Конденсаторы паротурбинных установок

 

В. А. ФЁДОРОВ, О. О. МИЛЬМАН 

 

КОНДЕНСАТОРЫ  

ПАРОТУРБИННЫХ 

УСТАНОВОК  

 

 
 
 

 

Конденсаторы паротурбинных установок 

УДК 
621.175/177 
ББК 
231.363 
Ф33 
 
 
Рецензенты: 
 
академик РАН  А. И. Леонтьев; 
д-р техн. наук, проф.  В. Г. Грибин 
 
 
Ф33 
Фёдоров В. А. Конденсаторы паротурбинных установок / В. А. Фёдоров, 
О. О. Мильман. – М. : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. – 560 с. 
 
ISBN 978-5-7038-3826-6 
 
 
В настоящей монографии рассматривается четыре типа конденсаторов:  
 с конденсацией пара на наружной поверхности труб и течением воды 
внутри труб; 
 с конденсацией пара внутри труб и продольно-поперечным течением 
охлаждающей воды; 
 с конденсацией пара внутри труб и течением воздуха в межтрубном 
оребренном пространстве; 
 конденсаторы пара с промежуточным двухфазным теплоносителем. 
В ходе экспериментальных исследований выявлены новые, ранее не изученные, физические явления. 
Результаты фундаментальных и прикладных исследований реализованы авторами на ОАО «Калужский турбинный завод» и в ЗАО «НПВП «Турбокон» 
применительно к заказам предприятий энергетики, Минобороны РФ, ГК «Росатом» и ОАО «Газпром».  
 
 
УДК 621.175/177 
ББК    231.363 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© Фёдоров В. А., Мильман О. О., 2013 
ISBN 978-5-7038-3826-6 
© Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013 

Обозначения 
3 

ОБОЗНАЧЕНИЯ 

Основные принятые обозначения 

 
– 
коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К) 
β 
– 
объемное расходное паросодержание 
δ 
– 
толщина пленки, м 
λ 
– 
коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) 
 
– 
коэффициент поверхностного натяжения, Н/м 
µ 
– 
коэффициент динамической вязкости, Пас 
ν 
– 
коэффициент кинематической вязкости, м2/с 
ρ 
– 
плотность, кг/м3 
w, g 
– 
массовая скорость, плотность потока, кг/(м2с) 

р
a
с
  
 
– 
коэффициент температуропроводности, м2/с 

с  
– 
удельная теплоемкость, Дж/(кгК) 

fс  
– 
коэффициент трения 

f 
– 
частота, Гц 
g 
– 
ускорение свободного падения, м/с2 
G 
– 
расход, кг/с 
k 
– 
коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К) 
l 
– 
длина, м 
р 
– 
давление, Па 
q 
– 
плотность теплового потока, Вт/м2 
r 
– 
теплота парообразования, Дж/кг 
R 
– 
термическое сопротивление, м2К/Вт 
,
,
t
T
 
 
– 
температурная разность, напор, К 
,t   
– 
период, время, с 
Т, t 
– 
температура, К, °C 
V 
– 
объем, м3 
х 
– 
массовое расходное паросодержание 
w 
– 
скорость, м/с 
W 
– 
расход воды, м3/ч 

м
Bi   
 
– 
число Био 

2
Eu
p
w
 

 
– 
число Эйлера 

2
Fo     
– 
число Фурье 

2
Fr
w
gd

 
– 
число Фруда 

3
2
Ga
gd

  
– 
число Галилея 

Nu
,
d
l
 
    – 
число Нуссельта 

Pr
a
 
 
– 
число Прандтля 

Конденсаторы паротурбинных установок 

Re
wd

  
– 
число Рейнольдса 

St
wd a

 
– 
число Стентона 

Индексы 
вз 
– воздух 
в 
– вода 
вх 
– параметры на входе 
вых 
– параметры на выходе 
ж 
– жидкая фаза 
кр 
– критические параметры 
п, г 
– паровая и газовая фазы 
 

Сокращения 
АЭС 
– атомная электростанция 
ВКУ  – воздушно-конденсационная установка 
ДУУ  – дроссельно-увлажняющее устройство 
НКГ 
– неконденсирующиеся газы 
ПВС 
– паровоздушная смесь 
ПТУ  – паротурбинная установка 
ТЭС  – тепловая электростанция 
ТЭЦ  – теплоэлектроцентраль  
ЭУ 
– экспериментальная установка 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В монографии В. А. Федорова и О. О. Мильмана обобщен и описан обширный экспериментальный материал, полученный авторами в области тепло- и массопереноса в конденсационных установках паровых турбин и технологических установок. Часть материалов использована авторами из их ранее 
опубликованных книг. Они дополнены новыми исследованиями в области 
воздушно-конденсационных установок, высокоэффективных аппаратов с поддержанием постоянной скорости конденсирующегося пара и др. В этом направлении достигнуты коэффициенты теплопередачи в 1,5–2 раза превышающие показатели обычных конденсационных устройств. Представляет 
также интерес анализ параметров теплоэнергетической установки минимальных габаритов, выполненный в рамках традиционной термодинамики. 
Большая масса и габариты конденсационных устройств побуждают инженеров и ученых постоянно искать пути повышения эффективности их работы. Положение усугубляется сложностью процесса конденсации пара из 
смеси с неконденсирующимися газами. Новые подходы к проблеме, физические и математические модели, разработанные авторами, дают возможность 
успешного применения численных методов анализа этих процессов и оптимизации конструкции конденсаторов.  
Важная составляющая монографии – сочетание физического эксперимента с расчетными методиками. Это дает необходимый запас надежности 
для расчета и проектирования конденсационных устройств. 
Представленный в книге экспериментальный материал – важный этап  
в исследованиях, которые авторы продолжают активно развивать в теоретическом и прикладном направлениях с участием ведущих ученых МГТУ, МЭИ  
и ИТФ СО РАН, а также в создании установок, не имеющих аналогов в мировом энергомашиностроении. 
Монография вызовет несомненный интерес у ученых-теплофизиков. Она 
может быть полезна специалистам в области расчета и проектирования теплообменных аппаратов и студентам старших курсов теплоэнергетических 
специальностей. 
 
 
Академик РАН А. И. Леонтьев 

Конденсаторы паротурбинных установок 

ВВЕДЕНИЕ 

Конденсаторы паротурбинных установок предназначены для конденсации отработавшего пара. Их габариты и металлоемкость зависят от интенсивности теплообмена, которая, в свою очередь, зависит от выбранной конструкции конденсатора, организации движения рабочих сред, характеристик 
теплообменной поверхности и ряда других параметров. Течение многофазных рабочих сред имеет сложный трехмерный характер и в настоящее время 
не поддается численному моделированию без использования экспериментальных данных. Габариты и металлоемкость конденсаторов в значительной 
мере определяют соответствующие характеристики паротурбинных установок и их назначение. 
Авторами выполнен термодинамический анализ циклов с турбинными 
установками, работающими по замкнутому циклу, подтверждено наличие 
минимума их массогабаритных характеристик в зависимости от параметров 
рабочих сред.  
Установлено, что в конденсаторах с двухфазным теплоносителем и высокой интенсивностью теплообмена существуют режимы, в которых необходимо учитывать сопряженность тепломассообменных процессов, включая 
геометрические характеристики и свойства теплообменной поверхности.  
В настоящей монографии рассматриваются четыре типа конденсаторов,  
с созданием и совершенствованием которых связана значительная часть исследований, выполненных авторами во время работы в ЗАО НПВП «Турбокон»  
и ОАО «Калужский турбинный завод». К этим конденсаторам относятся: 
 конденсаторы с конденсацией пара на наружной поверхности труб  
и течением воды внутри труб; 
 конденсаторы с конденсацией пара внутри труб и продольнопоперечным течением охлаждающей воды; 
 конденсаторы с конденсацией пара внутри труб и течением воздуха  
в межтрубном оребренном пространстве; 
 конденсаторы пара с промежуточным двухфазным теплоносителем. 
В ходе экспериментальных исследований выявлены новые, ранее не изученные, физические явления: 
 оптимальная скорость конденсирующейся паровоздушной смеси; 
 предельные тепловые нагрузки; 
 теплогидравлические автоколебания при конденсации пара внутри 
труб при постоянных расходах пара на входе и конденсата на выходе 
из них; 
 теплогидравлические автоколебания и резонанс при кипении промежуточного теплоносителя внутри труб систем естественной циркуляции; 
 основным фактором, определяющим снижение коэффициента теплопередачи, является не расход воздуха в существующих конденсаторах 

Введение 
7 

на входе в них, а величина застойных зон, в которых скапливается 
воздух; 
 существенное влияние на характеристики конденсаторов оказывает 
производительность и тип воздухоудаляющих устройств. 
В ходе выполненных экспериментальных исследований достигнуты рекордные в мире показатели среднего по теплообменной поверхности коэффициента теплопередачи. 
Установлено единое явление для всех типов конденсаторов, уменьшающее коэффициент теплопередачи по сравнению с расчетом, – наличие участков теплообменной поверхности, заполненных парогазовой смесью с высокой концентрацией воздуха. 
Разработаны конструкции и испытаны конденсаторы пара с высоким коэффициентом теплопередачи, обеспечивающие сдув воздушного диффузионного пограничного слоя с поверхности теплообмена за счет высокой скорости 
пароводяной смеси.  
Обоснованный выбор конденсаторов паротурбинных установок (ПТУ)  
с газоудаляющими устройствами в значительной степени определяет энергоэффективность и экологическую чистоту последних. Например, уменьшение 
абсолютного давления в конденсаторе на 1 кПа ведет к росту КПД ПТУ примерно на 1%. Использование воздушных конденсаторов позволяет исключить 
выбросы влаги в атмосферу и создавать энергосберегающие электрогенерирующие установки в местах, где отсутствуют источники воды для промышленных целей, например на магистральных газопроводах ОАО «Газпром». 
Результаты научных исследований, финансово поддерживаемых Минобрнауки России, РФФИ, ЗАО «НПВП «Турбокон», полностью реализованы 
авторами на ОАО «Калужский турбинный завод» и в ЗАО «НПВП «Турбокон» применительно к заказам предприятий энергетики, Минобороны РФ,  
ГК «Росатом», ОАО «Газпром». 
При подготовке монографии использовались результаты исследований, 
опубликованные в научно-технических журналах в соавторстве с сотрудниками МЭИ (Г. Г. Яньков, В. И. Артемов, Ю. Б. Зудин), Института теплофизики СО РАН (Н. А. Прибатурин, С. И. Лежнин), ФГУП «НИКИЭТ 
им. Н. А. Доллежаля» (В. А. Шишкин), ОАО «ЦКБМТ «Рубин» (С. Е. Волков). 
Большую поддержку в выборе типов конденсаторов, направлений исследований и определении физических моделей тепломассообменных процессов 
оказали академики РАН В. И. Кирюхин и А. И. Леонтьев. 

ГЛАВА 1 

КОНДЕНСАЦИОННЫЕ ПАРОТУРБИННЫЕ 

УСТАНОВКИ 

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОНДЕНСАЦИОННЫХ 
УСТРОЙСТВАХ ПАРОВЫХ ТУРБИН 

1.1.1. 
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА 
Термодинамический цикл паросиловой установки (рис. 1.1) предполагает 
обязательное наличие холодного источника в конце процесса расширения 
рабочего пара в турбине. В качестве такого источника, как известно, используется часть паротурбинной установки, называемая конденсационным устройством. Главной составной частью этих устройств является конденсатор 
пара. Конденсаторы являются неотъемлемой частью ГРЭС, ТЭЦ, а также одноконтурных и двухконтурных АЭС. 
В конденсаторе современной паросиловой установки происходит конденсация почти всего отработавшего в турбине пара и переход его в жидкое состояние (конденсат). Благодаря этому достигается резкое (на несколько порядков) уменьшение объема рабочего тела. Образовавшийся конденсат собирается 
в конденсатосборнике, откуда конденсатно-питательными насосами возвращается через регенеративную систему в деаэратор и затем в парогенератор. 
Процесс конденсации пара в конденсаторе паровой турбины обычно 
изобарный. При этом процессе достигаются такие цели, необходимые для 
рационального осуществления теплоэнергетического цикла, как уменьшение 
удельного объема рабочего тела благодаря фазовому переходу из газообразного состояния в жидкое, передача теплоты конденсации холодному источнику (охлаждающей воде) и сохранение рабочего тела в виде конденсата для 
обеспечения его постоянной циркуляции в энергоустановке. 
Обычно в энергетических установках в качестве рабочего тела используется водяной пар, а в качестве жидкости, воспринимающей теплоту конденсации, – охлаждающая вода. Широкое использование воды как рабочего тела 
и теплоносителя, естественно, вызвано ее дешевизной, большим распространением в природе, безвредностью и т. д. и, что особенно важно, ее приемлемыми для теплосиловой установки теплофизическими свойствами. Надо отметить, однако, что для воды характерны большие значения теплоты парообразования (конденсации), а это неблагоприятно сказывается на КПД цикла  
и массогабаритных характеристиках конденсационных устройств. 
Так как температура охлаждающей воды обычно значительно ниже ее 
температуры насыщения при атмосферном давлении, то конденсация водяно

Глава 1. Конденсационные паротурбинные установки 
9 

го пара в конденсаторе происходит при давлениях ниже атмосферного. Для 
эффективного использования энергии пара надо стремиться, чтобы конденсация пара происходила при температуре, возможно более близкой к температуре охлаждающей воды, т. е. чтобы температурный напор между паром  
и водой был наименьшим. Решение этой задачи связано с определенными 
трудностями. Одни из них являются следствием расчетно-проектных ограничений по расходу охлаждающей воды, неравномерности распределения ее по 
отдельным трубам поверхности конденсации, компоновки трубного пучка, 
образования малотеплопроводных отложений на поверхностях трубок и т. д., 
другие – следствием ухудшающего воздействия на теплоотдачу при конденсации пара примеси неконденсирующихся газов. 
Известно, что водяной пар имеет в своем составе небольшое количество 
неконденсирующихся газов. Эти газы выделяются из воды, в которой они 
были растворены до поступления в котел, в процессе парообразования. Кроме того, значительная часть воздуха может проникнуть в конденсатор из атмосферы через неплотности системы, например через концевые уплотнения 
турбины, соединение выхлопного патрубка турбины с конденсатором, фланцевые соединения и т. д. Количество воздуха, проникающего извне в конденсатор, слабо зависит от режима работы конденсатора. В то же время относительное содержание воздуха в паровоздушной смеси зависит от тепловой нагрузки: возрастает с уменьшением поступления пара в конденсатор. 
Наличие неконденсирующихся газов в паре ухудшает теплопередачу  
в конденсаторе и приводит к повышению давления конденсации, а следовательно, к ухудшению экономичности теплосиловой установки в целом. Кроме того, в присутствии неконденсирующихся газов не достигается полной 
конденсации пара: часть его в составе паровоздушной смеси удаляется из 
конденсатора воздухооткачивающим устройством. Количество несконденсированного пара приблизительно равно массе воздуха, поступающего в конденсатор, и изменяется в пределах 0,001–0,1% от общего расхода пара. 
Таким образом, для нормального функционирования конденсатора, работающего при давлениях конденсации ниже атмосферного, необходимо 
обеспечить: 
 непрерывный отвод теплоты конденсации пара. Это достигается прокачкой охлаждающей воды через трубки конденсатора. Для этого создается циркуляционная система водоснабжения с насосами, внешними охладителями и другим оборудованием; 
 непрерывный отвод конденсата из конденсатора. Откачка производится конденсатными насосами, входящими в конденсатную 
систему; 
 непрерывный отвод неконденсирующихся газов из конденсатора; 
он обычно выполняется пароструйными или водоструйными эжекторами. 
В зависимости от назначения, компоновки установки, условий эксплуатации ПТУ конденсационные устройства могут иметь в своем составе то или 
иное оборудование. Некоторые варианты схемы рассматриваются ниже. 

Конденсаторы паротурбинных установок 

1.1.2. 
ЭЛЕМЕНТЫ КОНДЕНСАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ 
В состав конденсационных устройств входят собственно конденсатор, 
воздухоудаляющее устройство, конденсатная и циркуляционная системы. 
При необходимости удаления коррозионно-активных газов, растворенных  
в конденсате, непосредственно в конденсаторе в его конденсатосборнике устанавливается специальное деаэрирующее устройство, которое в этом случае 
становится неотъемлемым элементом конденсационных устройств. 
На блочных электростанциях, особенно атомных, в системе конденсационных устройств зачастую устанавливается дроссельно-увлажнительная установка (ДУУ) для сброса в конденсатор свежего пара, которая взаимосвязана с конденсатором, и поэтому вместе с другими сбросными устройствами 
для горячей воды и пара других источников она также может являться элементом конденсационных устройств. 
К конденсационным устройствам относятся также система автоматики, 
обслуживающая конденсатор и его отдельные элементы, например регуляторы уровня конденсата, а также контрольно-измерительные приборы, арматура, трубопроводы и пр. 
Рассмотрим работу конденсационной паротурбинной установки с поверхностным конденсатором и пароструйным эжектором по схеме, приведенной на рис. 1.1. 

ПГ

ДУУ

ПТ
Г

6
7

3

3
4

2

5
1

КУ

7

7
  

Рис. 1.1. Тепловая схема конденсационных устройств: 
1 – конденсатор; 2 – конденсатный насос; 3 – пароструйный эжектор; 4 – конденсатосборник  
с деаэрационным устройством; 5 – редукционно-увлажнительное устройство; 6 – эжектор  
пусковой; 7 –теплообменник; ПГ – парогенератор; ПТ – паровая турбина; Г – генератор;  
ДУУ – дроссельно-увлажнительное устройство 

Отработавший пар из турбины (ПТ) направляется в поверхностный 
конденсатор 1 конденсационной установки (КУ), где конденсируется на хо