородки 10 коллектора 5. Далее конденсат стекает к выходным концам 6 теплообменных труб 2 и при этом охлаждается, отдавая тепло перегреваемому пару в межтрубном пространстве.
С понижением температуры растворимость газов в конденсате увеличивается, поэтому неконденсирующиеся газы полностью растворяются в охлаждаемом конденсате, обеспечивая теплогидравлическую устойчивость работы теплообменных труб 2 без образования парогазовых пробок и термопульсаций. При этом полностью исключается продувка греющего пара, то есть уменьшается неэффективное использование греющего пара.
Охлажденный конденсат сливается через выходные концы 6 теплообменных труб 2 под уровень 14 в нижнем отсеке 7 коллектора 5.
Для поддержания уровня 14 конденсата в допустимых пределах измеритель 18 уровня через импульсную линию 17 управляет регулирующим клапаном 16, установленным на трубопроводе 9 отвода конденсата.
Если уровень 14 конденсата коллектора повысится сверх допустимого значения, что соответствует чрезмерному понижению температур перегретого пара и охлажденного конденсата на выходе из пароперегревателя турбоустановки, измеритель 18 уровня передаст по импульсной линии 17 соответствующий сигнал регулирующему клапану 16, который при этом приоткроется, что приведет к снижению уровня 14 конденсата.
Если уровень 14 конденсата снизится ниже допустимого значения, что соответствует повышению температур перегретого пара и охлажденного конденсата на выходе из пароперегревателя турбоустановки, измеритель 18 уровня передаст по импульсной линии 17 соответствующий сигнал регулирующему клапану 16, который при этом прикроется, что приведет к повышению уровня 14 конденсата.