Экспериментальное исследование аэрации и деаэрации конденсата в конденсаторе паротурбинной установки

В статье излагаются результаты опытов по исследованию аэрации и деаэрации конденсата при конденсации пара из паровоздушной смеси в вакуумном конденсаторе. Опыты проведены в Ленинградском кораблестроительном институте на экспериментальной установке. Целью исследования являлось выяснение причин существенного расхождения между измеренными кислородосодержаниями конденсата на выходе из разных конденсаторов и значительного превышения у многих конденсаторов фактического Ь0 над расчетным. Необходимо было также объяснить качественное различие зависимостей от паровой нагрузки, полученное при испытаниях нескольких типов конденсаторов [1, 2]. Существует несколько раз-личных представлений о процессах аэрацин конденсата [1—5], объясняющих противоречивые экспериментальные данные; из этих представлений вытекают несогласующиеся рекомендации по конструированию конденсаторов. Это обусловило актуальность данной работы.
Методика постановки экспериментов
Экспериментальный конденсатор представлял собой фрагмент конденсаторного трубного пучка (в опытах ставился в условия, близкие к тем, в которых находятся разные зоны трубных пучков реальных конденсаторов). Для удобства наблюдения за стеканием конденсата подвод и отвод охлаждающей воды был осуществлен со стороны единственной трубной доски по способу «труба в трубе», а со стороны свободных концов труб торцовая стенка корпуса выполнялась прозрачной. Боковые стенки имели окна для освещения. Поверхность охлаждения площадью 3,02 м2 состояла из 192 латунных труб наружным диаметром 25 мм, активной длиной 200 мм. Направление течения пара в трубном пучке (боковое нисходящее под углом ~30° к горизонту) и геометрические параметры шахматной разбивки труб соответствовали конденсатору турбины К-800-240-2 ЛМЗ. Относительные шаги: в горизонтальных рядах 5^= 1,28, между осевыми горизонтальных рядов 52/^=2,48, в наклонных рядах 52/й= 1,395. Такая разбивка благодаря увеличенному просвету между горизонтальными рядами труб удобна для освещения и наблюдения за стенанием конденсата. Пучок состоял из 12. наклонных (под углом —27° к вертикали) рядов, поперечных по отношению к потоку пара, по 16 труб в ряду. Суммарная площадь прохода пара через поперечный ряд труб 0,033 м2. У вертикальных боковых стенок корпуса перед первым рядом труб и за последним были предусмотрены клинообразные пароподводящий и отводящий каналы, равномерно распределяющие пар по высоте трубного пучка. К наклонным стенкам корпуса, ограничивавшим сверху и снизу поток пара в трубном пучке, примыкали неохлаждаемые полуцилиндры, обеспечивавшие однородность характера течения по всей ширине потока. Через отверстия в стейках верхних полуцилиндров вводили воду при орошении трубного пучка. Каркас, поддерживавший конденсатор, позволял изменять положение продольных осей труб от горизонтального до наклонного на 5° к горизонту.
Схема установки, представленная на рис. 2, позволяла изменять в широких пределах параметры, определяющие условия конденсации пара из паровоздушной смеси и стекания конденсата. В конденсатор 1 подводился после осушки в сепараторе 2 вторичный пар от испарителя, в котором генерация пара осуществлялась при давлении, близком к давлению в конденсаторе 1, из воды, предварительно деаэрированной в атмосферном деаэраторе, Ввод добавочного воздуха дозировался посредством дроссельного устройства, присоединенного к сепаратору. Несконденсированный пар из конденсатора 1 поступал в дополнительный конденсатор,из которого оставшаяся паровоздушная смесь отсасывалась двухступенчатым пароструйным эжектором 6. В его охладители 7 поступала часть воды, подаваемой циркуляционным насосом. Основная же часть циркуляционной воды от насоса через фильтр подводилась сначала в конденсатор 5, затем через распределительный коллектор направлялась по шести параллельным линиям к группам труб конденсатор, из которого отводилась в шесть мерных баков 11. Конденсатор 5 можно было байпасировать и при необходимости уменьшить количество конденсируемого в нем пара. Конденсат из конденсаторов сливался раздельно в два1 вакуумных мерных бака 12. Для орошения экспериментального трубного пучка вода, отбираемая из деаэратора 4, подводилась в конденсатор 1 через расширительный сосуд ГЗ, соединенный с паропроводом вторичного пара. Это приближало температуру вводимой воды к температуре насыщения при давлении в конденсаторе.
Проведение опытов сопровождалось обычными при теплотехнических испытаниях измерениями. Кроме того, измерялись концентрация кислорода в конденсате на выходе из конденсатора 1 ив орошающей воде на подводе к нему с применением в качестве индикатора метиленового голубого, а также воздухосодержание паровоздушной смеси на входе и выходе из экспериментального пучка по методу изложенному в работе.
С целью стабилизации режимов опытов были применены регуляторы (см. рис. 2) для поддержания постоянства подпора циркуляционного насоса 8, уровней воды в испарителе 3 и деаэраторе 4, а также давления подводимого к ним греющего пара.
Перед каждой серией опытов проверялась плотность установки с помощью галоидного течеискателя ГТИ-3. В подготовленной установке средняя за сутки скорость падения вакуума обычно не превышала 0,09 Па/с. Перед опытом испаритель заполняли водой, нагретой в деаэраторе до кипения. С включением эжектора образующийся из этой воды пар отсасывался вместе, с воздухом через конденсаторы 1 и 5, через которые еще не прокачивалась охлаждающая вода. После такой продувки и контроля водухосодержания в паре включалась циркуляция охлаждающей воды и устанавливался режим опыта. Измерения производились с интервалом 4 ... 5 мин после стабилизации всех контролируемых параметров. Экспериментальные данные на каждом режиме определялись путем осреднения результатов 5—6 измерений.
Опыты, проведенные при горизонтальном положении труб, повторялись затем с их наклоном, обеспечивающим безотрывное стекание конденсата вдоль нижних образующих труб до трубной доски. Это играло важную роль в методике эксперимента, так как позволяло приблизиться к условию отсутствия дополнительной аэрации конденсата при стекании по трубам, принятому в основу расчетного определения Ь02 на выходе из конденсатора — как средневзвешенного (средне-интегрального) от значений, найденных по местным условиям конденсации пара из паровоздушной смеси в разных зонах трубного пучка. В данных опытах подтвердилось, что хотя конденсат с наклонных труб стекает затем по трубной доске и контактирует с паровоздушной смесью, имеющей более высокое воздухосодержание, чем в месте образования конденсата из конденсирующегося пара, при этом нет условий для интенсивной абсорбции значительного количества газов конденсатом, так как малы время и площадь контакта при быстром еГо стекании толстым слоем. В то же время не происходит интенсивного переноса частиц газов в жидкую фазу вместе с частицами воды, конденсируемой из паровоздушной смеси на поверхности потока конденсата, поскольку отвод тепла от последнего неэффективен.
Пределы изменения основных параметров в опытах
приведены далее.
Расход пара, подводимого в конденсатор, <?п>
кг/ч......................................... 0 — 350
Расход воздуха, поступающего в конденсатор,
Ог, кг/ч..................................... 0,03 — 0,5
Расход воды, орошающей трубный пучок, 0Ву
кг/ч......................................... 0 — 200
Степень конденсации в экспериментальном конденсаторе 2, %................................. 70   —           99,95
Давление на входе в конденсатор р.,, МПа. . .0,003 — 0,006
Содержание воздуха в паровоздушной смеси, %:
на входе в пучок..................... 0,0—2,5
на выходе из пучка.................. 0,04—86
Плотность потока в межтрубных промежутках (массовая скорость), кг/(м*-с):
на входе в пучок.................... 0             —           3,5
на выходе из пучка................. 0            —           0,7
Угол наклона труб к горизонту а,°................. 0             —           5
Результаты опытов и их анализ
Результаты шести серий опытов даны в таблице. Для каждой серии значения соответствуют двум характерным опытам, близким по условиям проведения с горизонтальными (а=0°) и наклонными (а^=0°) трубами. При значительной разнице в условиях двух опытов данные в таблице соответствуют в основном опыту при а=0°, а данные при а^=0° оговорены далее в тексте.
В таблице приведены расчетные локальные значения концентраций кислорода в конденсате, соответствующие условиям конденсации пара из паровоздушной смеси на входе и выходе из пучка, а также их средне-интегральные значения. Коэффициент, учитывающий, что при конденсации пара из паровоздушной смеси парциальное давление воздуха у поверхности конденсации выше, чем на удалении от него, принят 1,5 ... 3,0 [1].’ Температура охлаждающей воды при опытах составляла 3 ... 8 °С.