probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2024-26-1-93-106probener-2968Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫENERGY SYSTEMS AND COMPLEXESТепловые и аэродинамические характеристики воздушно-конденсационной установки в составе паротурбинного энергоблокаThermal and aerodynamic characteristics of air cooled condenserfor steam turbine power unithttps://orcid.org/0000-0001-5080-0872БорушО. В.BorushO. V.

Олеся Владимировна Боруш, д-р техн. наук, профессор

кафедра «Тепловые электрические станции»

Новосибирск

Olesya V. Borush

Novosibirsk

olesyaborush@yandex.ruГригорьеваО. К.GrigoryevaO. K.

Оксана Константиновна Григорьева, канд. техн. наук, доцент

кафедра «Тепловые электрические станции»

Новосибирск

Oksana K. Grigoryeva

Novosibirsk

ФранцеваА. А.FrantsevaA. A.

Алина Алексеевна Францева, канд. техн. наук, доцент

кафедра «Тепловые электрические станции»

Новосибирск

Alina A. Frantseva

Novosibirsk

Новосибирский государственный технический университетРоссияNovosibirsk State Technical UniversityRussian Federation20242404202426193106Copyright © Боруш О.В., Григорьева О.К., Францева А.А., 20242024Боруш О.В., Григорьева О.К., Францева А.А.Borush O.V., Grigoryeva O.K., Frantseva A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/2968   ЦЕЛЬ

   ЦЕЛЬ. Рассмотреть возможность применения воздушного конденсатора как альтернативный вариант использования в системах технического водоснабжения на электростанции в связи с возросшим потреблением воды тепловыми электрическими станциями и как следствие увеличением экологических проблем как в странах с ограниченным количеством источников водоснабжения, так и в странах, которые располагают достаточными запасами пресной воды. Представить методику расчета основных характеристик конденсатора (конденсаторных и дефлегматорных секций), оценить аэродинамические сопротивления и мощность вентилятора для конденсатора с воздушным охлаждением в составе паротурбинного энергоблока. Выявить влияние температуры воздуха и давления в конденсаторе на расчет воздушного конденсатора. Разработать рекомендации по выбору параметров воздушных конденсаторов, работающих в составе паротурбинных энергоблоков.

   МЕТОДЫ

   МЕТОДЫ. При расчете воздушно-конденсаторной установки использованы методы проектирования теплообменных аппаратов, моделирования и интенсификации теплообменных процессов.

   РЕЗУЛЬТАТЫ

   РЕЗУЛЬТАТЫ. Разработана методика расчета конденсаторной установки с воздушным охлаждением для конденсационной турбины мощностью 110 МВт. Приведен анализ расчетов коэффициента теплопередачи, теплообменной площади поверхности конденсаторной установки в зависимости от давления пара в конденсаторе. Сформулированы рекомендации для выбора мощности вентилятора в конденсаторной установке и расчётной температуры воздуха охлаждающего.

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Вопрос применения аппаратов воздушного охлаждения в энергетике пока мало освещен в литературе, однако экологические проблемы и нехватка пресной воды становятся все более актуальными по всему миру. Развитие систем воздушного охлаждения весьма значимый вопрос для современной энергетики. В статье показано, что для конденсации водяного пара в стационарных установках теплообменных секций их более выгодно располагать в шатровой компоновке и при этом расположением вентиляторов должно быть нижним. Даны количественные оценки изменения коэффициента теплопередачи и площади теплообменной поверхности для диапазона давлений 8…20 кПа. Потребляемая мощность вентилятора существенно зависит от температуры охлаждающего воздуха и вакуума в конденсаторе.

   THE PURPOSE

   THE PURPOSE. Increased water consumption at power plants leads to a deterioration of the environmental situation not only in countries with limited water supply sources, but also in countries with significant reserves of fresh water. There is a need to consider the possibility of using an air condenser as an alternative use in industrial water supply systems at a power plant. To present a methodology for calculating the main characteristics of a condenser (condensation and reflux sections), to estimate the aerodynamic resistance and fan power for an air-cooled condenser as part of a steam turbine power unit. Determine the influence of air temperature and pressure in the condenser on the calculation of the air condenser. To develop recommendations for the selection of parameters of air condensers operating as part of steam turbine power units.

   METHODS

   METHODS. Methods for designing heat exchangers, modeling and intensifying heat exchange processes were used in the course of calculating an air condenser unit.

   RESULTS

   RESULTS. A method for calculating an air-cooled condenser for a 110 MW condensing turbine has been developed. The analysis of the calculation of the heat transfer coefficient is given. The analysis of the values of the heat exchange area of the condensing unit is presented. The effect of pressure in the condenser on the main calculated characteristics of the condenser is shown. Recommendations for the selection of the fan capacity in the condenser and the design temperature of the cooling air have been developed.

   CONCLUSION

   CONCLUSION. The issue of using air coolers in the power industry is still poorly covered in the literature, however, environmental problems and the shortage of fresh water are becoming more and more urgent all over the world. The development of air-cooling systems is a very topical issue for modern power engineering. It is shown that for stationary installations of condensation of water vapor, the most suitable is the hipped-roof arrangement of the heat-exchange sections with the lower arrangement of the fans. Quantitative estimates of the change in the heat transfer coefficient and the area of the heat-exchange surface are given for the pressure range of 8…20 kPa. The power consumption of the fan depends significantly on the temperature of the cooling air and the vacuum in the condenser.

воздушный конденсатордефлегматортеплопередачамощностьвентиляторair cooled condenserreflux condenserheat transfercapacityfanReferencesХассан Т., Дыганова Р. Я. Инженерные решения по снижению воздействия тепловых сбросов энерготехнологических установок на качество вод водоемов-охладителей // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫЭНЕРГЕТИКИ. 2010. № 5-6. С. 105-110.Khassan T, Dyganova RYa. Engineering solutions for reducing the impact of thermal discharges from power plants on the water quality of reservoirs-coolers. Power engineering: research, equipment, technology. 2010; (5-6): 105-110. (In Russ).Ларионов В.Г., Шереметьева Е.Н. Современное состояние мировых водных ресурсов и основные направления по увеличению их доступности // Известия Иркутской государственной экономической академии. 2015. Т. 25. № 4. С. 590–596. URL: https://scholar.google.ru/citations?view_op=view_citation&hl=ru&user=DEBHfLEAAAAJ&citation_for_view=DEBHfLEAAAAJ:ULOm3_A8WrAC.Larionov VG, Sheremetieva EN. Thecurrent state of the world’s water resources and main directions for increasing their availability. Izvestiya of Irkutsk State Economics Academy. 2015; 25(4):590–596. (In Russ). URL: https://scholar.google.ru/citations?view_op=view_citation&hl=ru&user=DEBHfLEAAAAJ&citation_for_view=DEBHfLEAAAAJ:ULOm3_A8WrAC.Дмитриева К.В., Дмитриева О.С. Повышение эффективности теплоэнергетических процессов при использовании воздушных конденсаторов // Вестник технологического университета. 2014. Т. 17. № 11. С. 103 – 105.Dmitrieva KV, Dmitrieva OS. Povyshenie ehffektivnosti teploehnergeticheskikh protsessov pri ispol'zovanii vozdushnykh kondensatorov. Herald of technological university. 2014; 17(11): 103-105. (In Russ).Гомборагчаа Н., Аронсон К.Э. Применение воздушных конденсационных установок на паровых турбинах ТЭС // Третья научно-техническая конференция молодых ученых Уральского энергетического института УРФУ. Екатеринбург: УрФУ, 2018. С. 98 – 101.Gomboragchaa N, Aronson KE. Primenenie vozdushnykh kondensatsionnykh ustanovok na parovykh turbinakh TEHS [Use of air cooled condenser on steam turbine in the thermal power plant]. Tret'ya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya molodykh uchenykh Ural'skogo ehnergeticheskogo instituta URFU. Ekaterinburg: Izd-vo UrFU, 2018. Pp. 98-101. (In Russ.).Федоров В.А., Мильман О.О. Конденсаторы паротурбинных установок. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. 560 с.Fedorov VA., Mil'man OO. Kondensatory paroturbinnykh ustanovok. Moscow: Baumanpress; 2013. (In Russ).Dry cooling systems. SPX Corporation. 2014. Доступно по: https://cdn.thomasnet.com/ccp/30728866/186111.pdf. Ссылка активна на 05. 05. 2023.Dry cooling systems. SPX Corporation. Available at: https://cdn.thomasnet.com/ccp/30728866/186111.pdf. Accessed: 05. 05. 2023.Chen L., Yang L., Du X., et al. Novel air-cooled condenser with V-frame cells and induced axial flow fans // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. N 117. pp. 167–182. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.09.139.Chen L., Yang L., Du X., et al. Novel air-cooled condenser with V-frame cells and induced axial flow fans // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. N 117. pp. 167–182. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.09.139.Kong Y., Wang W., Huang X. et al. Annularly arranged air-cooled condenser to improve cooling efficiency of natural draft direct dry cooling system // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018. N 118. pp. 587 – 601. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.031.Kong Y, Wang W, Huang X, et al. Annularly arranged air-cooled condenser to improve cooling efficiency of natural draft direct dry cooling system. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018;118:587 – 601. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.031.Marincowitz F.S., Owen M.T.F., Muiyser J. Multi-objective optimisation for wind resistant air-cooled condenser operation // Applied Thermal Engineering. 2023. Vol. 218. 119382. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2022.119382.Marincowitz FS, Owen MTF, Muiyser J. Multi-objective optimisation for wind resistant air-cooled condenser operation. Applied Thermal Engineering. 2023; 218:119382. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2022.119382.Marincowitz F., Owen M., Muiyser J., et al. Uniformity index as a universal air-cooled condenser fan performance metric // International Journal of Turbomachinery. Propulsion and Power. 2022. Vol. 7, N 4. p. 35. doi: 10.3390/ijtpp7040035.Marincowitz F, Owen M, Muiyser J, et al. Uniformity index as a universal air-cooled condenser fan performance metric. International Journal of Turbomachinery. Propulsion and Power. 2022;7(4):35. doi: 10.3390/ijtpp7040035.Du Plessis J., Owen M. Techno-economic analysis of hybrid ACC performance under different meteorological conditions // Energy. 2022. Vol. 255, N 1. 124494. doi: 10.1016/j.energy.2022.124494.Du Plessis J, Owen M. Techno-economic analysis of hybrid ACC performance under different meteorological conditions. Energy. 2022;255(1):124494. doi: 10.1016/j.energy.2022.124494.Du Plessis J., Owen M. A single-stage hybrid (dry/wet) dephlegmator for application in air-cooled steam condensers: Performance analysis and implications // Thermal Science and Engineering Progress. 2021. Vol. 26, N 1. 101108. doi: 10.1016/j.tsep.2021.101108.Du Plessis J, Owen M. A single-stage hybrid (dry/wet) dephlegmator for application in air-cooled steam condensers: Performance analysis and implications. Thermal Science and Engineering Progress. 2021;26(1):101108. doi: 10.1016/j.tsep.2021.101108.Филимонов В.А., Шаломов В.И. Воздушно-конденсационные установки как эффективное средство обеспечения тепловой экономичности и экологической безопасности строящейся Советско-Гаванской ТЭЦ // ДАЛЬНЕВОСТОЧНАЯ ВЕСНА – 2018. Материалы 16-й Международной научно-практической конференции по проблемам экологии и безопасности; 27 апреля 2018 г., Комсомольск-на-Амуре. КСЛ.: Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, 2018. C. 167-170.Filimonov VA, Shalomov VI. Vozdushno-kondensatsionnye ustanovki kak effektivnoe sredstvo obespecheniya teplovoi ekonomichnosti i ekologicheskoi bezopasnosti stroyashcheisya Sovetsko-Gavanskoi TETs. DAL''NEVOSTOChNAYa VESNA – 2018. 16-i Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya po problemam ekologii i bezopasnosti; 27 Apr 2018; Komsomolsk-on-Amur, Russia. Komsomolsk-on-Amur: SEIHPE Publ., 2018. pp. 167-170. (In Russ.).Фёдоров В.А., Мильман О.О., Ананьев П.А. и др. Результаты экспериментально-расчетных исследований воздушного потока в цирктрассах воздушных конденсаторов паротурбинных установок // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия машиностроение. 2015. № 5. С. 87-105.Fedorov VA, Mil'man OO, Anan'ev P.A., et al. Results of experimental and computational analysis of air flow in circle channels of air-cooled condensers of steam power plants. Herald of the Bauman Moscow state technical university. Mechanical engineering. 2015; (5):87-105. (In Russ).Фёдоров В.А., Мильман О.О., Кирюхин А.В. и др. Разработка, изготовление и испытание типовой натурной секции высокоэффективного воздушного конденсатора // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2015. № 6. С.102-112.Fedorov VA, Mil'man OO, Kiryukhin AV. Development, production and test of typical full-scale section of the highly efficient air-cooled condenser. Thermal engineering. 2015; (6):102-112. (In Russ).Owen M., Kröger D.G. A numerical investigation of vapor flow in large air-cooled condensers // Applied Thermal Engineering. 2017. N 127. pp. 157–164. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2017.08.026.Owen M, Kröger DG. A numerical investigation of vapor flow in large air-cooled condensers. Applied Thermal Engineering. 2017; 27:157–164. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2017.08.026.Huang X., Chen L., Kong Y., et al. Effects of geometric structures of air deflectors on thermo-flow performances of air-cooled condenser // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018. N 118. pp. 1022 – 1039. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.071.Huang X, Chen L, Kong Y, et al. Effects of geometric structures of air deflectors on thermo-flow performances of air-cooled condenser. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2018; 118:1022 – 1039. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.071.Данильчик Е.С., Сухоцкий А.Б., Кунтыш В.Б. Экспериментальные исследования эффективности однорядного пучка из биметаллических оребренных труб с различной высотой оребрения при свободно-конвективном теплообмене с воздухом // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020. Т. 22. № 5. С.128-141. doi: 10.30724/1998-9903-2020-22-5-128-141.Danilchik ES, Sukhotsky AB, Kuntysh VB. Experimental studies of the efficiency of a single-row bundle of bimetallic finned tubes with different finning heights in free convective heat exchange with air. Power engineering: research, equipment, technology. 2020; 22(5):128-141. (in Russ). doi: 10.30724/1998-9903-2020-22-5-128-141.Боруш О.В., Синельников Д.С., Григорьева О.К. и др. Оценка влияния параметров пара в воздушном конденсаторе на эффективность турбогенератора // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. Т. 68, № 3. Новосибирск: изд-во НГТУ, 2017. С. 49 – 61.Borush OV, Sinel'nikov DS, Grigor'eva OK, et al. Evaluation of the effect of steam parameters in the air condenser on the efficiency of the turbogenerator. Nauchnyi vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2017: 68(3):49-61. (In Russ.).Rylskiy A, Borush O, Peterson G. The analysis of an air condenser’s performance in Russia's high northern climate // Applied Mechanics and Materials. 2015. Vol. 792. pp. 393–400. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.792.393Rylskiy A, Borush O, Peterson G. The analysis of an air condenser’s performance in Russia's high northern climate. Applied Mechanics and Materials. 2015; 792:393–400. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.792.393Tsibulskiy S., Galashov N., Mel’nikov D. et al. Improvement air condensers evaluation model. MATEC Web of Conferences: 2018 Heat and mass transfer in the thermal control system of technical and technological energy equipment, HMTTSC 2018;24-26 Apr 2018; Tomsk, Russia. France: EDP Sciences; 2018. Art. 01017. doi: 10.1051/matecconf/201819401017.Tsibulskiy S., Galashov N., Mel’nikov D. et al. Improvement air condensers evaluation model. MATEC Web of Conferences: 2018 Heat and mass transfer in the thermal control system of technical and technological energy equipment, HMTTSC 2018;24-26 Apr 2018; Tomsk, Russia. France: EDP Sciences; 2018. Art. 01017. doi: 10.1051/matecconf/201819401017.Жинов А.А., Шевелев Д.В., Ананьев П.А. Моделирование потерь давления воздуха в оребренном трубном пучке воздушного конденсатора // Наука и образование : научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2013. № 3. С. 105-116.Zhinov AA, Shevelev DV, Anan'ev PA. Modelirovanie poter' davleniya vozdukha v orebrennom trubnom puchke vozdushnogo kondensatora. Nauka i obrazovanie : nauchnoe izdanie MGTU im. N.E. Baumana. 2013; (3):105-116. (In Russ).Мильман О.О., Кондратьев А.В., Птахин А.В. и др. Экспериментальные исследования распределения потоков воздуха в воздушных конденсаторах пара // Теплоэнергетика. 2019. № 12. С. 77-85. doi: 10.1134/S004060151912005X.Mil'man OO, Kondrat'ev AV, Ptakhin AV, at al. Experimental studies on the distribution of air flows in air cooled steam condensers. Thermal engineering. 2019; 66(12):936-943. doi: 10.1134/S004060151912005X.Бродов Ю.М., Аронсон К.Э., Рябчиков А.Ю. и др. Повышение эффективности теплообменных аппаратов паротурбинных установок за счет применения профильных витых трубок // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2016. № 7-8. С. 72-78.Brodov YuM, Aronson KE, Ryabchikov AYu, et al. Povyshenie effektivnosti teploobmennykh apparatov paroturbinnykh ustanovok za schet primeneniya profil'nykh vitykh trubok. Power engineering: research, equipment, technology. 2016; (7-8):72-78. (In Russ).Сухоцкий А. Б., Сидорик Г. С. Исследование смешанноконвективной теплоотдачи однорядных воздухоохлаждаемых теплообменников при различных поперечных шагах установки труб // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2017. Т. 19. № 11-12. С. 3-11.Sukhotskii AB, Sidorik GS. Investigation of a mixed-convective heat treatment of single-air air cooled exchangers in various cross-steps pipe installation. Power engineering: research, equipment, technology. 2017; 19(11-12):3-11. (In Russ).Гильфанов К.Х., Шакиров Р.А., Гайнуллин Р.Н. и др. Способ интенсификации теплообмена на основе интеллектуального управления режимными характеристиками теплообменного оборудования // Вестник КГЭУ. 2022. Т. 14. № 4(56). С. 91-102.Gil'fanov KKh, Shakirov RA, Gainullin RN. A method for intensifying heat exchange based on intelligent control of the operating characteristics of heat exchange equipment. Vestnik KGEU. 2022; 14(4(56)):91-102. (In Russ).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.