Автореферат (Повышение энергоэффективности паротурбинных установок ТЭС посредством интенсификации теплообменных процессов при конденсации пара)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.Одной из актуальных задач современной энергетики является повышение энергоэффективности и экономичности как уже действующих энергоблоков, так и вновь проектируемых. Известно, что на экономичность работы паротурбинных установок в значительной степени влияет эффективностьоборудования низкопотенциального комплекса НПК ТЭС. Так, например,увеличение давления в конденсаторе на 1кПа приводит к снижению мощности турбоустановок ТЭС в конденсационном режиме на 0,8-1,5%, а турбоустановок АЭС - на 1,5-2%.Зависимость располагаемой мощности электростанции от эффективности работы НПК и параметров атмосферного воздуха сводится к определению возможностей системы технического водоснабжения и гидроохладителей к переносу и отдаче тепла в атмосферу. В связи с этим имеют место ограничения установленной мощности энергоустановки по причине повышения температуры охлаждающей воды в летний период (от недостаточныхколичества градирен по проекту, производительности циркуляционных насосов и пр.).По существующим нормативам допустимое давление пара в конденсаторе по условиям нормальной работы последней ступени ЦНД, установленное заводом-изготовителем, составляет 12 кПа.Интенсификация теплообменных процессов при конденсации параприведет к снижению величины недогрева охлаждающей воды и давления вконденсаторе, и, следовательно, к повышению энергоэффективности работыэнергоблока в целом с учетом недовыработки мощности, вызванной предельной величиной вакуума в конденсаторе.Цель работы заключается в повышении энергоэффективности паротурбинных установок на основе интенсификации теплообменных процессов в конденсаторах за счет перевода пленочной конденсации в капельную с использованием гидрофобизации функциональных поверхностей с помощью поверхностно-активных веществ (ПАВ).3Объектами исследования являются конденсаторы турбоустановок тепловыхи атомных электрических станций.Основными задачами работы являются: Анализ состояния проблемы повышения энергоэффективности ТЭС наоснове интенсификации теплообмена в конденсаторах. Разработка метода гидрофобизации функциональных поверхностейконденсатора по паровой стороне с использованием молекулярныхслоев ПАВ. Проведение экспериментальных исследований по определению влияния перевода пленочной конденсации в капельную на эффективностьтеплообмена в конденсаторе при переменных режимах работы. Разработка комбинированных способов гидрофобизации паровой стороны трубок конденсатора для получения наибольшего краевого угласмачивания. Проведение экспериментальных исследований по определению влияния величины краевого угла смачивания трубок конденсатора на егокоэффициент теплопередачи. Разработка способа гидрофобизации функциональных поверхностейдействующих конденсаторов ТЭС и АЭС для обеспечения капельнойконденсации пара, а также ингибирования роста термобарьерных отложений по водяной стороне. Проведение натурных испытаний разработанного способа гидрофобизации функциональных поверхностей на действующем конденсаторепаротурбинной установки ТЭС. Оценка экономической эффективности перевода пленочной конденсации в капельную на действующем конденсаторе.Научная новизна работы состоит в следующем:1.Разработана методика гидрофобизации функциональных поверх-ностей конденсатора, позволяющая достичь значения краевого угла смачивания до 150о.42.Впервые получена зависимость влияния величины краевого угласмачивания внешних поверхностей трубок конденсатора на коэффициент теплопередачи.3.Впервые получены данные о влиянии перевода пленочной кон-денсации в капельную трубной системы эксплуатирующегося конденсаторана эффективность работы энергоблока.Практическая ценность.Разработанный на основе методики способ модификации функциональныхповерхностей действующих конденсаторов ТЭС и АЭС для обеспечения капельной конденсации пара внедрен на конденсаторе турбоустановки Т110/120-130-5 ТЭЦ-23 ПАО «Мосэнерго».Достигнут значительный экономический эффект, составивший 11,5 млн.

руб.за год эксплуатации, применительно к конденсатору турбоустановки Т110/120-130-5 ТЭЦ-23 ПАО «Мосэнерго».Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется:1.Использованием апробированных методик планирования и проведенияисследований с применением поверенных измерительных приборов.2. Применением сертифицированных пакетов для расчетно-теоретическихисследований при проектировании энергоблоков и сравнением с экспериментальными данными.Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на:1. 1-ой Международной конференции по производству энергии в21м веке Energy Quest 2014 (Екатеринбург, апрель 2014 г.);2. 7-ой Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, октябрь 2014 г.);53. 18-ой и 19-ой Международных научно-технических конференцияхстудентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»(Москва февраль 2012, февраль 2013 гг., соответственно);4.

Заседаниях кафедры Тепловых электрических станций НИУ «МЭИ»(13.10.15, 9.02.16).На защиту выносятся:1. Метод получения супергидрофобного покрытия на латунных поверхностях.2. Результаты экспериментальных исследований зависимости коэффициента теплопередачи, величины недогрева и давления в конденсаторе оттемпературы охлаждающей воды на входе в конденсатор при различной степени гидрофобизации теплообменных поверхностей.3. Способ модификации теплообменных поверхностей реальных конденсаторов в условиях действующих ТЭС и АЭС.4.

Результаты натурных испытаний разработанного способа модификации трубной системы конденсатора КГ2-6200-2 паровой турбины Т-110/120130-5 ТЭЦ-23 ПАО «Мосэнерго».Публикации.Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученныев ходе ее выполнения, представлены в 9 печатных трудах, в том числе в 3-хстатьях в журналах, рекомендованных ВАК, 2-х статьях в журналах, входящих в базу данных SCOPUS, патенте на полезную модель.Структура и объем работы.Диссертационная работа изложена на 173 страницах и состоит из введения, 5глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 70 рисунков и 7 таблиц.

Список литературы содержит 107 наименований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований.6В первой главе рассматривается состояние проблемы повышения энергоэффективности ТЭС. Отмечается, что низкие значения КПД паротурбинных установок обуславливают эффективность его первоочередного повышения. Основными потенциальными методами повышения экономичности ПТУявляются:- совершенствование проточной части паровой турбины;- совершенствование термодинамического цикла за счет повышения начальных параметров пара, поступающего из котла, и снижения давления пара, отработавшего в турбине;- совершенствование и оптимизация тепловой схемы и ее оборудования.Показано, что экономичность работы паротурбинных установок такжев немалой степени определяется эффективностью работы оборудования низкопотенциального комплекса (НПК) ТЭС. Главнейшая роль в НПК отводитсяконденсаторам паровых турбин, поскольку основными задачами НПК являяются создание и обеспечение необходимого конечного давления pк пара втурбине.

В работах Бродова Ю.М. и Савельева Р.З. отмечено, что при изменении давления за турбиной на 1 кПа экономичность паротурбинных установокТЭС изменяется примерно на 1%, а для АЭС это изменение достигает 1,5—2,0%.Одной из причин недостаточно эффективной работы НПК в России является неудовлетворительное техническое состояние конденсаторов (повышенная загрязненность трубной системы, недостаточная производительностьвоздухоотсасывающих устройств). В работе приведены возможные способыборьбы с биологическими обрастаниями и отложениями на поверхности.Отмечено, что для большинства турбин предельно допустимое значение давления пара в конденсаторе составляет 12 кПа (0,12 кгс/см2), а температура охлаждающей воды на входе в конденсатор не должна превышать33°C.

Для выполнения данных условий электростанции вынуждены снижатьрасход пара в голову турбины. Рассмотрены наиболее характерные отказы вработе НПК. Все эти проблемы в итоге приводят к ограничению мощности7энергоблока в целом. Так в 2014 году в ПАО «Мосэнерго», при установленной мощности всех электростанций более 9000 МВт ограничение мощностипо причине неэффективности работы НПК составило более 1600 МВт(18% от установленной мощности).Подчеркивается, что описанный ряд проблем, связанных с НПК, можнорешить за счет интенсификации теплообменных процессов в конденсаторе.Коэффициент теплопередачи является определяющим фактором, характеризующим интенсивность теплообмена.

Его можно определить из следующего уравнения:αв, αп – коэффициенты теплоотдачи по воде и по пару, Вт/м2К; δотл,δст, δпл – толщины слоя отложений, стенки и пленки жидкости, м; λотл, λст, λпл– коэффициенты теплопроводности слоя отложений, стенки и пленки жидкости, Вт/м·К.Коэффициент теплопередачи можно повысить за счет увеличения коэффициента теплоотдачи по воде и по пару, а также за счет устранения пленки конденсата и отложений с внутренней стороны. Решение данных задачрассматривалось в работах Исаченко А.П., Бродова Ю.М.

и других ученых.Рассмотрены наиболее известные способы интенсификации теплообмена в конденсаторе, такие как: механические, вибрации, шероховатые и развитые поверхности.Наиболее перспективными и эффективными выделены различные способы перевода пленочной конденсации в капельную за счет гидрофобизациинаружных поверхностей трубной системы конденсатора. Отмечается, что такой подход имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами интенсификации теплообмена.В качестве перспективного гидрофобизатора поверхности трубок конденсатора выделено пленкообразующее поверхностно-активное вещество изкласса алифатических аминов – октадециламин (ОДА), которое может быть8сорбировано на функциональных поверхностях либо в период останова оборудования, либо в период эксплуатации путем инжекции в пар.Во второй главе отмечается, что для проведения исследований по определению влияния различных факторов на интенсивность теплообмена приконденсации водяного пара был разработан, спроектирован и изготовленэкспериментальный стенд (рис.