Современная ситуация и тенденции в проектировании и эксплуатации конденсаторов мощных паровых турбин ТЭС и АЭС

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

Современная ситуация и тенденции  
в проектировании и эксплуатации 

конденсаторов мощных паровых  

турбин ТЭС и АЭС

Учебное пособие

Под общей редакцией доктора технических наук,  

профессора Ю. М. Бродова

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  

для студентов, обучающихся по направлению  
подготовки 13.04.03 «Энергетическое машиностроение» 

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета 
2019 

УДК 621.165:621.175(075.8)
ББК 31.363.2-049я73
        С56

Авторы: Ю. М. Бродов, К. Э. Аронсон, А. Ю. Рябчиков, М. А. Ниренштейн, Н. В. Желонкин, Д. В. Брезгин, И. Б. Мурманский, Н. Гомборагчаа 

Рецензенты:
А. Г. Шемпелев, д-р техн. наук, проф. кафедры теплотехники и гидравлики Вятского государственного университета;
Т. Л. Шибаев, канд. техн. наук, главный конструктор АО «Уральский 
турбинный завод» 

С56

Современная ситуация и тенденции в проектировании и эксплуатации конденсаторов мощных паровых турбин ТЭС и АЭС : учебное пособие / Ю. М. Бродов [и др.] ; под общ. ред. д-ра техн. 
наук, проф. Ю. М. Бродова. — Екатеринбург : Изд-во Урал. унта, 2019. — 104 с.
ISBN 978-5-7996-2536-8

В учебном пособии представлен обзор и анализ современной ситуации в об
ласти проектирования, расчета и эксплуатации конденсаторов мощных паровых 
турбин. Рассмотрены схемы включения конденсаторов по охлаждающей воде, 
принятые в отечественной и зарубежной практике варианты компоновки конденсаторов относительно оси турбины, конструктивное оформление конденсаторов, организация трубного пучка, материалы и способы крепления трубок охлаждающей поверхности конденсаторов. Оцениваются существующие методы 
расчета конденсаторов и возможность использования для этой цели современных вычислительных средств и методов проектирования. Приведены основные 
проблемы, возникающие при эксплуатации конденсаторов в составе паротурбинной установки. Рассмотрены тенденции и перспективные разработки по применению воздушных конденсаторов для современных паровых турбин ТЭС и АЭС.

УДК 621.165:621.175(075.8)
ББК 31.363.2-049я73 
ISBN 978-5-7996-2536-8
© Уральский федеральный университет,  
     оформление, 2019 
© Бродов Ю. М., Аронсон К. Э.,  
     Рябчиков А. Ю., Ниренштейн М. А., 
     Желонкин Н. В., Брезгин Д. В.,  
     Мурманский И. Б., Гомборагчаа Н.,  
     2019 

Введение

К

онденсационная установка является одной из важнейших технологических подсистем — она в большой сте
пени определяет эффективность и надежность работы паровых 
турбин и паротурбинных установок (ПТУ) в целом. Конденсационная установка включает в себя собственно конденсатор, 
подсистемы циркуляционного водоснабжения, отвода конденсата, а также воздухоудаления. По данным [1], при изменении 
давления в конденсаторе на 1 кПа мощность ПТУ ТЭС изменяется примерно на 1 %, а для АЭС это изменение составляет 
1,5–2 %. Выполненный авторами на основе эксергетического 
и энтропийного методов [2] термодинамический анализ эффективности функционирования конденсаторов современных паровых турбин показал, что собственные потери в конденсаторах 
зависят от температуры воды на входе и составляют от 28 до 40 % 
всех эксергетических потерь; при этом потери от теплообмена 
с паровой стороны выше, чем с водяной — от 25 до 45 % суммарных потерь [2]. Потери от гидравлического сопротивления 
конденсаторов с паровой и водяной сторон составляют 3–8 %.

Целью этого издания является анализ современного состо
яния и уровня развития конструкций, проектирования и эксплуатации конденсаторов мощных паровых турбин в России 
и за рубежом [3]. Авторы собрали информацию по основным 
аспектам, представляющим интерес для специалистов в области проектирования и эксплуатации конденсаторов.

Сегодня важную роль в проектировании играют современные информационные технологии, существенно ускоряющие 

процесс и исключающие возможные ошибки и коллизии. Расчет конденсаторов, как тепловой, так и прочностной, наряду 
с использованием традиционных методов, также предполагает использование новейших вычислительных технологий и новых физических моделей.

Анализ данных из практики различных компаний, изготав
ливающих конденсаторы, показал, что не существует беспроигрышного варианта при выборе конфигурации трубного пучка и продолжается поиск в области оптимизации компоновки 
с учетом тепловых, гидро- и аэродинамических характеристик 
трубного пучка, а также экономических, стоимостных и технологических показателей всей конденсационной установки.
Необходимость повышения надежности работы трубного 

пучка и конденсатора в целом способствует поиску новых материалов, устойчивых к коррозии и обладающих высокими прочностными характеристиками.
Проблема эффективного воздухоудаления также является 

весьма важной для обеспечения надежной и устойчивой работы конденсационной установки, хотя и в этой области имеются наработки, традиции, которые подвергаются пересмотру 
и изменению в процессе применения и расчета различных типов воздухоудаляющих устройств.
Эксплуатация конденсаторов предъявляет свои требования 

к надежности их работы, обусловленные качеством охлаждающей воды (загрязнение и очистка поверхности охлаждения), 
а также общей надежностью и минимизацией отказов в работе конденсационной установки. Одновременно при эксплуатации необходимо обеспечивать высокие показатели тепловой 
эффективности, в том числе и за счет интенсификации процессов теплообмена различными способами.

Для поддержания надежной и эффективной работы конденсационной установки необходимы отслеживание, накопление 
и анализ режимных показателей. Эти функции призвана выполнять система мониторинга и диагностики, которой в том 

или ином объеме оснащается турбоустановка. К решению данной задачи прилагают усилия все производители турбоустановок в целом и конденсаторов в частности.

В условиях дефицита охлаждающей воды целесообразно при
менение конденсаторов с воздушным охлаждением. Применение воздушных конденсаторов позволяет отказаться от водозаборных и очистных сооружений, градирен и других систем 
водоснабжения. Расположение электростанций с воздушными конденсаторами не зависит от источника водоснабжения, 
что является огромным преимуществом. К недостаткам таких 
конденсаторов следует отнести громоздкие размеры, невозможность создать столь же глубокий вакуум, как водоохлаждаемые конденсаторы, и др. Воздушные конденсаторы — это 
весьма обширная тема, и она заслуживает отдельного анализа.

Учебное пособие предназначено прежде всего для студентов старших курсов направления «Энергетическое машиностроение», магистров и аспирантов, специалистов в области 
расчета, проектирования, изготовления, ремонта и эксплуатации паротурбинных установок, а также для производственников в системе курсов повышения квалификации, для которых 
это направление в энергетике и энергомашиностроении представляется важным и интересным.

Проектирование 
и изготовление  
конденсаторов

По 

сложившейся в России практике, изготовление конденсаторов, как и их расчет и проектирование, про
изводится на заводах, производящих турбины. Конденсаторы 
мощных конденсационных турбин производит ЛМЗ, конденсаторы теплофикационных турбин — Уральский турбинный завод, 
конденсаторы приводных турбин и турбин малой мощности изготавливает Калужский турбинный завод. За рубежом несколько крупных энергомашиностроительных компаний, например 
АВВ, Westinghouse или General Electric, также производят и турбины, и конденсаторы к ним. Однако наряду с этими компаниями существует большое количество специализированных 
высокотехнологичных производств, изготавливающих только теплообменное оборудование различных типов, в том числе 
и поверхностные конденсаторы паровых турбин. К числу подобных фирм относятся американские компании Аmbassador Heat 
Transfer, SPX Heat Transfer, Thermal Engineering International — 
TEi (подразделение компании Babcock Power), немецкая фирма 
Balcke Dürr GMBH и другие компании, выпускающие конденсаторы турбин мощностью от 50 до 1400 МВт с поверхностью 
теплообмена до 45000 м 2.

Интегрированное производство конденсаторов на турбин
ном заводе дает возможность более тесного и постоянного вза

имодействия проектировщиков конденсатора с разработчиками 
и изготовителями турбины. Специализированное производство 
конденсаторов, однако, позволяет более динамично совершенствовать технологические процессы и оборудование, повышать 
уровень специализации и унификации в производстве конденсаторов, что в конечном счете позволяет удешевить изготовление, улучшить качество, а также повысить эффективность эксплуатации этих аппаратов.

В настоящее время как в России, так и за рубежом совер
шенствование проектирования конденсаторов ведется по следующим направлениям:
• Повышение интенсивности процессов тепло- и массообмена.
• Оптимизация разбивки и формы трубного пучка.
• Увеличение эффективной поверхности теплообмена.
• Снижение максимальных скоростей пара.
• Равномерное распределение пара по трубному пучку.
• Снижение парового сопротивления.
• Оптимизация подогрева и деаэрации конденсата.
• Эффективное воздухоудаление.
• Обоснованный выбор материалов элементов конструкции конденсатора.
• Снижение переохлаждения конденсата.
Современные технологии в производстве конденсаторов 

должны обеспечивать надежную герметизацию водяного пространства, предотвращение опасной вибрации трубок, безопасность тепловых расширений элементов конструкции, свободный проход пара в пучок, обоснованный выбор материалов для 
трубок и трубных досок, защиту от превышения напряжений 
в трубках и трубной доске. Конденсатор должен обладать приемлемыми массогабаритными характеристиками и трудоемкостью ремонта, высокой технологичностью изготовления, сборки, транспортировки и монтажа, а также высокой надежностью 
в эксплуатации на различных режимах работы паротурбинной 

установки. Следует отметить, что некоторые перечисленные требования к конструкции конденсатора противоречат друг другу, 
что вынуждает разработчиков искать компромиссные решения.

В процессе проектирования и изготовления конденсатора 

закладываются технические решения, которые будут определять надежность его конструкции и безопасность эксплуатации в дальнейшем. Выбор материалов элементов конструкции 
аппарата, запасы прочности деталей и всей конструкции в целом, удобство сборки и разборки, механическая и тепловая напряженность конструктивных элементов, резервирование важнейших или наименее надежных элементов и другие факторы, 
влияющие на надежность и безопасность, определяются на стадии проектирования конденсатора [4]. На стадии изготовления 
безопасность продукции определяется принятой технологией 
производства, соблюдением технологических допусков, качеством обработки элементов конструкции, качеством используемых материалов, тщательностью сборки и регулировки [4].

Современные методы автоматизированного проектирова
ния основываются на методах трехмерного моделирования. Для 
создания объемной модели изделия конструкторы, как правило, пользуются одним из следующих методов [2]:

• твердотельного моделирования;
• ассоциативного конструирования;
• поверхностного моделирования.
Метод твердотельного параметрического проектирования 
применяется при создании большинства элементов теплообменного оборудования. В твердотельном моделировании реализованы два режима создания объектов — режим свободной параметризации и режим принудительной параметризации 
[2]. Параметрическое проектирование предполагает описание 
арифметическими выражениями или отношениями совокупности связанных друг с другом геометрических элементов конструкции. Параметрические модели отличаются тем, что варьирование численных значений заложенных в них параметров 

влияет на геометрическую конфигурацию деталей или их отдельных элементов.
Принудительная параметризация может активно применять
ся в тех деталях и сборках, в которых не предполагается значительных изменений. Такой подход позволяет получить несколько твердотельных однотипных моделей детали, отличающихся 
размерами или типом исполнения [2].
Преимуществами такой параметризации являются:
• возможность создавать и сохранять большое количество 

образцов модели, которые тем не менее будут находиться внутри одной «управляющей» модели;
• значительная экономия сил и времени при создании массивов стандартных деталей;
• создание таблиц семейств, которые могут быть включе
ны в каталоги и спецификации деталей и чертежей.

Свободная параметризация позволяет быстро и оперативно 

вносить изменения в модель, активизируя необходимые параметры элементов конструкции. Конструктору предоставляется 
возможность в результате оперативного редактирования просмотреть различные варианты и вернуться к первоначальному. 
На любом этапе модель может быть модифицирована, проанализирована и выбран окончательный вариант. Такой подход может использоваться в работе как с отдельной деталью, 
так и со сборкой.

Метод ассоциативного конструирования представляет собой 
способ проектирования, при котором параметрические связи 
между проектируемыми деталями устанавливаются не в форме 
арифметических выражений или отношений, а в форме установления ассоциативных связей между деталями. В проектировании теплообменных аппаратов метод ассоциативного конструирования может наиболее эффективно применяться при 
конструировании корпусов аппаратов.
На первом этапе проектируется твердотельная модель труб
ного пучка теплообменника, а затем, с использованием ассоци

ативного конструирования, создается модель корпуса. Существующие технологии дают возможность создания на основе 
конструкторской модели серии ассоциативно связанных технологических моделей. Создаваемая таким образом твердотельная 
модель корпуса аппарата будет в большей степени соответствовать окончательному виду изделия и иметь обоснованные припуски на дальнейшую механическую обработку [2].

Поверхностное моделирование с достаточной степенью функ
циональной полноты реализовано только в системах сквозного проектирования и производства верхнего уровня. Поверхностное моделирование при проектировании теплообменных 
аппаратов наиболее целесообразно применять для создания 
объектов сложной формы, в частности проточной части пароструйных и водоструйных эжекторов. Это позволяет создавать 
программы для обработки проточной части эжекторов на станках с ЧПУ, а их изготовление с использованием поверхностных 
моделей выполнять на фрезерных станках с 3-и 5- координатным управлением.