§ 1.5 Испускание реонов и распад-испарение электрона Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна. В.И. Ленин, "Материализм и эмпириокритицизм", 1908 г. Ритц предложил свою гипотезу об испускании элементарными зарядами реонов лишь как способ дать нашему

Один из наиболее эффективных методов снижения потерь тепла котловой воды с непрерывной продувкой и получения более чистого пара является ступенчатое испарение.

Рисунок 2.21 - Ступенчатое испарение

Оно заключается в том, что в водном объеме барабана котла создаются зоны с различным содержанием солей в котловой воде. Это достигается разделением водяного объема барабана котла с его поверхностями нагрева на отдельные отсеки. Непрерывная продувка производится из отсека с наиболее высоким солесодержанием, а отбор пара с наименьшим. Верхний барабан разделен перегородкой с отверстием (переливной трубой) на два отсека - чистый и солевой. Питательная вода поступает в чистый отсек, а солевой питается из чистого отсека через переливную трубу. В чистом отсеке образуется примерно 80% пара, в солевом 20%. Следовательно, из чистого в солевой отсек поступает 20% котловой воды, которая для чистого отсека является продувочной. Поэтому продувка чистого отсека происходит без тепловых потерь, обеспечивая низкое солесодержание котловой воды в нем.

Существенным недостатком является возможность обратного перетока воды в чистый отсек при «вялой» циркуляции. Для устранения этого недостатка применяют ступенчатое испарение с выносными циклонами, которые являются солевыми отсеками (ДКВР-20). При использовании выносных циклонов в качестве сепарационного объема разность уровней в отсеках может быть выбрана достаточной по условиям предотвращения обратного перетока воды. Поэтому схемы с выносными циклонами предпочтительны, особенно при небольшой производительности солевого отсека.

Питательная вода поступает в барабан который служит чистым отсеком. Продувочная вода из барабана поступает в циклоны, для которых эта вода является питательной. Циклон имеет отдельный контур циркуляции и выдает пар в барабан котла. Пар проходит через сепарационное устройство чистого отсека и дополнительно очищается. Непрерывная продувка осуществляется только из циклона, если он есть. При ступенчатом испарении уменьшаются потери тепла с продувкой и повышается качество пара.

Эффективность ступенчатого испарения возрастает с увеличением числа ступеней испарения, однако это нарастание с ростом числа ступеней затухает. Наибольшее распространение получили двух- и трехступенчатые схемы. При этом вторая ступень испарения может быть организована либо внутри барабана, либо вне его — в выносных циклонах. В трехступенчатой схеме обычно первую и вторую ступени выполняют в барабане, а третью — в выносном циклоне.

Ступенчатое испарение позволяет повысить чистоту пара при заданном качестве питательной воды и данном значении продувки. Оно позволяет также получить удовлетворительную чистоту пара при воде более низкого качества, что упрощает и удешевляет водоподготовку. Ступенчатое испарение позволяет также повысить экономичность паротурбинной установки вследствие уменьшения продувки без заметного снижения качества пара.

Рисунок 2.22 - Схема трехступенчатого испарение с выносной третьей ступенью:

1 - барабан котла; 2 - нижний коллектор; 3 - опускная труба; 4 - подъемная труба; 5 - подвод питательной воды; 6 - вывод (продувка) части воды из контура циркуляции; 7 - отвод насыщенного пара; 8 - выносной циклон; 9, 10 - опускные и парообразующие трубы контура солевого отсека; 11 - отвод пароводяной смеси в циклон; 12, 13 - водо- и пароперепускные трубы; 14 - периодическая продувка.

Эффективны методом повышения качество пара и сокращения непрерывной продувки в большинстве промышленных и энергетических котлов является ступенчатое испарение.

Сущность данного метода состоит в разделении испарительной системы котла на ряд отсеков или ступеней по воде и соединенных по пару. Питание первой ступени осуществляется питательной водой. Подпитка последующих ступеней или отсеков осуществляется котловой водой (продувкой) предыдущих ступеней (ступенчатая продувка). Непрерывная продувка всего котла осуществляется из последней ступени.

Первая ступень – чистый отсек (ч.о.), так как в ней минимальное солесодержание котловой воды; последний отсек – солевой отсек (с.о).

Для схемы трёхступенчатого испарения

С ПВ < С КВ I < С КВ II < С КВ III → С П I < С П II < С П III

Основное количество пара вырабатывается в чистом отсеке (n I =70-90%), а остальное в последующих ступенях (n II +n III =30-10%).

Схемы двухступенчатого испарения

Применяются два вида схем двухступенчатого испарения:

а) схема двухступенчатого испарения с солевыми отсеками в торцах барабана (разделение отсеков осуществляется перегородками с переливной трубой).

б) схема двухступенчатого испарения с солевыми отсеками в выносных циклонах (чистый отсек–барабан; солевой отсек питается из выносного циклона).

где: - паропроизводительность чистого отсека, %;

- паропроизводительность солёвого отсека, % (+=100%).

Переток котловой воды из предыдущего отсека в последующий происходит за счет разницы уровней.

В качестве примера, примем: Р = 1%;
,
;

=
=0 - условно пренебрегаем растворимостью солей в паре.

Уравнения материального солевого баланса:

для первой ступени -

.

для второй ступени -

В результате получили, что при принятых допущениях, солесодержание продувочной воды не зависит от числа ступеней испарения, а определяется только величиной продувки (Р). Общее солесодержание пара определяется как средневзвешенное, а пара полученного в первой и второй ступенях – по уравнению Стыриковича.

Схема трехступенчатого испарения

Эффективность ступенчатого испарения возрастает с увеличением числа ступеней. Однако, это нарастание с ростом числа ступеней затухает; на практике более трех ступеней испарения не применяется. При трехступенчатой схеме чистый и второй отсеки организуются в барабане, а третья ступень или солевой отсек в выносных циклонах.

Паропроизводительность котла

Уравнение баланса солей по ступеням:

1-ступень:

2-ступень:

3-ступень:

Водный режим прямоточных котлов.

В прямоточном котле отсутствует возможность вывода солей из тракта котла. Поэтому предъявляются более жесткие требования к качеству питательной воды. Растворенные примеси улавливаются в блочной обессоливающей установке (БОУ). Оставшиеся примеси выделяются в виде накипи в тракте котла или выносятся паром в турбину.

Емкость котла по накоплению отложений значительно выше, чем емкость турбины. Удаление отложений из пароводяного тракта котла осуществляется путем водной холодной и горячей отмывки тракта при каждом пуске котла. И путем кислотной отмывки нерастворимых в воде соединений во время плановых ремонтов.

Для прямоточных котлов основной задачей водного режима является снижение коррозии металла элементов пароводяного тракта и повышение теплопроводности отложений.

Применяются следующие водные режимы.

Кислородо-нейтральный . После БОУ имеем практически нейтральную воду с pH=7; в данной воде воздействие кислорода на металл зависит от его концентрации. При малых концентрациях кислорода он усиливает коррозию. При повышенных концентрациях ведет к образованию на поверхности металла защитной пленки из магнетита (
) и гематита (
) железа.Пленка препятствуют дальнейшему протеканию коррозии. Для повышения концентрации кислорода в воду дозируется кислород или перекись водорода (
) в количестве до
. Оптимальная концентрация кислорода в воде составляет
. При больших концентрациях образуется в основном окисная пленка из магнетита железа (
), которая отшелушивается от поверхности металла и и не защищает его от протекания коррозии.

Нейтральный водный режим требует:

Полного отсутствия в котельной воде
;

Отсутствия в тракте элементов из меди и ее сплавов.

Достоинства:

Значительно сокращаются затраты на реагенты;

Увеличивается межрегенерационный период фильтров БОУ.

Комплексонный водный режим .

Сущность данного способа состоит в повышении теплопроводности железоокисных отложений путем добавки комплексонов. В качестве комплексона используется этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭТДК), которую дозируют в питательную воду, предварительно обработанную
и
, при температуре 100-200°С. При этом продукты коррозии переходят в комплексонаты железа. Хорошо растворимые в воде комплексонаты железа далее по ходу среды под действием высокой температуры разлагаются с образованием выпадающего на внутренней стенке труб плотного слоя магнетита. Последний обладает высокой теплопроводностью, что способствует замедленному росту температуры стенки металла и защищает металл от коррозии.

Дозировка комплексонов ведется автоматически в питательную воду после деаэратора и существенно улучшает режим работы теплонапряженного НРЧ, увеличивает межпромывочный период до плутора лет.

Образующиеся в процессе термического разложения комплексонов газообразные продукты вместе с паром из котла транзитом проходят турбину и удаляются из цикла отсосом из конденсатора.

Недостатки данного метода, также как и гидразинно – аммиачного большие затраты на реагенты и сокращение межрегенерационного периода работы фильтров БОУ.

ЛЕКЦИЯ №27

Процессы на внешней стороне поверхностей нагрева

Образование внешних отложений.

Абразивный износ.

Коррозия.

Механизм образования отложений .

Минеральная часть топлива в процессе сжигания превращается в шлак и золовые частицы. Поведение золовых частиц в газоходе и топке зависит от химического состава и физических свойств топлива (температура плавления, вязкость, коэффициент теплопроводности, и т.д.).

Легкоплавкие компоненты золы имеют температуру плавления
. К ним относятся хлориды (
), сульфаты (
). В зоне высоких температур данные компоненты находятся в парообразном состоянии. При снижении температуры газов они могут конденсироваться на поверхности труб.

Среднеплавкие компоненты имеют температуру плавления 900-1100°С; к ним относятся
(пирит),
,
. Данные компоненты образуют первичный липкий слой на экранах и ширмах, если их касается факел.

Тугоплавкие компоненты имеют температуру плавления 1600-2800°С.

К ним относятся окислы кремния,. Эти компоненты проходят зону горения без изменения своего агрегатного состояния. Ввиду малых размеров частиц данных компонентов они, в основном, уносятся с золой.

В зоне температуры газов 700-800°С на поверхности труб конденсируются легкоплавкие соединения, образуя первичный липкий слой. На него налипают твердые частицы из среднеплавких и тугоплавких компонентов. Смесь затвердевает и образуется плотный первичный слой отложений, крепко сцепленный с поверхностью труб. Температура наружной поверхности слоя повышается, при этом конденсация прекращается. Далее на шероховатую наружную поверхность данного слоя попадают мелкие частицы тугоплавкой золы, образуя внешний сыпучий слой отложений.

В топочной камере в зоне контакта высокотемпературных газов с экранированными трубами могут появляться быстро нарастающие отложения из частиц золы и шлака, находящихся в размягченном или полужидком состоянии, которые затем охлаждаются и прочно схватываются с поверхностью труб. Имеет место процесс шлакования. Шлаковые наросты могут достигать веса нескольких тонн.

Особое внимание следует обратить на соединение окислов кальция в минеральной части топлива. При содержании CaO>40% (Березовские Б2) возникают неблагоприятные условия по загрязнению труб: (гипс). Гипс является связующим и ведут к образованию плотных отложений, крепко связанных с поверхностью труб. Спекшиеся отложения могут перекрывать межтрубные промежутки величиной до 400мм. Горизонтальные и слабонаклонные трубы загрязняются сильнее, чем вертикальные.

При организации топочного режима Березовских углей необходимо иметь температуру газов в поворотной камере не выше 800-850°С.

Для ограничения температуры газов в поворотной камере блоки 300МВт с котлами П-59 Рязанской ГРЭС, которые были рассчитаны на сжигание подмосковного угля марки Б2 и переведены на сжигание канско-ачинских углей данного месторождения, перемаркированы на пониженную нагрузку - 260 МВт. В 2001-2002 годах выполнена модернизация их топок на вихревое низкоэмиссионное сжигание, позволившая понизить уровень ядра факела и температуру газов за топкой. В результате были сняты ограничения по максимальной бесшлаковочной нагрузке на Березовских углях.

В зоне температур газов
(конвективная шахта котла) наиболее распространены сыпучие отложения. Плотный подслой здесь отсутствует (конденсация паров щелочных металлов завершилась).

Сыпучие отложения образуются, в основном, на тыльной стороне труб по отношению к направлению движения потока газов. На лобовой части только при w <= 5 м/с и наличии в потоке тонкой летучей золы

На процесс образования сыпучих отложений оказывает влияние размер золовых частиц. По размеру частицы классифицируются на 3 группы:

1).
. Данные частицы обладают минимальной инерцией, движутся по линиям тока. Следовательно, вероятность их осаждения невелика.

2).
. Эти частицы обладают большой кинетической энергией, и при контакте с отложениями разрушает их.

3).
. Данные частицы образуют основную часть сыпучих отложений.

Величина слоя отложений зависит от скорости оседания фракции третьей группы и скорости разрушения слоя крупными частицами второй группы.

Сыпучие отложения на поверхности труб ухудшают теплообмен, что учитывается коэффициентом загрязнения.

Величина сыпучих отложений определяется также расположением труб в пространстве (шахматное или коридорное -
в 1,7 – 3,5 раза) и практически не зависит от концентрации золовых частиц.

Разрушающее воздействие крупных частиц на слой пропорционально скорости потока в 3-й степени. При
загрязнение резко усиливается, поэтому при проектировании котлов
выбирается 5-6 м/с приD =0,5D.

При сжигании мазутов и особенно высокосернистых мазутов на поверхности нагрева при
образуются липкие отложения из
и сульфитов. Плотные отложения стекловидного характера имеют состав. Отложения имеют тенденцию к быстрому росту; снижению теплообмена; увеличению сопротивления газового тракта. В результате снижается КПД котла и снижается продолжительность работы котла между очистками. СоединенияV и S имеют, кислую основу, поэтому добавки к мазуту щелочных соединений приведут к образованию более рыхлых отложений. Аналогичный эффект имеем при приближении коэффициента избытка воздуха в топке -
.

Качество перегретого пара, отвечающее требованиям ПТЭ электростанций и сетей, обеспечивается в прямоточных котлах питанием их водой высокой чистоты, а в барабанных котлах - за счет высокой чистоты насыщенного пара, которая достигается путем питания котла водой надлежащего качества, организацией продувки водяного объема, ступенчатым испарением, промывкой насыщенного пара высоких давлений питательной водой с последующим уменьшением его влажности путем сепарации влаги.

Поддержание солесодержания котловой воды барабанных котлов в пределах норм при их эксплуатации осуществляется с помощью продувки (периодической и непрерывной). Периодическая продувка осуществляется из нижних точек барабана и коллекторов 2 раза в смену в целях вывода из котла твердых примесей (шлама и продуктов коррозии). Непрерывная продувка осуществляется из барабана или выносных циклонов для удаления части котловой воды с повышенной концентрацией растворенных примесей. Расход продувки устанавливается на базе результатов теплотехнических испытаний котла.

Ступенчатое испарение

Улучшение качества пара в барабанных котлах без увеличения непрерывной продувки достигается организацией в них ступенчатого испарения.

Ступенчатое испарение (рис.) реализуется путем разделения барабана котла на несколько ступеней (отсеков) с самостоятельными контурами циркуляции и организацией последовательного поступления в них котловой воды и непрерывной продувки из последней ступени. Концентрация солей в котловой воде по ступеням изменяется от меньшей концентрации к большей, насыщенный пар отводится только из чистого отсека. Пар солевых отсеков поступает в паровое пространство чистого отсека и вместе с общим потоком пара чистого отсека проходит завершающую ступень сепарации. В зависимости от качества питательной воды применяются схемы как с одной, так и с двумя или тремя ступенями испарения. На практике чаще всего используется двухступенчатая схема испарения с выносной второй ступенью (рис.). Выбор каждой ступени испарения осуществляется из условия обеспечения минимального соле- и кремнесодержания пара до промывочного устройства с использованием уравнений солевых балансов.

Схема двухступенчатого испарения в барабанах котла
I, II - соответственно первая и вторая ступени испарения; 1 - подъемные трубы; 2 - опусные трубы; 3- подвод питательной воды; 4 - барабан; 5 - пароотводящие трубы; 6 - пароперепускные трубы; 7 - выносной циклон; 8 - коллектор; 9 - продувка; 10 - водоперепускные трубы

Допустимое значение влажности пара на выходе из барабана определяется давлением и наличием промывки. При отсутствии последней влажность пара должна быть не более 0,02 %. При высоких давлениях, когда необходимое качество пара достигается промывкой его питательной водой, влажность может быть выше, но не более 0,1 %.

Внутрибарабанные устройства

Необходимый уровень влажности пара достигается с помощью внутрибарабанных устройств за счет снижения кинетической энергии пароводяных струй, истекающих из парообразующих труб, начального разделения пароводяной смеси, равномерной раздачи пара по зеркалу испарения и полной его осушки.

Тип и конструктивное оформление применяемых в барабане устройств зависят от единичной мощности котла и параметров пара. Гашение кинетической энергии струй пароводяной смеси и начальное разделение последней в барабанах котлов среднего давления осуществляются с помощью отбойных щитков, жалюзийнодроссельных стенок с горизонтальным расположением пластин и других устройств, а в котлах высокого давления - внутрибарабанных циклонов (рис.).

Схемы типовых внутрибарабанных устройств котлов высокого (а), среднего (б) и низкого (в) давления
а - для котлов высокого давления с внутрибарабанными циклонами; б и в - для котлов среднего давления с отбойными щитками и погруженным дырчатым щитом соответственно; 1 - барабан; 2 - ввод пароводяной смеси; 3 - короб; 4 - циклон; 5 - сливной короб; 6 - крышка; 7 - дырчатый лист промывочного устройства; 8 - пароприемный потолок; 9 - раздающий короб питательной воды; 10 - пароотводящие трубы; 11 - подвод питательной воды; 12 - опускные трубы; 13 - труба аварийного слива воды; 14 - жалюзийный сепаратор; 15 - затопленный дырчатый щит; 16 - отбойные подушки

Равномерное распределение пара по сечению барабана и пароотводящим трубам обеспечивается с помощью установки соответственно дроссельных щитов в водяном объеме (дырчатых погруженных щитов) и дырчатых листов в паровом объеме на выходе из барабана (пароприемных потолков).

Тонкая осушка достигается за счет осадительной сепарации в паровом объеме барабана и использования в котлах с давлением меньше 11 МПа жалюзийного сепаратора.

Размеры барабана определяются исходя из допустимой удельной паровой нагрузки (средняя массовая нагрузка на метр длины цилиндрической части).

Схемы типовых внутрибарабанных устройств, проверенных в и освоенных в производстве, показаны на рис. Погруженный дырчатый щит (в) располагают на 50-75 мм ниже наинизшего массового уровня в барабане с расстоянием до его стенок, не менее 150 мм для стока воды. Отверстия в погруженном щите выполняют диаметром не менее 10 мм для предотвращения забивания шламом. Щит снабжают закраинами высотой не менее 50 мм, чтобы предотвратить прорыв пара помимо щита. Питательную воду подают поверх дырчатого щита со скоростью не менее 1, но не более 4 м/с во избежание попадания относительно холодной воды на противоположную стенку корпуса барабана.

В паровом пространстве барабана перед пароотводящими трубами на максимальной конструктивно выполнимой высоте устанавливается потолочный дырчатый лист (пароприемный потолок). Диаметр отверстий 5 мм. Степень перфорации определяется из условия обеспечения рекомендуемых значений скорости пара в отверстиях потолочного дырчатого листа.

Для тонкой очистки пара от капель воды в барабанах с давлением меньше 11,3 МПа используют жалюзийный сепаратор (рис.). Отделение капель воды в нем происходит за счет изменения направления движения пароводяного потока при прохождении криволинейных каналов, образуемых волнистыми пластинами, установленными с шагом 10 мм. Капли влаги, попадая на пластины, смачивают их поверхность и стекают в виде струек, захват влаги из которых невозможен, так как скорости пара малы, а капли влаги укрупнены.

Горизонтальный жалюзийный сепаратор
1 - дырчатый щит; 2 - жалюзийный сепаратор

По расположению в паровом пространстве пакеты жалюзи подразделяются на горизонтальные (рис.) и наклонные, устанавливаемые под углом 10-30° к вертикали. Наклонные пакеты жалюзи обеспечивают относительно большую эффективность сепарации и работают при более высоких допустимых скоростях набегания среды. Поэтому их целесообразнее всего применять при высоких удельных нагрузках барабана.

Снижение уноса кремниевой кислоты в котлах высокого давления достигается за счет промывки пара питательной воды в паропромывочном устройстве барабана (а). Оно состоит из барботажных дырчатых листов, устройств подачи питательной воды на них и сливных коробов.

Начальное разделение пароводяной смеси, гашение кинетической энергии двухфазного потока, а также двухступенчатая сепарация пара в барабанах котлов высокого давления осуществляются во внутрибарабанных циклонах (рис.). Эти устройства, кроме того, позволяют снизить пенообразование котловой воды, устранить захват пара в опускные трубы. Первая ступень сепарации - центробежная, она создается за счет тангенциальной подачи пароводяной смеси в циклон, вторая - осадительная. Важно обеспечить равномерное распределение потока по сечению циклона для получения возможно меньших скоростей. Это достигается установкой в верхней части циклона жалюзийного сепаратора. Уровень воды в барабане должен быть не выше середины подводящего патрубка. Для предотвращения прорыва пара через циклон он перекрывается донышком, образующим кольцевое сечение, с расположенными в нем направляющими лопатками. Последние дают возможность осуществить спокойный сток воды. Внутрибарабанные циклоны обеспечивают равномерную выдачу пара в паровой объем барабана по его длине и являются хорошими сепараторами. Однако установка их сложна, особенно монтаж всех соединительных коробов.

Внутрибарабанный циклон
1 - крышка; 2 - подводящий патрубок; 3 - цилиндрический корпус; 4 - направляющие лопатки; 5 - донышко

Конструкция, размеры и составные элементы внутрибарабанных циклонов выбираются в соответствии с требованиями. Ширина патрубка выбирается на основании результатов гидравлического расчета каждого контура, включающего внутрибарабанные циклоны, исходя из условий обеспечения их сопротивления в пределах по надежности циркуляции (а).

При ступенчатом испарении пар последней ступени, как правило, осушается в выносных циклонах (рис.). Для разделения пароводяной смеси на воду и пар в них устанавливается внутренняя направляющая лопасть, которая вместе с приваренными к ней донышками образует с внутренней поверхностью криволинейный канал, ширину которого рекомендуется принимать 15-25 мм. Высота щели определяется конструктивно. При расстоянии между штуцерами, подводящими пароводяную смесь, 290 мм высоту щели рекомендуется принимать равной 420 мм.

Выносной циклон
1 - штуцер для трубопровода, подводящего котловую воду; 2 - штуцер для трубопровода непрерывной продувки; 3 - штуцер для воздушника; 4 - штуцер для пароотводящего трубопровода; 5 - пароприемный дырчатый щит; 6 - корпус; 7 - штуцера для трубопровода пароводяной снеси; 8 - крестовина; 9 - штуцер для водоопускной трубы; 10 - вставка для образования улитки

Выравнивание поля скоростей пара по сечению циклона достигается за счет дырчатого листа, располагаемого в верхней части циклона. Суммарная площадь отверстий дырчатого листа принимается равной 10-20 % площади поперечного сечения циклона. Диаметр отверстий 6-10 мм. Высота активного сепарационного объема от верхнего штуцера ввода пароводяной смеси до дырчатого листа принимается не менее 1200 мм. Высота водяного объема в циклоне при номинальной нагрузке и минимальном уровне не менее 1800 мм. В нижней части водяного объема устанавливается крестовина, препятствующая воронкообразованию и захвату пара в опускные трубы. Подвод пароводяной смеси к циклонам осуществляется выше уровня воды в барабане на 200-500 мм, считая от нижнего штуцера. Циклоны изготовляются в одиночном исполнении и в виде блока, состоящего из двух, в отдельных случаях из трех циклонов. Конструкция и основные параметры их стандартизованы (ОСТ 108.030.03-85).

Суммарная производительность и количество выносных циклонов выбираются, исходя из расчета схемы ступенчатого испарения с учетом допустимых нагрузок на циклон.

Регулирование температуры перегретого пара

В барабанных котлах регулирование температуры перегретого пара осуществляют поверхностными пароохладителями и впрыском собственного конденсата, получаемого за счет конденсации насыщенного пара.

В прямоточных котлах поддержание температуры перегрева в тракте высокого давления достигается соблюдением постоянства между количеством переданной пару теплоты и его расходом. Средством подрегулировки является впрыск питательной воды.

Температура промежуточного перегрева поддерживается постоянной с помощью ППТО - паропаровых (твердое топливо), ввода рециркуляции газов, через горелки (газ, мазут) или в верхнюю часть топки (газ, мазут, твёрдые топлива), а также перераспределения количества газов, проходящих через газоходы, где расположены промежуточный пароперегреватель и экономайзер (схема «расщепленный хвост»).