Физические свойства воды и водяного пара

ЛЕКЦИЯ 1

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ В ЭНЕРГЕТИКЕ.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИИ

В 1961 году в нашей стране была введена Международная система единиц (СИ). Однако до сих пор в силу привычек, а также недостатка на рабочих местах электростанций приборов с соответствующей градуировкой в практике используются и другие многочисленные единицы физических величин и их производных, а также различные внесистемные единицы. В данном разделе рассмотрены единицы измерения основных физических величин, используемых тепло- и электроэнергетиками.

Единицей измерения длины в системе СИ является метр. В метрах, например, измеряются длины турбоагрегатов (например, длина турбины мощностью 1200 МВт составляет около 48 м), размеры машинного зала тепловых электростанций, высотные отметки установки оборудования.

Для измерения размеров деталей обычно используют миллиметры. К примеру, длина лопатки третьей ступени турбины равна 1200 мм. В миллиметрах измеряют зазоры между деталями (например, радиальные зазоры между вращающимся ротором и статором составляют 0,5 - 1,5 мм), тепловых расширений турбины на фундаменте (они могут достигать 10 мм) и т.д.

Очень малые линейные величины измеряют в микрометрах (микронах): 1 мкм = 10^{-6 м. В микрометрах измеряют, например, размах вибраций корпусов подшипников турбины, толщину масляной пленки в опорных подшипниках, на вкладышах которых вращается ротор (обычно это 20 - 30 мкм).}

Для измерения массы в системе СИ, чаще всего используют килограмм и кратные ему величины: грамм и тонна. В килограммах измеряют массы отдельных деталей (например, масса рабочей лопатки третьей ступени длиной 960 мм равна примерно 12 кг), в граммах - например, значения масс балансировочных грузов, в тоннах - массу крупных объектов (например, полная масса турбины мощностью 500 МВт составляет около 1000 т).

Единицей времени в системе СИ является секунда. Секундами пользуются для анализа быстропротекающих процессов в системах автоматического регулирования турбин (и даже сотыми её долями), в проточных частях турбин, насосов, в паропроводах и трубопроводах. Минутами и часами обычно пользуются для описания менее быстрых процессов, например, длительности этапов пуска, нагружения, разгружения и остановки турбины, протекающих от нескольких минут до нескольких часов. Например, пуск паровой турбины после ночного простоя занимает 30 - 40 мин, а длительность пуска энергоблока после ремонта может достигать 3 - 5 ч.

В часах обычно измеряется наработка турбины и ресурсы различного типа. Например, ресурс составных частей оборудования энергоблоков за редким исключением должен быть не менее 200 тыс. ч, парковый ресурс большинства турбин составляет 170 - 220 тыс. ч, наработка турбины на отказ работоспособности (он должен быть не менее 5000 ч для паровых турбин и 3000 ч для газовых турбин).

Днями или сутками измеряются продолжительность ремонтов (например, продолжительность капитального ремонта для энергоблока мощностью 800 МВт: - 72-73 дня). Годами измеряются межремонтный срок службы турбины (он должен быть не менее 4 лет), срок службы турбины до списания (не менее 40 лет). Напомним, что 1 год = 8760 ч.

Температура в системе СИ измеряется в Кельвинах (К) (но не в градусах Кельвина!). Численно 1 °С = 1 К, а температуры в Кельвинах Т и градусах Цельсия t связаны соотношением:

.

Теплоэнергетики пользуются исключительно стоградусной шкалой (градусами Цельсия).

Рассмотренные единицы - длины, массы, времени и температуры (в Кельвинах) входят в состав основных единиц СИ. Все остальные единицы являются производными от основных. Площадь и объём обычно измеряются соответственно в квадратных (м²) и кубических (м³) метрах.

Частота вращения измеряется числом оборотов в секунду или минуту. Поскольку частота сети в нашей стране принята 50 Гц, то частота вращения турбоагрегатов, включённых в электрическую сеть составляет 50 или 25 об/с (соответственно 3000 и 1500 об/мин).

Сила и вес тел в системе СИ измеряется в ньютонах (Н). Однако на практике часто пользуются внесистемной единицей - килограмм-силы (кгс); при этом 1 кгс = 9,8 Н » 10 Н.

Давление и механическое напряжение (возникающее в теле под воздействием приложенных к нему сил) в системе СИ измеряются в паскалях (1 Па = 1 Н/м²). Паскаль - это очень малая величина, поэтому используют кратные величины: килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа). Иногда используют бары:

,

что примерно соответствует атмосферному давлению.

Полезно запомнить, что атмосферное давление равно примерно 100 кПа, а давление за конденсационной паровой турбиной составляет всего 3 - 8 кПа. Давление пара перед современными паровыми турбинами 12 - 30 МПа, перед газовыми турбинами 1,0 - 1,8 МПа. Рассмотренные единицы измерения давления в условиях эксплуатации оборудования электростанций не прижились, главным образом, по причине отсутствия на ТЭС приборов с градуировкой в паскалях. Эксплуатационный персонал ТЭС обычно пользуется техническими атмосферами (ат):

Кроме технических атмосфер, применяемых в технике, используют физические атмосферы (атм):

.

Часто давление измеряют с помощью ртутных приборов - высотой ртутного столба (мм рт. ст.). Например, упомянутое выше нормальное давление 1 атм = 760 мм рт. ст. и соответственно 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.

Многое оборудование тепловых электростанций работает при давлении р меньшем, чем атмосферное давление В. Их разность

называется разрежением, и оно измеряется непосредственно прибором. Отношение

называется вакуумом, и этот термин чаще всего используется на ТЭС, когда речь идёт о разрежении. Если вакуум в конденсаторе составляет 95 %, а атмосферное давление 100 кПа, то значит, разрежение в конденсаторе составляет 95 кПа, а давление - 5 кПа.

Электрическая и тепловая энергия в системе СИ измеряется в джоулях (Дж), а мощность - в ваттах (Вт): 1 Вт = 1 Дж/с.

Электрическую мощность турбоагрегатов и электростанций обычно представляют в мегаваттах (1 МВт = 10⁶ Вт) или миллионах киловатт (1 МВт = 10³ кВт). Для очень мощных электростанций и энергосистем используют гигаватты (1 ГВт = 10³ МВт).

Количество электрической энергии обычно измеряют в киловатт-часах (кВт·ч). Очевидно

.

Количество тепловой энергии измеряется либо в джоулях, либо в калориях (кал): 1 кал = 4,1868 Дж. Чаще используются величины, кратные калории - килокалория (ккал), мегакалория (Мкал) и, особенно, гигакалория (Гкал):

.

Тепловая мощность (производительность тепла) обычно измеряется в Гкал/ч, но иногда и в мегаваттах. Необходимо отметить, что 1 Гкал/ч = 1,16 МВт. Например, теплопроизводительность мощной ТЭЦ с 5 энергоблоками 250 МВт составляет 1650 Гкал/ч = 1914 МВт.

Плотность или обратная ей величина - удельный объём измеряются соответственно в кг/м³ или м³/кг.

Физические свойства воды и водяного пара

Вода и водяной пар являются рабочим телом парогенераторов, паровых турбин, ядерных реакторов, конденсаторов, регенеративных и сетевых подогревателей и многих других теплоэнергетических элементов ТЭС, АЭС и ПГУ. Их свойства в значительной степени определяют конструкции этих элементов. Вода практически несжимаемая жидкость: при изменении давления в широких пределах её плотность изменяется очень мало.

Если воду нагреть в открытом сосуде (рис. 1.1), то при определённой температуре начинается её кипение и образование над её поверхностью пара. Температура кипящей воды и образующегося при кипении пара одинаковы и неизменны в процессе полного выкипания жидкости. Если описанный выше опыт поставить при атмосферном давлении (760 мм рт. ст.), то кипение и испарение будут происходить при 100 °С.

Рисунок 2.1. Нагревание воды в открытом сосуде

Эту температуру называют температурой кипения, или температурой насыщения и обозначают t_н. Последнее название связано с тем, что при спокойном кипении над поверхностью воды образуется сухой насыщенный пар - пар, в котором отсутствуют капельки воды. Если температуру сухого насыщенного пара снизить (а это можно сделать только путём одновременного снижения давления), то часть пара сконденсируется, и в нём появятся капельки воды. Такой пар называется влажным. Если, наоборот, сухой насыщенный пар нагреть, то он окажется перегретым по отношению к состоянию насыщения.

Если снизить давление в сосуде, то кипение и испарение будут происходить при меньшей температуре. Это используется в так называемых вакуумных деаэраторах, установленных в системах подпитки теплосети: достаточно в сосуде (деаэраторе) создать давление в 0,5 кгс/см² » 50 кПа, и она закипит всего при температуре 81 °С.

Наоборот, если повысить давление в сосуде, то она закипает и начинает испаряться при более высокой температуре. Это свойство широко используют в для стерилизации мединструментов при повышенной температуре в автоклавах, для быстрого приготовления пищи и т.д. Оно очень широко используется в различном оборудовании ТЭС. Например, в стандартном деаэраторе поддерживается давление 6 кгс/см² » 0,6 МПа, и вода в нем закипает при нагреве до 159 °С.

В барабане барабанных котлов поддерживается давление 140 кгс/см² = 13,7 МПа, и поэтому в нём генерируется насыщенный пар с температурой примерно 335 °С. В парогенераторах двухконтурных АЭС нагрев и испарение воды происходит при давлении 6 МПа, и поэтому температура образующегося насыщенного пара составляет 275,6 °С.

Необходимо отметить, что температура насыщения однозначно определяется давлением над её поверхностью. Эта связь показана на рис. 1.2.

Рисунок 2.2. Зависимость температуры насыщения пара от давления

Тепловая энергия, расходуемая на поддержание кипения в сосуде, затрачивается на разрыв связей между молекулами воды, т.е. на её испарение. Молекулы испарившейся жидкости обладают большей энергией на величину удельной теплоты парообразования r, представляющей собой количество тепловой энергии, необходимой для испарения 1 кг кипящей жидкости. Измеряется величина r в кДж/кг или ккал/кг.

Плотность сухого насыщенного пара, естественно, меньше, чем воды, и так же, как температура насыщения, она однозначно определяется давлением. Чем выше давление, тем больше плотность. При давлении p_кр = 22,115 МПа плотность воды и сухого насыщенного пара совпадают, температура насыщения t_н = t_кр = 374,12 °С, а теплота парообразования r = 0. Столь своеобразное состояние, характеризуемое отмеченными параметрами, называется критическим, а они сами - критическими. В критическом состоянии плотность воды и пара совпадают и они по существу неразличимы.

История развития энергетики это история повышения параметров пара. С начала 60 годов 20 века в СССР (впервые в мировой энергетике) начался быстрый переход от докритических параметров (130 ат, 540^О С) к сверхкритическим (СКД 240 ат, 540^О С). В настоящее время мировая энергетика начала использовать супер - сверхкритические (ССКД) параметры пара: 300 ат, 600^О С; затем 350 ат, 650^О С; и уже имеются блоки, использующие пар с температурой до 700^О С. Повышение параметров пара это один из наиболее эффективных способов повышения КПД ТЭС.

В турбины ТЭС и ТЭЦ, построенные на докритические параметры, поступает перегретый пар, температура которого больше температуры насыщения (при этом же давлении) на значение Dt_п.

Поступивший в турбину пар расширяется в ней и в определённой точке турбины проходит через состояние насыщения, а затем становится влажным - смесью сухого насыщенного пара и капель воды. Содержание влаги на выходе из турбины (точнее - за её последними вращающимися лопатками) для её надёжной работы не должно превышать 10 - 13 %. Влажный пар из турбины поступает в конденсатор, где превращается в воду, имеющую температуру насыщения.