Материальный баланс примесей в пароводяном тракте парового котла.

Питательная вода, поступающая в паровой котел, представляет собой раствор в воде различных веществ неорганического и органического характера. В ней содержатся катионы Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺; анионы Cl^-, SO₄^2-, SiO₃^2-, OH^-, CO₃^2- и др; продукты коррозии конструкционных материалов (оксиды Fe, Si, Cr, Ni, Zn, Co, Al и др.); летучие примеси O₂, CO₂, NH₃, H₂, N₂ и др. Кроме растворенных веществ в питательной воде содержатся и взвешенные частицы различной дисперсности.

На (рис. 11.1) представлена принципиальная тепловая схема блока ТЭС и указаны пути поступления примесей в пароводяной тракт. (На этой схеме не указаны места ввода корректирующих реагентов).

Из (рис. 11.1) видно, что питательная вода в паровой котел 1 вносит за единицу времени (секунду, час, год и т.д.) примеси в количестве D_п.в С_п.в, где С_п.в - концентрация примесей в питательной воде.

В паровом котле концентрация примесей увеличивается за счет продуктов коррозии (+C_корр^н) и уменьшается за счет отложения ее на поверхности нагрева (-C_корр^н) и продувки котла в количестве D_прС_пр, где D_пр количество продувочной воды 16, С_пр - концентрация примесей в ней. Из котла уходит перегретый пар D_п с концентрацией примесей С_п. В результате для парового котла материальный баланс примесей запишется в следующем виде

(11.1)

Материальный баланс по рабочей среде

(11.2)

Доля продувки

(11.3)

Коррозия металла в паровом котле увеличивает концентрацию примесей в воде, снижает механическую прочность металла.

Отложение примесей на внутренней поверхности трубы вызывает повышение температуры стенки вплоть до разрушения и снижает коэффициент теплопередачи.

Концентрация примесей в перегретом паре С_п ограничивается условиями работы турбины 4. При отложении примеси в проточной части турбины увеличивается ее шероховатость и коэффициент сопротивления трению, скорость пара за счет сужения проходного сечения, что приводит к росту перепада давления на ступенях турбины и к увеличению осевого сдвига ротора. Приходится уменьшать расход пара на турбину и ее мощность. Лопатки турбины в зоне начала конденсации водяных паров подвержены коррозионному растрескиванию, что может привести к отрыву лопатки с тяжелыми аварийными последствиями.

В барабанных паровых котлах С_п зависит от С_п.в, доли продувки р, интенсивности процессов коррозии и отложения примеси. Для снижения скорости отложения примеси концентрацию С_п.в необходимо уменьшить. Повышенные требования к чистоте пара (снижение С_п) требуют увеличения доли продувки и, соответственно, приводят к снижению экономичности парового котла.

При наличии продувки в котле концентрация примеси в питательной воде С_п.в может быть значительно выше, чем в паре С_п, что снижает требования к подготовке воды для барабанных котлов. В прямоточных котлах докритического давления, в принципе, можно организовать продувку котла. Для этого в конце испарительного участка при влагосодержании 1…2% (x = 0,98…0,99) устанавливается сепаратор, в котором влага отделяется от пара и удаляется из цикла. Но при этом возникает ряд трудностей:

1) в прямоточном котле граница между испарительным и перегревательным участками четко не зафиксирована, она при изменении режима работы котла перемещается по длине теплопередающих труб; следовательно, в сепаратор при одном режиме будет поступать пароводяная смесь с большим водосодержанием, в другом - перегретый пар; система регулирования водосодержания на входе в сепаратор получается сложной и дорогой;

2) продувка в прямоточном котле малоэффективна, так как основное количество примеси образует отложения на стенках трубы на более ранних этапах испарения воды. Поэтому в прямоточных котлах докритического давления продувка не делается. При сверхкритическом давлении продувку котла в принципе сделать нельзя. Для прямоточных котлов материальный баланс примесей будет следующим

(11.4)

Считая, что C_корр^н и C_отл^н должны быть сведены до минимально возможных значений, получим, что С_п.в ≈ С_п, т.е. качество питательной воды должно быть близким к качеству пара.

Рассмотрим основные пути поступления и частичного удаления примесей в пароводяном тракте энергетического блока.

Примеси вносятся водой, поступающей в пароводяной тракт через неплотности в сетевых подогревателях 5 и конденсаторе 8.

Сетевая вода 6 химически обрабатывается, концентрация примесей в ней С_с.в. При нормальной работе подогревателей C_прис^св=0.

Переток охлаждающей воды 9 в конденсаторе D_прис составляет обычно 0,001…0,002%, но иногда доходит до 0,01…0,02% и выше. На охлаждение конденсатора подается вода из рек и озер (С_охл ≤ 800…1000 мг/кг), в ряде случаев - из морей (С_охл ≤ 30000 мг/кг). В итоге количество поступающей примеси может быть значительным - до 1…3 мг/кг.

Добавочная вода 7 (в количестве D_доб) подается, как правило, в паровое пространство конденсатора, где происходит ее деаэрация. Количество добавочной воды зависит от типа ТЭС. На конденсационной электростанции и отопительной ТЭЦ добавочная вода восполняет потери на продувку котла, в уплотнениях турбины, через неплотности во фланцах и арматуре. Все эти потери составляют 1…3% от паропроизводительности котла D_п. В этом случае проводят полное химическое обессоливание добавочной воды, концентрация примесей С_доб в ней мала (50 мкг/кг). На ТЭЦ производственного типа возможна безвозвратная отдача пара на технологические нужды, и на его восполнение требуется большое количество добавочной воды (до 20…40% и более), которая проходит более дешевую обработку - глубокое умягчение с частичным обескремниванием.

Современные блоки СКД на ТЭС в целях уменьшения С_п.в оборудуются блочными обессоливающими установками (БОУ) 11, через которые проходит весь конденсат D_к. В БОУ происходит улавливание части примесей. После БОУ располагается конденсатный насос II подъема 12.

Из турбины отбирается пар ΣD_отб на ПНД 13, деаэратор 2, ПВД 15, турбопривод питательного насоса 14. Конденсат этого пара с концентрацией примесей С_отб направляется в конденсатор или деаэратор.

Из деаэратора отбирается часть пара D_вып с газами С_газ, перешедшими в пар из конденсата (О₂ СО₂ и др.), так называемый выпар.

Продукты коррозии конденсатного тракта и тракта питательной воды поступают в котел с питательной водой.

Летучие примеси потоков воды, направляемых в конденсатор, частично удаляются в конденсаторе, БОУ и деаэраторе; поступают эти примеси с присосами воды, через неплотности в конденсаторе и на всасе конденсатного насоса I подъема 10, образуются в результате коррозии, процессов радиолиза на АЭС, направляются как корректирующие добавки.

Таким образом, водно-химический режим паровых котлов необходимо рассматривать как часть водно-химического режима энергетических блоков. В общем виде задачей водно-химического режима блока является обеспечение надежности и экономичности работы всего оборудования блока. Эта задача может быть решена при обеспечении необходимой чистоты питательной воды и перегретого пара, при ограничении образования отложений в паровом котле, турбине, в трубопроводах (отложения примесей в трубопроводах более опасны на одноконтурных и двухконтурных АЭС, так как они радиоактивны), при снижении до безопасного уровня интенсивности коррозионных процессов в оборудовании и

трубопроводах.