О применении пластинчатых теплообменных аппаратов в схемах паротурбинных установок

Бродов Ю.М. (turbine66@mail.ru) (1), Пермяков В.А. (2)

(1) Уральский государственный технический университет-УПИ

(2) НПО ЦКТИ

Теплообменные аппараты паротурбинных установок (ПТУ) являются крупногабаритным, металлоемким, дорогостоящим и наукоемким оборудованием, в значительной степени определяющим компоновку, эффективность и надежность работы ТЭС в целом. По оценкам ВТИ и МЭИ, при неизменных параметрах свежего пара и пара промперегрева вклад в общее повышение КПД ПТУ, полученный за счет улучшения характеристик теплообменных аппаратов (конденсаторов, подогревателей сетевой воды, подогревателей системы регенерации, маслоохладителей и др.), может достигать 30% [1-4].

Большинство теплообменных аппаратов в схемах ПТУ (и ТЭС в целом), исключая деаэраторы и смешивающие ПНД, имеют кожухо-трубную конструкцию, являясь аппаратами рекуперативного типа [1, 2].

Критерием оценки современного уровня разработок (и реализации) рекуперативных конденсирующих теплообменных аппаратов в схемах ПТУ с точки зрения их тепловой эффективности принято считать значения недогревов воды до температуры насыщения пара на номинальном режиме работы аппаратов (ПТУ) [1-4], которые не должны превышать, 0С, для:

-конденсаторов........................................................... - 8,0

-подогревателей:

1.низкого и высокого давления............................ - 1,5

2.сетевой воды (горизонтальных)......................... - 3,5

3.сетевой воды (вертикальных) и сальниковых....... - 10,0

Для водоохлаждаемых маслоохладителей в схемах ПТУ критерием,

характеризующим их тепловую эффективность, принято считать значение температуры масла на выходе их аппарата (не более 450С) при температуре охлаждающей воды на входе в аппарат, равной 330С [2, 3].

Критериями оценки современного уровня разработок (и реализации) рекуперативных теплообменных аппаратов в схемах ПТУ с точки зрения их надежности и долговечности принято считать следующие показатели

[1-4]:

-установленный срок службы - не менее 30 лет;

-межремонтный период (между капитальными ремонтами) -не менее 50 000 ч.;

-средняя наработка на отказ - не менее 16 000 ч.;

-коэффициент готовности - не менее 0,99.

Для маслоохладителей ПТУ к одним из основных критериев надежной работы, наряду с вышеперечисленными, относится их герметичность.

Считаем, что на основе именно этих критериев и следует оценивать целесообразность реализации (внедрения) любых предложений по совершенствованию теплообменных аппаратов ПТУ как на этапе их проектирования (разработки), так и в условиях эксплуатации (при модернизации или замене).

Анализ и обобщение таких работ применительно к кожухотрубным (рекуперативного типа) теплообменным аппаратам ПТУ достаточно подробно представлены в [1-4].

Пластинчатые теплообменные аппараты, поверхность теплообмена которых образована из пакетов параллельно расположенных гофрированных пластин, известны достаточно давно [5-9]. Гофрированные поверхности пластин по мнению авторов этих работ приводит, прежде всего, к увеличению поверхности теплообмена, а также - к некоторой интенсификации теплообмена за счет изменения гидродинамики потоков и разрушения вязкого пограничного слоя теплоносителей. Отдельные пластинчатые теплообменные аппараты с небольшой поверхностью теплообмена ранее применялись в системах теплоснабжения коммунальных хозяйств, однако, в схемах ПТУ (на ТЭС) никогда не использовались.

В последнее время появились достаточно много предложений, в основном - рекламного характера, по использованию пластинчатых теплообменных аппаратов ПТУ (на ТЭС) [10-18*] в качестве:

-ПНД систем регенерации;

-подогревателей сетевой воды;

-маслоохладителей;

-сальниковых подогревателей;

-подогревателей химически очищенной воды.

В настоящей статье, на основе анализа и обобщения информации об эффективности и надежности пластинчатых теплообменных аппаратов, сформулированы представления авторов о целесообразности их применения в схемах ПТУ (на ТЭС).

Авторы материалов, усиленно рекламирующих и предлагающих пластинчатые теплообменные аппараты, как правило, подчеркивают следующие их преимущества (в сравнении с кожухотрубными):

Авторы не считают необходимым приводить все известные им рекламные материалы (а их очень много), в т.ч. из интернета.

1.Более высокий (в 3-5 раз) коэффициент теплопередачи, что, естественно, должно предопределять меньшие массо - габаритные характеристики аппаратов.

2.Более высокую надежность аппаратов.

3.Простоту эксплуатации и обслуживания.

Ниже представлен анализ этих факторов, в том числе с позиций возможности применения пластинчатых теплообменных аппаратов в

схемах ПТУ (на ТЭС).

Достижение высоких значений коэффициентов теплопередачи в рассматриваемых аппаратах (до 20 кВт/м к) с точки зрения современных представлений науки по теплообмену вполне возможно. Это определяется особенностями их (аппаратов) конструкцией, в частности - малыми размерами каналов (1,5 - 5,0 мм), а также их профилированием (гофрированием), что в совокупности предопределяет высокую степень турбулизации теплоносителей.

Такие высокие значения коэффициентов теплопередачи, естественно, предопределяют и меньшие массо-габаритные характеристики пластинчатых аппаратов. Однако (!), авторы всех рассматриваемых материалов [10-18] умалчивают о значениях гидравлических потерь в трактах пластинчатых аппаратов, которые по данным [19-24] существенно (в разы) выше, чем у аналогичных кожухотрубных аппаратов. Это вполне естественно в узких каналах с искусственной шероховатостью при высокой степени турбулизации теплоносителей. Между тем, повышение общего гидродинамического сопротивления в схемах ПТУ, которое может возникать при замене кожухотрубных аппаратов на пластинчатые, считаем нецелесообразным, т.к. практически все насосы в схемах современных ПТУ работают на пределе своих возможностей, а величина расхода электроэнергии на собственные нужды ТЭС в отдельных случаях уже достигает 6-7 %, что в современных условиях экономически невыгодно.

Надежность работы оборудования ПТУ (и ТЭС в целом) является в настоящее время одним из основных требований как при разработке (проектировании), так и при его эксплуатации (в т.ч. при модернизации оборудования). Утверждения авторов работ [10-18] о более высокой надежности пластинчатых аппаратов по сравнению с кожухотрубными базируется на их более высокой коррозионной стойкости (по утверждению тех же авторов). Это в определенной степени естественно, т.к. пластинчатые аппараты, как правило, изготавливаются из коррозионно-стойких материалов: нержавеющая сталь, титан, никелевые сплавы и т.п. Никаких других показателей надежности пластинчатых аппаратов авторы вышеуказанных работ не приводят. Между тем известно [1-4, 19-24], что современные кожухотрубные теплообменные аппараты ПТУ, трубные системы которых (в отдельных случаях и корпуса) изготавливаются из аналогичных материалов (сплавов), имеют показатели надежности