Теплоэнергетика, 2021, № 4, стр. 35-46

КОНСТРУКЦИЯ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ

Подогреватель ПВД-К (рис. 1) – аппарат вертикального исполнения с U-образным трубным пучком и горизонтальной трубной доской, в которой закреплены концы 3800 теплообменных труб в шахматном порядке с шагом 22 мм. Под трубной доской находится водяная камера с патрубками подвода и отвода питательной воды и вертикальной перегородкой между ними. Равномерно по высоте трубного пучка расположены горизонтальные перегородки, служащие для дистанционирования труб и отвода конденсата от теплообменной поверхности на участке конденсации. В межтрубном пространстве подогревателя последовательно сверху вниз расположены участки конденсации пара и охлаждения конденсата (над горизонтальной трубной доской). Греющий пар поступает в подогреватель через патрубок на корпусе и равномерно распределяется по всей высоте участка конденсации, которая составляет 7.1 м в ПВД-К-5 и 6.0 м в ПВД-К-6. Такое распределение приводит к низким скоростям движения конденсирующегося пара.

По оси между горячей и холодной сторонами трубной доски ПВД-К-5 расположена вертикальная перегородка, которая делит зону охлаждения конденсата над трубной доской на два участка – со стороны входа питательной воды в трубы и со стороны выхода нагретой питательной воды из труб. Охлаждение конденсата происходит в основном на первом участке и не происходит на втором вследствие низкого температурного напора между охлаждаемым конденсатом и нагретой питательной водой на выходе из труб подогревателя (примерно 2°С).

Подогреватель ПВД-Ш (рис. 2) состоит из вертикального корпуса, цилиндрического коллектора, закрепленного в нижнем днище корпуса и расположенного соосно его вертикальной оси, и трубного пучка в кольцевом пространстве между коллектором и корпусом. Трубный пучок ПВД-Ш-5 включает в себя 179 W-образных вертикальных ширм (в ПВД-Ш-6 174 ширмы), каждая из которых содержит 17 труб (рис. 3). В плане ширмы расположены в виде эвольвенты (спирали Архимеда) (рис. 4) с шагом 19 мм. Концы труб всех ширм закреплены в цилиндрическом коллекторе в шахматном порядке. По выходе из коллектора трубы смещаются на полшага в вертикальной плоскости с коридорным расположением их на горизонтальных участках всего трубного пучка. Благодаря этому обеспечиваются высокие скорости конденсирующегося пара с проявлением скоростного эффекта [2, 3].

Дистанционирование труб в ширме осуществляется посредством вертикальных и горизонтальных парных дистанционирующих волнистых планок, скрепленных проволочными скобами. Дистанционирование ширм в пучке обеспечивается путем закрепления концов горизонтальных дистанционирующих планок ширм в бандажах снаружи трубного пучка и в пазах кожуха – изнутри трубного пучка. Равномерно по высоте трубного пучка в U-образных коленах по профилю каждой ширмы на трубах закреплены наклонные желобы, отводящие конденсат греющего пара от теплообменной поверхности ширмы к корпусу и коллектору.

Технология сборки трубного пучка предусматривает установку вытеснителя между первой и последней установленными ширмами. Вытеснитель имеет форму ширм (эвольвенты) в поперечном сечении. Движение сред противоточное. Питательная вода нагревается при движении внутри труб снизу вверх. В межтрубном пространстве последовательно сверху вниз расположены участки конденсации пара и охлаждения конденсата.

Основные технические характеристики подогревателей представлены в табл. 1. Как следует из данных таблицы, толщина стенки цилиндрического коллектора в местах закрепления труб и стенки водяной камеры (коллектора), длина сверления отверстий для закрепления трубок, недогрев питательной воды, масса теплопередающих трубок на энергоблок, поковок для ПВД на энергоблок и комплекта ПВД на энергоблок подогревателя ПВД-Ш меньше значений таких же показателей для ПВД-К.

ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ

Теплопередающая поверхность в подогревателях высокого давления состоит из двух участков – конденсации пара и охлаждения конденсата. Площадь участка конденсации пара занимает 80–90% общей площади теплопередающей поверхности в ПВД-К и ПВД-Ш. Теплоотдача при конденсации пара на наружной поверхности труб зависит от их расположения и скорости конденсирующегося пара. В ПВД-К практически все трубы расположены вертикально (кроме U-образного участка), в ПВД-Ш 70% поверхности труб – горизонтально, 30% – вертикально.

Теплоотдача при охлаждении конденсата на наружной поверхности труб зависит от направления (поперечное или продольное) и скорости обтекания труб. На участках охлаждения в ПВД-Ш происходит продольно-поперечное обтекание, в ПВД-К – поперечное обтекание. В ПВД-К конденсат над горячей стороной трубной доски практически не охлаждается вследствие низкого температурного напора между ним и нагретой питательной водой на выходе из подогревателя (примерно 2°С). Охлаждение происходит в трубном пучке над холодной частью трубной доски. Фактическая теплопередающая площадь поверхности в итоге определяется высотой участка охлаждения конденсата над холодной и горячей сторонами трубной доски – уровнем конденсата в аппаратах (см. рис. 1, табл. 1).

В процессе эксплуатации подогревателя эффективность теплообмена с течением времени снижается вследствие загрязнения поверхности, ее окисления, выхода из строя и глушения дефектных труб. Это обстоятельство учитывается путем введения коэффициента запаса площади поверхности, равного 10% расчетного значения, при котором должна обеспечиваться номинальная нагрузка подогревателя перед проведением очистки теплопередающей поверхности [2]. От частоты проведения очисток и промывок зависит номинальная мощность подогревателя в течение всего периода его эксплуатации [2].

В ПВД-К конденсация на наружной поверхности вертикального пучка труб происходит при практически неподвижном или слабо движущемся потоке пара. С учетом этого средний коэффициент теплоотдачи вычисляют по формуле [2]

где А – комплекс теплофизических параметров пара; Rе – критерий Рейнольдса пленки конденсата.

В ПВД-Ш благодаря особенностям его конструкции обеспечены высокие скорости движения потока конденсирующегося пара, поэтому средний коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности вертикального пучка труб рассчитывают по следующим выражениям [2]:

при Rе > 100

при Rе < 100

где w – средняя скорость потока конденсирующегося пара; В, n_п – комплексы теплофизических параметров пара.

Средний коэффициент теплоотдачи при пленочной конденсации неподвижного или медленно движущегося пара на пучке горизонтальных труб (аналог – ПВД-К горизонтального типа на энергоблоке № 5 НВАЭС) вычисляют по формулам [3]:

для труб первого ряда

для пучка с числом рядов n_р

где С – комплекс теплофизических параметров пара; d – наружный диаметр труб, м; n_р – число рядов по вертикали в одной вертикальной плоскости (как в ПВД-К горизонтального типа, в том числе на энергоблоке № 5 НВАЭС) между перегородками (желобами), отводящими конденсат от теплопередающей поверхности.

Средний коэффициент теплоотдачи при конденсации движущегося пара на пучке горизонтальных труб (как в ПВД-Ш) определяется по формулам [3]:

для труб первого ряда

для пучка с числом рядов n_р

где D, Е – комплексы теплофизических параметров пара.

Средний (интегральный) коэффициент теплоотдачи при конденсации движущегося пара на наружной поверхности пучка горизонтальных и вертикальных труб определяется по формуле

где F_г, F_в – наружная площадь поверхности пучка горизонтальных и вертикальных труб.

В табл. 2 приведены результаты расчета теплогидравлических характеристик ПВД-К и ПВД-Ш на участке конденсации пара, который был выполнен в полном соответствии с руководящими материалами [2, 3]. Как следует из таблицы, значение интегрального коэффициента теплоотдачи при конденсации пара в ПВД-Ш, вычисленное по формулам (2), (6)–(8), на 63% больше, чем значение для в ПВД-К, рассчитанное по формуле (1).

Значения коэффициента теплоотдачи питательной воды при турбулентном течении внутри труб α_п.в и коэффициента теплопередачи на участке конденсации пара определялись по общепринятой методике [2]. Коэффициент теплопередачи на участке конденсации пара в ПВД-Ш выше, чем в ПВД-К, на 26% при одинаковом термическом сопротивлении теплообменных труб.

Расчет теплопередающей поверхности ПВД-Ш и ПВД-К при охлаждении конденсата был выполнен по общепринятым методикам [2].

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ПОДОГРЕВАТЕЛЯ ПВД-Ш

Высокая надежность подогревателей ПВД-Ш при их эксплуатации в сравнении с ПВД-К достигается благодаря следующим их конструктивным особенностям:

количество сварных швов закрепления труб в коллекторе меньше примерно на 22%, чем в трубной доске ПВД-К;

вследствие того что толщина стен цилиндрического коллектора в местах закрепления труб примерно в 5 раз меньше по сравнению с плоской трубной доской в ПВД-К, термические напряжения ниже в переходных режимах, а также при пусках-остановах;

основные узлы ПВД-Ш (коллекторы, фланцевые разъемы, змеевики теплопередающей поверхности, крепление труб в коллекторе) по конструкции, составу конструкционных материалов, технологии изготовления и ремонту идентичны соответствующим узлам парогенераторов ПГВ-440 и ПГВ-1000М, отработанным до высокой надежности за более чем 40-летний период их эксплуатации на АЭС.

Процесс изготовления подогревателей ПВД-Ш менее трудоемок (примерно на 20%), чем изготовление ПВД-К, вследствие уменьшения:

суммарной длины сверления и развертывания отверстий в коллекторе, в которых закрепляются трубы (в сравнении с плоской трубной доской) – приблизительно в 6 раз;

количества мест закрепления труб в коллекторе, для которых необходимы развальцовка, обварка, контроль прочности и плотности, – примерно на 22%;

массы поковок и, следовательно, времени, затрачиваемого на обработку их припусков, – почти в 7 раз.

Сроки изготовления подогревателей ПВД-Ш в 1.5 раза меньше сроков изготовления подогревателей ПВД-К благодаря предварительной сборке труб в ширмы (теплообменные модули), меньшим количеству труб и затратам времени на обработку поковок, сверление отверстий и закрепление труб в трубных досках.

Толщина стенок цилиндрических коллекторов в подогревателях ПВД-Ш существенно меньше вследствие увеличенного продольного (вдоль оси коллектора) шага расположения отверстий для закрепления концов труб. При этом высота трубного пучка практически мало изменяется, но в технологическом отношении изготовление труб по эвольвенте более сложное, чем изготовление U-образных труб в ПВД-К.

Малая металлоемкость подогревателей ПВД-Ш в сравнении с ПВД-К достигается благодаря меньшим значениям следующих показателей:

площади теплопередающей поверхности;

площади поверхности труб, расположенных в местах закрепления в трубном коллекторе, по сравнению с трубными досками;

массы поковок;

толщины стенок цилиндрического коллектора в сравнении с плоской трубной доской;

внутреннего диаметра и толщины стенки цилиндрического коллектора питательной воды в сравнении с внутренним диаметром и толщиной стенки водяной камеры питательной воды в ПВД-К.

Размещение на нижнем и верхнем днищах корпуса люков-лазов, с помощью которых возможно проводить ревизию и ремонт доступных внутрикорпусных узлов, обеспечивает более высокую ремонтопригодность подогревателей ПВД-Ш в сравнении с ПВД-К. Ревизия и отглушение текущих теплопередающих труб изнутри цилиндрического коллектора с обваркой заглушек производятся сварщиком в его естественном (вертикальном) положении. Напротив, в ПВД-К для отглушки труб требуется выполнять самые сложные потолочные сварные швы в ограниченном пространстве водяной камеры.

Пуски и остановы подогревателей ПВД-Ш, а также переходные режимы протекают с большей маневренностью. Это обусловлено тем, что стенки коллектора имеют меньшую толщину, поэтому скорости прогрева и охлаждения металла более высокие по сравнению с трубной доской в ПВД-К. Для предварительного прогрева подогревателя до температуры выше критической температуры хрупкости материала цилиндрического коллектора (трубной доски и водяной камеры) перед пуском питательных насосов и при проведении гидравлических испытаний (гарантия отсутствия условий для хрупкого разрушения) не требуется организация предпусковой схемы.

РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА ПО СОЗДАНИЮ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ ПВД-Ш

Работы по созданию ПВД-Ш проводились с начала 80-х годов прошлого века во ВНИИАМ. Технический и рабочий проекты ПВД-Ш для АЭС с ВВЭР-1000 с трубным пучком из плоскоэвольвентных ширм в однониточном исполнении при двух ступенях подогрева, т.е. два аппарата на один энергоблок, были разработаны в 1989 г. [1]. Сотрудники ВНИИАМ совместно с НПО “ЦНИИТмаш” и Атоммаш разработали и опробовали технологии изготовления натурных W-образных плоских и эвольвентных ширм и сборки их с коллектором для различного теплообменного оборудования.

Для проверки и обоснования новых конструкторских решений, заложенных в разработанный подогреватель, на Атоммаше была изготовлена модель подогревателя и проведены экспериментальные исследования на стенде ВНИИАМ тепловой мощностью 5 МВт при давлении греющего пара от 1.4 до 2.8 МПа. Модель представляла собой вертикальный корпус диаметром 1 м и высотой 10 м. Теплопередающая поверхность была выполнена из трех вертикальных W-образных ширм высотой 7 м, изогнутых в поперечном сечении по эвольвенте. Каждая ширма состояла из 17 труб типоразмером 16.0 × 1.5 мм из стали 08Х18Н10Т.

Были проведены балансовые испытания модели, определены коэффициенты теплоотдачи, теплопередачи, получены результаты вибрационных испытаний, которые показали удовлетворительную сходимость по воспринятому теплу. Напряжения, возникающие в трубах от вибрации и замеренные в самых жестоких условиях работы, были значительно ниже допустимых.

В 2006–2010 гг. по заказу АО “Концерн Росэнергоатом” был разработан и согласован технический проект ПВД-Ш применительно к проекту АЭС-2006. В настоящее время в НИЦ “Курчатовский институт” совместно с АЭП, ВНИИАМ, ЛМЗ и ЦКТИ планируется концептуальная проработка паротурбинной установки с ПВД-Ш для перспективного энергоблока АЭС с РУ ВВЭР-СКД.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ПОДОГРЕВАТЕЛЯ ПВД-Ш НА ПРИМЕРЕ АЭС-2006

В целях исследования эффективности применения подогревателей с коллекторно-ширмовой трубной системой был разработан ряд подогревателей высокого давления на параметры проекта АЭС-2006 различной мощности с трубным пучком из эвольвентных ширм (рис. 5–7).

Для исключения из тепловой схемы трубопроводов питательной воды большого диаметра, соединяющих подогреватели ПВД-Ш-5 и ПВД-Ш-6 одной группы, а также сокращения площади машинного (турбинного) зала, занятой оборудованием, был разработан перспективный теплообменный аппарат в двухниточной схеме, совмещающий в одном корпусе два подогревателя высокого давления одной группы – ПВД-Ш-5 и ПВД-Ш-6 (см. рис. 5).

При течи в одном из последовательно работающих ПВД (отдельно стоящих) одной группы отключается целиком вся группа, а питательная вода направляется в обход группы по байпасу, затем она смешивается с питательной водой работающих ПВД параллельной группы и направляется в парогенератор. Совмещенный подогреватель в двухниточной схеме представляет собой единый вертикальный аппарат, корпус которого в верхней части (ПВД-Ш-6) имеет внутренний диаметр 2600 мм, а в нижней части (ПВД-Ш-5) – 3000 мм. Общая высота составляет 15 420 мм. По торцам теплообменный аппарат закрыт эллиптическими днищами, в центре которых закреплены вертикальные коллекторы. Верхнее днище корпуса ПВД-Ш-5 является одновременно нижним днищем корпуса ПВД-Ш-6, т.е. служит средним днищем для обоих подогревателей, в котором закреплены одновременно верхний коллектор ПВД-Ш-5 и нижний коллектор ПВД-Ш-6. Коллекторы соединены один с другим и образуют единый перепускной коллектор питательной воды. В кольцевом пространстве между корпусом и коллектором в каждом подогревателе расположены трубные пучки, состоящие из эвольвентных ширм. Концы теплообменных труб закреплены в коллекторах. Высота подогревателя обеспечивает его монтаж под площадкой обслуживания турбоагрегата (отметка +16.00 м). Технические характеристики подогревателя, совмещающего в одном корпусе две ступени подогрева (ПВД-Ш-5 и ПВД-Ш-6) одной группы в двухниточной схеме, приведены в табл. 3. Масса перепускных трубопроводов питательной воды между подогревателями группы сокращена, кроме того, масса аппаратов уменьшена на 7.5% (или на 20 т) на блок в сравнении с массой этих же подогревателей, приведенной в табл. 1. Разработанный теплообменный аппарат позволяет снизить гидравлическое сопротивление группы подогревателей по питательной воде, а также уменьшить количество фундаментов в 2 раза.

В целях перехода с двухниточной схемы на классическую однониточную с двумя ступенями подогрева были разработаны ПВД-Ш-5 и ПВД-Ш-6 с увеличенной в 2 раза тепловой мощностью каждого (см. рис. 6). Технические характеристики подогревателей представлены в табл. 3. Оба подогревателя выполнены по конструктивной схеме, аналогичной двухниточной схеме. Диаметры коллектора не изменены. Увеличены диаметры корпусов и количество труб в ширме. Количество труб и диаметры корпусов подогревателей приняты исходя из скоростей теплоносителей в межтрубном и трубном пространствах на уровне, принятом в подогревателях двухниточной схемы, или немного выше, поэтому коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи остаются прежними.

Переход на однониточную схему позволяет сократить площадь машинного зала, занятую оборудованием, уменьшить массу трубопроводов греющего пара, подвода и отвода конденсата, количество арматуры, контрольно-измерительных приборов, а также количество фундаментов в 2 раза. Снижается также гидравлическое сопротивление рабочих сред благодаря увеличению диаметров их трубопроводов. Кроме этого, результаты разработки показали, что масса аппаратов уменьшается на 39 т на блок в сравнении с ПВД-Ш для двухниточной схемы. При течи в одном из ПВД однониточной группы отключается целиком вся группа и питательная вода направляется в обход ее по байпасу в парогенератор.

Регламентом работы парогенератора предусмотрены режимы с поступлением питательной воды в парогенератор, минуя ПВД, по байпасу непосредственно из деаэратора при температуре выхода из питательных насосов. К тому же безаварийная эксплуатация горизонтальных ПВД на энергоблоке № 5 НВАЭС с трубным пучком из нержавеющей стали и вертикальной трубной доской (как в ПВД-Ш – трубный пучок из нержавеющей стали и вертикальный коллектор, в котором закреплены трубы) показала их надежную работу. Все вышесказанное является достаточным обоснованием для реализации данного решения.

Для дальнейшего сокращения площади машинного зала, занятой оборудованием, и количества трубопроводов обвязки подогревателей была разработана конструкция однониточного подогревателя с двумя ступенями подогрева в одном корпусе (см. рис. 7). Конструктивная схема подогревателя выполнена аналогично схеме сдвоенного подогревателя для двухниточной схемы (см. рис. 5). Технические характеристики подогревателя представлены в табл. 3. Высота теплообменного аппарата (16.61 м) превышает высоту площадки обслуживания турбоагрегата (отметка +16.00 м). Для обеспечения возможности его монтажа под площадкой обслуживания турбины необходимо уменьшить высоту бетонной опоры под ПВД-Ш на 1.2 м. При течи в одном из ПВД отключается целиком аппарат, и питательная вода направляется в обход аппарата по байпасу в парогенератор.

ВЫВОДЫ

1. Сопоставление вертикальных коллекторно-ширмовых подогревателей высокого давления с вертикальными подогревателями камерного типа паротурбинных установок АЭС показало следующее:

в предлагаемых подогревателях обеспечиваются высокие скорости потока конденсирующегося пара и лучшие теплогидравлические характеристики в межтрубном пространстве;

схема потока конденсирующегося пара в межтрубном пространстве, а также конструкция трубного пучка позволяют организовать эффективную многоступенчатую систему последовательного отвода конденсата от теплопередающей поверхности;

использование цилиндрического трубного коллектора вместо трубной доски обеспечивает существенное уменьшение толщины стенки коллектора и, соответственно снижение его массы, а также повышение ресурса благодаря исключению возможности накопления шлама в местах крепления труб к трубному коллектору;

удобство технического обслуживания аппарата достигается возможностью доступа к трубам, закрепленным в верхнем и нижнем цилиндрических вертикальных трубных коллекторах, через люки-лазы, обеспечивающие возможность эргономичного глушения неисправных труб;

сокращение срока изготовления аппарата и снижение трудоемкости монтажных работ достигаются благодаря использованию унифицированных трубных ширм (теплообменных модулей), а также меньшей длины отверстий для закрепления труб.

2. На основе предлагаемой конструкции разработан ряд теплообменных аппаратов, использование которых позволит существенно сократить площадь, занимаемую в машинном зале, и упростить схему соединительных трубопроводов, что невозможно в варианте с подогревателями камерного типа.

3. Применение аппаратов с коллекторно-ширмовой трубной системой обеспечивает повышение надежности турбоустановки благодаря уменьшению площади поверхностей оборудования и трубопроводов, количества и протяженности сварных швов, находящихся под давлением.

4. Преимущества предлагаемых подогревателей с коллекторно-ширмовой трубной системой позволяют рассматривать их в качестве перспективы для действующих и проектируемых паротурбинных установок АЭС и существенно повышают конкурентоспособность отечественного атомного энергомашиностроения.