38	Электрические станции, 2001, ¹ 6

О некоторых особенностях распределения примесей в водяном объеме котла ТП-87

Горбуров В. И., Зорин В. М., доктора техн. наук, Катковский С. Е., Колечкин Г. И., Крестов В. Б., Сергеев В. В., Хлебников А. А., инженеры

МЭИ – ТЭЦ-11, ТЭЦ-20 АО Мосэнерго

Новые положения организации водного режима,					электростанциях АО Мосэнерго работают 13 котлов
сформулированные в [1] на основе обработки результа­					ТП-87. Поэтому проблема выяснения причин возмож-
тов многочисленных расчетных исследований и тепло­					ных отклонений от норм водного режима при эксплуа­
химических испытаний барабанных котлов различных					тации котлов указанного типа и разработка рекоменда­
типов, подчеркивают особое значение конструктивно­					ций по их предотвращению достаточно актуальна.
го оформления водяного объема для установления в					Конструктивное оформление парогенерирующей
нем некоторого распределения концентраций приме­					части котла ТП-87 является симметричным и показано
сей, которое, в свою очередь, определяет скорости по­					íà ðèñ. 1 (за исключением контуров циркуляции, под-
ступления примесей к парогенерирующим поверхно­					соединенных к барабану). Генерация пара происходит
стям нагрева и чистоту пара.					по ступенчатой схеме испарения с тремя конструктив­
Как показали теплохимические испытания, конст­					но оформленными ступенями: первая ступень – бара­
руктивное оформление в сочетании с режимными фак­					бан котла (чистый отсек); вторая ступень – ближайшие
торами может приводить к существенному росту кон­					к барабану по ходу котловой воды выносные циклоны
центраций примесей в одном из выносных циклонов­					(ÂÖ2 è ÂÖ3 íà ðèñ. 1; полусолевые отсеки); третья сту­
сепараторов пара (ВЦ) котла ТП-87. На электростанци­					пень – крайние ВЦ, из которых выводится непрерыв-
ях страны установлено и длительное время эксплуати­					ная продувка котла (солевые отсеки).
руется не менее 60 котлов этого типа. По данным [2]					Из симметричности конструктивного оформления
число повреждений испарительных поверхностей на­					котла и одного из основных постулатов классической
грева на этих котлах только в 1998 г. равнялось 18.					теории ступенчатого испарения – об идентичности ка­
Одна из причин повреждений – сверхнормативные от­					честв котловой воды ступени и ее продувочной воды –
ложения на поверхностях нагрева, которые могут обу­					следовал вывод о равенстве концентраций примесей в
словливаться нарушениями водного режима. Только на					солевых отсеках, расположенных у обоих торцов бара­
				D0(1 + wá)		Dï.â
			D01(1 + wö)			D04(1 + wö)
			D02(1 + wö)			D02(1 + wö)

	ÂÖ1	ÂÖ2		ÂÖ3	ÂÖ4
Gïð1	G21	Gá2	Gá3	G34	Gïð4

Á

G14

G41

Рис. 1. Схема соединений сепарационных устройств котла ТП-87:

Á – барабан; ÂÖ1, ÂÖ2, ÂÖ3, ÂÖ4 – выносные циклоны-сепараторы пара

Электрические станции,		2001,		¹ 6								39
S, ìã/êã								S1/S2
40								4
I
30								3
20
								2
II
10
								1
0
4		8		12		16		20
Номер условного сечения вдоль оси барабана								0
								200	250	300	350	D0, ò/÷

	Рис. 2. Распределение общего солесодержания вдоль про­		Рис. 3. Отношение концентраций примесей в левых соле­
	дольной оси барабана котла ТП-87:
			вом и полусолевом отсеках котла ст. ¹ 7 ТЭЦ-11 при раз­
	цифры 1, 2, 18, 19 на горизонтальной оси соответствуют ÂÖ1,		личной паропроизводительности
	ÂÖ2, ÂÖ3,	ÂÖ4 (рис. 1); I – паропроизводительность
	D0 = 347 ò ÷,	продувка p = 0,0095; II – паропроизводитель­
	ность D0 = 261 т ч, продувка p = 0,01		зависимости от паропроизводительности котла. Раз­
			брос точек относительно усредняющей кривой можно
	бана при равенстве расходов из них продувочной воды.		объяснить точностью проведенных химических анали­
			зов. По данным ðèñ. 3 можно сделать вывод (и это под­
	Однако практика эксплуатации показала ошибочность
			тверждают прямые измерения), что с уменьшением па­
	такого вывода. Для устранения перекосов в концентра­		ропроизводительности котла содержание примесей в
	ции примесей были предложены линии выравнивания		левом промежуточном циклоне ÂÖ2 возрастает, так как
	концентраций: часть воды к парообразующим поверх­		в крайнем ÂÖ1 оно практически не изменялось, поско­
	ностям нагрева, подключенным к одному из крайних		льку не изменялся относительный расход непрерывной
	ВЦ (например, левого), подавалась из другого крайнего		продувки ( p 0,01). При равенстве расходов воды в
	ВЦ (правого) и наоборот. Заметим, что устранение пе­		контурах циркуляции крайних ÂÖ1 è ÂÖ4 è p = 0,01 îò-
	рекоса в концентрации примесей возможно и другим		ношение S1/S2 должно оставаться неизменным и рав-
	путем: увеличением расхода непрерывной продувки из		ным (по расчету) 5, без учета выноса примесей с па­
	циклона, где примесей больше, и уменьшением расхо­		ром, или 4,7 при влажности пара, отводимого от ВЦ,
	да продувки из циклона с меньшим содержанием при­		ö = 0,02.
	месей при неизменном суммарном расходе. И этот спо­		Еще более удручающие результаты были получены
	соб, на наш взгляд, более естествен.		при испытании на ТЭЦ-11 котла ст. ¹ 8 того же типа.
	Особенностью котла ТП-87 является то, что в кон­		После снижения паропроизводительности котла с 406
	тур циркуляции, подключенный по пароводяной смеси		до 260 т ч и более 10 ч работы на сниженной нагрузке
	к одному из крайних ВЦ, 100% воды поступает из дру­		электропроводимость воды в правом промежуточном
	гого ВЦ по линии выравнивания концентраций, т.е.		выносном циклоне достигла 1740 мкСм см (при на­
	контуры циркуляции обоих солевых отсеков (ÂÖ1 è		грузке, близкой номинальной, она равнялась
	ÂÖ4 ) включены по схеме полного перемешивания.		12,5 мкСм см). Концентрация кремнекислоты SiO2
	Оказывается, что такое подключение контуров цирку­		увеличилась с 0,75 до 7,9 мг кг. В левом промежуточ­
	ляции солевых отсеков может иметь неприятные по­		ном ВЦ электропроводимость воды составила лишь
	следствия для одного из полусолевых отсеков.		33 мкСм см, и при этом сохранилось примерно на том
	Íà ðèñ. 2 показано распределение общего солесо­		же уровне отношение электропроводимостей воды в
	держания по длине барабана и в выносных циклонах в		этом ВЦ и в барабане.
	стационарных режимах номинальной и сниженной на­		Отметим здесь, что указанные повышенные содер­
	грузок для котла ТП-87 ст. ¹ 7 ТЭЦ-11 АО Мосэнерго.		жания примесей в воде промежуточных ВЦ не могли
	Èç ðèñ. 2 видно, что при сниженной нагрузке концент­		быть замечены эксплуатационным персоналом ТЭЦ-
	рация примесей в левом промежуточном ВЦ (полусо­		11, так как из этих циклонов отбор проб воды для хи­
	левом отсеке) становится в 1,5 раза больше, чем в		мических анализов не производился ввиду отсутствия
	крайнем ВЦ (солевом отсеке); отношение концентра­		пробоотборных линий.
	ций фосфатов в этих циклонах равнялось 1,6.		В результате теплохимических испытаний котла
	Íà ðèñ. 3 показан график отношений концентраций		ТП-87 ст. ¹ 11 ТЭЦ-20 АО Мосэнерго также был сде­
	примесей (общее солесодержание) в левых ВЦ S1/S2 â		лан вывод о возможности значительного увеличения

40					Электрические станции,	2001,	¹ 6
S					G, ò/÷
10000
1000					10
	S2			S1	2
					S3
100					8
				S4	6
10					Sá
					1
	1	2		3	4
1
0	0,02	0,04	0,06	0,08

Рис. 4. Расчетные концентрации примесей в барабане	2
котла и выносных циклонах, отнесенные к концентрации
в питательной воде, в зависимости от разности расходов
âîäû = G D0 в контурах циркуляции ÂÖ1 è ÂÖ4	0
						400 D0, ò/÷
	200		250	300	350

содержания примесей в воде левого промежуточного ВЦ при его работе на сниженных нагрузках. Особен­ ность этого котла заключается в том, что пробоотборные линии из промежуточного и крайнего выносных циклонов с каждой стороны барабана объединены в одну. При этом нет гарантии, что в общем потоке рас­ ход воды из каждого ВЦ составляет 50%. Таким обра­ зом, результаты химических анализов проб могут рас­ сматриваться как некоторая усредненная характеристи­ ка качества воды в крайнем и промежуточном ВЦ. Так, в частности, при снижении паропроизводительности котла с 420 до 260 т ч и после более 10 ч работы на сниженной нагрузке концентрация кремнекислоты в левых ВЦ возросла с 0,2 до 0,74 мг кг при практически неизменном относительном значении непрерывной продувки котла.

Приведенные здесь факты могут иметь только одно объяснение. Если паропроизводительности крайних ВЦ близки по своим значениям, но к одному из них воды поступает больше (от другого ВЦ, см. ðèñ. 1), чем отводится от него по водоопускной трубе, то в этом случае избыток поступившей воды (сравнительно небольшой) должен быть компенсирован уменьшением расхода из промежуточного ВЦ. Вода, отводимая из промежуточного ВЦ в крайний, есть продувка первого. При ее уменьшении содержание примесей в ВЦ начи­ нает возрастать. Если избыток циркуляционной воды в крайнем ВЦ достиг определенного значения, расход воды из промежуточного ВЦ в крайний становится равным нулю, и его “продувка” реализуется только уносом примесей влажным паром. При дальнейшем увеличении избытка циркуляционной воды направле­ ние потока воды меняется на противоположное: она на­ чинает течь от крайнего ВЦ к промежуточному. Далее возможно изменение направления потока воды и в пат­ рубке между барабаном котла и промежуточным ВЦ.

Для подтверждения сказанного была составлена система уравнений баланса примесей. Уравнения для барабана котла и каждого из ВЦ составлялись в соот­ ветствии с ðèñ. 1 и в предположении G41 – G14 0. Âñå

Рис. 5. Расчетные кривые зависимостей от паропроизво­ дительности котла избытка расхода воды G (1 ), поступа­

þùåé ê ÂÖ1 îò ÂÖ4, и необходимого расхода Gp(2 ) для работы ÂÖ1, построенные для котла ТП-87 ст. ¹ 7, ТЭЦ-11 АО Мосэнерго

уравнения были приведены к безразмерному виду пу­ тем деления всех членов на D0 Sï.â (D0 – паропроизво­ дительность котла, Sï.â – концентрация примесей в пи­ тательной воде).

Таким образом, относительный расход воды

è = Dè D0;

sè = Sè Sï.â.,

ãäå Sè – абсолютное значение концентрации примесей, а индекс “и” заменяется в уравнениях индексами пото­ ков или элементов сепарационных устройств котла в соответствии с ðèñ. 1.

Уравнения имеют следующий вид: для барабана котла

4

ï.â i k i si ká sá áçsá a; i1

для крайнего левого выносного циклона ÂÖ1

b + 41S4 = ( 1k1 + p1 + 14)S1;

для промежуточного ÂÖ2

a = 2k2S2 + b;

äëÿ ÂÖ3

á3Sá = ( 3k3 + 34)S3;

äëÿ ÂÖ4

34S3 + 14S1 = ( 4k4 + p4 + 41)S4.

Электрические станции, 2001, ¹ 6	41

Относительные расходы воды определялись по уравнениям материального баланса:

питательной воды

ï.â = 1 + á + p1 + p4;

перетока между барабанами и ВЦ2

á2 = 21 + 2(1 + 2);

перетока между ÂÖ2 è ÂÖ1

21 = p1 + 1(1 + 1) – ;

перетока между барабаном и ВЦ3

á3 = 34 + 3(1 + 3);

перетока между ÂÖ3 è ÂÖ4

34 = p4 + 4(1 + 4) + ;

циркуляционной воды в контуре ÂÖ4

14 = Kö4 4;

циркуляционной воды в контуре ÂÖ1

41 = 14 + .

Кроме того, в приведенных уравнениях использованы следующие обозначения:

	á2	S	á	,åñëè	á2	0
a						;
á2S			á ,åñëè		á2 0
		S		,åñëè		0
b	21		2		21	;
21S			2,åñëè		21	0

ká = á + kp; ki = i + kp; á è i – соответственно влажность пара, отводимого из барабана и выносного циклона с номером i = 1, …, 4; kp – коэффициент распре­

деления примесей; p1 = Gïð1 D0 è p4 = Gïð4 D0 – относительные расходы непрерывной продувки; Kö4 – кратность

циркуляции в контуре ÂÖ4; = (G41 – G14) D0 – варьируемый в уравнениях параметр, т.е. целью расчета бу­ дет ответ на вопрос: каким образом разность в расхо­ дах циркуляционной воды в контурах, подключенных к крайним ВЦ, влияет на содержание примесей в сепарационных устройствах котла: Sá (в барабане) и S1, S2, S3, S4 (в выносных циклонах).

Íà ðèñ. 4 показаны результаты расчетов, выполненных при следующих исходных данных:

i f (i ) = ö = 0,01; á = 0,005; kð = 0,0; p1 = p4 = = 0,005; i f (i ) = ö = 0,002; Kö4 = 8 (значение, соот­ ветствующее сниженной нагрузке котла).

Пунктирными линиями на ðèñ. 4 разграничены зоны с разными направлениями потоков воды (для каж­ дой зоны обозначены стрелками) в патрубках между ÂÖ2 è ÂÖ1 (левая стрелка) и между ÂÖ2 и барабаном (правая стрелка).

Çîíà 1 íà ðèñ. 4 характеризуется уменьшением про­ дувки ÂÖ2 от некоторого номинального значения (при

= 0) äî íóëÿ (ïðè = 0,0252). Çîíó 2 (в диапазоне

= 0,0252 0,0454) можно назвать зоной “запира­ ния” ÂÖ2: примеси в этот циклон вносятся и из ÂÖ1, и из барабана, а выносятся только с паром.

Çîíà 3, на наш взгляд, маловероятна. Она характе­ ризуется увеличением продувки ÂÖ2 в барабан котла с

увеличением . Теоретически при очень больших различиях в расходах циркуляционной воды в конту­ рах, подключенных к ÂÖ1 è ÂÖ4, наступает выравнивание концентраций примесей во всех частях водяного объема, и они становятся равными или близкими зна­ чению, определяемому расходом непрерывной продув­

ки котла ( p1 + p4).

Предположим, что условия проведения расчетов близки к условиям работы котла ст. ¹ 7 ТЭЦ-11, результаты теплохимических испытаний которого описаны ранее. Тогда, построив по данным ðèñ. 4 зависимость S1 S2 от и используя точки аппроксимирующей кри­ вой ðèñ. 3, можно определить соответствие значенийи D0, по которым рассчитать G – разницу в расхо­ дах воды, поступающей от ВЦ4 к контуру циркуляции ВЦ1 и отводимой от ВЦ1 к контуру циркуляции ВЦ4. Иными словами, G – избыток воды в ВЦ1, поступаю­ щий от ВЦ4. Полученные значения G в зависимости от паропроизводительности котла показаны в виде гра­ фика ðèñ. 5, на котором прямая линия – это зависи­ мость расчетного расхода воды, который должен обес­ печить паропроизводительность ВЦ1 и вывод из него непрерывной продувки, т.е.

Gp = 1D0(1 + ö) + p1D0.

Если бы различий в расходах воды от ВЦ1 и ВЦ4 не было (при условии одинаковой их паропроизводите­ льности), т.е. G = 0, то весь расход Gp при любой на­ грузке обеспечивался перетоком воды от ВЦ2 к ВЦ1. В условиях G 0 расход воды G21 < Gp. Íà ðèñ. 5 видно уменьшение расхода G21 (вертикальные отрезки между кривыми G è Gp), с которым из ВЦ2 выводятся при­ меси. Уменьшение расхода G21 ведет к увеличению со­ держания примесей в его водяном объеме, что и было зафиксировано теплохимическими испытаниями.

Для котла ст. ¹ 8 ТЭЦ-11 значение общего солесо­ держания в воде промежуточного ВЦ3 оказалось весь­ ма большим (по сравнению с показателями других сепарационных устройств): электропроводимость воды равнялась 1740 мкСм см при паропроизводительности котла 260 т ч. Можно с уверенностью предположить, что при этой нагрузке расход G превысил Gp для ВЦ3 и направление потока воды в патрубке изменилось: вода стала поступать от ВЦ4 к ВЦ3, и ВЦ3 оказался без продувки.

Кроме упомянутых в данной статье котлов ТП-87, авторы сталкивались с подобными явлениями и на дру­ гих электростанциях, но на котлах того же типа. На котлах, длительное время работавших на пониженных нагрузках, увеличение содержания примесей в воде по­ лусолевого отсека приводило к значительным отложе­ ниям в парообразующих трубах соответствующих экранных поверхностей и даже к их разрывам в результа­ те перегрева.

42	Электрические станции, 2001, ¹ 6

Одной из причин появления избытка воды G в од­ ном из крайних ВЦ котла ТП-87 может быть неравно­ мерность тепловой нагрузки при сниженных паропро­ изводительностях. При этом увеличение содержания примесей в промежуточном (полусолевом) ВЦ возмож­ но с той стороны барабана котла, с которой находится крайний ВЦ с большей паропроизводительностью, чем такой же ВЦ с другой стороны барабана.

Были проведены расчеты в следующих предполо­ жениях:

кратность циркуляции любого контура пропорцио­ нальна удельной тепловой нагрузке в степени 2 3;

при сниженной паропроизводительности котла уде­ льная тепловая нагрузка контура одного из крайних ВЦ настолько превышает среднюю по котлу, насколько в другом крайнем ВЦ она меньше средней

q1 qñð b ;

qñð q4

паропроизводительность котла равна 0,65 по отношению к номинальной (260 400).

Расчеты показали, что G 6 т ч может быть до­ стигнуто при q1 qñð 1,25, что представляется маловероятным, имея в виду, что уменьшение нагрузки на обследованных котлах производилось уменьшением об­ щего расхода газа к горелочным устройствам. При q1 qñð = 1,1 избыток расхода G расчетом был получен равным 2,6 т ч ( = 0,01), что, судя по ðèñ. 4, явно не­ достаточно для заметного повышения концентраций примесей в одном полусолевом ВЦ.

Основной причиной появления избытка воды G в одном из крайних ВЦ котла ТП-87 авторы считают гид­ равлическую нетождественность водоподводящих труб от крайних выносных циклонов к контурам цир­ куляции (экранам). Причиной появления гидравличе­ ской нетождественности могут быть различные факторы: несимметричные схемы отмывки контуров цирку­ ляции, различные условия для образования отложений, разные работы, которые проводились на котле с эле­ ментами контуров циркуляции крайних ВЦ, включая ремонтные работы. Все упоминавшиеся в статье котлы

работают уже длительное время, и за динамикой разви­ тия гидравлической нетождественности авторы про­ следить не имели возможности. Вполне возможно, что в начальный период эксплуатации этих котлов описываемых повышений концентраций примесей на них не было. Вероятно, в процессе эксплуатации изменялись гидравлические характеристики и других контуров циркуляции, но они не имели столь явных и нежелательных последствий. Что касается контуров циркуляции крайних ВЦ, то важным здесь явилось не столько изме­ нение их гидравлических характеристик, а именно то, что эти изменения были неодинаковыми.

Один из основных выводов данной статьи заключа­ ется в том, что для котлов с конструктивной схемой, аналогичной описанной, необходим контроль содержа­ ния примесей не только в чистом и солевом отсеках, но и в полусолевом. При этом пробоотборные линии должны быть выведены из каждого ВЦ отдельно. Целесообразны также вырезки из парообразующих труб, га­ рантированно входящих в контур циркуляции полусо­ левого ВЦ, с качественным и количественным анали­ зом отложений. При обнаружении резкого увеличения концентраций примесей работа котла с пониженной нагрузкой должна быть ограничена. Разработка конкретных мер для устранения нежелательных явлений и с учетом особенностей того или иного котла, как прави­ ло, возможна после соответствующих его теплохими­ ческих испытаний.

Для тех котлов, на которых авторами проводились исследования, была предложена сравнительно простая схема их модернизации. Теплохимические испытания котлов, проведенные после их модернизации, показали отсутствие повышения концентраций примесей в выносных циклонах во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок.

Список литературы

1.Зорин В. М., Горбуров В. И. Об организации водного режи­ ма в паропроизводящих установках. – Теплоэнергетика, 2000, ¹ 6.

2.Обзор повреждений тепломеханического оборудования электростанций с поперечными связями и тепловых сетей РАО “ЕЭС России”. М.: ОРГРЭС, 1999.