КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Внутрибарабанные процессы и устройства

Барабан представляет собой цилиндрический горизонтальный сосуд с внутренним диаметром до 1600-1800 мм и длиной, зависящей от паропро­изводительности котла (до 15-20 м и более). В барабан подается вода или пароводяная смесь из экономайзера (рис. 11.17). При подаче воды над уров­нем ее в барабане и падении на поверхность водяного объема образуется большое количество водяных капель, поднимающихся в паровое простран­ство барабана. Если же ввод воды производить под уровень воды, то слой воды частично погасит энергию струи, но он недостаточен для полного ее гашения, поэтому образуются сложные линии тока в объеме воды, волнооб­разование и выброс капель в паровое пространство. Отсюда вытекает пер­вая задача внутрыбарабанныхустройств — гашение кинетической энергии водяной или пароводяной струи из труб после экономайзера.

Внутрибарабанные процессы и устройства

Рис. 11.17. Схема потоков, воды и пара: а — в паровом котле; б — в барабане.

Из барабана часть воды направляется в опускные трубы контура цирку­ляции. Из анализа работы опускных труб (§ 11.2) вытекает вторая задача: организация плавного входа воды в опускные трубы с малым сопротивле­нием входа; предусмотреть устройства, предотвращающие воронкообразо - вание и захват (снос) пара опускающейся водой. Для того чтобы высота уровня воды над входом в опускные трубы была максимальной, опускные трубы надо выводить из барабана как можно ближе к нижней его образу­ющей.

В барабан из контура циркуляции по отводящим трубам поступает па­роводяная смесь с большой скоростью. Если организовать сосредоточенный ввод отводящих труб (рис. 11.17), то за счет большой кинетической энер­гии струи и значительного объема паровой фазы уровень воды, насыщен­ной паровыми пузырями, будет значительно выше среднего, т. е. произойдет «набухание» уровня. При прохождении пара через границу вода-пар будет образовываться большое количество водяных капель, поднимаемых потоком пара. Отсюда третья задача: организовать равномерный по длине и сече­нию барабана ввод пароотводящих труб и гашение энергии поступающей пароводяной струи; обеспечить равномерность распределения паровой фа­зы пог сечению барабана, с тем чтобы пар барботировал через слой воды с малой скоростью, при этом возмущение уровня воды будет минимальным, образование капель и их выброс в паровое пространство уменьшится.

Насыщенный пар, поступивший в барабан, поднимается в верхнюю часть барабана и отводится через трубы в пароперегреватель. Ясно, что эти трубы должны быть расположены вдоль верхней образующей барабана, иначе может образоваться застойная зона. Поток пара, направляющийся к сосредоточенному отводу, плохо заполняет сечение барабана, скорость пара в средней части при этом существенно увеличивается. Поток пара может унести часть капель воды из парового пространства в отводящие трубы и дальше в пароперегреватель. Так как унос капель по массе не велик, то эта влага на условия теплообмена в пароперегревателе не влияет. Если про­изойдет «заброс» влаги, т. е. большой ее унос с паром, то вода, попадая на стенки труб пароперегревателя, вызовет их резкое охлаждение и термиче­ское растрескивание металла. Но и малое количество уноса влаги приносит большие неприятности: в каплях воды содержится большое количество при­месей, которые при испарении воды на стенке пароперегревателя оставляют отложения с низкой теплопроводностью, а при испарении в потоке перегре­того пара передают ему примеси, которые уносятся в турбину. Четвертая задача: организовать равномерное заполнение потоком пара сечение бара­бана, чтобы снизить скорость пара; обеспечить интенсивную сепарацию пара от воды, уменьшив унос влаги до приемлемого значения.

При высоком давлении насыщенный пар, барботирующий через слой воды в барабане, содержит значительное количество примесей, и тогда воз­никает пятая задача — организация очистки пара внутри барабана.

Из общего анализа процессов в барабане видно, что при проектиро­вании и эксплуатации барабана приходится решать сложные задачи. Их конструктивное решение приводит к сильному загромождению внутриба - рабанного пространства различными устройствами, усложняющими ремонт
и эксплуатацию котла. Наблюдение за процессами поддержания постоянно­го уровня воды в барабане является одной из главных задач эксплуатации котла, обеспечивающей надежность и экономичность его работы и работы всего блока.

Прежде чем рассматривать конструктивное выполнение внутрибара - банных устройств, необходимо провести анализ процессов барботажа и уноса влаги.

Барботаж пара через воду — подъем паровой фазы и жидкости, при­веденная скорость направленного движения которой мала или равна ну­лю. Барботаж пара имеет место в барабанах котлов, в подъемных трубах контура циркуляции при образовании свободного уровня, застоя или опро­кидывания циркуляции, в парогенераторах и реакторах атомных станций, испарителях и многих других аппаратах ряда отраслей промышленности. В общем случае, аппарат, в котором происходит процесс барботажа пара через слой жидкости, называется барботером.

Внутрибарабанные процессы и устройства

Для равномерного распределения паровой фазы по сечению барботера (в том числе и в барабане) и выравнивания скоростей пара в барботаж - ном слое устанавливается распределительное устройство. Обычно приме­няют погруженный в слой жидкости дырчатый лист с соответствующим образом рассчитанным количеством отверстий выбранного диаметра. Пра­вильно рассчитанные дырчатые листы гасят также кинетическую'энергию пароводяных струй.

— О—

Б)

— О О ^

Ж

О

О

Ж ж

Т

О

О

О о о О

О —

С

D{ = 2Rl

А)

Рис. 11.18. Схема истечения пара через отверстие погруженного дырчатого листа при небольших расходах пара, когда диаметр пузырей dn меньше (а) и больше (б) диаметра отверстия d.

Режим работы дырчатого листа зависит от расхода паровой фазы и диаметра паровых пузырей и отверстия в листе (рис. 11.18). При небольших расходах пара и малом диаметре пузырей (du < d) они свободно проходят
t

Че^ез отверстия в виде отдельных пузырей, не сливаясь (рис. 11.18, а). Если г/п р> rfi, то паровой пузырь втягивается в отверстие, разделяясь на две части (р^с. 11.18,6). На часть пузыря, уже находящуюся над листом, действуют подъемная сила и конвективные токи, стремящиеся оторвать ее от листа.

Пока над листом будет формироваться новый пузырь, оставшиеся под листом части пузыря могут слиться в единую паровую подушку. Следо­вательно, для данного давления в системе и диаметра отверстия в листе существует скорость пара в отверстиях wMин, при превышении которой под дырчатым листом образуется устойчивая паровая подушка.

Средняя скорость пара в отверстиях дырчатого листа определяется по формуле

W* = (11.41)

/ отв

Где /отв — суммарное сечение отверстий, м2.

В паровых котлах, парогенераторах, испарителях и подобных эле­ментах применяют погруженные дырчатые листы с диаметром отверстий 8 - г 12 мм и более, так как в пароводяной смеси может находиться шлам (взвеси, чешуйки оксидов железа с внутренних поверхностей труб) и он будет забивать мелкие отверстия.

При значительном диаметре отверстий паровая подушка под дырча­тым листом образуется при более высоком расходе паровой фазы. В этом случае через отверстия листа будет вытекать пар в виде сплошного пото­ка. При дальнейшем барботировании струи пара через слой жидкости она разбивается на отдельные пузыри.

Внутрибарабанные процессы и устройства

Г^^о-оБо

О о o"Q 0 000000л ООо ООо 0°0 о0 0 0^0сГ"00 о

°°о°о °о о°о°о го

О О

ОО.

Щшшшш

І

О - о

Рис. 11.19. К определению паровой подушки под дырчатым листом: 1 — дырчатый лист; 2 — отбортовка.

/

Для того чтобы пар не обходил по бокам дырчатый лист, делается отбортовка (рис. 11.19). /

При дальнейшем увеличении расхода пара (при скорости пара ТиМаКС) отдельные струи пара могут сливаться вблизи дырчатого листа, образуя над ним сплошной паровой слой, отделяющий дырчатый лист от вышележащей жидкости. Это явление называется кризисом барботажа.

Пар

Внутрибарабанные процессы и устройства

В опускные трубы

Рис. 11.20. Схема барботажа пара в барабане котла.

После выхода из отверстий дырчатого листа пар барботирует через слой жидкости. Слой пароводяной смеси, в котором происходит барботаж пара, называется динамическим двухфазным слоем.

На рисунке 11.20 показано изменение истинного паросодержания по высоте барабана. На выходе из пароотводящих труб оно равно паросодер - жанию пароводяной смеси (ривс после испарительной поверхности, затем из-за смешения с водой в барабане она уменьшается. В паровой подушке ^под — 1. На выходе из отверстий дырчатого листа паросодержание равно относительной площади сечения отверстий (/?дл. В динамическом двухфаз­ном слое по его высоте можно выделить три зоны. В первой зоне, высотой 30-40 мм над дырчатым листом, движение пузырей происходит под дей­ствием нивелирного напора, создаваемого под листом, и подъемной силы. На этом участке происходит формирование устойчивых паровых пузырей (объединение мелких и дробление крупных паровых струй), скорость паро­вой фазы уменьшается, величина <р увеличивается до значения на втором участке. Вторую зону называют зоной стабилизированных значений па - росодержания, на этом участке паросодержание постоянно и равно ^Ip6- В этой зоне паровые пузыри движутся под действием подъемной силы — сиды Архимеда. Третья зона — переходная. При подходе к поверхностным слоям движение пузырей затормаживается действием силы поверхностного натяжения, вследствие чего паросодержание плавно увеличивается практи­чески до единицы (рис. 11.20). Унос влаги составляет доли процента, на гидродинамику парового потока не влияет.

Физический уровень пароводяной смеси Яфиз определяется от начала первого участка до середины переходной зоны. Вся высота динамического слоя Яд. сд равна сумме высоты физического уровня и половины высоты переходной зоны Яп. з.:

Яд. сл = яфиз + ' #п.,.. (11.42)

Уровень воды в барабане определяется с помощью водомерного стек­ла (рис. 11.20), соединенного с паровым и водяным объемами барабана. В водомерном стекле в жидкой фазе нет паровых пузырей, плотность воды близка к плотности рг.

Физическая высота двухфазного слоя в барабане #фИЗ больше, чем весовой уровень в водомерном стекле Н'вх на величину АН:

АН — HBQC ^бар. (11.43)

ВЄС 1 - <?бар При низких давлениях р" <С р', тогда

(П.44)

Истинное паросодержание <р^яр зависит от скорости (расхода) пара, давления, концентрации и состава примеси воды. Обычно берут не дей­ствительную скорость пара wn, а приведенную w'q, м/с, определяемую через расход пара Gn, кг/с:

W'i - Сп/^/бар), (11.45)

ГДе /бар — горизонтальное сечение барабана или, в общем случае, барбо­тера, м2. Сечение барабана /бар изменяется по высоте пароводяного слоя, поэтому значение w'q зависит не только от расхода среды, но и высоты. Что­бы придать определенность величине u)q, ее определяют на границе между пароводяным й паровым объемами, эту границу условно называют зеркалом
испарения, и сечение барабана принимают на зеркале испарения — /3і„Сп.. Тогда приведенная скорость пара w^, отнесенная к этому сечению:

Р ' /з. і

Объемный расход пара Gn/р", отнесенный к площади зеркала ис­парения /з. исп. = 1 м2, называется объемной нагрузкой зеркала испаре­ния Rvs, м3/(с-м2):

= ^ = < (11.47)

/з. исп

Д; = 3600-<. (11.48)

Аналогично определяется массовая нагрузка зеркала испарения Rf, кг/(с-м2):

R7 = - r^ = <p", (П-49)

/з. исп

Или кг/(ч-м2):

Rf = 3600 • (11.50)

Введенные параметры R* и Я™ упрощают расчеты внутрибарабанных процессов. Например, для действующего котла известны его паропроиз­водительность D, кг/с (или т/ч), диаметр (внутренний) барабана с! б, м, и его длина /б» м. Определяем массовую нагрузку зеркала испарения R™, кг/(с-м2), считая, что зеркало испарения находится в середине (по высоте) барабана:

R? = D/((kl6). (11.51)

По этой величине находим Wq и другие характеристики двухфазного слоя.

Обратная задача возникает при проектировании парового котла: по за­данной паропроизводительности Д кг/с, определить геометрию барабана и погруженного дырчатого листа. Задаемся величиной R™ (Rg), определяем сечение зеркала испарения /3.„cn.3 по типовому диаметру барабана находим длину барабана. Наметив место вывода опускных и ввода пароотводящих труб контура циркуляции, находим размеры дырчатого листа. По R" на­ходим расход пара через дырчатый лист. При расчете дырчатого листа два взаимосвязанных параметра неизвестны: скорость пара w'q и сечение отвер­стий. На скорость пара накладывается два ограничения: wmm — по органи­зации паровой подушки, гймакс — по кризису барботажа, отсюда возникает условие:

Или м3/(ч-м2):

Макс •

На сечение отверстий накладываются эксплуатационные и технологи­ческие ограничения: d ^ 8 : 12 мм; количество отверстий определяет стоимость изготовления листов. Возникает оптимизационная задача.

Внутрибарабанные процессы и устройства

Рис. 11.21. Схемы установки паропромывочных устройств погруженного типа (а) и в паровом пространстве (б): 1 — подвод питательной вода; 2 — паропромывочный лист; 3 — отбортовка (щеки); 4 — паровая подушка; 5 — отводящие каналы; 6 — бортики.

А) б)

5

6

Паропромывочные устройства, с точки зрения гидродинамики, пред­ставляют собой барботажные системы (химические процессы — см. в гл. 13).

С увеличением приведенной скорости Wq растет количество барботи- руемого пара, он движется уже не в виде отдельных пузырей, а в виде цепоч­ки пузырей, которые при дальнейшем увеличении Wq сливаются в паровые струи. Паровая фаза увлекает за собой часть воды, которая, поднявшись на определенную высоту, затем опускается, т. е. происходит циркуляция жид-' кой фазы. При малом расходе пара циркуляция жидкой фазы происходит в пределах участка стабилизации. Только в небольшой переходной зоне она находится в виде капель воды. С увеличением w'q картина меняется: циркуляция ухудшается, т. к, сечение, занимаемое жидкой фазой 1 - <рбарб> уменьшается, высота циркуляции непрерывной струи жидкости уменьша­ется, следовательно, высота Ястаб падает; структура поверхностного слоя разрушается — все большая часть жидкой фазы за счет скоростной энергии пара дробится на отдельные крупные и мелкие капли, образуется пароводя­ная эмульсия, размеры переходной зоны возрастают. Это явление называют набуханием уровня. Увеличение высоты переходной зоны приводит к ро­сту общего уровня динамического двухфазного слоя и, соответственно, к снижению высоты парового пространства.

Они выполняются двух типов: погруженного, когда паропромывочный дыр­чатый лист находится в объеме жидкой фазы (рис. 11.21, а), «подвешенно­го», находящегося в паровом объеме, над зеркалом испарения (рис. 11.21,6). На паропромывочное устройство подается питательная вода, которая расте­кается по дырчатому листу, образуя слой воды высотой HBQC, и сливается по периферии листа. Толщина слоя промывочной воды определяется высотой бортиков #борт. Пар направляется с помощью отбортовок (щек) под промы­вочный лист, проходит через отверстия в нем, барботирует через слой про­мывочной воды и уходит на паросепарационные устройства. Проходящий через отверстия листа пар препятствует протеканию через них жидкости. Скорость пара в отверстиях дырчатого листа должна быть выбрана такой, чтобы жидкость удерживалась на промывочном листе и сливалась только по периферии листа или специальным сливным линиям — такой режим называется беспровальным.

Высота бортиков Щорт обычно составляет 40-60 мм (эту высоту назы­вают также высотой перелива HnQp). Действительный уровень Н превосхо­дит уровень перелива на 5 - г 10 мм, т. е.

Я - Япер + (5 - г 10) мм.

Унос влаги паром. Как указывалось в начале параграфа, дроб­ление жидкости на капли происходит при возмущении зеркала испарения пароводяной струей и при выходе парового пузыря из водяного объема в паровой. В современных барабанах устанавливаются системы гашения кинетической энергии струй воды и пароводяной смеси, поступающих в барабан, и равномерной раздачи по сечению барабана. В этих условиях определяющим генератором капель воды в паровой объем является разрыв пузырей пара (рис. 11.22). Всплывающий пузырь пара подвержен воздей­ствию двух сил: внутреннего давления, стремящегося разорвать жидкую пленку вокруг пузыря, и силе поверхностного натяжения этой пленки. В начальный момент выхода пузыря из объема жидкости (рис. 11.22, в) вода с пленки стекает, она утоняется и разрывается (рис. 11.22, г). Пар, выры­ваясь через образовавшееся отверстие, разрушает верхнюю часть пленки, превращая ее в мелкие капли воды. Остатки жидкой пленки опускаются вниз, заполняют образовавшуюся после выхода пара лунку в воде. Встре­ча потоков воды в центре лунки сопровождается гидравлическим ударом с выбросом крупных капель воды в паровой объем (рис. 11.22, Э).

На каплю воды диаметром dK в паровом пространстве действуют две силы:

(И.52,а)

— сила Архимеда, направленная вниз:

Тр, „

Fa = т-{р " Р )fj:


W/

Внутрибарабанные процессы и устройства

Д)

Рис. 11.22. Схема образования капельной влаги в паровом объеме барабана при вводе парообразующих труб в водяной объем: а — всплывающий пузырек пара; б — начальный период выхода пузырьков на зеркало испарения; в — перед разрывом водяной оболочки; гид — разрушение водяной оболочки с образованием капелек влаги.

— сила динамического напора пара, направленная вверх:

Тг dl wf ПЮКЛ

= (11.52,6)

Где £ — коэффициент сопротивления.

Г)

Внутрибарабанные процессы и устройства

Внутрибарабанные процессы и устройства

Б)

В)

А)

Внутрибарабанные процессы и устройства

^вит = / о • "7---------------------- 7Г~- (U-53)

Скорость гивит зависит от давления и диаметра капель. Прир = 10 МПа и d, K = 1 мм гивит = 0,6 м/с; dK = 0,2 мм, wBHT = 0,15 м/с, dK = 0,1 мм швмт = 0, 07 м/с. Для dK = 0,1 мм и р = 1 МПа ЭДвит — 0,25 м/с. С увеличе­нием давления скорость витания уменьшается, т. е. при известной скорости Унос капель увеличивается.

Капли диаметром dK, у которых скорость витания меньше скорости пара Wq, будут уноситься потоком пара. Капли с швт > Wq будут оседать в

При равенстве этих сил капля воды будет витать в потоке пара. Ско­рость витания гувнт будет равна

Водяной объем, скорость оседания woc равна разности:

Woe = гУвит - и>0-

Унос влаги паром характеризуется его влажностью и, %, которая опре­деляется как отношение массы водяных капель тв к массе влажного пара:

Шв (И54)

Внутрибарабанные процессы и устройства

Рис. 11.23. Зависимость влажно­сти пара от высоты парового объ­ема Яф1и.

Шп + тв

Где тп — масса паровой фазы.

Таким образом, влажность пара определяется забросом капелек воды в пароотводящие трубы и уносом капелек потоком пара. При малых высо­тах парового пространства основную роль играет прямой заброс водяных капель, а при больших высотах — унос влаги. Поэтому и сильно зависит от высоты парового пространства (рис. 11.23), особенно до высоты 0,8 - f-1 м.

Внутрибарабанные процессы и устройства

Рис. 11.24. Распределение капель воды но скорости витания (а) и зависимость влажности пара от его скорости (б).

Зависимость влажности пара от его скорости w'q сложная и имеет вид

W = CK)n. (11.55)

Это связано с распределением капель воды по размерам, по скорости их витания (рис. 11.24, а). При малой скорости пара (условно — до w (рис. 11.24,6)) показатель степени п < 2; с увеличением скорости пара уно­сятся паром, все более крупные капли, показатель степени растет до 4 - г 5; при скорости пара Wq9 приближающейся к wtlT (рис. 11.24), резко возрас­тает количество и масса унесенных капелек воды, влажность возрастает с показателем степени п > 5 - г б. В диапазоне скорости пара Wq и влажности пара cj = 0,01 - г 0,1%, в котором работают промышленные агрегаты, расчет влажности можно вести по формуле

О, = СК)2,7в/№2,3- (11-56)

Внутрибарабанные процессы и устройства

Рис. 11.25. Значения коэффициента С в Рис. 11.26. Изменение значении приве - формуле для расчета влажности пара. денных скоростей пара у зеркала испа­рения в зависимости от давления.

Коэффициент С зависит от давления, он характеризует физические свойства пара и жидкости (рис. 11.25). С увеличением давления коэффици­ент поверхностного натяжения а снижается, соответственно уменьшается размер капель воды, скорость витания падает, а количество капель уве­личивается. Кроме того, увеличивается несущая способность пара за счет роста его плотности. Поэтому при изменении давления от 10 до 16 МПа коэффициент С и влажность пара и изменяются в 5 раз. Отсюда вытекает

Необходимость снижения приведенной скорости пара у зеркала испарения (нагрузка зеркала испарения) при проектировании парового котла на более высокое давление (рис. 11.26), что вызывает увеличение размеров бараба­на. Второй путь снижения влажности пара — использование сепарационных установок внутри барабана.

Влияние примесей на динамический двухфазный слой и унос влаги определяется наличием в котловой воде (воде барабана и контура циркуляции) поверхностно-активных веществ. Эти ве­щества концентрируются в жидкой пленке вокруг парового пузыря, увели­чивают силы поверхностного натяжения. При низких температурах концен­трация некоторых поверхностно-активных веществ в жидкой пленке может быть в десятки и сотни раз выше, чем в объеме воды. При высоких темпера­турах поверхностно-активные вещества (ПАВ) органического происхожде­ния становятся нестабильными и их влияние на а снижается. При темпе­ратурах 300 - г 360°С, соответствующих мощным паровым котлам на давле­ние свыше 9 МПа, основную роль в образовании адсорбционных структур в жидкой пленке играют термически стойкие неорганические вещества — продукты коррозии конструкционных материалов, в первую очередь, окси­ды железа. Коллоидно-дисперсные частицы гидратов оксидов железа имеют вытянутую форму и при коагуляции образуют пространственную структу­ру. При низкой концентрации электролитов эти структуры не прочные, рас­падаются под влиянием других примесей и турбулизации потока. В этом случае величина поверхностного натяжения о изменяется незначительно, процессы барботажа пара и его уноса практически не претерпевают изме­нений. Пр^ концентрациях электролитов выше критических Скр происхо­дит упрочнение структуры, в жидкой пленке (поверхностном слое) частицы гидратированных оксидов железа образуют упорядоченную структуру в ви­де сетки, обладающую вязкостью и прочностью; поверхностное натяжение резко возрастает.

V?

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

Рис. 11.27. Локальные значения </? на стабилизированном участке в зависимости от концентрации электролита (р = 3, 24 МПа): 1 — раствор NaOH; 2 — раствор Ba2SC>4; 3 — раствор NaCl.

Упрочнение жидкой пленки, повышение а приводит к тому, что при вы­ходе из погруженного дырчатого листа образуются мелкие пузыри пара, ко­личество их возрастает. Мелкие пузыри пара всплывают медленнее. Все это приводит к изменению (увеличению) паросодержания Щф на стабилизи­рованном участке двухфазного слоя (рис. 11.27). При низких концентрациях электролитов в котловой воде Скв, мг/кг, (Рбарб не изменяется по сравнению с «чистой» водой: при Скв выше критического значения Скр начинается набухание двухфазного слоя — </?баРб увеличивается. При дальнейшем по­вышении концентрации Скв значения <р стабилизируются на новом, более высоком значении (примерно в два раза выше).

0,2-

Внутрибарабанные процессы и устройства

10000 CL, мг/кг

0,1 0,05

А/?., мм

1V"^

2

^ з

0

/У/

250 200 150 100 50

5000

0

Рис. 11.28. Разность действительного и Рис. 11.29. ЗависимЬсть влажности пара весового уровней в барботере в зависимо - (а) и концентрации примеси в паре (б) сти от содержания в воде Na2HPC>4 (р — рт скв. = 0,1 МПа) при различных приведенных скоростях пара, м/с: 1 — 0,32; 2 — 0,64; 3 - 0,85.

Разрушение жидкой пленки вокруг парового пузыря из-за повышения а происходит при ее меньшей толщине. Замедленное разрушение пузырей пара приводит к их скоплению в переходной зоне двухфазного слоя, в верх­ней части этой зоны образуется высокодисперсная пароводяная эмульсия

(пена), состоящая из паровых пузырей, окруженных тонкой пленкой воды. Доля пара в ней превышает 90-95%. Такое явление называют вспениванием уровня.

На рис. 11.28 показано увеличение действительного уровня двухфаз­ного слоя в зависимости от Скв и Wq. Из рисунка видно, что увеличение уровня достигает 200-300 мм.

С увеличением давления Скр снижается, т. е. процессы набухания и вспенивания начинаются при более низких концентрациях; следовательно, для их предотвращения требуется более чистая вода.

При разрыве более мелких паровых пузырей с тонкой жидкой пленкой образуется большое количество мелких капель воды. Дисперсный состав (распределение по размерам) капель воды смещается в сторону увеличения доли мелких капель за счет снижения доли крупных.

Оба процесса, , имеющие место при высокой концентрации примеси (Скв > Скр), — уменьшение высоты парового пространства и увеличе­ние доли мелких капель воды — при­водят к резкому возрастанию уно­са влаги паром. На рис. 11.29, а по­казана зависимость влажности па­ра си от концентрации примеси в во­де. Видно, что при Скв Скр влаж­ность сильно возрастает. На этом же рис. 11.29, б приведен график изме­нения концентрации примеси в на­сыщенном паре Сп", поступающие в него с уносимой влагой (си — в %):

Спун - 0.01 • Скв • cj. (11.57)

При си = const Сп пропорциональна Скв, а при Скв > Скр зависит и от си. Из графиков рис. 11.29 можно определить по предельно допустимой концен­трации (СЛун допустимые значения (Сп)пр и (си)пр. Способы воздействия на Сп и Скв будут рассмотрены в главах 12 и 13. Поддерживать значе­ние си ^ с^Лоп можно за счет ограничения нагрузки на зеркало испарения (Щ или R™). На рис. 11.30 показано, что при Скв < Скр нагрузку на зеркало испарения можно поддерживать на высоком уровне, при этом си = о;пр.

Внутрибарабанные процессы и устройства

Рис. 11.30. Зависимость допустимой на­грузки зеркала испарения от концентра­ции примеси в котловой воде.

При С > СКц для выдерживания условия си — сиир нагрузку приходится снижать; при (Скв)пР получаем значение (Яг9п)Г1р, обеспечивающее предель­но допустимый режим по (СгГ)пр. Кривая на рис. 11.30 разделяет плоскость 7?"7 - Скв на две части, в которых си меньше или больше и;пр. Влажность
пара, уходящего из барабана, можно уменьшить по сравнению с уносом влаги путем организации сепарационных устройств.

Пароприемный потолок и жалюзийный сепаратор. Для выравнивания скорости пара по сечению барабана и, тем самым, уменьше­ния ее величины вверху барабана делается пароприемный потолок, пред­ставляющий собой дырчатый лист. Диаметр отверстий 6-10 мм, скорость пара в отверстиях принимается 6-10 м/с для высоких и 10-18 м/с для сред­них давлений. Гидравлическое сопротивление щита должно быть больше сопротивления входа пара в пароотводящие трубы.

Равномерное распределение пара по сечению барабана, отсутствие на­бухания двухфазного слоя и пенообразования, относительно высокое па­ровое пространство — все это создает хорошие условия для естественной сепарации влаги и снижения влажности пара. Для дополнительного улав­ливания капель воды перед пароприемным дырчатым листом устанавли­вают жалюзийный сепаратор. Варианты его конструкции представлены на рис. 11.31. При проходе пара в щелях направление движения его изме­няется и за счет инерционных сил капли воды осаждаются на пластинах сепаратора, сливаются в струи и стекают в водяной объем. Чтобы не про­исходило срыва пленки жидкости паром, скорость пара перед жалюзий - ным сепаратором не должна превышать 0,5 м/с при р = 4 МПа; 0,2 м/с при р = 10 МПа; 0,1 м/с при р = 15 МПа. Эффективность сепаратора увеличивается при снижении скорости пара в барабане (рис. 11.32). Жа - люзийные сепараторы устанавливаются на высоте более 400 мм от уров­ня воды.

Внутрибарабанные процессы и устройства

Рис. 11.31. Формы и расположение пластин жалюзийного сепаратора: а, б, в — раз­личные модификации конструктивного выполнения.

По конструктивному выполнению жалюзийные сепараторы могут быть горизонтальными (подвод пара снизу), вертикальными (подвод пара по бо­ковой поверхности) или наклонными. В барабанах паровых котлов установ­лены, как правило, горизонтальные жалюзийные сепараторы.

Внутрибарабанные устройства предна­значены для решения задач, сформулированных в начале параграфа.

По набору основных устройств барабаны можно, условно, разделить на две группы: для низкого и среднего давления (давление в бара­бане р^ = 11 МПа и ниже); для высокого и сверхвысокого давления (рб = 15 - f - 19 МПа). Основное различие состоит в том, что при Ръ ^ 11 МПа промывку пара, как правило, не делают, паровое пространство остается сво­бодным и создаются условия для естественной, осадительной сепарации влаги из пара. При бо­лее высоком давлении промывка пара делается обязательно, паропромывочное устройство за­громождает паровое пространство, оставшаяся высота парового объема недостаточна для есте - 0 2 0 3 щ", м/с ственной сепарации, приходится делать устрой­ства для вынужденной, механической сепара - Рис. 11.32. Сравнение кри - ции. Рассмотрим принципиальные схемы вы - вых влажности пара: 1 - полнения этих двух вариантов, с жалюзийным сепаратором; На рис. 11.33 представлена схема внутри

2 — для свободного парового барабанных устройств для котлов низкого и объема (р = 8,9 МПа). среднего давления. Промывка пара отсутствует,

Поэтому для снижения примеси в паре влаж­ность его должна быть не более 0,02%. Опускные трубы 1 выведены по нижним образующим барабана, над ними стоят решетки 5 или крестови­ны, препятствующие воронкообразованию; чтобы предотвратить снос пара, между опускными 1 и подъемными 2 трубами стоит перегородка 6; кавита­ция на входе в опускные трубы не ожидается, так как столб жидкости над ними более 400 мм.

Внутрибарабанные процессы и устройства

Подъемные пароотводящие трубы 2 введены равномерно по длине ба­рабана в водяное и паровое пространство. В современных паровых котлах через каждую трубу подается до 1000 - f - 1500 кг/ч при скорости смеси 0,3- 0,8 м/с. Гашение кинетической энергии пароводяной смеси происходит за счет отбойных щитков 7 и водяного объема, через который проходит вся пароводяная смесь. При этом происходит первое, грубое разделение паро­водяной смеси. Для равномерного распределения пара по сечению зеркала испарения выполнен погруженный дырчатый лист 8 с отверстиями диамет­ром 10-20 мм. Дырчатый лист устанавливается на 50-75 мм ниже наиниз­шего уровня (весового) воды. Между листом и корпусом барабана должен быть зазор не менее 150 мм для стока воды (скорость воды должна быть не

4

Внутрибарабанные процессы и устройства

Рис. 11.33. Схема внутрибарабаииых устройств для котлов низкого и среднего дав­ления.

Более 0,1 м/с). Щеки 9 предотвращают прорыв паровой подушки 10 помимо дырчатого листа.

Вода после экономайзера 3 подводится к раздающей трубе 11, распо­ложенной в правой части дырчатого листа. По длине трубы расположены отверстия диаметром более 10 мм, через которые вода равномерно вытекает и проходит над дырчатым листом. При этом происходит частичная промыв­ка пара и предотвращается пенообразование. Малая высота двухфазного слоя ограничивает возможность набухания уровня и увеличивает высоту парового пространства.

Отвод пара 4 выполняется по верхним образующим вдоль барабана через пароприемный потолок — дырчатый лист 12 и жалюзийный сепара­тор 13.

С увеличением паропроизводительности котла нагрузка на зеркало ис­парения увеличивается, погруженный дырчатый лист не может обеспечить хорошие условия для барботажа пара, паровой объем не справляется с се­парацией влаги из потока пара. В этом случае и в котлах среднего давления могут быть установлены внутрибарабанные и выносные циклоны. В бара­банах практически всех современных котлов с высоким давлением устанав­ливаются внутрибарабанные циклоны и паропромывочные устройства, вс многих случаях применяются и выносные циклоны.

Внутрибарабанные процессы и устройства

Рис. 11.34. Схема внутрибарабанных устройств для котлов высокого давления.

На рис. 11.34 представлена схема внутрибарабанных устройств котлов высокого давления. Подвод воды в опускные трубы 1 также организован через крестовины 2. Показана труба аварийного слива воды 3, через которую удаляется часть котловой воды, когда уровень ее превысит максимально допустимое значение. Перед трубами 13, через которые отводится пар, стоит пароприемный дырчатый лист 12.

Пароводяная смесь из экранных труб 4 поступает в короб 5, идущий вдоль барабана. В этом коробе происходит частичное гашение кинетической энергии смеси и ее первоначальное разделение на воду и пар. Отделивша­яся вода через щели в нижней части короба направляется в водяной объем, а оставшаяся вода вместе с паром по перепускному коробу 16 направля­ется во внутрибарабанный циклон 17. Внутрибарабанный циклон состоит (см. левый циклон в разрезе) из корпуса 6 диаметром 300 мм, крышки 7 со встроенным жалюзийным сепаратором 8 и крестовины 9. Пароводяная смесь поступает в циклон тангенциально. Под воздействием центробежных сил происходит первая ступень сепарации. Жидкая фаза сбрасывается на корпус циклона, внутренняя поверхность жидкости принимает форму па­раболы. Оптимальная скорость на выходе перепускного короба составляет 10-12 м/с (минимум 5-6 м/с, максимум 15-20 м/с). Положение нижней части параболы зависит и от уровня воды в барабане. Поэтому циклон устанавли­вается таким образом, чтобы при наивысшем положении воды в барабане ее уровень был на середине перепускного короба. Верхняя часть параболы должна заканчиваться у кромки корпуса; между корпусом и крышкой пре­дусмотрена щель для разворота вниз пленки воды при ее выходе за пределы корпуса циклона.

Пар с остатками воды направляется вверх по средней части циклона. Для лучшей сепарации воды в паровом объеме циклона (осадительная сепа­рация) скорость пара выравнивается по сечению (0,5 - f - 0, 7 м/с) с помощью установки на выходе из циклона жалюзийного сепаратора 8 или дырча­тых листов. Жалюзийный сепаратор представляет собой третью ступень сепарации в циклоне. После циклона пар попадает в паровое пространство барабана, скорость его падает и происходит дополнительная естественная (осадительная) сепарация. Влажность пара должна быть в пределах 0,05%.

Диаметр внутрибарабанного циклона выбирается по условиям эффек­тивности сепарации (лучше иметь больший диаметр) и возможности до­ставить его внутрь через торцевой люк. Оптимальный диаметр циклона — 290 - г 300 мм. Высота циклона определяется необходимой степенью осушки пара и имеющимися размерами внутри барабана (порядка 500 мм). Нагруз­ка одного такого циклона Dn составляет при р — 15 МПа 7-8 т/ч, т. е. в барабане устанавливаются иногда (при большой паропроизводительности котла) десятки таких циклонов.

Осушенный пар проходит через паропромывочное устройство 11, дыр­чатый лист 12 и уходит в пароперегреватель по трубам 13. Питательная вода после экономайзера 15 поступает в распределительный коллектор 14, течет по дырчатому листу 11 и направляется по сливному коробу 10 в водяной объем.

При организации ступенчатого испарения во второй и, тем более, тре­тьей ступени (испарения) концентрация примеси в котловой воде значитель­но выше, чем в первой, и для получения чистого пара необходима высокая степень осушки пара. В низких внутрибарабанных циклонах это сделать нельзя, применяются выносные циклоны, схема соединения которых с ба­рабаном и контуром циркуляции показана на рис. 11.2, а.

Выносной циклон представляет собой вертикальную трубу диаметром 300 -500 мм и высотой до 4-5 мм (рис. 11.35). В днище циклона вварены

14 Котельные установки

Внутрибарабанные процессы и устройства

Рис. 11.35. Выносной циклон для сепарации пара солевых отсеков.

Опускные трубы 1, подвод воды из барабана 2 сделан над ними. На пу­ти воды из водного объема циклона в опускные трубы стоит крестовина 3 для ликвидации вихревых потоков. Замер уровня воды в циклоне произ­водится с помощью водомерного стекла 4. Пароводяная смесь из экран­ных труб поступает тангенциально через улитку 8 и завихритель 9. Вода отжимается к стенкам и опускается вниз, а пар поднимается вверх. Вы­равнивание скорости пара (порядка 0,3- 0,5 м/с) производится путем уста­новки дроссельного дырчатого листа 5 перед трубами 6 отвода пара. За счет большой высоты парового пространства происходит хорошая сепа­рация влаги от пара. Осушенный пар из циклона направляется в бара­бан котла.

Продувочная линия 10 выводится ниже уровня воды в циклоне, где находится область наиболее высокой концентрации примеси. В верхнем торце циклона предусмотрен воздушник 7 для удаления воздуха из системы при пуске котла.

Расположение выносного циклона по высоте относительно нормально­го уровня воды в барабане показано на рис. 11.35. Удельная нагрузка на сечение циклона может быть в 2-2,5 раза выше, чем у внутрибарабанного, а, учитывая больший внутренний диаметр (350 мм), паровая нагрузка на выносной циклон больше в 3-4 раза и составляет порядка 25-30 т/ч при р = 15 МПа. Обычно на паровой котел ставят 2-4 выносных циклона.

КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Преимущества твердотопливных котлов

Обзор основных преимуществ отопительного оборудования на твердом топливе

Электрокотел — оптимальное решение для безопасного отопления

Нельзя подвести газопровод или пользоваться централизованным отоплением? Тепло и горячую воду все равно можно получить! Gazovyy-kotel.ua предлагает оптимальное решение – мощные и доступные электрокотлы.

Требования к котельной (топочной) на твердом топливе: основные нюансы от специалистов компании Статус 24

Проектирование и сборка составляющих для системы обогрева должна быть четко согласовано со строительными стандартами к отопительным помещениям.

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.