Теплоэнергетика, 2023, № 4, стр. 16-22

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОДОСТРУЙНОГО ЭЖЕКТОРА

Об энергетической эффективности водоструйного эжектора можно судить по объемному коэффициенту эжекции K, равному отношению объемной производительности по воздуху G_в к расходу рабочей воды G_вод. В результате выполнения большого объема исследовательских работ значение коэффициента эжекции было существенно повышено, и в настоящее время оно составляет около 3.5. В табл. 1 приведены характеристики некоторых водоструйных эжекторов [1].

В связи с достигнутым прогрессом в повышении коэффициента эжекции на энергоблоках конденсационных электростанций при единичной мощности турбоустановок 300 МВт и более стали применять водоструйные эжекторы. На АЭС с быстроходными турбоустановками К-1000-60/50 также было предусмотрено их применение, в частности на энергоблоках № 3, 4 Калининской АЭС.

Для оценки энергетического КПД водоструйного эжектора (здесь энергетический КПД – отношение работы изотермического сжатия воздуха к затрате потребленной электроэнергии) необходимо рассмотреть термодинамический процесс сжатия среды в нем. Расход пара в паровоздушной смеси, выходящей из конденсатора, примерно в 2 раза больше расхода воздуха. Пар конденсируется в приемной камере эжектора. По данным [1] при работе эжектора на паровоздушной смеси зависимость давления в приемной камере от расхода сухого воздуха сохраняется, так как в эжекторе происходит сжатие только воздуха. Поскольку температура потока воды с воздухом практически не изменяется, то процесс сжатия – изотермический. Исходя из этого, выражение для мощности источника, обеспечивающего идеальное изотермическое сжатие воздуха, W_сж можно записать в виде

где р₁, р₂ – парциальное давление воздуха в приемной камере и на выходе из эжектора, кПа; G_в – расход воздуха, кг/ч; ${{\vartheta }_{в}}$– удельный объем воздуха, м³/кг; R_в – газовая постоянная воздуха, кДж/(кг · K); Т_в – температура воздуха, K; р_в – парциальное давление воздуха, кПа.

При температуре рабочей воды 20°С, давлении в приемной камере эжектора 5 кПа, р₁ = 2.66 кПа, р₂ = 88 кПа, K = 3.5 расход воздуха составляет 110.7 кг/ч. Тогда в соответствии с формулой (1) W_сж = 9 кВт.

Мощность W_рас при идеальном расширении рабочей воды рассчитывается по формуле

где ∆р_вод – разность давлений воды на входе в эжектор и выходе из него (360 кПа); G_вод – расход рабочей воды, кг/с; ${{\vartheta }_{{вод}}}$ – удельный объем воды, м³/кг.

Из (2) следует W_рас = 100 кВт.

При этих условиях изотермический КПД водоструйного эжектора составляет 9%. Аналогично получено, что при давлении в приемной камере 6 кПа КПД равен 11.3%, при давлении 7 кПа – 13.3%.

Расчет электрической мощности насосов N_эл подачи рабочей воды в эжектор выполняют по формуле

где H_н – напор насоса (37 м); η_н – КПД насоса (0.80); η_эл – электрический КПД двигателя (0.95).

В этом случае электрическая мощность насосов подачи рабочей воды составит 135 кВт. Таким образом, энергетический КПД водоструйного эжектора $\eta _{э}^{в}$ равняется 6.1%. Аналогично получено, что $\eta _{э}^{в}$ = 7.6% при р₁ = 6 кПа и $\eta _{э}^{в}$ = 8.9% при р₁ = 7 кПа.

Условием эффективной работы водоструйных эжекторов является выполнение схемы их включения в соответствии с рекомендациями [1]. Для этого на выходе каждого эжектора необходимо устанавливать воздухоотделитель с возможностью реализации непосредственного измерения расхода воздуха. И только после воздухоотделителя можно соединять параллельно работающие водоструйные эжекторы. Косвенные методы определения присосов воздуха, рекомендованные в [1], излишне сложны и, как показала практика их применения, могут давать неверные результаты. Для эффективной работы конденсатора турбоустановки необходимо обеспечить соответствующую производительность водоструйных эжекторов, которая может быть достигнута, в частности, при установке дополнительных водоструйных эжекторов.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДОКОЛЬЦЕВОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА

На энергоблоках проекта АЭС-2006 с реакторной установкой ВВЭР-1200 впервые в отечественной практике для удаления паровоздушной смеси из конденсатора турбоустановки был применен вакуумный насосный агрегат на базе водокольцевого вакуумного насоса (ВКВН) фирмы Edwards SHR 22500 (см. рисунок). На один энергоблок предусмотрена установка двух рабочих и одного резервного агрегатов.

В ВКВН паровоздушная смесь сжимается при вращении рабочего колеса с лопастями, расположенного эксцентрично внутри цилиндрического корпуса. На внутренней части корпуса ВКВН создается цилиндрическое кольцо рабочей воды, подаваемой в насос. Эксцентриситет между осью вращения рабочего колеса и геометрической осью корпуса обеспечивает циклическое изменение объема воды, заключенной между лопастями и кольцом. Паровоздушная смесь всасывается в насос через впускной патрубок, пар из смеси конденсируется на кольце холодной жидкости. При уменьшении объема воды происходит сжатие паровоздушной смеси, которая направляется в выпускной патрубок. Из-за большой степени сжатия ВКВН выполняются с двумя ступенями. Одноступенчатые ВКВН могут быть использованы только при давлении на входе свыше 17 кПа. Паровоздушная смесь поступает в сепаратор, где происходит разделение воды и воздуха, который выпускается в атмосферу. В теплообменнике рабочая вода охлаждается циркуляционной водой.

Проектирование ВКВН для Нововоронежской АЭС (НВАЭС) проводилось по техническим требованиям, используемым за рубежом [2, 3]. По этим данным принимается, что паровоздушная смесь охлаждается в воздухоохладителе конденсатора на 4°С по сравнению с температурой в конденсаторе. При этом массовая доля воздуха в удаляемой паровоздушной смеси составляет примерно 30%. Расчеты режимов ВКВН выполняются с учетом нормативных присосов воздуха.

При проектировании ВКВН для НВАЭС-2 рассматривались три режима работы конденсатора турбоустановки (табл. 2). Перед отправкой первого ВКВН на НВАЭС-2 были проведены его испытания на сухом воздухе на заводе-изготовителе в целях определения энергетического КПД η_э. В процессе испытаний при температуре рабочей воды 15°С и G_вод = 21 т/ч были получены следующие результаты: η_э = 12% при р_вод = 3.4 кПа, η_э = 24% при р_вод = 6.8 кПа, η_э = 30% при р_вод = = 13.5 кПа.

Далее приведены рассчитанные в соответствии с эксплуатационными данными НВАЭС-2 значения энергетического КПД ВКВН, %:

Энергетический КПД ВКВН в расчетных эксплуатационных режимах несущественно превышает значение этого показателя водоструйного эжектора (6.1%). Столь небольшое преимущество водокольцевых насосов обусловлено следующими неблагоприятными условиями работы:

значительной степенью повышения давления, приводящей к необходимости применения двухступенчатой конструкции насоса;

большим количеством пара в паровоздушной смеси, ухудшающим условия работы ВКВН.

Такая низкая тепловая эффективность ВКВН в расчетных эксплуатационных режимах обусловлена также небольшим расчетным расходом сухого воздуха. Поскольку объемный расход воздуха существенно меньше объемной производительности ВКВН, то захватывается определенное количество пара, который конденсируется на водяном кольце насоса. Принципиально возможно откачивать паровоздушную смесь из конденсатора одним насосом, но в этом случае существенно (в 2 раза) увеличится нагрев водяного кольца насоса.

При эксплуатации ВКВН важно исключить условия возникновения кавитации, которая может проявиться при небольшой разнице между температурами паровоздушной смеси и рабочей воды после теплообменника и неоптимальных условиях работы второй ступени насоса. Также важно согласовать необходимый объемный расход паровоздушной смеси из конденсатора для обеспечения его эффективной работы с объемным расходом ВКВН путем впрыска рабочей воды перед насосом.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРОСТРУЙНЫХ ЭЖЕКТОРОВ

Наибольшее распространение среди устройств удаления неконденсирующихся газов из конденсаторов ТЭС в России получили пароструйные эжекторы, которые также используются на турбоустановках АЭС.

Поскольку в пароструйном аппарате степень повышения давления эжектируемого потока обычно не превышает 6, то эжекторы конденсационных установок выполняются многоступенчатыми. В отечественной практике обычно применяют трехступенчатые эжекторы с поверхностными теплообменниками, за рубежом – двухступенчатые. В отличие от водоструйного эжектора, в первой ступени пароструйного эжектора сжимается вся парогазовая смесь из конденсатора, а не только воздух. Это приводит к дополнительным затратам рабочего пара. И только на последующих ступенях доля сжимаемого пара уменьшается вследствие его конденсации в охладителях.

Преимуществом пароструйных эжекторов является использование не электроэнергии, как в ранее рассмотренных воздухоотсасывающих устройствах, а отборного пара турбоустановки. На турбоустановках АО “Турбоатом” на пароструйные эжекторы подается пар выпара деаэратора. На турбоустановках ОАО “Силовые машины” АЭС-2006, ВВЭР-ТОИ предусмотрен сброс пара выпара из деаэратора в смешивающий подогреватель низкого давления (ПНД-2). Принципиально и для этих турбоустановок возможно использовать пар выпара деаэратора для пароструйных эжекторов.

В табл. 3 приведены характеристики пароструйных эжекторов, используемых на ТЭС и АЭС России [4].

Отбор пара на пароструйный эжектор приводит к снижению электрической мощности генератора. Поэтому в качестве характеристики энергетической эффективности пароструйного эжектора целесообразно также применять снижение электрической мощности турбоустаноки ∆N_эж. Выражение для энергетического КПД пароструйного эжектора $\eta _{э}^{п}$ можно записать в виде

где n – число ступеней пароструйного эжектора; G_{i см} – расход парогазовой смеси в ступени эжектора, кг/с; ∆s_{i см} – изоэнтропийный перепад при сжатии смеси в ступени эжектора, кДж/кг.

Мощность при изоэнтропийном процессе, необходимую для сжатия паровоздушной смеси, можно определить численно при делении интервала р₁–р₂ на n участков с достижением необходимой точности расчета по формуле

где р₁, р₂ – давление смеси в начальной и конечной точках интервала, кПа; G_см – расход парогазовой смеси, выходящей из конденсатора, кг/с;

– удельный объем смеси, м³/кг; T_см – температура смеси, K; р_см – давление смеси, кПа;

– газовая постоянная смеси, кДж/(кг · K); R_в – газовая постоянная воздуха, кДж/(кг · K); G_в – расход воздуха, кг/с; R_п – газовая постоянная пара, кДж/(кг · K); G_п – расход пара, кг/с.

В табл. 3 приведены энергетические КПД пароструйных эжекторов для двух вариантов тепловой схемы АЭС-2006, ВВЭР-ТОИ: реализованной и модернизированной по предложению НПО ЦКТИ, в которой предполагается наличие охладителя пара выпара деаэратора. Снижение энергетического КПД пароструйного эжектора в более экономичной схеме с охладителем пара выпара деаэратора связано с затратами высокопотенциального пара, который можно возвращать в деаэратор. В существующей схеме, в которой пар выпара полностью сбрасывается в ПНД-2, его частичное использование в пароструйном эжекторе обеспечивает прирост электрической мощности относительно варианта с ВКВН.

Непосредственное сопоставление энергетических КПД пароструйного эжектора и ВКВН невозможно, поскольку термодинамические процессы в этих устройствах значительно различаются: адиабатическое сжатие паровоздушной смеси в первом и изотермическое сжатие во втором. Поэтому сопоставление можно вести только по снижению электрической мощности нетто энергоблока при одинаковой производительности по воздуху. В частности, при работе турбоустановки АЭС-2006 на НВАЭС-2 с трехступенчатым сжатием паровоздушной смеси при температуре циркуляционной воды 20°С, одинаковой степени повышения давления в каждой ступени и конденсацией пара между ступенями в охладителе при температуре 35°С в соответствии с расчетом авторов общая мощность, необходимая для сжатия, составляет 17.9 кВт. Согласно [5, 6] эксергетический КПД пароструйных эжекторов может быть обеспечен на уровне, превышающем 20%.

Для анализа показателей струйных аппаратов целесообразно использовать коэффициент эжекции. По данным [5, 6] для пароструйного эжектора K = 0.4–0.5. В приведенном ранее примере расход паровоздушной смеси в трех ступенях составлял около 450 кг/ч. При этом K = 0.4, G_п = 1100 кг/ч. Мощность, обеспечивающая расширение рабочего насыщенного пара давлением 0.85 МПа до давления 0.1 МПа при расходе 1100 кг/ч, составит 95.5 кВт, что соответствует эксергетическому КПД эжектора около 19%.

В табл. 4 приведены данные, свидетельствующие о снижении электрической мощности энергоблоков АЭС-2006, ВВЭР‑ТОИ при применении воздухоудаляющих устройств в тепловой схеме, и сопоставление ее с мощностью турбоустановки с ВКВН в базовом варианте. Как следует из представленных в табл. 4 данных, использование пароструйного эжектора энергетически более эффективно.

В России имеется значительный опыт надежной работы пароструйных эжекторов [7]. Конструктивно пароструйные эжекторы существенно проще водокольцевых насосов и поэтому требуют меньших капитальных затрат. По зарубежным данным водокольцевые насосы не менее чем на 40% дороже пароструйных эжекторов [7]. В настоящее время идет только освоение водокольцевых насосов. Они не имеют серьезных преимуществ перед пароструйными эжекторами. Кроме того, первые намного дороже и значительно сложнее в эксплуатации.

Поскольку экономичность ВКВН существенно увеличивается при уменьшении количества пара в паровоздушной смеси и степени повышения давления, возможно, лучшим решением может оказаться комбинированная схема, когда в качестве первой ступени сжатия выступает пароструйный эжектор с охладителем, а в качестве второй – ВКВН [3, 7].

ВЫВОДЫ

1. Применение водокольцевых насосов для удаления неконденсирующихся газов из конденсатора турбоустановки не дает больших преимуществ перед использованием пароструйных и водоструйных эжекторов.

2. Учитывая положительный опыт применения водоструйных и пароструйных эжекторов на ТЭС и АЭС и их эффективность, рекомендуется для перспективных турбоустановок АЭС рассматривать их в качестве устройств воздухоудаления.