ВОДНЫЙ РЕЖИМ И КАЧЕСТВО ПАРА
18.1. Продувка котлоагрегата
В барабанных парогенераторах с естественной и многократной принудительной циркуляцией для исключения возможности образования накипей необходимо, чтобы концентрация солей в воде была ниже критической, при которой начинается их выпадение из раствора. С целью поддержания требуемой концентрации солей из парогенератора путем продувки выводится некоторая часть воды и вместе с ней удаляются соли в таком количестве, в каком они поступают с питательной водой. В результате продувки количество солей, содержащихся в воде, стабилизируется на допустимом уровне, исключающем их выпадение из раствора.
Применяется непрерывная и периодическая продувка парогенератора.
Непрерывная продувка обеспечивает равномерное удаление из парогенератора накопившихся растворенных солей и осуществляется из места наибольшей их концентрации в верхнем барабане.
Периодическая продувка применяется для удаления шлама, осевшего в элементах парогенератора, и производится из нижних барабанов и коллекторов парогенератора через каждые 12 – 16 ч.
Схема непрерывной продувки парогенераторов показана на рис. 93.
Рис. 93. Схема продувки парогенератора при одноступенчатой
системе испарения:
1 – труба с отверстиями по ее длине для отвода продувочной
воды; 2 – труба для подвода питательной воды
Вода непрерывной продувки подается в расширитель, где поддерживается давление, меньшее, чем в парогенераторе. В результате часть продувочной воды испаряется, и образовавшийся пар поступает в деаэратор. Оставшаяся в расширителе вода удаляется через теплообменник, и после ее охлаждения сливается в дренажную систему.
Величина непрерывной продувки устанавливается по допустимой концентрации в воде парогенератора растворимых примесей, чаще всего по общему солесодержанию, и выражается в процентах от производительности парогенератора:
,
где и – расход продувочной воды и номинальная производительность парогенератора, кг/ч.
Расход питательной воды при наличии непрерывной продувки увеличивается и составляет:
.
Количество воды, удаляемое непрерывной продувкой, устанавливается из уравнения солевого баланса парогенератора
,
где – расход питательной воды, кг/ч; , и – солесодержание питательной воды, пара и продувочной воды, мг/кг; – количество веществ, отлагающихся на поверхностях нагрева, отнесенное к 1 кг получаемого пара, мг/кг.
В парогенераторах низкого и среднего давления количество солей, уносимых паром, незначительно, и член можно приравнять нулю. Отложение солей на поверхностях нагрева при нормальном водном режиме парогенератора не допускается, и член в этом уравнении также должен быть равен нулю. Тогда количество воды, удаляемое с продувкой, должно быть равно:
.
С учетом того, что Dп.в =D + Dпр , получаем:
.
Величину продувки в % определяется как:
.
В парогенераторах высокого давления уносом солей паром вследствие растворимости пренебрегать нельзя, и величину продувки следует определять с учетом солесодержания пара.
Применение непрерывной продувки, являющейся основным средством поддержания требуемого качества воды парогенератора, связано с увеличением расхода питательной воды и тепловыми потерями. На каждый килограмм продувочной воды расходуется тепло, кДж/кг
,
где iпр и iп.в – энтальпии продувочной и питательной воды, кДж/кг; h – КПД парогенератора.
По правилам технической эксплуатации величина непрерывной продувки при питании парогенератора смесью конденсата и обессоленной воды или дистиллята должна быть не более 0,5 %, при добавке к конденсату химически очищенной воды – не более 3 %, а если потери пара, отбираемого на производство, превышают 40 %, – не более 5 %.
При указанных нормах продувки и частичном использовании продувочной воды потери тепла с продувкой составляют 0,1 – 0,5 % тепла топлива.
В целях уменьшения потерь тепла с продувкой следует стремиться к уменьшению количества выводимой из парогенератора воды. Эффективным методом снижения продувки является ступенчатое испарение воды. Сущность ступенчатого испарения или ступенчатой продувки состоит в том, что испарительная система парогенератора разделяется на ряд отсеков, соединенных по пару и разделенных по воде. Питательная вода подается только в первый отсек. Для второго отсека питательной водой служит продувочная вода из первого отсека. Продувочная вода из второго отсека поступает в третий отсек и т.д.
Продувку парогенератора осуществляют из последнего отсека – второго при двухступенчатом испарении, третьего – при трехступенчатом испарении и т. д. Так как концентрация солей в воде второго или третьего отсека значительно выше, чем в воде при одноступенчатом испарении, то для вывода солей из парогенератора требуется меньший процент продувки. Применение ступенчатого испарения эффективно также как средство уменьшения уноса кремниевой кислоты вследствие высокой гидратной щелочности, возникающей в солевых отсеках. В настоящее время в большинстве барабанных парогенераторов среднего и высокого давления применяется ступенчатое испарение.
Повышение солесодержания воды при нескольких ступенях испарения происходит ступенями и в пределах каждого отсека устанавливается постоянным, равным выходному из данного отсека.
Практически системы ступенчатого испарения и продувки обычно выполняются из двух или трех отсеков. При двухступенчатом испарении система делится на две неравные части – чистый отсек, куда подается вся питательная вода и вырабатывается 75 – 85 % пара, и солевой отсек, где вырабатывается 25 – 15 % пара.
На рис. 94а показана схема испарительной системы с двухступенчатым испарением с солевыми отсеками, расположенными внутри барабана парогенератора, в его торцах, а на рис. 94б – с выносными циклонами, которые вместе с включенными в них экранами образуют солевые отсеки парогенератора.
Допустимые предельные значения солесодержания, кремнесодержания и щелочности воды в барабанных парогенераторах зависят от их конструкции, давления пара и других параметров.
Избежать появления накипи на поверхностях нагрева только путем улучшения качества питательной воды и продувки парогенератора не всегда удается. В таких случаях дополнительно применяется коррекционный метод обработки воды в парогенераторе. Для этого в воду вводятся реагенты – коррекционные вещества, анионы которых связывают и осаждают в виде шлама катионы кальция и магния.
Рис. 94. Схема продувки парогенератора при ступенчатой системе
испарения:
а – с солевыми отсеками внутри барабана; б – с выносными
сепараторами второй ступени испарения; 1 – подвод
питательной воды; 2 – отвод пара; 3 – продувка чистого отсека;
4 – продувка солевого отсека; 5 – испарительные поверхности
нагрева, включенные в солевой отсек; 6 – испарительные
поверхности нагрева, включенные в чистый отсек
В парогенераторах при давлении более 1,6 МПа в качестве корректирующего реагента применяется тринатрийфосфат Na3PO4·12H2O . При введении этого реагента происходит реакция с кальциевыми и магниевыми соединениями, например,
6Na3PO4 + 10CaSO4 +2NaOH = 3Ca3(PO4)2 + Ca(OH)2 + 10Na2SO4 .
Получившиеся вещества – Ca3(PO4)2 , , обладают малой растворимостью и выпадают в виде шлама, удаляемого периодически продувкой.
18.2. Сепарация пара. Требования к пару. В насыщенном водяном паре могут находиться различные примеси: газы , , , и соли минеральных веществ, взвешенные или растворенные в паре.
Минеральные примеси могут отлагаться в трубах пароперегревателя, в арматуре паропроводов и в проточной части турбины в количестве, недопустимом для их нормальной работы.
К качеству насыщенного пара барабанных парогенераторов предъявляются следующие основные требования, установленные на основе опыта эксплуатации оборудования и данных теплохимических испытаний:
· содержание натриевых соединений в пересчете на Na при давлении пара 4 – 10 МПа – 200 мкг/кг, при давлении пара 10 МПа – не более 10 – 15 мкг/кг;
· содержание свободного СО2 при давлении пара 4 – 10 МПа 5 – 10 мкг/кг; при давлении пара более 10 МПа – отсутствие.
При давлении, большем 7 МПа, нормируется также содержание кремниевых соединений и содержание допускается не более 25 мкг/кг. При значительной добавке к конденсату химически очищенной воды допускаются количества примесей, больше указанных.
Загрязняющие примеси поступают в пар в основном из питательной воды. Содержание продуктов коррозии при нормальных условиях незначительно. В прямоточных парогенераторах высокого и сверхвысокого давления определяющее значение в загрязнении пара имеют растворенные в нем минеральные неорганические примеси, в основном SiO2, оксиды Fе и Сu, а также соединения натрия. Соотношение между минеральными примесями, выносимыми с паром и откладывающимися на испарительных поверхностях нагрева, характеризуется коэффициентом распределения
,
где Сп и Св – содержание минеральных примесей в паре и воде, мкг/кг.
Коэффициент распределения зависит от химического состава минеральных веществ, так как растворение примесей происходит избирательно, и повышается с увеличением давления и температуры пара.
Таким образом, в прямоточных парогенераторах качество насыщенного пара определяется только характеристикой питательной воды. В пароперегревателях с естественной и многократной принудительной циркуляцией отделение пара от воды происходит в барабане. В парогенераторах низкого и среднего давления загрязнение насыщенного пара происходит вследствие выноса вместе с паром капель воды, содержащих минеральные примеси. При высоком давлении пара выносятся также растворенные в нем примеси, в основном соединения кремния.
В общем случае, содержание минеральных нелетучих примесей в насыщенном паре, мкг/кг:
,
где – влажность пара, %, обычно = 0,01 – 0,03%; Кр – коэффициент распределения примесей между паром и водой; Св – содержание примесей в воде, мкг/кг.
При низких и средних давлениях содержание минеральных примесей в паре практически определяется только их содержанием в находящейся в барабане воде и влажностью пара, так как .
Образование капель воды и унос их паром. В барабане парогенератора при вводе пароводяной смеси под уровень воды происходит ее дробление и образование крупных и мелких капель.
Дробление воды происходит за счет затраты части кинетической энергии всплывающих на ее поверхность пузырей пара и за счет освобождения части энергии поверхностного натяжения при разрыве водных оболочек пузырей.
Унос котловой воды в пар связан в основном с массовым образованием в барабане мелких капель влаги в двух случаях:
· при ударе о зеркало испарения мощных струй пароводяной смеси, подаваемой на зеркало из испарительных труб;
· при разрыве тонкой водяной оболочки у пузырьков насыщенного пара, покидающих зеркало испарения (рис. 95).
Рис. 95. Модель образования влаги в паре:
а – при ударе пароводяной струи о зеркало испарения;
б – при разрыве пузырьков насыщенного пара на зеркале
испарения
Поток газа (пара), взаимодействуя с жидкостью, может увлекать
с собой капли этой жидкости. При дальнейшем движении пароводяной смеси происходит выпадение отдельных капель из потока в связи с изменением условий стабильности, т. е. нарушения устойчивости границы разделения двух фаз. Таким образом, существует два процесса: сепарация капель влаги и капельный унос. Оба эти процесса имеют большое значение для парогенерирующих агрегатов, работающих на докритическом давлении.
Следовательно, образование мелких капель жидкости происходит в основном за счет поверхностного натяжения, освобождающегося при разрыве оболочек паровых пузырей.
Образовавшиеся на поверхности зеркала испарения капли воды за счет их кинетической энергии будут подпрыгивать на высоту . Если высота подпрыгивания капель больше высоты парового пространства барабана, то капли могут быть унесены из него потоком пара. Если < , то такие капли выпадают обратно из потока пара в водяной объем барабана. Если относительная скорость капли равна скорости ее витания, то высота подъема капли будет неограниченно большой.
После того как начальная скорость капли перестанет оказывать влияние на ее движение, вертикальная составляющая стабилизированного движения капли в восходящем потоке пара будет wу = w" - wвит, где w" - подъемная скорость пара; wвит - скорость витания капли.
Если wвит < w", то капля при отсутствии устройств для ее задержания будет унесена потоком пара из парового пространства барабана, а если wвит > w", то капля упадет на зеркало испарения.
Скорость витания определяется по формуле:
wвит = , м/с.
Например, при давлении пара 10 МПа и достаточной высоте парового пространства барабана < , если подъемная скорость пара составляет w" = 0,1 м/с, то потоком пара будут транспортироваться капли размером меньше 0,1 мм.
Из приведенной характеристики образования капель влаги и выноса их потоком пара следует, что влажность пара зависит от нагрузки зеркала испарения и парового объема барабана, физических характеристик воды и пара, а также солесодержания воды.
Зависимость влажности пара от его подъемной скорости определяется выражением
ω = A(w0")n ,
где А – коэффициент, зависящий от физических свойств воды и пара, а также от солесодержания воды.
Подъемная скорость пара пропорциональна нагрузке зеркала испарения Rs и объему парового пространства барабана, т. е. значению или , где D – нагрузка котла; F и V – площадь зеркала испарения и объем парового пространства барабана. Поэтому зависимости влажности пара от w0" и или идентичны и, следовательно,
.
На рис. 96 показана зависимость влажности пара от нагрузки зеркала испарения.
Рис. 96. Зависимость влажности пара, характеризуемой
коэффициентом уноса солей, %, от нагрузки парового
объема барабана для некоторых значений давления в
барабане (высота от уровня воды в стекле до точки выхода
пара 750 мм):
1 – 3,5 МПа; 2 – 9 МПа; 3 – 10,8 МПа
При малых нагрузках зеркала испарения повышение влажности происходит медленно и n < 2. С ростом нагрузки влажность пара интенсивно увеличивается и n = 2÷4. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к резкому увеличению влажности и n = 8÷12. Повышение давления увеличивает транспортирующую способность пара и долю мелких капель влаги в паре. В результате влажность пара при той же нагрузке будет больше, чем при меньшем давлении.
На рис. 97 показана зависимость влажности пара от высоты парового объема барабана. С увеличением влажность пара сначала резко уменьшается, а затем уменьшение влажности замедляется. При умеренных значениях м3/(м2·ч) увеличение выше 0,8÷1 м не дает существенного уменьшения влажности пара. Существенное влияние на влажность пара оказывает солесодержание воды. Это связано с уменьшением действительной высоты парового пространства барабана вследствие набухания водяного объема при увеличении солесодержания воды, а также повышения доли мелкодисперсных капель влаги, транспортируемых паром. С увеличением влажности пара возрастает и коэффициент уноса солей, равный отношению солесодержания пара к солесодержанию воды: .
Рис. 97. Зависимость влажности пара от высоты парового
пространства барабана при Р = 9 МПа
На рис.98 показана зависимость солесодержания пара и коэффициента уноса от солесодержания воды при постоянных приведенной скорости пара и давлении.
При увеличении солесодержания воды до некоторой величины, называемой критической, солесодержание пара увеличивается пропорционально , и коэффициент уноса К остается постоянным. При критическом солесодержании воды наблюдается резкое увеличение солесодержания пара и коэффициента уноса. Величина критического солесодержания зависит от давления и состава взвешенных и растворенных в воде веществ. С ростом давления критическое солесодержание воды уменьшается.
В барабанных парогенераторах для улучшения качества насыщенного пара необходимо уменьшить содержание в нем капельной влаги и растворенных в паре веществ. При низких и средних давлениях решающее значение для уменьшения солесодержания пара имеет сепарация капельной влаги от пара. В парогенераторах высокого и сверхкритического давления солесодержание пара определяется также содержанием в паре растворенных солей. Уменьшение содержания в паре капельной влаги достигается в барабане парогенератора равномерным распределением по длине и по диаметру барабана пароводяной и паровой нагрузки, а также отделением капель влаги от пара с помощью сепарационных устройств.
Рис. 98. Солесодержание пара и коэффициент уноса в зависимости от
солесодержания воды в барабане при постоянной
приведенной скорости пара:
1 – солесодержание пара; 2 – коэффициент уноса
В современных барабанных парогенераторах применяются в отдельности или в различных сочетаниях различные сепарационные устройства, схемы которых показаны на рис. 99.
Назначением указанных устройств является:
· погасить кинетическую энергию поступающей в барабан пароводяной смеси с минимальным образованием мелкодисперсных капель влаги;
· обеспечить равномерное распределение паровой нагрузки по площади зеркала испарения и потока пара в объеме барабана;
· осуществить выделение из потока пара капель влаги.
С помощью сепарационных устройств используются следующие принципы сепарации капель влаги из пара.
Гравитационная сепарация, при которой отделение капель влаги от пара осуществляется при горизонтальном и вертикальном подъемном движении пара со стабилизированной малой скоростью. Эффективность гравитационной сепарации пропорциональна разности плотности воды и пара, т. е. зависит от давления, а также размеров капель воды, скорости пара и длины его пути до выхода из барабана.
При указанных ниже напряжениях парового пространства барабана и скорости подъемного движения пара крупные капли влаги выпадают из потока на зеркало испарения, и в паре остаются частицы менее 50 мкм.
Этот принцип сепарации используется, например, в устройстве, показанном на рис. 99а. Гашение кинетической энергии струи пароводяной смеси и равномерное распределение пара происходят в водяном объеме. Отделение капелек влаги от пара осуществляется в паровом пространстве. Гравитационная сепарация имеет место практически в той или иной мере при всех конструкциях внутрибарабанных устройств.
Рис. 99. Схемы сепарационных устройств в барабане парогенератора:
а – при подводе пароводяной смеси под уровень воды в
барабане; б – при подводе пароводяной смеси в паровой
объем барабана; в – с внутрибарабанными циклонами;
1 – распределительный затопленный щит; 2 – отбойный щит;
3 – пароприемный щит; 4 – жалюзийный сепаратор; 5 – внутри-
барабанный циклон; 6 – трубы испарительной поверхности
нагрева; 7 – опускные трубы; 8 – пароотводящие трубы
Инерционная сепарация. Отделение более крупных капель воды от пара может быть осуществлено при резком ускорении горизонтального или вертикального потока пара и последующем уменьшении его скорости, а также за счет центробежных сил, действующих на каплю при изменении направления движения или направления закручивания потока влажного пара. Инерционный принцип сепарации используется в различных конструкциях сепарационных устройств, основные из которых, как было указано ранее, показаны на рис. 99.
Простейшим инерционным сепаратором являются глухие или дырчатые стальные листы, размещенные вертикально или наклонно, которые одновременно используются для гашения кинетической энергии пароводяной смеси и отделения основной массы воды от пара (рис. 99б).
Скорость пароводяной смеси на входе под отбойный щит не должна превышать 2 – 2,5 м/с. Скорость пара на выходе из-под щита в барабан принимается обычно 0,7 – 1 м/с. Применяемые для равномерного распределения пара по площади зеркала испарения дырчатые щиты устанавливаются примерно на 75 – 100 мм ниже нижнего уровня воды в барабане. Минимальная скорость пара в отверстиях щита размером 8 – 12 мм должна быть 0,95 м/с при 4 МПа и 0,5 м/с при 10 МПа.
В жалюзийном сепараторе (рис. 98, б) для инерционного отделения капель воды используется изменение ускорения потока в сепараторе и на выходе из него, а также многократное изменение направления потока, что повышает эффективность сепарации. Предельная скорость пара перед горизонтальным жалюзийным сепаратором 0,5 м/с при 4 МПа и 0,2 м/с при 10 МПа. Если жалюзи вертикальны или наклонены под большим углом, скорость пара может быть в 1,5 – 2 раза выше.
Центробежный сепаратор циклонного типа, в котором происходит интенсивное закручивание потока влажного пара, показан на рис.100. Циклонные сепараторы обеспечивают эффективное отделение капель влаги за счет действия на них центробежных сил, отбрасывающих капли к стенке циклона, где они задерживаются на пленке воды, стекающей на зеркало испарения. Циклонные сепараторы выполняются либо внутрибарабанными – при концентрированном подводе пароводяной смеси с большой скоростью в паровой объем барабана, либо выносными, в том числе для сепарации пара из второй и третьей ступеней испарения.
Эффективность улавливания капель влаги определяется тангенциальной скоростью входа пароводяной смеси в циклон u и осевой скоростью подъема потока в циклоне w0. С понижением отношения u/w0, эффективность работы циклона резко уменьшается, поэтому отношение u/w0 должно быть не меньше 5.
Внутрибарабанные циклоны обычно имеют высоту корпуса 400 – 500 мм. Осевая скорость пара в циклоне при давлении 4 МПа обычно w0=0,6 – 0,7 м/с, при 10 МПа w0=0,3 – 0,4 м/с. Допускаемая паропроизводительность циклона при диаметре 420 мм и давлении пара 4 МПа составляет 6,3 – 7,5 т/ч, а при 10 МПа около 10 – 13 т/ч.
Пленочная сепарация основана на использовании способности налипания мелких капель воды, не обладающих инерционными свойствами, на увлажненную и развитую поверхность при соприкосновении с ней потока влажного пара. При ударе потока влажного пара о такую поверхность в результате слияния мелких капель на ней образуется сплошная водяная пленка, которая достаточно прочна и не срывается паром, но в то же время беспрепятственно и непрерывно дренируется в водяное пространство барабана.
Пленочная сепарация используется в циклонных, а также в швеллерковых сепараторах. В швеллерковых сепараторах пленочная сепарация сочетается с инерционной за счет отбрасывания более крупных капель воды при прохождении влажного пара по каналам между швеллерами с четырехкратным поворотом на 90°. Такая конструкция достаточно эффективно отделяет мелкие капли от пара. Допускаемая скорость пара в швеллерковых сепараторах при давлении в барабане 11 МПа 0,2 м/с.
Пароприемные щиты. Для равномерного отвода пара по сечению барабана на выходе из него устанавливается пароприемный дырчатый щит. Скорость в отверстиях щита выбирается из условия
w02ρн/2 = 200 – 250 Па,
где – плотность насыщенного пара, кг/м3.
Для создания достаточного дросселирующего эффекта щита скорость пара в его отверстиях должна быть в 2 раза больше, чем продольная скорость пара в барабане.
Промывка пара. Механические способы сепарации позволяют удалить из пара относительно крупные частицы. От веществ, находящихся в паре высокого давления в виде молекулярных и коллоидных растворов, пар может быть очищен промывкой его чистой водой. Практически промывка пара осуществляется пропуском его через слой воды.
На рис. 100 показано устройство для промывки пара. В паровом пространстве барабана размещается щит, на который подается питательная вода, стекающая затем в водяное пространство барабана. Щит выполняется в виде системы корыт или с перфорированными по его площади отверстиями.
Рис. 100. Схема сепарационного
устройства с промывкой пара:
1 – щит с промывочным
корытцем; 2 – жалюзийный
сепаратор; 3 – пароприемный
щит; 4 – разделительный щит;
5 – подвод питательной воды;
6 – трубы испарительной
поверхности нагрева;
7 – опускные трубы;
8 – пароотводящие трубы
Пар, проходя над слоем воды в корытах или через отверстия в щите, частично очищается от солей, насыщая ими воду. Основной целью промывки пара при высоком давлении является снижение уноса кремниевой кислоты. В установившемся состоянии кремнесодержание пара становится пропорциональным кремнесодержанию воды, контактирующей с паром. Коэффициент распределения кремнесодержания в паре и воде выражается отношением , которое определяет допустимое кремнесодержание питательной воды при заданном допустимом кремнесодержании в паре.
При промывке пара вследствие несовершенства его контакта с водой соли удаляются не полностью; конечное солесодержание пара определяется по формуле
,
где – коэффициент проскока – доля пара, прошедшего через промывочное устройство, но не промытого; и – солесодержания промытой и непромытой частей пара.
Коэффициент проскока всех солей составляет примерно 10 – 15 %, а кремниевой кислоты 15 – 40 %. Для удовлетворительной работы промывочного устройства слой воды на щите должен быть 60 – 70 мм.
На промывочный щит подают не более 50 % питательной воды в целях уменьшения конденсации пара в барабане, которая вызывает необходимость повышения паросодержания в испарительных поверхностях нагрева. Для уменьшения выноса капельной влаги в питательную воду, находящуюся на щите, необходимо иметь достаточную высоту парового пространства под щитом.
В прямоточном парогенераторе с промывочно-сепарационным устройством промывка пара осуществляется путем впрыска воды в слегка перегретый пар с доведением его влажности до 2 %. При этом примеси в паре растворяются в воде. Далее влага отделяется от пара в центробежном сепараторе и после использования части ее тепла выводится в дренаж.
19. КОРРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА
Дата добавления: 2015-07-10; просмотров: 3045;