Проектирование испарителя по прототипу И-250-1

И-250-1.cdw

А-вход греющего пара;
Б-выход греющего пара;
Г-вход промывочной воды;
Д-вход питательной воды.

И-250-1.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Направление подготовки (специальность) _140100 «Теплоэнергетика и теплотехника»__
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
по дисциплине _«Тепломеханическое и вспомогательное оборудование электростанций» _
(Название дисциплины)
(Номер группы) (Подпись) (Ф.И.О.)
(Ученая степень ученое звание должность) (Ф.И.О.)
(Оценка руководителя) (Подпись)
Характеристика прототипа . 6
Теплогидравлический расчет и конструирование испарителя ..10
Механический расчет .. 25
Расчет тепловой изоляции 33
Расчет массы сухого испарителя .34
Технические характеристики 30
Список литературы 38
На тепловых электростанциях применяются два способа подготовки добавочной воды: химический и термический. Выбор способа водоподготовки зависит от многих факторов. Но в связи с проблемами охраны окружающей среды от вредных выбросов производств применение химических методов водоподготовки затрудняется ввиду запрета сброса отмывочных вод в водоемы. В этом отношении термический метод обладает существенными преимуществами перед химическими методами водоподготовки. Термический метод подготовки добавочной воды основан на применении испарительных установок в которых получается дистиллят почти без солей близкий по качеству к дистилляту турбин. Испарительные установки применяются на станциях высокого и сверхкритического давления с барабанными и прямоточными котлами при относительно небольших потерях пара и конденсата.
Испаритель представляет собой поверхностный теплообменный аппарат где за счет тепла выделяющегося при конденсации пара из отбора турбин образуется вторичный пар при конденсации которого получают дистиллят. Применяются две схемы включения испарителей: с самостоятельным конденсатором испарителя и с его совмещением с регенеративным подогревателем (рис.1а и 1б). В первом случае тепловая экономичность установки выше поскольку больше выработка электроэнергии на внутреннем тепловом потреблении.
Для поддержания определенного баланса солей в испарителе и требуемого качества вторичного пара и дистиллята производится непрерывная продувка испарителя с расходом который обычно составляет около 2% расхода вторичного пара и уточняется при теплохимических испытаниях.
Испарительная установка включенная по схемам изображенным на рис.1 является одноступенчатой она способна выработать дистиллята до 2-3% от расхода пара на испаритель. Для увеличения выхода дистиллята на единицу массы израсходованного греющего пара применяют двухступенчатые испарительные установки.
Рис.1а - Схема включения одноступенчатой испарительной установки с отдельным конденсатором испарителя в регенеративную систему турбины.
Рис.1б - Схема включения одноступенчатой испарительной установки с совмещением конденсатора испарителя и регенеративного подогревателя.
ПН – питательный насос;
КН – конденсатный насос;
КИ – конденсатор испарителя;
На промышленных ТЭЦ требуются испарительные установки большой производительности они получаются очень громоздкими – пять-шесть ступеней испарения. При этом давление пара от ступени к ступени прогрессивно падает поэтому подобные многоступенчатые установки не получили распространения.
Распространенным типом испарителя является установка ступени которой работают как расширители с самовскипанием предварительно нагретой воды без испарительной поверхности в корпусе. Установки этого типа имеют общий пароводяной поверхностный теплообменник для предварительного подогрева воды подлежащей испарению и поверхностные охладители – конденсаторы образующегося пара размещаемые в верхней части общего корпуса. Давление в следующей ступени ниже чем в предыдущей поэтому при перепуске воды часть ее превращается в пар. Процесс повторяется в каждой ступени. Дистиллят перепускается из ступени в ступень. Перепад давлений между соседними ступенями небольшой поэтому общее количество ступеней может достигать 30-40.
Для восполнения внутристанционных потерь пара и конденсата в циклах теплоэнергоустановок выпускаются испарители пяти типоразмеров: И-120 И-250 И-350 И-600 И-1000.
Характеристика прототипа
Испаритель И-250-1 выполнен вертикальным. Основными его узлами являются: корпус греющая секция паропромывочные устройства водораспределительные устройства питательной воды подводимой к испарителям жалюзийный сепаратор погружное устройство.
Работа испарителя протекает следующим образом. Первичный пар поступает в греющую секцию по трубе. В межтрубном пространстве пар конденсируется на наружной поверхности труб совершая при этом два хода. Конденсат пара стекает по трубкам на нижнюю трубную доску греющей секции и отводится из нее и из аппарата по трубе. Нормальный уровень питательной воды в испарителе поддерживается на высоте 500 мм от верхней трубной доски греющей секции.
В трубки греющей секции вода поступает снизу. За счет тепла конденсирующегося пара часть воды в трубках испаряется. Образовавшаяся пароводяная смесь из-за разности удельных весов (воды и смеси) поднимается по трубкам через слой воды к поверхности уровня ее в аппарате. Таким образом в трубках греющей секции создается подъемное движение воды а в кольцевом зазоре между корпусами греющей секции и аппарата – опускное то есть осуществляется естественная циркуляция жидкостной фазы в аппарате. Вторичный пар поступает в паровое пространство испарителя а затем проходит через одну или две барботажные паропромывочные ступени и жалюзийный сепаратор. Отвод вторичного пара из испарителя осуществляется через патрубок.
Промывочная химически очищенная вода на первую ступень паропромывки подводится через патрубок а конденсат на вторую ступень – через патрубок. С дырчатого листа паропромывочного устройства вода отводится по опускным трубам в зазор между корпусами греющей секции и аппарата.
Таблица 1 – Присоединения испарителя И-250-1
Вход промывочной воды
Вход промывочного конденсата
Перепуск неконденсирующихся газов
Продувка непрерывная
Продувка периодическая
Отбор проб вторичного пара
К водомерному устройству
К сигнализатору уровня
Вход питательной воды
К предохранительным клапанам
Жалюзийный сепаратор дырчатые листы паропромывочных устройств и погружное устройство изготовляются из коррозийно-стойкой стали 1Х13 (ГОСТ 5632-72). Материал труб греющей секции – сталь 20 (ГОСТ 1050-74).
Корпус испарителя выполняется сварным из листовой стали ВСт. 3пс. (ГОСТ 380-71). Днища штампуются из листовой стали той же марки.
Трубки греющей секции развальцованы в трубных досках при этом концы труб дополнительно приварены к трубным доскам.
Импульс на контрольно-дистанционное управление (с регулированием уровня воды в аппарате) подается через специальный коллектор верхняя часть которого соединена с паровым а нижняя с водяным пространством
испарителя. Каждый испаритель кроме того имеет патрубки или штуцера для отбора проб воды и пара отвода неконденсирующихся газов из паровой полости греющей секции установки предохранительных клапанов на верхнем днище корпуса непрерывной и периодической продувки присоединения приборов.
Комплект поставки испарителя составляют: регулирующий клапан автоматического питания указатели уровней воды в корпусе греющей секции и на промывочных устройствах; манометры для замера давления первичного и вторичного пара арматура для их установки; регулирующий клапан для автоматического отвода конденсата первичного пара из греющей секции; арматура и устройство для отвода паровоздушной смеси из греющей секции; арматура для отбора проб вторичного пара и конденсата; устройство для продувки продувочная и сливная арматура; сосуды постоянного уровня для подключения датчиков автоматов питания отвода конденсата датчиков указателей уровня воды в корпусе аппарата и греющей секции; сигнализаторы уровня воды в корпусе и на паропромывочных устройствах; предохранительные клапаны; устройство для поддержания постоянного расхода промывочного конденсата (до 5% от паропроизводительности испарителя) на вторую ступень паропромывки (только для аппаратов с двумя ступенями промывки).
Условные обозначения испарителя регламентированные по ГОСТ 10731-71[6]:
- испаритель с поверхностью теплообмена 250 м2 с одноступенчатым паропромывочным устройством предназначенные для восполнения потерь пара и конденсата в цикле паротурбинной установки И-250-1;
-аппарат для тех же целей но с двухступенчатым паропромывочным устройством И-250-2.
Качество дистиллята (вторичного пара) испарителей предназначенных для восполнения внутристанционных потерь пара и испарителей общестанционного назначения должно соответствовать нормам установленным правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей.
Качество дистиллята (вторичного пара) для внешних потребителей должно обеспечиваться в соответствии с их технологическими требованиями.
Выбор метода водоподготовки определяется типом ТЭС потерями теплоносителя типом котлов начальными параметрами пара и качеством исходной срой воды.
Технические характеристики испарителя И-250-1[6]:
Площадь поверхности теплообмена 250 м2
Диаметр греющей секции2400 мм
Трубы греющей секции (38x25 мм):
-минимальное вторичного пара 012 МПа
-максимальное первичного и вторичного пара 059 МПа
Производительность по вторичному пару
Диаметр корпуса наружный 2850 мм
Масса сухая 30000 кг
Теплогидравлический расчет и конструирование испарителя
Составим схему расположения основных зон теплообмена испарителя (рис. 2) и произведем тепловой расчет.
Рис. 2 – Расчетная схема:
И – испаритель; КИ – конденсатор испарителя; 1 – подвод первичного пара из отбора; 2 – отвод вторичного пара в конденсатор испарителя; 3 – подвод добавочной воды; 4 – продувка испарителя; 5 – отвод конденсата греющего пара; – расход первичного пара; – энтальпия первичного пара;
– расход вторичного пара; – энтальпия вторичного пара; – расход добавочной воды; – энтальпия добавочной воды; – расход продувочной воды; – энтальпия продувочной воды; – энтальпия конденсата греющего пара; – расход основного конденсата.
1. Давление первичного пара [3]
2. Температура насыщения вторичного пара [3]
3. Энтальпии вторичного пара и воды на линии насыщения [3]
4. Плотность вторичного пара и воды на линии насыщения [3]
5. Коэффициент продувки испарителя [5]
где содержание солей в добавочной воде
содержание солей в концентрате
6. Расход продувки испарителя
7. Энтальпия добавочной воды по [3]
8. Тепловой поток испарителя
9. Коэффициент теплопередачи
предварительно принимаем по рекомендациям [1]
10 Поверхность теплообмена испарителя
11 Внутренний диаметр трубок греющей секции
12 Средний диаметр трубок греющей секции
13 Высота греющей секции
где количество труб греющей секции[6].
14 Определение скорости циркуляции [1]
Задаем скорость циркуляции по рекомендациям [1] .
14.1 Площадь сечения кольцевой щели за вычетом площади сечения труб
где - число и диаметр опускных труб который принимаем
14.2 Площадь проходного сечения труб греющей секции
14.3 Скорость воды в щели
14.4 Потери давления на входе в кольцевую щель и выходе из нее
коэффициенты местных сопротивлений входа в кольцевую щель и выхода из нее [1]
14.5 Смоченный периметр щели
14.6 Эквивалентный диаметр кольцевой щели
14.7 Коэффициент трения сопротивления в щели
где - абсолютная шероховатость стенок щели принимаем согласно [1]
14.8 Коэффициент трения сопротивления в трубах
14.9 Потери давления от трения в щели
14.10 Потери давления при движении воды в кольцевой цели
14.11 Потери давления на входе в трубы греющей секции
где коэффициент местного сопротивления на входе в трубы [1]
14.12 Потери давления при движении воды на необогреваемом участке
где - высота необогреваемого участка труб принимаем согласно [1]
14.13 . Первоначально принимаем [1] высоту между точкой закипания воды в трубе и границей необогреваемого участка – высоту экономайзерного участка
14.14 Потери давления от трения на экономайзерном участке
14.15 Общее количество теплоты передаваемой в щели воде с боковой поверхности греющей секции
14.16 Изменение энтальпии воды в щели
14.17 Приближенное вычисление производной
14.18 . Действительная высота экономайзерного участка
где – скорость свободного падения [1]
14.19 Относительная погрешность расчета высоты экономайзерного участка
14.20 Высота участка парообразования
14.21 Приведенная скорость пара на выходе из трубок
14.22 Средняя приведенная скорость пара
14.23 Скорость пароводяной смеси на участке парообразования
14.24 Массовое расчетное паросодержание в трубке
14.25 Фактор взаимодействия пузырей при всплытии
14.26 Коэффициент свободного натяжения при давлении [3]
14.27 Скорость всплытия одиночного пузыря в жидкости
14.28 Групповая скорость всплытия пузырей
14.29 Объемное расчетное паросодержание в трубке
14.30 Потери давления от трения на участке парообразования
14.30 Потери давления от трения на выходе из трубок
где коэффициент местного сопротивления выхода потока из труб [1]
14.31 Комплексы определяющие влагосодержание в точке закипания и в точке на выходе из труб [1]
где массовое паросодержание;
- в сечении на выходе из труб
объемное паросодержание
где массовое паросодержание
14.32 Потери давления на ускорение потока
14.33 Движущий напор на участке парообразования
14.34 Суммарные потери в контуре циркуляции
14.35 Относительная погрешность расчета потерь давления
15 Удельный тепловой поток
16 Изобарная теплоемкость воды при температуре насыщения вторичного пара [3]
17 Удельная теплота парообразования при температуре насыщения вторичного пара [3]
18 Температура насыщения вторичного пара
19 Комплекс Стермана [1]
20 Динамическая вязкость конденсата вторичного пара [3]
21 Кинематическая вязкость конденсата вторичного пара [3]
22 Число Прандтля для конденсата вторичного пара [3]
23 Число Рейнольдса для вторичного пара [1]
24 Число Нуссельта для вторичного пара
25 Коэффициент теплопроводности кипящей воды при давлении [3]
26 Коэффициент теплоотдачи со стороны тепловоспринимающей среды – вторичного пара – для чистой поверхности испарителя [1]
27 Коэффициент теплоотдачи со стороны тепловоспринимающей среды с учетом загрязнений [1]
где термическое сопротивление оксидной плёнки
28 Число перегородок в греющей секции [6]
29 Активная высота труб греющей секции
30 Динамическая вязкость конденсата первичного пара [3]
31 Кинематическая вязкость конденсата первичного пара [3]
32 Удельная теплота парообразования при температуре насыщения первичного пара по [3]
33 Число Прандтля для конденсата первичного пара [3]
34 Число Рейнольдса для пленки конденсата первичного пара [1]
35 Коэффициент теплопроводности кипящей воды при давлении [3]
36 Коэффициент теплоотдачи со стороны теплоотдающей среды – первичного пара – для чистой поверхности испарителя
так как то возникает смешанный режим течения пленки конденсата поэтому коэффициент теплоотдачи определим как [1]
37 Коэффициент теплоотдачи со стороны теплоотдающей среды с учетом загрязнений [1]
38 Коэффициент теплопроводности металла трубок
для углеродистой стали марки сталь 20 [4]
39 Действительный коэффициент теплопередачи [1]
40 Относительная погрешность расчета коэффициента теплопрередачи
41 Расчет устройств очистки пара от солей [1]
Содержание солей на выходе вторичного пара не должно превышать 90 мкгкг (из задания).
41.1 Содержание солей на выходе вторичного пара не должно превышать 90 мкгкг (из задания).
41.2 Скорость движения пара в паровом объеме корпуса испарителя
Для устойчивого режима работы испарителя должно выполняться условие [1]
41.3 Критическая скорость движения пара в паровом объеме [1]
где высота слоя воды над листом принимаем с прототипа
Условие выполняется.
41.4 Минимальная скорость пара в отверстиях паропромывочных листов [1]
где диаметр отверстий в паропромывочных листах принимаем согласно [2]
41.5 Скорость пара в отверстиях паропромывочных листов [1]
41.6 Количество отверстий в паропромывочном листе
41.7 Среднее объемное паросодержание в паровом отсеке [1]
41.9 Критерий Галилея [1]
41.10 Критический параметр [1]
41.11 Влажность пара в паровом отсеке перед паропромывочным листом [1]
где коэффициент зависящий от давления определяется как [1]
41.12 Влажность пара на выходе из слоя воды [1]
41.13 Концентрация солей в паровом отсеке перед первым паропромывочным листом
41.14 Концентрация солей в промывычной воде на первом листе
где коэффициент промывки принимаем
41.15 Концентрация солей за первым паропромывочным листом
41.16 Концентрация солей во вторичном паре на выходе испарителя
где коэффициент очистки пара от влаги в жалюзийном сепараторе принимаем
Производимая испарителем очистка удовлетворяет поставленному условию. Концентрация солей на выходе вторичного пара не превышает 90 мкгкг.
1 Расчет на прочность корпуса
Согласно [1] номинальная толщина рассчитываемого элемента S должна удовлетворять условию:
где расчетная толщина стенки; С – прибавка к расчетной толщине.
В общем случае прибавка C равна сумме С1+С2+С3 где C1 – прибавка компенсирующее минусовое отклонение по толщине стенки полуфабриката определяется по [1 табл 12.1]; С2 – прибавка учитывающая искажение правльной геометрической формы согласно [4] для прямолинейных цилиндрических элементов прибавка не учитвается; С3 - прибавка учитывающая потери металла за счет коррозии согласно [4] для станционных теплообменников прибавка не учитывается.
1.1 Допустимое напряжение [4]
корпус испарителя выполнен из листовой стали ВСт. 3пс.
1.2 Минимальная толщина стенки корпуса без учета поправки
где – внутренний диаметр корпуса мм;
– расчетное давление
– коэффициент прочности учитывающий ослабления корпуса швами и отверстиями так как корпус испарителя выполнен сварным [1]
1.3 Прибавку C согласно [1] для толщин от 8 до 25 следует принять равной 08 мм.
1.4 Проверяем условие прочности
принятое ранее значение толщины корпуса удовлетворяет условию прочности.
1.5 Коэффициент прочности корпуса ослабленного одиночным неукрепленным отверстием [1]
где – диаметр патрубка подвода греющего пара
1.6 Предельный диаметр [1]
Так как диаметр отверстия превышает предельное значение его необходимо укреплять. Укрепление осуществляется при помощи штуцера.
1.7 Принимаем длину штуцера . [4]
Толщина штуцера . [4]
1.8 Коэффициент прочности корпуса ослабленного одиночным укрепленным отверстием
2 Расчет на прочность трубной доски
Соединение трубной доски с корпусом выполнено сваркой.
2.1 Допустимое напряжение [4]
трубная доска испарителя выполнена из стали 20
2.2 Первоначально принимаем толщину трубной доски
2.3 Коэффициент К [2]
2.4 Диаметр отверстий трубной доски
2.5 Шаг между отверстиями
так как трубы развальцованы
2.6 Коэффициент прочности [2]
где С1 С2 – коэффициенты зависящие от расположения трубок в трубной доске при компоновке трубок по треугольнику
2.7 Толщина трубной доски [2]
где – диаметр трубной доски (из чертежа прототипа)
2.8 Погрешность расчета:
3 Расчет днища и крышки
Крышка выполняется эллиптической со следующими соотношениями определяющих размеров [2]
где – наружный диаметр корпуса испарителя
– радиус кривизны в вершине крышки
3.2 Минимальная толщина стенки крышки без учета поправки
где – коэффициент прочности учитывающий ослабления крышки швами и отверстиями [1]
3.4 Проверяем условие прочности
3.5 Длина отбортованной части крышки [2]
– внутренний диаметр корпуса испарителя
3.6 Коэффициент прочности крышки ослабленной одиночным неукрепленным отверстием [1]
где – диаметр патрубка отвода вторичного пара
3.7 Предельный диаметр
Так как диаметр отверстия превышает предельное значение его необходимо укреплять. Укрепление осуществляется при помощи накладки.
Принимаем ширину накладки
3.9 Коэффициент прочности крышки ослабленной одиночным укрепленным отверстием
Днище выполняется эллиптическим со следующими соотношениями определяющих размеров
– радиус кривизны в вершине днища
3.11 Минимальная толщина стенки днища без учета поправки
где – коэффициент прочности учитывающий ослабления днища швами и отверстиями [1]
3.12 Проверяем условие прочности
3.13 Длина отбортованной части днища [2]
3.14 Коэффициент прочности днища ослабленной одиночным неукрепленным отверстием [1]
3.15 Предельный диаметр
3.16 Ширина накладки
3.17 Коэффициент прочности крышки ослабленной одиночным укрепленным отверстием
Расчет тепловой изоляции
1 Температуру стенки подогревателя принимаем равной температуре теплоносителя (пара)
2 Температура наружной поверхности изоляции для закрытых помещений принимается по [1]
3 Средняя температура изоляции
4 Принимаем температуру окружающей среды [1]
5 Коэффициент теплоотдачи согласно [1] принимается
в пределах 6 12 Втм2К соответственно принимаем
6 В качестве теплоизоляционного материала принимаем маты из минеральной ваты марки 75 [1 табл. 13.1].
Свойства выбранного материала:
допустимая температура применения
коэффициент теплопроводности
7 Для цилиндрических объектов диаметром более 2 м толщина изоляции рассчитывается по формуле из [1]
Расчет массы сухого испарителя
1. Расчет объема элементов испарителя.
Трубка греющей секции
Паропромывочный лист:
Жалюзийный сепаратор
Подводящая труба греющего пара
2. Общий объем металла испарителя
где =7900 кгм3 – плотность металла испарителя [2]
Технические характеристики
Таблица 2 – Полученные технические характеристики испарителя И-250-1
Площадь поверхности теплообмена
Число труб греющей секции
Давление первичного пара
Давление вторичного пара
Наружный диаметр корпуса
Толщина стенки корпуса
Толщина трубной доски
Толщина слоя изоляции
В ходе курсовой работы были выполнены тепловой механический расчет испарителя расчет тепловой изоляции. В результате были получены следующие параметры: коэффициент теплопередачи К=2332 Втм2К и солесодержание на выходе С=112 мкгкг при производительности испарителя 35 кгс. Конструктивно изменена греющая секция: высота греющей секции =153 м. Также была определена масса сухого испарителя М=30439 кг.
Общий вид испарителя представлен на листе 1 графической части.
Галашов Н.Н. Тепломеханическое и вспомогательное оборудование электростанций. – Томск: Издательство Томского политехнического университета 2010. – 244 с.
Рихтер Л.А. Елизаров Д.П. Лавыгин В.М. Вспомогательное оборудование тепловых электростанций. – М.: Энергоатомиздат 1987. – 216 с.
Ривкин С.Л. Вукалович М. П. Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара – М.: Изд-во стандартов 1969. – 408 с.
Никитина И.К. Справочник по трубопроводам тепловых электростанций. – М: Энергоатомиздат 1983. – 176 с.
Стерман Л.С. Тевлин С.А. Шарков А.Т. Тепловые и атомные электростанции. - М.: Энергоатомиздат 1982. – 456 с.
Теплообменное оборудование паротурбинных установок. Отраслевой каталог 20-89-09 ч. 2. – М.: ЦНИИТЭИТЯЖМАШ 1989. – 83 с.