Разработка воздушного конденсатора нового поколения и исследование его характеристик

Эффективность, надежность и экологическая безопасность производства электроэнергии в значительной степени зависит от условий работы низкопотенциальной части электростанции, возможности создания глубокого вакуума в конденсаторе, возможности обеспечения надежной и экологически безопасной работы конденсационной установки. Поэтому разработка высокоэффективного конкурентоспособного на мировом рынке воздушного конденсатора нового поколения является одной из основных задач данной работы.

В период обозначившегося даже для России дефицита водных ресурсов, требуются нетрадиционные для энергетики решения в части организации процессов конденсации пара и использовании охлаждающей циркуляционной воды, потери которой при применении открытых систем охлаждения достигают 3,5−4%.

В связи с возросшими требованиями по охране окружающей среды и рациональному использованию водных ресурсов, дальнейшее использование традиционных систем охлаждения отработавшего в турбине пара становится проблематичным. В отличии от этого, использование воздушных систем охлаждения позволяет существенно снизить уровень экологической напряженности, практически полностью исключить безвозвратное водопотребление, устранить образование отложений в виде накипи и биообразований в тепло-обменном оборудовании и повысить его надежность.

При использовании воздушного конденсатора (ВК) отпадает необходимость в сооружении и эксплуатации водозаборных и очистных сооружений, строительстве градирен и других систем водоснабжения. В экологическом отношении ВК позволяют избежать насыщения атмосферного воздуха водяными парами, а также существенно сокращают изъятие водных ресурсов из природной среды.

При использовании ВК местоположение электростанции не зависит от источника водоснабжения, что является существенным положительным фактором, особенно для условий города при строительстве станций децентрализованного комбинированного производства тепловой и электрической энергии, а также для автономных электростанций, использующих тепловую энергию мусоросжигающих заводов, дизельных и парогазовых электростанций.

К сожалению, в энергетике нашей страны совершенно не применяются воздушные конденсаторы, в то время как в Германии, США, Франции, Голландии, ЮАР и др. странах они с каждым годом находят все более широкое применение. Наши научно-исследовательские и проектные институты даже в перспективе не рассматривают возможность применения воздушных конденсаторов в отечественной энергетике.

Проблема использования воздушно-конденсационных установок электростанций ставится в связи с увеличивающимся дефицитом водных и земельных ресурсов, природоохранными требованиями, потребностями внутреннего и внешнего рынка. Для малои безводных районов остается единственная возможность — применение сухих систем охлаждения: прямой с воздушным конденсатором и косвенной с радиаторной градирней. Сухие системы имеют неоспоримые преимущества перед испарительными как с природоохранной точки зрения, так и по доступности воздуха как охлаждающей среды.

При прямой системе пар отдает тепло в поверхностном конденсаторе непосредственно воздуху, при косвенной системе в поверхностном или смешивающем конденсаторе пар отдает тепло промежуточному теплоносителюводе, которая затем охлаждается воздухом в поверхностном теплообменнике радиаторной башни.

Применяемые в настоящее время поверхностные конденсаторы, охлаждаемые атмосферным воздухом, имеют обычно оребренную наружную поверхность труб, внутри которых конденсируется пар.

В последние годы усилия исследователей были направлены на усовершенствование конструкции воздушных конденсаторов. Появилась целая серия конденсаторов с различным профилем ребер и труб.

Следует отметить, что оборотная система с сухой охладительной башней вследствие наличия в ней дополнительного теплообменника (контактного конденсатора) более сложна и требует при тех же расчетных температурах отработавшего пара и наружного воздуха на 25−30% большей поверхности теплообмена радиаторных элементов башни, чем поверхность воздушного конденсатора, или увеличения расхода охлаждающего воздуха.

Все выше изложенное повысило конкурентоспособность воздушных конденсаторов по сравнению с предназначенными для тепловых электростанций в маловодных районах оборотными системами водоснабжения с сухими (радиаторными) охладительными башнями, применяемыми взамен градирен (мокрых) с испарительным охлаждением циркуляционной воды.

Опыт эксплуатации воздушных конденсаторов на электростанциях в США, Франции, Голландии, ЮАР и Германии показал не целесообразность применения в оборотных системах контактных конденсаторов, приводящих к соединению между собой контуров питательной и охлаждающей воды и вызывающего наряду с эксплуатационными трудностями дополнительные затраты, связанные с установкой под контактными конденсаторами циркуляционных насосов, забирающих смесь охлаждающей воды с образовавшимся конденсатом из-под вакуума. Также не оправдало себя и применение в охладительных элементах башен алюминиевых труб, имеющих малый диаметр (14−15 мм) и небольшую толщину стенки (0.5−0.75 мм). Они оказались подверженными разрушению под действием достаточно резких переменных температурных режимов. В то же время применение цельносварной конструкции воздушных конденсаторов с использованием при их изготовлении современной сварочной техники и современных методов контроля качества сварки позволяют обеспечить достаточно высокую плотность вакуумных систем. Кроме того, необходимо отметить следующие неоспоримые преимущества воздушных конденсаторов по сравнению с испарительными башенными градирнями:

— независимость выбора площадки от источника водоснабжения;

— низкие капитальные вложения;

— экологически чистый процесс охлаждения.

Все выше перечисленное приводит к выводу о предпочтительности применения воздушных конденсаторов. Поэтому разработка и исследование аспектов использования воздушных конденсаторов на электростанциях для улучшения экологических условий в районе расположения станций весьма актуальна.

Конкурентом ВК могут быть прямоточная система водоснабжения или оборотная. Прямоточная система предполагает наличие естественных водоемов с большим запасом воды. Такая система является наиболее дешевой, т.к. не требует сооружения дорогостоящих объектов типа градирен или прудов-охладителей. Прямоточная система обеспечивает также более низкую температуру охлаждающей воды. Поэтому в тех случаях, когда ситуационный план электростанции и экологические условия позволяют, предпочтение должно быть отдано прямоточной системе водоснабжения. Однако реальное сочетание благоприятных географических и экологических факторов становится все более редким явлением, а с ростом экологических требований, вероятнее всего, станет исключительным явлением даже для конденсационных электростанций.

Что касается теплоэлектроцентралей, то в силу специфики производимой энергии, они должны строится вблизи потребителей тепловой энергии. Поэтому реальный конкурент ВК — оборотная система водоснабжения с градирнями или брызгательными бассейнами, В силу отсутствия отечественного опыта изготовления, монтажа и эксплуатации ВК, оценку эффективности, надежности и экологической безопасности нами проведены по зарубежным данным.

По оценкам специалистов фирмы ГЭА (Германия) стоимость ВКУ составляет примерно 80−100% от стоимости оборотного водоснабжения с поверхностными конденсаторамирасходы электроэнергии на привод вентиляторов и циркуляционных насосов приблизительно равны.

Современное энергомашиностроение решает проблемы интенсификации тепломассообмена традиционными методами, сопрягающиеся, как правило, с квадратичными потерями в гидросопротивлении по сравнению с выигрышем в теплообмене. Это не обеспечивает дальнейшее повышение эффективности энерготехники и имеет ограниченные области применения. Поэтому, важную роль в дальнейшем прогрессе в энергообмене и энергопреобразовании должен играть новый класс организации как процесса конденсации, так и теплообмена со стороны охлаждающего воздуха. Для решения данной проблемы использованы принципиально новые формы компоновки поверхности теплообмена со стороны охлаждающего воздуха и новые способы организации процессов тепломассообмена со стороны конденсирующегося пара.

Настоящая работа включает в себя проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований с целью получения рабочих характеристик ВК нового поколения для разработки методики расчета и проектной документации серийных промышленных ВК нового поколения для энергоблоков различной мощности.

Попытки широкого внедрения воздушных конденсаторов (ВК) привели к созданию различных конструкций конденсаторов. В связи с этим в диссертационной работе дается анализ существующих конструкций ВК и сопоставление некоторых их теплоаэродинамических характеристик с целью выявления путей создания более совершенных аппаратов, как по эффективности протекания процессов тепломассообмена при конденсации, так и по технико-экономическим показателям.

Таким образом, целью работы является разработка высокоэффективного, конкурентоспособного на мировом рынке воздушного конденсатора с целью снижения материалоемкости, удельных затрат мощности, повышения удельной тепловой нагрузки, компактности, коэффициента эффективности,.

10 надежности и экологической безопасности путем организации высокоэффективных тепломассообменных процессов.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

По диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

1. Дан анализ технических решений и эксплуатационных показателей зарубежных и отечественных воздушных конденсаторов. Предложены и разработаны новые решения в организации высокоэффективных процессов тепломассообмена в воздушных конденсаторах нового поколения (ВКНП).

2. Разработана расчетная модель турбулентности при конденсации пара на струях охлаждающей жидкости в воздушном конденсаторе нового поколения, учитывающая особенности межфазной границы «жидкость-пар». Сущность модели состоит в том, что в зависимости от поверхностного натяжения жидкости и уровня турбулентности в потоке рассчитываются коэффициенты турбулентного переноса на самой поверхности раздела фаз.

3. Создана вычислительная программа, представляющая собой сложный информационно — вычислительный комплекс, реализующий компьютерную модель процесса двухфазного турбулентного тепломассообмена как эффективный алгоритм численного интегрирования системы уравнений в частных производных, обеспечивающий обработку и систематизацию расчетных и экспериментальных данных по струйной конденсации в форме встроенной базы данных и снабженной эффективным графическим пользовательским интерфейсом. Разработанная модель позволяет теоретически решать вопросы тепломассообмена при струйной конденсации пара.

4. Разработан и реализован экспериментальный стенд модуля опытно — промышленной установки ВКНП. Проведенные исследования восполняют пробел в технической литературе, позволяя эффективно и надежно проектировать ВКНП.

5. Проведены расчеты ВКНП для различных режимных параметров, подтверждающие работоспособность модели. Разработанная модель по своим точностным, скоростным характеристикам и возможностям расчета в ши.

205 роком диапазоне изменения параметров может успешно применяться в решении широкого круга задач при проектировании ВКНП.

6. Найдены и изучены возможности повышения эффективности и надежности ВКНП. Выработаны рекомендации по расчету, проектированию и организации работы ВКНП для энергоблоков различной мощности, обеспечивающие наибольшую энергетическую эффективность.

7. Внедрение разработанного ВКНП обеспечит значительный экономический эффект на электростанциях и энергетических предприятиях. Повысит надежность энергоснабжения потребителей и существенно улучшит экологическую безопасность.