Испытание водовоздушного струйного насоса ЮУрГУ в системах вакуумирования паровых турбин

Контроль, испытания, эксплуатация

УДК 621.694; 621.527.4

ИСПЫТАНИЕ ВОДОВОЗДУШНОГО СТРУЙНОГО НАСОСА ЮУрГУ В СИСТЕМАХ ВАКУУМИРОВАНИЯ ПАРОВЫХ ТУРБИН

Е.К. Спиридонов

Приведены результаты испытания промышленного струйного насоса ЮУрГУ, которое включало исследование влияния конструкции соплового устройства на характеристики аппарата и сопоставление его эксплуатационных характеристик с таковыми заводских струйных аппаратов. Показано, что разработанные ЮУрГУ водоструйные насосы обладают производительностью по отсасываемому воздуху не ниже заводских струйных насосов и превосходят последние по таким важным показателям работы как расход воды и потребляемая мощность.

В настоящее время для отсоса воздуха из конденсаторов паровых турбин 300 и 800 МВт широко используют водовоздушные струйные насосы (эжекторы). Анализ их работы на основе экстремальных характеристик показал, что на многих тепловых электрических станциях (ТЭС) потенциальные возможности воздухоотсасывающих струйных насосов не исчерпаны. Изменением основных размеров и формы проточной части можно заметно повысить производительность аппаратов и уменьшить, тем самым, расходы воды и энергии на их работу [1]. В связи с этим кафедрой гидравлики и гидропневмосистем ЮУрГУ был выполнен цикл работ по созданию для существующих систем вакуумирования паротурбинных установок более совершенных струйных насосов. Наиболее обширные опытно-конструкторские работы проводились на Кармановской и Пермской ГРЭС.

Условия работы воздухоотсасывающих струйных насосов на разных ТЭС отличаются друг от друга. Это обусловлено различиями в составе насосного оборудования, особенностями в гидравлической и монтажной схемах систем вакуумирования. Поэтому исходные данные на разработку новых струйных насосов не являются одинаковыми для большинства ТЭС. На Кармановской ГРЭС струйные насосы разрабатывались при следующих исходных данных: давление питания р1 = 400 кПа; массовый расход эжектируемого воздуха тг = 25 г/с = 90 кг/ч; давление всасывания р2 при температуре воды Тж = 285 К не должно превышать 3,5 кПа. На Пермской ГРЭС в качестве исходных данных были приняты следующие параметры: р1 = 440 кПа; тг = 30 г/с = =108 кг/ч; при Тж = 285 К давление р2 < 3,85 кПа. Задача расчета и конструирования водовоздушных эжекторов состояла в выборе таких размеров и формы проточной части, при которых аппарат, удовлетворяя исходным данным, потребляет по сравнению со штатными эжекторами меньшие расходы воды и энергии.

Оптимальные размеры и форма проточной части определялись на основе теоретических положений оптимального синтеза жидкостногазовых струйных аппаратов, сформулированных в работах [1-3], а конструкция струйных насосов подробно описана в статье настоящего сборника [4] и защищена авторским свидетельством [5].

Конструктивная схема натурных эжекторов представлена на рис.1, а их основные размеры в таблице 1, в которой основной геометрический параметр й равен отношению площадей живых сечений струй воды за сопловым устройством и смесительной камеры аппарата.

Таблица 1

Основные размеры струйных насосов конструкции ЮУрГУ

Наименование ТЭС О, мм Ь, мм О

Кармановская ГРЭС 253 6500 0,178

Пермская ГРЭС 253 6200 0,201

Воздухоотсасывающие струйные насосы ЮУрГУ были изготовлены и испытаны на соответствующих ГРЭС. Испытания проводились при работе эжекторов на сухом воздухе в следующей последовательности. Закрывалась задвижка на трубопроводе отсоса паровоздушной смеси из конденсатора турбины и включался канал подвода сухого воздуха к эжектору из помещения турбинного цеха. Затем, с помощью задвижки в линии питания струйного насоса высоконапорной водой устанавливалось заданное давление рх перед ним. При постоянном давлении рх измерялись массовый расход воздуха тг, давление в приемной камере р2 и за эжектором р5, температуры рабочей воды Тж и эжектируемого воздуха Тг, барометрическое давление в помещении цеха рБ. Изменение расхода воздуха достигалось сменой расходомерных сопел, устанавливаемых в линии подвода воздуха и работающих с критическим перепадом давления. Причем каждое расходомерное сопло содержало одно плавносужающееся отверстие.

Величина массового расхода воздуха сквозь каждое расходомерное сопло рассчитывалось по формуле [6]

к +1

т„

= т-4к •

п-

- = 0,301

к +1) ДТТ 4 ’ ^гг ’

где р - коэффициент скорости, для всех сопел р = 0,95; ёс - диаметр выходного сечения расходомерного сопла; к = 1,4 и Яг = 287 Дж/кгК - показатель адиабаты и газовая постоянная воздуха.

Рис. 1. Конструктивная схема струйного насоса: 1 - сопловое устройство; 2 - сопловой канал;

3 - камера смешения; 4 - камера приемная; 5 -радиальные прорези (отверстия); 6 - диффузор

Массовый расход воды на струйный насос определялся по перепаду давления (р>1 - р2) на сопловом устройстве. При известных размерах активных сопел расход воды

п-4 I2 •

тт =Ф' Рж • N•

Рж

Здесь рж = 103 кг/м3 - плотность воды; N - число струй формируемых сопловым устройством; й0 - диаметр каждой струи воды; р1 = р1 + 0,5 • рж • ^2 - полное давление потока воды перед сопловым устройством; V - средняя скорость течения воды в подводящем трубопроводе.

При испытании натурных эжекторов абсолютное давление в приемной камере р2 измерялось на Кармановской ГРЭС ртутным баровакууметром, конструкции ВТИ, а на Пермской ГРЭС электронным цифровым прибором. Избыточное давление перед соплом и за эжектором замерялись образцовыми манометрами, абсолютное давление в помещении турбинного цеха рБ определялось с помощью барометра анероидного типа. Температуры воздуха в цехе Тг и рабочей воды перед соплом аппарата Тж измерялись ртутными лабораторными термометрами с ценой де-

Контроль, испытания, эксплуатация

ления 0,1 °С. Перед испытаниями была произведена поверка всех приборов и устройств в цехах КИП и автоматики соответствующих ГРЭС.

В опытах исследовалось влияние числа сопловых отверстий и их расположения по плоскости соплового диска на характеристики струйного насоса ЮУрГУ. Испытания на Кармановской ГРЭС проводились с соплами, содержащими 17, 25, 31 и 37 отверстий, равномерно расположенных по концентрическим шестиугольникам. Дальнейшее увеличение числа струй ограничивалось минимально допустимым диаметром сопловых отверстий (dотв > 20 мм). Характеристики эжектора ЮУрГУ при давлении питания р1 = (415...420) кПа и числе струй N = 25, 31 и 37, выражающие зависимость давления всасывания р2 от массового расхода воздуха тг, приведены на рис. 2а. Видно, что с увеличением числа струй воды характеристика р2 = /(тг) улучшается, т.е.

при одном и том же давлении всасывания массовый расход эжектируемого воздуха возрастает. Наилучшие результаты в опытах на Кармановской ГРЭС были получены с соплом, содержащим 37 отверстий. На Пермской ГРЭС испытывались сопла с числом отверстий 37, 40, 41, 43 и 45. Некоторые результаты испытаний представлены на рис. 2б, где показаны характеристики р2 = /

эжектора ЮУрГУ с тремя соплами, в каждом из которых отверстия располагались по концентрическим окружностям. Анализ кривых свидетельствует о том что и для условий работы на Пермской ГРЭС оптимальное количество отверстий в сопловом устройстве эжектора ЮУрГУ равно 37.

0 10 20 30 40 шг, г/с I

Рис. 2. К выбору оптимального соплового устройства для промышленного струйного насоса конструкции ЮУрГУ

Влияние расположения отверстий в сопловом диске на производительность (коэффициент эжекции) струйного насоса ЮУрГУ исследовалось в опытах на Пермской ГРЭС. Были испытаны сопла, в которых отверстия размещены по концентрическим квадратам, окружностям и шестиугольникам. Наиболее эффективным в рамках выполненных исследований оказалось сопло с равномерным расположением отверстий по концентрическим шестиугольникам. В опытах с таким расположением струй эжектор ЮУрГУ развивал при прочих равных условиях наибольшие коэффициенты эжекции и, следовательно, производительность.

Таким образом, натурными испытаниями установлено, что для условий Кармановской и Пермской ГРЭС оптимальным сопловым устройством эжектора ЮУрГУ является сопловой диск с равномерным расположением 36 отверстий по трем концентрическим шестиугольникам и одним отверстием в центре.

На рис. 3 показаны характеристики р2 = /(тг) эжекторов ЮУрГУ с оптимальными соплами при нескольких абсолютных давлениях питания р1. Характеристики приведены к температуре рабочей воды Тж = 285 К. Причем, на рис. 3а показаны характеристики струйного насоса, установленного на первом энергоблоке Кармановской ГРЭС, а на рис. 3б - струйного насоса, установленного на третьем энергоблоке Пермской ГРЭС. Там же воспроизведены аналогичные характеристики семиканальных эжекторов ЭВ-7-1000, которыми были укомплектованы паровые турбины мощностью 300 и 800 МВт [7,8].

Рис. 3. Зависимость давления всасывания от массового расхода воздуха для струйных насосов ЮУрГУ и ЭВ-7-1000 по данным Кармановской (а) и Пермской (б) ГРЭС

Контроль, испытания, эксплуатация

Из графиков, представленных на рис. 3, видно, что общая тенденция возрастания давления всасывания р2 с ростом присосов воздуха тг в вакуумную систему, характеризующая работу воздухоотсасывающих эжекторов, сохраняется и для струйного насоса ЮУрГУ. С увеличением давления питания р1 характеристика р2 = /(тг) становится более пологой. Это свидетельствует об увеличении производительности аппарата по воздуху. Штриховыми линиями на рис. 3 отмечены режимы работы струйных насосов ЮУрГУ при расчетных расходах воздуха тг. Видно, что давления всасывания р2 , создаваемые струйными насосами на этих режимах, не превышают величин 3,5 кПа и 3,85 кПа, указанных в техническом задании.

Сопоставление характеристик р2 = /(тг) эжекторов ЭВ-7-1000 и эжекторов конструкции ЮУрГУ показывает, что последние при одинаковых давлениях питания р1 > 400 кПа и массовых расходах воздуха тг обеспечивают более низкие давления всасывания р2 ; и лишь на Пермской ГРЭС при абсолютном давлении рабочей воды р1 = 500 кПа характеристики р2 = /(тг) эжекторов ЮУрГУ и ЭВ-7-1000 практически совпадают. Такие результаты сравнительных испытаний свидетельствуют о том, что при р1 > 400 кПа производительность по воздуху струйных насосов ЮУрГУ несколько выше, чем эжекторов ЭВ-7-1000, ибо при одних и тех же давлениях всасывания первые обеспечивают отсос большего количества воздуха, чем вторые.

На рис. 4 сравниваются потребляемые эжекторами расходы воды и энергии при различных абсолютных давлениях питания р1. Расходы воды определялись по формуле (2), а потребляемая мощность находилась из соотношения

^затр = ( - рБ У<2ж/Пн , в котором давление атмосферы рБ принималось равным 100 кПа, а условный КПД электрона-сосного агрегата 7)н = 0,8. Сопоставляя кривые на рис. 4 видно, что эжекторы конструкции ЮУрГУ потребляют воды и энергии на (10...25)% меньше струйного аппарата ЭВ-7-1000.

Рис. 4. Расходы воды и энергии на работу промышленных струйных насосов различной конструкции

На втором энергоблоке Кармановской ГРЭС были выполнены сравнительные испытания основных эжекторов различной конструкции по температуре выхлопа 1выхл пара (конденсата). Для этого на действующем и нагруженном энергоблоке с двумя работающими основными эжекторами (2А и 2Б) последовательно отключали сначала эжектор ЮУрГУ (2Б), затем штатный (заводской) эжектор (2А) и следили за температурой конденсата. Сравнительная характеристика работы второго энергоблока с эжекторами различной конструкции приведена на рис. 5. Видно, что температура выхлопа при работе блока с заводским струйным насосом более чем на 3 °С выше,

чем при работе с аппаратом конструкции ЮУрГУ. Это свидетельствует о существенно большей производительности по воздуху струйного насоса ЮУрГУ по сравнению со штатным эжектором.

Таким образом, разработанные ЮУрГУ водовоздушные струйные насосы обладают производительностью по воздуху не ниже заводских струйных аппаратов и превосходят последние по таким важным показателям работы как расход воды, потребляемая мощность. В настоящее время все шесть энергоблоков Кармановской ГРЭС оснащены струйными насосами конструкции ЮУрГУ. Длительная эксплуатация эжекторов в промышленных условиях обнаружила их устойчивую работу и высокую надежность.

10 15 20 25 30 ^выхлопа, 0С

Рис. 5. Сравнительная характеристика работы энергоблока со струйными насосами различной конструкции: 1 - в работе струйные насосы штатный и ЮУрГУ; 2 - в работе штатный (заводской) струйный насос;

3 - в работе струйный насос ЮУрГУ

Литература

1. Спиридонов Е.К., Темнов В.К.. Исследование экстремальных характеристик водовоздушного эжектора// Динамика пневмогидравлических систем: Тем. сб. науч. тр. - Челябинск: ЧПИ, 1983. - С. 62-75.

2. Спиридонов Е.К. Теоретические положения оптимального синтеза жидкостногазовых струйных аппаратов и систем на их основе//Наука и технологии: Труды XXIII Российской школы. - М. : РАН, 2003. - С. 414-431.

3. Спиридонов Е.К.. Энергетический анализ жидкостногазовых течений//Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2003. - Выпуск 3. - №1(17). - С. 141-150.

4. Спиридонов Е.К. Конструкции жидкостногазовых струйных насосов. Состояние и перспективы// Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - 2005. - Вып.6. - № 1(41). - С. 94-104.

5. А.с. 1483106 СССР, МКИ Б04Б 5/02. Эжектор/ Е.К. Спиридонов, В.К. Темнов, А.П. Спиридонов, В.В. Шмаков, М.А. Чепкасов (СССР). - №4170435/25-29. Заявлено 30.12.86. Опубл. 30.05.89. Бюл. №20.

6. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика: Учебное пособие для вузов. - М. : Энерго-атомиздат, 1984. - 384 с.

7. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - 3-е изд. перераб. - М. : Энергоатомиз-дат, 1989. - 352 с.

8. Ефимочкин Г.И., Кореннов Б.Е. Сравнительные испытания основных водоструйных эжекторов турбин К-300-240 ЛМЗ//Электрические машины. - 1975. - №2. - С. 21-23.