Wyjaśnienie skraplacza turbiny parowej
Skraplacze turbin parowych są stosowane w elektrowniach cieplnych do kondensacji pary do kondensatu (wody). Ten artykuł przedstawia przegląd skraplaczy turbin parowych, ich różnorodne konstrukcje, komponenty i działanie.
Skraplacz powierzchniowy
Warto wiedzieć – ‘skraplacze turbin parowych’ są czasami określane jako ‘skraplacze powierzchniowe’, ale skraplacze powierzchniowe to w rzeczywistości tylko jeden z typów skraplaczy turbin parowych.
Czym jest skraplacz turbiny parowej?
Skraplacze turbin parowych są używane w elektrowniach cieplnych do przekształcania pary w kondensat (wodę). Turbina parowa niskiego ciśnienia jest umieszczona bezpośrednio nad swoim skraplaczem, z elastycznym połączeniem łączącym turbinę z kondensatorem. Para wylotowa niskiego ciśnienia jest odprowadzana z turbiny bezpośrednio do skraplacza.
Skraplacz parowy zaznaczony w pomarańczowym polu
Warto wiedzieć – elastyczne połączenie jest niezbędne, aby uwzględnić rozszerzalność cieplną komponentów podczas nagrzewania i chłodzenia; pęknięcia i wynikające z nich wycieki wystąpiłyby, gdyby połączenie nie było obecne.
Dlaczego potrzebne są skraplacze turbin parowych?
- Wydajność – chłodzenie pary niskiego ciśnienia powoduje zmniejszenie ciśnienia w systemie. Różnica ciśnień (DP) w systemie jest bezpośrednim wskaźnikiem jego wydajności, więc większa DP wskazuje na bardziej wydajny system, tj. im większa różnica ciśnień między ciśnieniem pary wylotowej z kotła a ciśnieniem w skraplaczu, tym większa wydajność systemu.
- Ponowne wykorzystanie wody – przekształcenie pary niskiego ciśnienia z powrotem w wodę pozwala na ponowne wykorzystanie wody; ponowne wykorzystanie wody zmniejsza koszty operacyjne, ponieważ wymaga mniejszego wstępnego uzdatniania. Woda jest również łatwo zwracana do odgazowywacza (urządzenia do wstępnego uzdatniania) w dużych ilościach, ale to nie dotyczy pary niskiego ciśnienia, która wymagałaby dużych rur i większej różnicy ciśnień, aby płynąć.
- Odgazowanie – skraplacze uwalniają gazy takie jak tlen i CO2 z systemu, co zmniejsza prawdopodobieństwo korozji w systemach wody zasilającej i pary.
- Punkt zbiorczy – skraplacze służą jako główny punkt zbiorczy dla innych systemów ekstrakcji pary i odpływów kondensatu.
Warto wiedzieć – woda, która została uzdatniona, ale jeszcze nie weszła do kotła, jest klasyfikowana jako ‘woda zasilająca’. Woda znajdująca się w kotle jest klasyfikowana jako ‘woda kotłowa’. Para, która skondensowała się z powrotem do wody, jest klasyfikowana jako ‘kondensat’. Kondensat staje się wodą zasilającą po uzdatnieniu.
Warto wiedzieć - dalsze informacje na temat systemów i maszyn elektrowni można znaleźć w naszym kursie wideo Podstawy Inżynierii Energetycznej.
Części skraplacza turbiny parowej
Główne części skraplacza turbiny parowej są wskazane poniżej.
Części skraplacza powierzchniowego
Wlot pary niskiego ciśnienia
Para niskiego ciśnienia z turbiny parowej niskiego ciśnienia jest odprowadzana do skraplacza. Skraplacz jest utrzymywany w próżni, aby zapewnić niskie ciśnienie wsteczne dla wylotu turbiny, co zwiększa ogólną wydajność elektrowni.
Obudowa
Obudowa mieści elementy wewnętrzne skraplacza, w tym płyty wspierające rury, płyty rurowe, rury, gorący zbiornik (dolna część skraplacza) i rury ekstrakcyjne; zazwyczaj jest wykonana z ciężkich płyt stalowych, które są spawane w jedną całość. Rury są oddalone od obudowy, aby para mogła dotrzeć do wszystkich części rur, co zwiększa wydajność skraplacza i zmniejsza prawdopodobieństwo przegrzania.
Pęk rurek
Rury, które przechodzą przez skraplacz, są zmontowane w ‘pęk’; są one zamontowane na płytach rurowych. Turbulatory są często instalowane wewnątrz rur, aby promować turbulentny przepływ, co zwiększa zdolność przenoszenia ciepła przez rury, a tym samym ogólną wydajność skraplacza.
Rura z zainstalowanym turbulatorem
Płyty rurowe
Płyty rurowe są zamontowane na przeciwległych końcach pęków rurek; utrzymują rury w pozycji i nadają im wytrzymałość mechaniczną. Każda rura jest walcowana i rozszerzana w swojej przypisanej płycie rurowej.
Rury ekstrakcyjne
Para ekstrakcyjna wchodzi do skraplacza przez te rury. Para wylotowa z pomp wody zasilającej kocioł jest również odprowadzana do skraplacza.
Skrzynki wodne
Woda chłodząca wchodzi i wychodzi ze skraplacza przez skrzynki wodne; są one zainstalowane na przeciwległych końcach skraplacza. Jeden koniec skraplacza tworzy wlot, podczas gdy drugi tworzy wylot (odprowadzenie). W zależności od wielkości jednostki, skraplacz może mieć jedno lub więcej wlotów i wylotów, chociaż więcej niż dwa jest rzadkością. Skrzynki wodne powinny mieć ochronną powłokę odporną na korozję pokrywającą wszystkie powierzchnie po stronie wody.
Warto wiedzieć – ważne jest, aby skrzynki wodne były w pełni napełnione wodą chłodzącą podczas pracy, ponieważ brak tego może prowadzić do lokalnego przegrzania rur.
Dysza
Duży kształt dyszy skrzynki wodnej jest zaprojektowany, aby utrzymać niskie prędkości przepływu wody.
Gorący zbiornik
Gorący zbiornik (hot well) tworzy dolną część skraplacza. Skondensowana para tworzy kondensat, który gromadzi się w gorącym zbiorniku i jest odprowadzany przez rury u podstawy gorącego zbiornika.
Pompa ekstrakcji kondensatu
Kondensat jest odprowadzany za pomocą pompy ekstrakcji kondensatu. Ponieważ kondensat ma znacznie mniejszą objętość niż para (stosunek 1600:1), rura wylotowa jest znacznie mniejsza niż główny wlot pary do skraplacza.
Instrumentacja
Czujniki są zamontowane w kilku obszarach skraplacza do celów monitorowania. Każdy czujnik rejestruje dane operacyjne dotyczące przepływu, ciśnienia, poziomu i temperatury. Wszystkie dane są następnie przesyłane do systemu monitorowania w czasie rzeczywistym. Alarmy i wyłączenia są wyzwalane na podstawie danych otrzymanych od zainstalowanych czujników.
Podgrzewacz wody zasilającej niskiego ciśnienia
Duże elektrownie często instalują podgrzewacze wody zasilającej niskiego ciśnienia w szyjce skraplacza; główne powody tego to przestrzeń i koszt.
- Przestrzeń – podgrzewacz wody zasilającej wymaga dużo przestrzeni, co zwiększa koszty budowy budynku, czego się nie pożąda.
- Koszt – instalacja podgrzewacza wody zasilającej w szyjce skraplacza zmniejsza długość potrzebnych rur do ekstrakcji pary, co zmniejsza liczbę potrzebnych wieszaków, połączeń, zaworów itp.; w ten sposób oszczędza się koszty i przestrzeń, umieszczając podgrzewacz wody zasilającej niskiego ciśnienia w skraplaczu.
Jak działają skraplacze turbin parowych?
Para wylotowa niskiego ciśnienia przekazuje swoje ciepło (energię cieplną) do medium chłodzącego, co powoduje jej ochłodzenie (spadek temperatury) i skroplenie, podczas gdy temperatura medium chłodzącego wzrasta. Głównym celem skraplacza parowego jest ochłodzenie pary wylotowej i spowodowanie jej zmiany stanu na ciecz.
Źródła ciepła są wymagane do przeniesienia energii cieplnej z pary wylotowej do środowiska. Typowe źródło ciepła może być jezioro, rzeka lub ocean. Jeśli nie ma dostępnego dużego zbiornika wodnego jako źródła ciepła, używa się wież chłodniczych, a woda chłodząca jest recyrkulowana; skraplacze powietrzne mogą być również używane, chociaż jest to rzadkie w przypadku dużych elektrowni ze względu na ich wysokie wymagania dotyczące zdolności chłodzenia.
W tym przykładzie zakładamy, że jako źródło ciepła używana jest naturalna wieża chłodnicza. Wieża chłodnicza jest odpowiedzialna za rozpraszanie ciepła z turbiny parowej wylotowej. Woda chłodząca z basenu wieży chłodniczej jest kierowana do skraplaczy, gdzie przepływa przez rury. Gdy para wylotowa wchodzi do skraplacza, otacza rury wypełnione wodą.
Przekrój naturalnej wieży chłodniczej
Gdy para przemieszcza się nad zewnętrzną powierzchnią rur, jest chłodzona przez wodę wewnątrz nich, co prowadzi do jej skroplenia. Woda chłodząca (wewnątrz rur) absorbuje ciepło z pary, co powoduje wzrost jej temperatury. Podgrzana woda chłodząca jest następnie kierowana z powrotem do wieży chłodniczej, gdzie jest schładzana przez chłodzenie parowe przed powtórzeniem procesu.
Skraplacze wodne i powietrzne
Zasada działania skraplacza turbiny parowej polega na przenoszeniu ciepła z wylotu turbiny parowej niskiego ciśnienia do oddzielnego medium chłodzącego, zazwyczaj wody lub powietrza.
Warto wiedzieć – zobacz nasz artykuł o cieple utajonym i ciepłe jawnym, aby zrozumieć ciepło i jego różne właściwości.
Skraplacz wodny
W przypadku skraplacza wodnego woda chłodząca przepływa przez rury wewnątrz skraplacza. Para wylotowa przepływa wokół tych rur i skrapla się w wodę, gdy jest chłodzona. Ten typ skraplacza jest bardzo wydajny w przenoszeniu ciepła dzięki dużej powierzchni kontaktu między rurami a parą. Skroplona para, teraz w postaci kondensatu, jest zbierana na dnie skraplacza i pompowana z powrotem do odgazowywacza, a następnie kotła (zazwyczaj kotła rurowego). Podgrzana woda chłodząca jest chłodzona za pomocą wieży chłodniczej, jeśli nie ma dostępnego jeziora, rzeki lub oceanu (istnieją różne typy źródeł ciepła).
Skraplacz powietrzny
W skraplaczach powietrznych chłodzenie odbywa się przez przepływ powietrza nad żebrowanymi rurami, przez które przepływa para wylotowa. Skraplacze powietrzne są używane w obszarach, gdzie zasoby wodne są ograniczone. Jednak skraplacze powietrzne są zazwyczaj mniej wydajne niż skraplacze wodne ze względu na niższą szybkość przenoszenia ciepła (jest to spowodowane tym, że powietrze ma niższą gęstość niż woda i dlatego nie jest w stanie chłodzić tak efektywnie).
Skraplacze powierzchniowe i powietrzne
Istnieje kilka głównych typów skraplaczy turbin parowych i ważne jest, aby omówić chłodzenie bezpośrednie i pośrednie, aby zrozumieć ich konstrukcję.
Skraplacze powierzchniowe – są to najczęściej spotykane typy skraplaczy; są to zasadniczo duże wymienniki ciepła typu płaszczowo-rurowego. Chłodzą pośrednio parę, tj. para nie ma bezpośredniego kontaktu z wodą chłodzącą.
Skraplacze powietrzne – są używane, gdy nie ma łatwo dostępnego źródła wody. Istnieją dwa główne typy skraplaczy powietrznych:
- Bezpośrednie – para wylotowa przepływa przez rury z przyspawanymi do nich żebrami wymiennika ciepła. Wentylatory elektryczne dmuchają powietrze przez rury i żebra, co chłodzi parę i powoduje jej skroplenie.
Bezpośredni skraplacz powietrzny
- Pośrednie – para wylotowa turbiny jest skraplana przez obieg wody chłodzącej w konwencjonalnym skraplaczu powierzchniowym. Woda chłodząca następnie odprowadza ciepło do atmosfery przez skraplacz powietrzny.
Pośredni skraplacz powietrzny
Czynniki wpływające na wydajność skraplacza
Środowisko zewnętrzne
Temperatura wody chłodzącej jest wpływana przez środowisko zewnętrzne. Na przykład w chłodniejszych klimatach woda chłodząca będzie miała niższą temperaturę. Chłodniejsza woda poprawia ogólną wydajność skraplacza, ale nie powinna być tak zimna, aby termicznie szokować skraplacz lub zamarzać. Jeśli woda chłodząca jest zbyt gorąca, jej zdolność do przenoszenia ciepła i zdolność chłodzenia maleje.
Jakość wody
Rodzaj używanej wody (słodka lub słona) może wpływać na wydajność skraplacza. Woda słona, będąca korozyjna, wymaga, aby skraplacz był wykonany z materiałów odpornych na korozję. Wszystkie rodzaje źródeł wody będą wymagały pewnego rodzaju filtrowania przed użyciem.
Warto wiedzieć – ‘słodka woda’ jest czasami nazywana ‘wodą słodką’. Słodka woda jest również pisana jako ‘woda słodka’ lub ‘słodkowodna’, ale wszystkie pisownie oznaczają to samo.
Zanieczyszczenie
Osady (kamień itp.) gromadzące się wewnątrz rur lub na zewnętrznych powierzchniach rur mogą zmniejszać ich szybkość przenoszenia ciepła, co powoduje odpowiednie zmniejszenie zdolności chłodzenia skraplacza.
Dodatkowe źródła
https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_condenser
https://engineering.fandom.com/wiki/Condenser_(steam_turbine)
https://www.powerplantandcalculations.com/2020/05/steam-condenservacuum-and-calculations.html
https://learnmech.com/steam-condenser-types-function-diagram-advantages
https://www.nuclear-power.net/nuclear-power-plant/turbine-generator-power-conversion-system/what-is-steam-turbine-description-and-characteristics/condensing-steam-turbine