10.5.Влияние внутритрубных отложений на температурный режим обогреваемых труб парового котла.

Питательная вода, поступающая в паровой котел, содержит определенное количество примесей (оксид железа, меди и других металлов, соли жесткости, кислород, углекислоту и т.д.). По мере прохождения водного теплоносителя по пароводяному тракту котла часть примесей осаждается на внутренней поверхности трубы. При контакте теплоносителя со стенкой происходит коррозия металла, продукты коррозии частично переходят в воду, а частично остаются на поверхности металла. Суммарное количество продуктов коррозии на поверхности и осадившихся на стенке из потока воды примесей представляет собой внутритрубные отложения.

Наличие отложений на внутренней поверхности обогреваемой трубы несколько повышает коэффициент теплоотдачи α₂, а слой отложений представляет собой дополнительное термическое сопротивление.

Внутритрубные отложения имеют капиллярно-пористую структуру, диаметр капилляров составляет от 0,5 до 8…10 мкм, количество их достигает 3000…5000 на 1 мм². Шероховатая поверхность отложений интенсифицирует теплообмен в области однофазного потока, а в зоне ухудшенного теплообмена (на закризисном участке) повышает теплоотдачу в 2-6 раз. Пористая структура отложений способствует усилению парообразования, так как увеличивается число центров парообразования, с другой стороны - паровая пленка у стенки образуется при меньших значениях паросодержания, поэтому кризис теплоотдачи наступает при тепловых потоках, более низких, чем на чистой внутренней поверхности трубы.

Термическое сопротивление слоя отложений значительно повышает температуру стенки трубы (на несколько десятков градусов) и поэтому обязательно учитывается при анализе температурного режима трубы.

Перепад (разность) температур в слое отложений ∆t_отлопределяется тепловым потоком q_вн= μβq^макс, толщиной слоя δ_отли его теплопроводностью λ_отл. Толщина слоя отложений составляет десятки и сотни микрометров, коэффициент теплопроводности достаточно низкий, λ_отл= 0,3…3,0 Вт/(м∙К).

Значение ∆t_отлопределяется по формуле

(10.26)

где исходное изменение температуры в слое отложений, отнесенное к q_вн=100 кВт/м², находят по номограммерис.10.16в зависимости от λ_отл, Вт/(м∙К), и δ_отл, мкм.

Из (рис. 10.16) видно, что при δ_отл=100 мкм, λ_отл= 1,0 Вт/(м∙К), q_вн=100 кВт/м²изменение температуры в слое отложений составляет 10°С. В зоне высоких тепловых потоков (q_вн= 500…800 кВт/м²) значение

На то же значение ∆t_отлувеличится средняя температура стенки t_ст^сри температура наружной поверхности t_ст^н. Для обеспечения надежности работы трубы при высоких температурах металла применяют жаропрочную и жаростойкую сталь.

11.Физико-химические процессы в пароводяном тракте парового котла.

11.1.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, N₂и 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.вС_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_прколичество продувочной воды 16, С_пр- концентрация примесей в ней. Из котла уходит перегретый пар D_пс 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_пограничивается 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_пзависит от С_п.в, доли продувкир, интенсивности процессов коррозии и отложения примеси. Для снижения скорости отложения примеси концентрацию С_п.внеобходимо 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.вможет 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^ни C_отл^ндолжны 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_приссоставляет 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_добв 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.воборудуются 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_отбна ПНД 13, деаэратор 2, ПВД 15, турбопривод питательного насоса 14. Конденсат этого пара с концентрацией примесей С_отбнаправляется в конденсатор или деаэратор.

Из деаэратора отбирается часть пара D_выпс газами С_газ, перешедшими в пар из конденсата (О₂СО₂и 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.