ОБОРУДОВАНИЕ КЭС
Парогенератор. Рассмотрим дополнительно работу одного из основных элементов станции - парогенератора, в котором получают пар для питания станции. Современный парогенератор представляет собой сложное техническое сооружение больших размеров, высота которого соизмерима с высотой пятиэтажного дома. В топке парогенератора сжигается превращенный в мелкую пыль уголь, газ или распыленная нефть при температуре 1500 - 2000 °С. Для наиболее полного сжигания топлива с помощью вентилятора в больших количествах подается подогретый воздух. Появляющаяся в процессе сгорания топлива теплота нагревает воду, превращает ее в пар и увеличивает его температуру и давление до расчетных значений. Использованные горячие газы дымососами вытягиваются из парогенератора и подаются в очистительные устройства, а затем направляются в дымовую трубу. Вода, подаваемая в парогенератор, предварительно очищается от примесей, содержание которых допускается в меньшем количестве, чем в питьевой воде. Очистка воды производится в специальных устройствах - питателях.
По конструктивному выполнению парогенераторы подразделяют на барабанные и прямоточные.
В барабанном парогенераторе (рис. 2.7) имеется стальной барабан 3, в нижней части которого находится вода, а в верхней части — пар. По циркуляционной трубе 2 вода поступает в трубки экрана 1, покрывающие стенки топки 7. Трубки экрана выполняют стальными, небольшого диаметра (примерно 40 мм снаружи и 32 мм внутри), для того чтобы они смогли выдержать большое давление пара. В крупном парогенераторе каждый час испаряются сотни тонн воды, и поэтому трубки имеют общую длину до
50 км.
Рис. 2.7 Схема работы барабанного парогенератора: 1 – трубки экрана; 2 – циркуляционная труба; 3 – стальной барабан; 4 – пароперегреватель; 5 – экономайзер; 6 – воздухоподогреватель; 7 -топка
Чтобы повысить эффективность работы парогенератора, вода перед подачей в барабан нагревается в экономайзере 5, а воздух перед подачей в топку подогревается горячими газами в воздухоподогревателе 6. Выходящий из барабана пар дополнительно нагревается в пароперегревателе 4.
В барабанном парогенераторе происходит естественная циркуляция воды и пароводяной смеси за счет их разных плотностей. С увеличением температуры и давления пара уменьшается разность в плотностях воды и пара, что ухудшает их циркуляцию.
В прямоточном парогенераторе барабана нет. Циркуляция воды и пара создается насосами (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Схема работы прямоточного парогенератора: 1 –трубы; 2 – пароперегреватель; 3 – водоподогреватель; 4 - воздухоподогреватель
Вода через водоподогреватель 3 поступает в трубы 1, расположенные в топке, превращается в пар, который затем подается в пароперегреватель 2 и далее в турбину. В воздухоподогревателе 4 происходит подогрев воздуха перед подачей его в топку.
Прямоточные котлы получили широкое распространение, так как они дешевле барабанных. У барабанных парогенераторов при высоких давлениях (свыше 20 МПа) нарушается естественная циркуляция воды и пара.
Турбины. По направлению потока пара различают турбины:
- осевые, или аксиальные, в которых поток пара направлен вдоль оси ротора (рис.2.9. а);
- радиальные, в которых поток направлен от центра к периферии ротора (рис. 2.9. б).
Рис 2.9. Принципиальная схема работы пара в турбине: а - турбина аксиальная: 1 - сопло; 2- лопатки; 3 - вал; 4 – диск; б - турбина радиального типа: 1 - подвод пара; 2 —диски, 3, 4-рабочие лопатки; 5, 6-валы; 7, 8-корпус
Полученный в парогенераторах перегретый пар при температуре ~ 600 °С и давлении 30 МПа по паропроводам передается в сопла. Сопла предназначены для преобразования внутренней энергии пара в кинетическую энергию упорядоченного движения молекул.
Если преобразование потенциальной энергии пара в кинетическую происходит только в сопловых решетках, то такой принцип работы пара в турбине называют активным, а соответствующие ступени турбин — активными ступенями. Если же преобразование потенциальной энергии пара происходит не только сопловых (неподвижных), но и во вращающихся рабочих решетках, то такой принцип действия пара называют реактивным, а соответствующие ступени — реактивными.
Схема работы активной турбины представлена на рис. 2.10. Если перед входом в сопло пар имел некоторую начальную скорость С0 и начальное давление P1, то после выхода из сопла в результате расширения пара происходит увеличение его скорости до значения C1 и уменьшение давления до значения Р2. Температура пара также при этом значительно понижается.
Рис. 2.10. Схема работы активной турбины
После выхода из сопла пар подается на рабочие лопатки турбины. Для активной турбины между ее рабочими лопатками расширение пара не происходит, следовательно, давление пара не меняется (рис. 3.8). Абсолютная скорость движения пара уменьшается от С1 до С2 вследствие вращения турбины со скоростью 
.
Конструктивно обычно турбина выполняется в виде нескольких ступеней, каждая из которых состоит из одного венца сопловых лопаток и одного венца рабочих лопаток. Сопловые и рабочие лопатки закреплены на окружностях одинакового радиуса.
У реактивной турбины (рис. 2.11.) или ступени происходит расширение пара, проходящего через каналы рабочих лопаток. В зависимости от показателей расширения пара в каналах турбины их характеризуют ступенями реактивности.
Рис. 2.11. Схема работы реактивной турбины
В соплах турбины происходит частичное расширение пара с Р0 до промежуточного давления 
. Дальнейшее расширение пара до давления Р2 происходит в каналах между лопатками. Абсолютная скорость пара в сопле увеличивается с С0 до значения 
, а в каналах между лопатками уменьшается из-за вращения лопаток до значения С2.
В настоящее время турбины выполняют многоступенчатыми, причем в одной и той же турбине могут быть как активные, так и реактивные (с различной степенью реактивности) ступени.
Общий вид лопаток мощной паровой турбины показан на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Общий вид лопаток мощной паровой турбины
Появление реактивной силы можно показать на следующем примере. Пусть в бак, установленный на тележке (рис. 2.13), подведен пар под давлением, который в положении I равномерно действует на все стенки. Если убрать пробку, то равновесие бака сразу же нарушится. На правую стенку будет действовать неизменная сила, а сила, действующая на левую стенку, резко уменьшится, так как давление окружающей среды меньше, чем давление в баке. Пар устремится из бака, а тележка под действием реактивной силы начнет двигаться вправо (положение II)
Рис. 2.13. Схема опыта, поясняющего возникновение реактивной силы
Конденсаторы. Пар, выходящий из турбины, направляют для охлаждения и конденсации в специальное устройство, называемое конденсатором. Конденсатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого имеется большое число латунных трубок. По трубкам протекает охлаждающая вода, поступающая в конденсатор обычно при температуре 10 - 15 °С и выходящая из него при температуре 20 - 25 °С. Пар обтекает трубки сверху вниз, конденсируется и снизу удаляется. Давление в конденсаторе поддерживается в пределах 3-4 кПа, что достигается охлаждением пара.
Для более глубокого охлаждения (создать большую разность температур входа в турбину и выхода из конденсатора, чтобы увеличить термический КПД паротурбинного цикла) в конденсаторе создается при конденсации пара вакуум с помощью охлаждающей воды и отсоса воздуха эжекторами, вакуум-насосами и др.
Расход охлаждающей воды составляет примерно 50 - 100 кг на 1 кг пара. На электростанции мощностью 1 ГВт расходуется 40 М3/С охлаждающей воды, что примерно равно расходу воды в Москве-реке.
Конденсация пара может производится либо непосредственным смешением его с охлаждающей водой (смешивающие конденсаторы), либо при охлаждении его поверхностных теплообменниках (поверхностные конденсаторы) (рис. 2.14).
Рис. 2.14. Схема поверхностного конденсатора
Пар из турбины поступает в корпус конденсатора 1 через горловину 14, имеющую фланец 6 для присоединения к выхлопу турбины. В цилиндрической части конденсатора расположена система прямых охлаждающих труб 5, закрепленных с обеих сторон в трубных досках 4. Трубная система располагается в корпусе 1 так, что по обе стороны ее образуются камеры 15 и 16 между трубными досками и крышками корпуса 2 и 3. Охлаждающая вода по подводящей трубе 11 поступает в нижнюю часть камеры 15 (входная камера), проходит по нижнему пучку труб и поступает в другую поворотную камеру 16. Из поворотной камеры вода проходит по верхнему пучку трубок в направлении, обратном первоначальному, после чего удаляется из верхней части выходной камеры 17, отделенной перегородкой 13 от входной камеры, по трубе 12.
Конденсаторы с такой схемой движения воды в двух направлениях называют двухходовыми. Аналогично этому могут быть выполнены одноходовые, а также трех- и четырехходовые конденсаторы.
Если воду для охлаждения пара забирают из реки, подают в конденсатор, а затем сбрасывают в реку ниже по течению на расстояние, исключающее возможность подмешивания подогретой воды к воде, забираемой из реки, то такую систему водоснабжения называют прямоточной. В случаях, когда воды в реке не хватает, сооружают пруд. С одной стороны пруда вода подается в конденсатор, а с другой стороны пруда сбрасывается нагретая в конденсаторе вода. На рис. 2.15 представлена принципиальная схема прямоточного водоснабжения электростанции.
Рис 2.15. Принципиальная схема прямоточного водоснабжения электростанции
В замкнутых системах водоснабжения для охлаждения воды, нагретой в конденсаторе, сооружают градирни, представляющие собой устройства высотой примерно 50 м. Вода вытекает струйками из отверстий лотков, разбрызгивается и, стекая вниз, охлаждается. Внизу расположен бассейн, в котором вода собирается и затем насосами подается в конденсатор.
Различают градирни:
- с естественной циркуляцией воздуха;
- с принудительной циркуляцией воздуха с помощью вентилятора через специальные отверстия в нижней части градирни.
Схема градирни с естественной циркуляцией воздуха дана на рис. 2.16.
Рис. 2.16. Схема градирни с естественной циркуляцией:
1-оросительное устройство;2-питательный насос; 3- бассейн;
4- циркуляционный насос;5- конденсатор; 6 -башня
Охлаждающая вода, прошедшая конденсатор, стекает на оросительное устройство 1, представляющее собой при капельной конструкции систему горизонтальных брусков с малыми зазорами между ними. Проходя оросительное устройство, вода разбрызгивается, охлаждаясь движущимся навстречу воздухом, поступающим через жалюзи в нижней части градирни. При пленочной конструкции оросительного устройства вода стекает в виде пленки по вертикальным щиткам оросителя. Охлажденная вода собирается в бассейне 3, расположенном внизу градирни, и отсюда циркуляционным насосом 4 подается в конденсатор 5. Движение воздуха вверх обеспечивается высокой башней 6, действующей по принципу дымовой трубы. Для восполнения потери в бассейн насосом 2 подается вода из близлежащего источника.
В градирнях с принудительной циркуляцией воздух подается вентилятором через специальные отверстия в нижней части градирни. В остальном эти градирни подобны предыдущим. Расход энергии на вентилятор составляет 1—2% энергии, вырабатываемой на станции. Поэтому эти градирни применяются в тех случаях, когда атмосферные условия делают работу градирен с естественной циркуляцией ненадежной.
Иногда строятся градирни, в которых к естественной циркуляции добавляется принудительная (включение вентилятора). Это происходит в том случае, если естественная тяга оказывается недостаточной.
Конструкция конденсаторов должна обеспечивать хорошую организацию процессов теплообмена между паром и охлаждающей водой и гарантировать глубокий вакуум (путем уменьшения сопротивления конденсаторов по паровой стороне и организации отсоса воздуха).