теплообменник паровой турбины

Когда говорят про теплообменник паровой турбины, многие сразу представляют себе стандартный узел из каталога — подогреватель, конденсатор, маслоохладитель. Но на практике, особенно при ремонте или модернизации старых советских машин, понимаешь, что это одно из самых ?характерных? мест. От его состояния и исполнения зависит не только КПД блока, но и, как ни странно, вибрация ротора. Да, та самая вибрация, которую месяцами ищут специалисты по диагностике, а причина иногда оказывается в неравномерном тепловом расширении трубной системы подогревателя низкого давления, который жёстко связан с корпусом цилиндра. Об этом редко пишут в учебниках, но на стенде при капиталке это видно сразу.

Конструкция: где кроется ?дьявол?

Возьмём, к примеру, сетевые подогреватели для турбин типа Т или ПТ. Казалось бы, классика. Но вот момент: материал трубок. Латунь ЛОМш? Медно-никелевый сплав? Для агрессивных сред на ТЭЦ, где в паре могут быть следы аммиака или кислорода, выбор становится критичным. Мы как-то на замене теплообменного оборудования для блока в Сибири столкнулись с ускоренной коррозией именно латунных трубок в подогревателе высокого давления. Заказчик экономил на материале при предыдущем ремонте, поставили то, что было в наличии. Через два сезона — течи, падение давления, внеплановый останов. Пришлось полностью менять пучок, но уже с материалом, стойким к конкретной химии питательной воды этого объекта. Это к вопросу о том, что теплообменник паровой турбины нельзя рассматривать в отрыве от технологии всей станции.

А ещё есть нюанс с гидравлическими ударами в системе регенерации. Особенно при пусках после аварийных остановов. Конструкция должна это выдерживать, но не все изготовители закладывают достаточный запас по давлению в крышках камер. Видел последствия — крышку сорвало, потому что предохранительные клапаны на трубопроводе подпитки сработали с запозданием. После такого случая мы в своей практике всегда отдельно проверяем расчёт на динамические нагрузки для теплообменников, которые идут в комплект при модернизации. Это не по ГОСТу, это уже из опыта.

Или взять конденсаторы. Основная проблема — не охлаждение, а обеспечение вакуума. Здесь всё упирается в герметичность трубных досок и качество развальцовки трубок. Бывает, приезжаешь на объект с жалобой на низкий вакуум. Механик говорит: ?Воздухососы новые, всё проверили?. Начинаешь смотреть — а в конденсаторе, в нижнем пучке, есть зона с нарушенной развальцовкой из-за вибрации. Её не видно без вскрытия водяной камеры. И вибрация эта пошла от того, что частоты срыва потока с трубок попали в резонанс с какой-то конструкционной частотой опор. Такие вещи проектировщики иногда просчитывают, но на старых турбинах, которые работают на режимах, отличных от номинала, это проявляется неожиданно. Приходится ставить дополнительные перегородки в трубном пучке уже по месту, чтобы ?разбить? резонансную частоту. Работа ювелирная.

Ремонт и модернизация: опыт против шаблона

В рамках деятельности по капитальному ремонту и технической модернизации турбинного оборудования, например, на площадках, которые обслуживает ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование (информация о компании доступна на https://www.chinaturbine.ru), подход к теплообменникам всегда дифференцированный. Компания, как интегрированное предприятие, специализирующееся на проектировании, производстве, ремонте и обслуживании паровых турбин, часто сталкивается с задачами не просто замены, а улучшения характеристик узла. Нельзя просто взять и поставить такой же. Параметры пара и воды за 30-40 лет эксплуатации турбины меняются, да и требования по тепловой эффективности сейчас другие.

Один из реальных кейсов — модернизация системы регенерации для турбины ПТ-60/75-130/13 на одной из промышленных котельных. Там стояли старые поверхностные подогреватели с низкой теплопередачей. Задача была повысить КПД цикла без изменения габаритных присоединительных размеров — помещение тесное. Решение нашли в переходе на теплообменники с термодинамически оптимизированным расположением перегородок в паровом пространстве и с трубками меньшего диаметра, но из более тонкостенного титанового сплава. Это позволило увеличить поверхность теплообмена в том же объёме. Но главной сложностью была не сама замена, а последующая балансировка системы трубопроводов, так как масса и жёсткость нового аппарата отличались. Пришлось пересчитывать опоры и компенсаторы. Если бы этого не сделали, возникли бы дополнительные нагрузки на корпус турбины.

Ещё пример из практики монтажа и наладки — борьба с течью по сальникам плавающих трубных досок в подогревателях высокого давления. Стандартная методика предписывает определённое усилие поджатия сальниковой набивки. Но при работе на переменных нагрузках, особенно в теплофикационном режиме, температурные деформации огромны. Жёсткая затяжка по мануалу часто приводит к перегреву и износу набивки за один сезон. Мы эмпирическим путём, наблюдая за поведением узла на нескольких объектах, пришли к методике ступенчатой подтяжки в процессе выхода на режим и использования графитсодержащих безасбестовых набивок с более высоким коэффициентом температурного расширения. Это удлинило межремонтный период в разы. Такие тонкости не найдёшь в общих руководствах по эксплуатации, это знание, которое нарабатывается в поле.

Взаимосвязь с другими системами

Частая ошибка — рассматривать теплообменник паровой турбины как автономный аппарат. Его работа неразрывно связана с конденсатно-питательным трактом, системой охлаждения и даже с системой регулирования. Вот характерная ситуация: после замены конденсатора на турбине К-100-90 начались проблемы с поддержанием вакуума на низких нагрузках. Новый конденсатор был эффективнее, с лучшим коэффициентом теплопередачи. Но выяснилось, что существующие циркуляционные насосы не обеспечивали необходимого расхода воды для нового пучка на частичных режимах, так как гидравлическое сопротивление нового аппарата было выше. Пришлось менять рабочие колёса насосов. То есть, модернизация одного элемента потянула за собой изменение другого.

Другой аспект — влияние на систему регулирования. Особенно это касается подогревателей высокого давления с байпасными линиями. Скорость срабатывания клапанов байпаса, их пропускная способность должны быть строго согласованы с динамикой изменения нагрузки турбины. Если клапан слишком ?медленный? или, наоборот, слишком ?быстрый?, возможны скачки температуры питательной воды перед котлом, что бьёт по барабану котла. Был случай на одном из заводов, где после реконструкции регенеративной системы начались постоянные срабатывания защит по перепаду температур на стенке барабана. Проблему решили, заменив пневмоприводы на клапанах байпаса и перенастроив логику их работы в системе АСУ ТП, введя дополнительные сигналы по производной от нагрузки турбины. Это к вопросу о комплексном подходе, который декларирует в своей работе ООО Сычуань Чуанли Электромеханическое Оборудование, занимаясь не только производством компонентов, но и полным циклом от проектирования до наладки.

Нельзя не упомянуть и маслоохладители. Казалось бы, самый простой узел. Но его надёжность — это надёжность всей турбины. Отказ маслоохладителя ведёт к аварийному останову за минуты. Здесь ключевой момент — контроль засорения трубок с водяной стороны. На объектах с открытой системой охлаждения (градирни) биологическое обрастание ила и водорослей — бич. Стандартная рекомендация — периодическая механическая чистка. Но на практике график чистки часто срывается. Мы для ряда своих заказчиков, в рамках договоров на техническое обслуживание, внедряем простую, но эффективную систему мониторинга — по перепаду температур масла на входе и выходе и по перепаду давления воды. Строится тренд. Резкий рост перепада давления при стабильном перепаде температур — явный признак зарастания. Это позволяет планировать чистку обоснованно, а не по календарю, и избегать внезапных отказов.

Материалы и технологии: что изменилось за годы

Раньше, в советское время, доминировали латуни и углеродистые стали. Сейчас спектр материалов шире. Для трубок конденсаторов, работающих с морской или солоноватой водой, почти стандартом стали титановые сплавы. Они дороги, но срок службы в агрессивной среде несопоставим. Однако, есть нюанс с пайкой/сваркой титановых трубных досок. Технология требует особой чистоты и защиты аргоном. Не каждый ремонтный завод имеет такое оборудование. Поэтому при заключении контрактов на поставку или ремонт, например, для электростанций в прибрежных регионах, этот вопрос выходит на первый план. Наша компания, занимаясь производством энергетического оборудования и его компонентов, для таких задач всегда держит в готовности специальный сварочный пост и проводит рентгенографический контроль каждого шва.

Ещё один тренд — применение цельногнутых U-образных трубок в подогревателях вместо традиционных прямых с развальцовкой в двух трубных досках. Это решение практически исключает проблему течи в развальцовке из-за вибрации и тепловых деформаций, так как трубка имеет свободу для изгиба. Но такая конструкция сложнее в изготовлении и, что важно, в ремонте. Заменить одну трубку в середине пучка, если она повреждена, почти невозможно. Приходится глушить её с двух концов. Поэтому при проектировании таких аппаратов для новых турбин или при модернизации старых важен компромисс между надёжностью и ремонтопригодностью. Для базовых режимов, где состав среды стабилен, цельногнутые трубки — отличное решение. Для условий, где возможны частые гидроудары или химические атаки, иногда надёжнее остаться на классике с развальцовкой, но с применением более качественных материалов и контролем технологии сборки.

Говоря о технологиях, стоит упомянуть и методы очистки. Химическая промывка контуров перед пуском или после длительной эксплуатации — отдельная большая тема. Неправильно подобранный реагент может повредить не только трубки теплообменника, но и сварные швы соседних трубопроводов. У нас был прецедент, когда подрядная организация, не согласовав химический состав промывочного раствора, провела очистку системы регенерации. В результате агрессивная среда разъела припои в некоторых паяных соединениях трубных систем малой мощности. Пришлось вскрывать и перепаивать. С тех пор мы всегда настаиваем на лабораторном анализе отложений перед назначением методики очистки и проводим её либо своими силами, либо под жёстким надзором. Это часть той самой комплексной ответственности, которую берёт на себя интегратор.

Заключительные мысли: эффективность vs. надёжность

В погоне за повышением КПД турбинного цикла часто пытаются выжать максимум из регенеративной системы, проектируя теплообменники с минимальными температурными напорами и сложной схемой обтекания. Это даёт выигрыш в к.п.д., но иногда ценой снижения эксплуатационной надёжности. Аппарат становится слишком чувствительным к изменению режимов, к качеству пара (влажности), к загрязнениям. В условиях реальной ТЭЦ или промышленной котельной, где режимы меняются по требованию сети, а химический контроль воды не всегда идеален, такой высокоэффективный теплообменник может стать источником постоянных проблем.

Поэтому в практической деятельности, будь то проектирование нового оборудования для электростанций по всему миру или капитальный ремонт старого, всегда идёт поиск баланса. Иногда правильнее спроектировать или отремонтировать теплообменник паровой турбины с несколько меньшим расчётным к.п.д., но с большим запасом по гидравлике, с более удобной для очистки конструкцией, с материалами, стойкими к возможным отклонениям в химическом режиме. Это обеспечит долгий и стабильный межремонтный период, что в итоге экономит деньги заказчика больше, чем гипотетический выигрыш в топливе от сверхэффективного, но капризного аппарата.

Именно такой приземлённый, инженерный подход, основанный на анализе отказов и долгосрочном опыте эксплуатации, а не только на расчётных формулах, и позволяет предлагать клиентам действительно работоспособные решения. В конце концов, турбина и её системы должны вырабатывать киловатт-часы и гигакалории годами, а не только показывать красивые цифры на приёмочных испытаниях. И теплообменник в этой системе — далеко не последнее по важности звено.