Ступенчатое испарение и промывка пара

Советский ученый Э. И. Ромм предложил оригинальный способ получения пара высокого качества в парогенераторах барабанного типа при экономически приемлемой величине продувки, который получил название ступенчатое испарение. Сущность этого способа состоит в получении пара из зон с различной концентрацией солей в котловой воде. В обычных условиях питательная вода с малым солесодержанием и низкой щелочностью, поступая в барабан, смешивается с концентрированной котловой водой, и выделение пара происходит из воды, имеющей значительно более высокую концентрацию солей и щелочей, чем питательная вода. При этом концентрации котловой и продувочной воды одинаковы, и тем самым качество насыщенного пара в значительной мере определяется концентрацией примесей в котловой воде, с которой генерируемый пар находится в контакте перед выходом его в паровой объем парогенератора. Между тем, если поддерживать пониженные концентрации веществ в котловой воде, из которой генерируется пар, и более высокую концентрацию их в продувочной воде, то качество пара будет определяться низкой концентрацией веществ в котловой воде парогенератора.

При наличии внутри водяного объема парогенератора зон с различной концентрацией солей в котловой воде благодаря искусственно созданной неравномерности солесодержания, т. е. некоторому организованному «химическому перекосу», качество котловой воды отличается от качества продувочной воды, и последняя не определяет чистоты пара.

Рис. 5.4. Схема двухступенчатого испарения с двусторонним

расположением солевых отсеков в барабане парогенератора:

1 – продувка; 2 – питательная вода; 3 – пар

Парогенератор со ступенчатым испарением представляет собой обычный парогенератор с естественной циркуляцией, который установленными в барабане и коллекторах перегородками разделен на несколько самостоятельных контуров циркуляции. Водяные объемы этих контуров сообщаются только через отверстие, сделанное в разделительной внутрибарабанной перегородке. Теоретически парогенератор может быть разделен на любое число ступеней, но в практических условиях обычно ограничиваются двумя или тремя ступенями испарения.

При двухступенчатом испарении часть парогенератора, в которую подается питательная вода, называют «чистым» отсеком (первая ступень испарения), а остальную часть – «солевым» отсеком (вторая ступень испарения). В парогенераторах, оснащенных устройствами трехступенчатого испарения, имеются соответственно чистый отсек и солевые отсеки второй и третьей ступеней испарения.

Для второй ступени испарения отделяется часть объема с одного или двух торцов барабана (рис. 5.4) либо устанавливаются выносные циклоны, подключенные к боковым экранным поверхностям парогенератора (рис. 5.5).

Рис. 4.5. Схема двухступенчатого испарения с выносными циклонами

1 – барабан парогенератора; 2 – циклон; 3 – боковой экран;
4 – подвод питательной воды

Благодаря тангенциальному подводу пароводяной смеси в вертикальный цилиндрический корпус циклона в нем гасится кинетическая энергия пароводяной смеси, а быстрое вращение ее в зоне зеркала испарения способствует интенсивному разрушению пены. Питательная вода подается в чистый отсек барабана, из которого осуществляется питание солевых отсеков в барабане либо выносных циклонов.

В результате такой организации питания отдельных циркуляционных контуров парогенератора солесодержание, щелочность и кремнесодержание котловой воды растут от первой ступени к последней, относительная продувка каждой ступени испарения получается весьма значительной, а продувка парогенератора в целом – очень небольшой. При этом, несмотря на повышенное кремнесодержание котловой воды в солевых отсеках, избирательный вынос кремниевой кислоты из них уменьшается благодаря более высокой гидратной щелочности котловой воды в этих отсеках.

Организация водного режима парогенератора со ступенчатым испарением имеет то преимущество перед парогенератором без ступенчатого испарения, что большая часть пара в нем вырабатывается в чистом отсеке с концентрациями котловой воды, существенно меньшими по сравнению с концентрацией продувочной воды, выводимой из меньших по паропроизводительности солевых отсеков.

Составим уравнения баланса солей для первой и второй ступеней испарения парогенератора с двухступенчатым испарением, пренебрегая уносом солей с паром:

	(5.24)
	(5.25)

где – концентрации примесей (солесодержание, кремнесодержание, содержание истинно растворенных окислов железа, щелочность) в котловых водах чистого и солевых отсеков, г/т; – количество пара, вырабатываемое второй ступенью испарения в парогенераторе, т/ч.

Остальные обозначения те же, что и при расчете продувки.

Разделив каждое уравнение на D_п и введя обозначения D_пр/D_п = φ и D"/D_п = n₂, где φ — степень продувки в долях D_п и n₂– паропроизводительность второй ступени испарения (солевого отсека) в долях, получим:

	(5.26)
	(5.27)

Из этих уравнений определяем концентрацию примесей котловой воды для каждой ступени испарения:

	(5.28)
	(5.29)

Концентрации примесей в паре, вырабатываемом каждой ступенью испарения, будут:

Общую концентрацию примесей в паре, вырабатываемом парогенератором, при отсутствии переброса или перетока котловой воды из солевого отсека в чистый можно определить по формуле

(5.30)

где n₁=1– n₂ – паропроизводительность первой ступени испарения в долях D_п.

Значения коэффициентов распределения по отсекам парогенератора различаются, в особенности для кремниевой кислоты, для которой, как известно, значение . Однако для упрощения приняв и сделав элементарные преобразования, получим значение а_п в граммах на тонну:

(5.31)

По этой формуле можно определить концентрацию примесей (солесодержание, кремнесодержание и щелочности) в паре при любых возможных значениях коэффициента распределения К_р,степени продувки φ, относительных производительностях чистого n₁ и солевого n₂отсеков и концентрации указанных примесей в питательной воде а_п.в.

Опыт эксплуатации показывает, что в парогенератоpax, оснащенных устройствами ступенчатого испарения, качество пара (солесодержание, кремнесодержание) заметно улучшается по сравнению с парогенератором без этих устройств при сохранении той же величины продувки и того же качества питательной воды. При этом увеличивается вывод из парогенератора примесей с продувочной водой и соответственно уменьшается унос их с насыщенным паром (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Количество кремниевой кислоты, удаляемой из парегенератора с продувочной водой, в зависимости от величины продувки парогенератора (в расчетах принято = 0,8 %; =0,3 %; n₂ = 30 %):

1 – парогенератор без ступенчатого испарения; 2 – парогенератор со ступенчатым испарением

Отношение концентраций котловых вод второй ступени испарения и чистого отсека называют кратностью концентраций k, величина которой характеризует эффективность ступенчатого испарения. Чем выше величина k,тем экономичнее схема. На практике величина kограничивается в пределах 3–10, так как при
k > 10 могут создаться высокие концентрации фосфатов и окислов железа в котловой воде, опасные с точки зрения образования отложений на поверхностях нагрева солевых отсеков.

Существенное влияние на ухудшение качества котловой воды в чистом отсеке оказывает обратный переток котловой воды из солевых отсеков в чистый через водо-перепускную трубу, по которой происходит продувка из чистого отсека в cолевой либо переброс котловой воды из солевого отсека в чистый при ее вспенивании и набухании. Подобные обратные перетоки и перебросы котловой воды могут привести к заметному снижению кратности солевых концентраций между ступенями, т.е. к уменьшению эффективности ступенчатого испарения. Чтобы избежать этого, предусматриваются специальные устройства для улавливания переброса и предотвращения обратных перетоков котловой воды.

Организация водного режима парогенератора с применением схемы ступенчатого испарения дает возможность значительно повысить концентрации примесей в продувочной воде без ухудшения качества пара. Тем самым представляется возможным уменьшить потребную продувку парогенератора до экономически приемлемой величины, а также снизить требования к соле- и кремнесодержанию питательной воды. В тех случаях, когда при заданных условиях (высокоминерализованная исходная вода, большая величина добавки питательной воды, высокое рабочее давление пара, лимитированная величина продувки и т. п.) оптимальные схемы ступенчатого испарения не в состоянии обеспечить требуемую чистоту пара, могут быть с успехом применены более эффективные схемы организации водного режима парогенераторов барабанного типа, а именно промывка предварительно осушенного насыщенного пара питательной водой либо сочетание промывки пара со ступенчатым испарением.

Сущность способа промывки пара состоит в том, что в процессе промывки вещества, унесенные в капельках котловой воды, а также истинно растворенные в паре, частично переходят в промывочную воду, а влажный промытый пар повторно осушается с помощью сепарационного устройства, расположенного в барабане парогенератора, после чего пар поступает в пароперегреватель.

Переход кремниевой кислоты и других растворенных в насыщенном паре веществ в промывочную воду происходит вследствие того, что равновесная концентрация кремниевой кислоты в паре при контакте его с промывочной водой меньше, чем при контакте его с котловой водой, из которой образовался пар. Этот переход начинается при прохождении пара через слой промывочной воды и продолжается в паровом пространстве над слоем промывочной воды, но уже в каплях воды, образующихся при разрыве пузырей при выходе их в паровой объем барабана.

Обеспечение с помощью промывки требуемого качества пара базируется на той закономерности, что чистота промытого пара определяется чистотой промывочной воды, с которой он контактируется. Степень промывки пара зависит от величины коэффициента распределения неорганических соединений между жидкой и паровой фазами, ибо промывочная вода не может поглощать вещество из пара больше определенной равновесной концентрации. Так как кремниевая кислота и другие неорганические соединения растворяются в воде больше, чем в паре, то при промывке пара эти вещества будут унесены с паром в количестве, пропорциональном содержанию их в промывочной, а не в котловой воде.

Чистоту промытого пара можно приближенно оценить, пользуясь формулой

(5.32)

где W – влажность промытого пара в долях единицы; К_р – коэффициент распределения в долях единицы; а_пр.в – концентрация примесей в промывочной воде.

Величина коэффициента распределения для кремниевой кислоты составляет для парогенераторов сверхвысокого давления 15 % при гидратной щелочности менее 0,1 ммоль/дм³и 5–10 % при гидратной щелочности 0,2–0,3 ммоль/дм³.

Для осуществления процесса промывки пара питательная вода подается в специальные устройства, расположенные в паровом объема барабана, парогенератора и отделенные от доступа котловой воды. Промывочная питательная вода, после того как она контактировала с насыщенным паром, поступает в котловую воду и смешивается с ней.

Известны следующие способы промывки пара: барботаж пара через слой питательной воды, пропуск его через сепараторы, смачиваемые питательной водой и, наконец, распыливание питательной воды в потоке пара. В современных парогенераторах барабанного типа широко применяется барботажная промывка пара, которая обеспечивает наиболее полный контакт пара с промывочной водой. Промывочное барботажное устройство представляет собой затопленный плоский дырчатый щит (рис. 5.7) с закраинами, отвечающими требующейся высоте промывочного слоя (приблизительно 40–50 мм).На конденсационных электростанциях и чисто отопительных ТЭЦ на барботажное промывочное устройство подается вся питательная вода, а на промышленных ТЭЦ, использующих в качестве добавки химически обработанную воду, на паропромывочное устройство подается от 50 до 100 % питательной воды.

Общий эффект от применения промывки пара определяется КПД как самого паропромывочного устройства, так и сепарирующих устройств, осушающих пар до и после промывки его. Коэффициент полезного действия, собственно промывки пара представляет собой отношение количества удаленного вещества к теоретически возможному количеству, т. е. он указывает, насколько промывка приближается к пределу очистки. Если бы содержание вещества в паре достигло концентрации, отвечающей коэффициенту распределения, то эффективность промывки была бы равна 100 %, т. е. отвечала бы максимально возможной (теоретической) очистке пара. При ограниченной высоте промывочного слоя, которая имеет место в случае размещения паропромывочного устройства в паровом объеме барабана, величина КПД собственно барботажной промывки составляет примерно 80 %.

Рис. 5.7. Барботажное промывочное устройство с затопленным дырчатым листом:

1 – промывочное устройство; 2 – жалюзийный сепаратор; 3 – питательное корыто;
4 – дырчатый лист; 5 – непрерывная продувка; 6 – питательная труба; 7 – ввод фосфатов

Для любой схемы внутрикотловых устройств важной характеристикой является доля уловленных ими в парогенераторе неорганических примесей от общей концентрации их в питательной воде. Применительно к парогенераторам с паропромывочными устройствами этот показатель зависит: а) от разности концентраций солей и кремниевой кислоты в паре, поступающем на промывочное устройство, и соответственно в промывочной воде; б) гидратной щелочности промывочной воды; в) отношения расхода промывочной воды к расходу пара; г) величины поверхности и продолжительности контактирования пара с промывочной водой; д) значений коэффициентов массообмена, характеризующих интенсивность перехода того или иного вещества, растворенного в воде, в промывочную воду.

Рис. 5.8. Схема трехступенчатого испарения с выносными циклонами
и барботажной промывкой пара:

1 – пароводяная система чистого отсека; 2 – вторая ступень испарения; 3 – третья ступень испарения; 4 – питательная вода; 5 – продувка; 6 – в пароперегреватель

Экспериментальные и эксплуатационные данные свидетельствуют о том, что паропромывочные устройства снижают кремнесодержание пара в среднем в 2–3 раза.

На промышленных ТЭЦ высокого давления (100 кгс/см²)при значительной добавке химически обработанной воды обычно применяется комбинированная схема внутрикотловых устройств, которая предусматривает сочетание трехступенчатого испарения с барботажной промывкой питательной водой всего пара либо только пара из солевых отсеков (рис. 5.8). Иногда пар промывается котловой водой чистого отсека; с этой целью пар из солевых отсеков подается под уровень воды в чистом отсеке. На конденсационных электростанциях и чисто отопительных ТЭЦ, где парогенераторы барабанного типа сверхвысокого давления
13,8 МПа (140 кгс/см²)питаются с добавкой химически обессоленной воды либо дистиллята испарителей, часто применяется схема двухступенчатого испарения с выносной второй ступенью, имеющей паропроизводительность 3–6 % D_п, которая сочетается с барботажной промывкой пара. Из этих парогенераторов с паром уносится от 2 до 8 % кремниевой кислоты, внесенной питательной водой.

5.1.4. Влияние водно-химического режима на состав
и структуру отложений

Выполнение регламентируемых показателей по качеству питательной и котловой воды не может полностью исключить образование отложений в экранных трубах котлов. На скорость образования отложений оказывают влияние различные факторы, и прежде всего тепловое напряжение, качество питательной и котловой воды и рабочие параметры среды.

Оценку состояния водно-химического режима ведут по результатам оперативного контроля показателей качества питательной и котловой воды. Объем и периодичность оперативного контроля определяют для каждой электростанции исходя из местных условий эксплуатации. Итоговую оценку состояния водно-химического режима за конкретный период получают по изменению температуры металла труб и загрязненности внутренней поверхности труб, определенной методом выборочной вырезки контрольных образцов.

Для контроля за изменением температуры экранных труб в них вваривают специальные температурные вставки с встроенными термопарами. Показания термопар выводят на регистрирующий прибор. Температурные вставки обычно устанавливают в зоне повышенных тепловых напряжений, т. е. в наиболее благоприятных условиях для образования отложений.

При отсутствии температурного контроля металла производят выборочную вырезку контрольных образцов. Зоны экранной поверхности, из которых должны производиться вырезки контрольных образцов, уточняют для каждого типа котлов в соответствии с особенностями топочного режима, расположением горелочных устройств, схемы циркуляции и вида сжигаемого топлива. Периодичность вырезок зависит от вида сжигаемого топлива и составляет для котлов, работающих на жидком топливе, 10 000–15 000 ч и на твердом топливе 18 000–21 000 ч.

Ориентировочный объем вырезок включает следующие поверхности: экономайзер – первая ступень (вход и выход), вторая ступень (выход); экранная поверхность – чистый отсек (фронтовой, задний и боковой экраны), солевой отсек (боковой экран слева и оправа); пароперегреватель – первая и вторая ступень (участки труб в районе гиба). Учет вырезок контрольных образцов целесообразно осуществлять по развернутым формулярам котлов. Вырезку образцов выполняют автогенной горелкой, а дальнейшее разделение каждого образца – на фрезерном или продольно-строгальном станке. Каждый образец разрезают вдоль по линии раздела огневой и тыловой сторон, затем поперек на отдельные участки для определения загрязненности и химического анализа отложений.

Перед снятием отложений на химический анализ осматривают внутреннюю поверхность трубы для оценки толщины, плотности и равномерности отложений. Для химического анализа снимают отложения только с огневой стороны послойно – вначале мягкие, затем твердые.

Загрязненность определяют методом катодного травления отдельно участков с огневой и тыловой сторон образца. После катодного травления осматривают состояние металла образцов, отмечая коррозионные разрушения. При наличии коррозионных язвин определяют их количество, размеры, глубину, а также характер разрушения металла в целом.

Четкое выполнение определенной системы контроля за состоянием поверхностей нагрева котлов позволяет по состоянию металла, структуре отложений, а также их составу оценить надежность водно-химического режима за конкретный период.

В табл. 5.1. приведен химический состав отложений котлов различных типов и рабочих параметров электростанций. Качество питательной воды этих котлов по всем составляющим соответствует нормативным значениям ПТЭ. Коррекционную обработку котловой воды осуществляют различными реагентами, тринатрийфосфатом и трилоном Б. Данные табл. 5.1 могут характеризовать некоторые особенности коррекционной обработки котловой воды топочного режима, а также водно-химического режима в целом. Так, фосфатная обработка котловой воды всех приведенных в табл. 5.1 котлов, кроме ПК-14, выполняется в оптимальном режиме. В составе отложений содержание Р₂О₅ эквивалентно сумме СаО + MgO гидроксилаппатита или фосфорита кальция. Образование феррофосфата в этих условиях маловероятно.

В отложениях котла ПК-14 содержание Р₂О₅ значительно превышает сумму CaO + MgO из-за поддержания в котловой воде повышенного избытка фосфатов, и здесь возможно образование феррофосфата. В рассматриваемом случае дозу тринатрийфосфата целесообразно снизить, а выполнение нормативного значения рН котловой воды можно обеспечить подщелачиванием раствора тринатрийфосфата едким натром.

В отложениях котла TП-200 повышено содержание кремниевых соединений. Отложения очень плотные и трудноудаляемые в процессе химической очистки. Образование таких отложений обычно происходит при относительно низкой щелочности котловой воды. Здесь будет полезным внедрение подщелачивания котловой воды для перевода кремниевых соединений в хорошо растворимый силикат натрия.

О присутствии в отложениях котлов БКЗ-320 продуктов высокотемпературного термолиза органических соединений свидетельствует показатель п. п. п. (потери при прокаливании).

Отложения, содержащие в своем составе такие вещества, имеют относительно плотную структуру и почти не растворяются в минеральных кислотах. В связи с низкой теплопроводностью таких отложений наличие их даже при относительно невысоких тепловых нагрузках приводит к перегреву металла с последующим разрушением. Сопоставление данных по составу отложений труб заднего и бокового экранов чистого отсека всех котлов свидетельствует о повышенном тепловом напряжении в зоне заднего экрана, так как в отложениях этой поверхности высокое содержание меди.

Повышенное содержание кремнекислых соединений в отложениях котла
БК3-75, работающего в комплексонном водном режиме, является следствием низкой щелочности котловой воды. Для комплексонной обработки целесообразно использовать щелочной раствор трилона Б. В составе отложений на экранных поверхностях этого котла невысоко содержание катионов кальция и магния. Это обстоятельство свидетельствует об эффективности процесса комплексообразования трилоном Б этих катионов. Образовавшиеся при этом ЭДТАцетаты кальция и магния в условиях параметров котловой воды не подвержены термическому разложению и удаляются из котла продувкой. Высокое содержание меди в отложениях труб заднего экрана, поверхности с повышенными тепловыми потоками следует объяснить протеканием процесса термолиза ЭДТАцетата меди, в результате которого происходит образование медистых отложений. ЭДТАцетат меди имеет наименьшую термическую устойчивость в сравнении с ЭДТАцетатами железа, кальция и магния. Так, при 300–320 °С отмечается практически полное разложение его.

5.2. Водно-химические режимы блоков СКД

Процесс в котлах СКД характерен значительными изменениями теплофизических свойств рабочего тела – плотности и температуры. Эти параметры пара определяют растворимость в нем различных соединений, поэтому и надежность работы блоков в большей степени зависит от внутрикотловых процессов, в том числе от водных режимов.

С ростом параметров и единичной мощности энергоблоков усиливается влияние водного режима на надежность и экономичность работы электростанций. Увеличение единичной мощности котлов ведет к росту тепловых напряжений поверхностей нагрева. В этих условиях даже незначительные отложения на внутренней поверхности труб вызывают перегрев и разрушение металла.

Повышение параметров пара увеличивает его растворяющую способность в отношении примесей, содержащихся в питательной воде. В результате возрастает интенсивность заноса проточной части турбин, последнее приводит к снижению экономичности энергоблоков и ограничению их мощности.

Существующие методы водоподготовки обеспечивают достаточно полную очистку добавочной воды как барабанных, так и прямоточных котлов от солевых загрязнений. Вывод загрязнений из пароводяного цикла прямоточных котлов осуществляется конденсатоочисткой. В этих условиях основными примесями питательной воды становятся не соли, а продукты коррозии конструкционных материалов, в основном оксиды железа и меди. Даже при сравнительно малых содержаниях оксидов железа в питательной воде прямоточных котлов СКД (10–12 мкг/дм³) происходит постепенное накопление их на поверхностях нагрева, особенно в нижней радиационной части (НРЧ) котла, которая несет наибольшие тепловые нагрузки.

Опыт промышленной эксплуатации показал, что одной из основных причин аварийных остановов блоков 300 МВт, работающих на газомазутном топливе, является повреждаемость НРЧ, обусловленная главным образом образованием железооксидных отложений на внутренних поверхностях нагрева.

Осмотр контрольных образцов труб выходных и предвыходных экранов НРЧ котлов ТГМП-114 свидетельствует о наличии отложений на внутренней поверхности нагрева труб. Отложения имели вид черного сажистого порошка, по химическому составу состояли на 90–95 % из оксидов железа и в незначительном количестве содержали медь, цинк, марганец и никель. Плотность и количество отложений на огневой стороне были в 3–4 раза больше, чем на тыловой.