Предупреждение АВАРИЙ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

НАДЕЖНОСТЬ РАБОТЫ КОТЛОВ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

. На надежность работы энергетического оборудования в зависимости от обстоятельств влияют следующие факто­ры: конструкция оборудования; материалы, из которых из­готовлены элементы оборудования; водно-химический ре­жим; характер эксплуатации оборудования (отсутствие шлакования топки, загрязнение конвективных поверхностей и др.). Конструкция котла определяет уровень механиче­ских и термических напряжений в металле, плотность теп­лового потока на поверхностях нагрева, степень неравно­мерности их обогрева, температуры наружной и внутренней поверхности металла трубы, наличие ударов факела о по­верхность нагрева, скорость движения рабочей среды и др.

Выбор, конструктивных материалов для труб и элемен­тов оборудования определяет чувствительность их к раз­личным видам коррозионных повреждений (коррозионное растрескивание под напряжением, язвенная или общая кор­розия, эрозия и т. п.), чувствительность к отдельным хими­ческим примесям в теплоносителе (щелочь, кислород), к коррозионной усталости и т. п.

Водно-химический режим энергоблока должен обеспечи­вать практическое отсутствие коррозии металла и нерас­творимых образований, что также определяет надежность оборудования в период эксплуатации.

Основным условием, определяющим надежную работу поверхностей нагрева прямоточного котла, является тем­пературный режим труб. Максимальная температура тру­бы не должна превышать допустимую для стали данной марки температуру исходя из условия длительной прочно­сти. Если же имеют место кратковременные выбеги темпе­ратуры металла трубы, то следует знать величину этих вы­бегов и их длительность. Температура трубы является по­казателем, суммирующим влияние ряда факторов: условий обогрева, состояния среды, состояния наружной и внутрен­ней поверхностей нагрева, а также режимных условий (подъем и сброс нагрузки, работа на скользящем давле­нии) и т. д.

При наладке котла следует выявить влияние как каж­дого фактора в отдельности, так и их совокупности с целью определения условий безопасности с точки зрения надеж­ности температурного режима труб, эксплуатации поверхно­стей нагрева.

Значительное влияние на надежность эксплуатации ока­зывает режим работы оборудования: постоянная или пере­менная нагрузка, число и продолжительность простоев, ус­ловия консервации неработающего оборудования, режим горения топлива и т. д.

Серьезным препятствием повышения надежности рабо­ты котлов сверхкритического давления являются повреж­дения труб нижней радиационной части (НРЧ) экранов то­почной камеры.

По данным анализа повреждаемости поверхностей на­грева котлов ТПП-110 и ТПП-2І0, в которых сжигается ан­трацитовый штыб с жидким шлакоудалением, около 50 % повреждений НРЧ происходит из-за перегрева труб и 40 % — из-за наружной высокотемпературной коррозии. На долю НРЧ приходится 30 % общего числа повреждений котлов для блоков мощностью 300 МВт [9].

В настоящее время считают, что-надежность радиацион­ных поверхностей нагрева котлов сверхкритического давле­ния в значительной мере определяется скоростью роста тем­пературы труб из-за постепенного накопления в них слоя железнооксидных образований.

Указанные образования препятствуют передаче тепло­ты, в результате этого температурный режим труб ухуд­шается.

Появление оксидов железа на внутренних поверхностях котлов обусловлено, во-первых, процессами коррозии метал­ла, протекающими непрерывно и в зависимости от изменя­ющихся условий с различной скоростью, а во-вторых — про­цессами накипеобразования — осаждением на обогревае­мых поверхностях тел оксидов железа, которые находились в котловой воде. К типичным железнооксидным накипям относят отложения, содержащие 70—90 % оксидов железа. Это обычно смесь двух кристаллических фаз — магнетита

Fe304 и гематита a-Fe203 с сопутствующими примесями, состав которых у прямоточных и барабанных котлов раз­ных давлений различен. В барабанных котлах в железно - оксидных накипях содержатся до 5 % металлической меди, до 10 % фосфатов и силикатов кальция, следы магния.

В прямоточных котлах высокого давления при отсутст­вии или частичном обессоливании турбинного конденсата в железооксидных отложениях обнаруживаются металли­ческая медь, сульфат кальция и гидрооксида и силикаты кальция и магния.

В котлах сверхкритического давления при 100 %-ной кондеисатоочистке железооксидные отложения содержат в основном магнетит (до 96—98 %) ив небольшом количе­стве— металлическую медь, соединения кальция и магния, а также оксиды марганца, хрома, никеля и ванадия [7]. Высказано предположение [22], что выделение коллоидных и микроскопических частиц дисперсных примесей на по­верхности обогреваемых труб и их закрепление на ней свя­зано с наличием разноименных электрических зарядов, а также магнитного поля парогенерирующих труб. : Исследования, проведенные ВТИ, показали, что железо - ,оксидное накипеобразование протекает при любых тепло­вых нагрузках, однако скорость этого процесса резко воз­растает с увеличением тепловой нагрузки.

Для определения скорости железооксидного накипеоб- разования Н. И. Манькиной (ВТИ) предложена расчетная формула:

AFe = 5,7'Ю~14Сре<?2>

Где А — скорость образования железооксидных отложе­ний, мг/(см2-ч); Сре—суммарная концентрация железа в воде, мг/кг; q —тепловая нагрузка, кВт/м2.

Опыт эксплуатации отечественных и зарубежных совре­менных тепловых электростанций показывает, что даже при жестком нормировании качества питательной воды не уда­ется предотвратить рост образований продуктов коррозии в трубе поверхностей нагрева паровых котлов [8].

Повреждения экранных труб в связи с железооксидным отложением барабанных котлов происходят на участках, имеющих наибольшие местные. тепловые нагрузки (об­ласть горелок выше и ниже зажигательного пояса).

В котлах со ступенчатым испарением повреждаются, как правило, экранные трубы второй и третьей ступеней испа­рения, где имеется повышенная концентрация оксидов же - леза. В котлах сверхкритического давления при больших тепловых напряжениях в топочной камере наблюдаются разрывы труб из-за образования железнооксидных отложе­ний. При сжигании газа тепловые потоки в топках достига­ют 350—300 кВт/м2, а при сжигании мазута — 640 кВт/м2.

При этом максимум отложений приходится на НРЧ, где при больших тепловых потоках энтальпия среды составля­ет 1700—2200 кДж/кг, а температура 360—385 °С.

Накопление 15—25 мг/см2 отложений приводило к раз­рывам труб выходных экранов НРЧ. Металлографическим анализом установлено, что температура наружных стенок труб в местах их разрывов повышалась до 620—650 °С.

Железофосфатные накипи встречаются в барабанных котлах при нарушении режимов фосфатирования котловой воды. Их обнаруживают в основном в контурах второй и третьей ступеней испарения.

В [23] указывается, что образование железофосфатных отложений начинается при 250 °С и прогрессирует с ростом температуры и увеличением избытка фосфатов в котловой воде. Объяснение «хайд-аута» находят в превышении тем­пературы среды у парообразующей поверхности над темпе­ратурой насыщения либо в подавлении обратной диффузии от этой поверхности при наличии на ней рыхлых пористых отложений.

Фосфатирование по данным [40] может способствовать коррозии только при наличии отложений, а по данным [41] не вызывает коррозию ни при загрязненной испарительной поверхности, ни в условиях пленочного кипения. Рекомен­дуется для предупреждения «каустической хрупкости» и ще­лочной коррозии применять режим чисто фосфатной ще­лочности.

По данным Эдисоновского института в 76 % случаев кот­лы подвергаются химической очистке по временному графи­ку. Главное эиергоуправление Англии ориентируется на ко­личество отложений, вносимых в котел питательной водой, количество образующегося «на месте» магнетита, присосы в конденсаторах и др.

Одним из критериев надежности является межпромы­вочный период[1] работы, определяемый как время работы, необходимое для формирования образований на чистой внутренней поверхности труб, вызывающих увеличение тем­пературы стенки трубы до предельно допустимого значения. Установление длительности межпромывочного периода экс­плуатации котла до настоящего времени осуществляется эмпирическим путем.

Японские специалисты рекомендуют следующую класси­фикацию интенсивности загрязнения экранных труб (пер­вая цифра — мощность котла, вторая — количество отложе­ний за 7000 ч работы); класс 1—до 125 МВт, 42 г/м?; класс 2 — 156—220 МВт, 100 г/м2; класс 3 — 230—375 МВт, более 140 г/м2.

Целесообразными считаются следующие интервалы очистки котлов: каждые 5—6 лет для котлов класса 1; 3—4 года для котлов класса 2; каждые 2 года для котлов клас­са 3.

Допустимый прирост отложений согласно [10] для оте­чественных барабанных котлов давлением 11—15,5 МПа при сжигании жидкого топлива составляет 200—250 г/м2 за 6000—7000 ч работы, а нормируемый межпромывочный период — 3—3,5 года.

На электростанциях производят вырезку труб согласно рекомендациям фирм-поставщиков оборудования с целью оценки количества отложений на их внутренней поверхно­сти с обогреваемой стороны. Котлостроительные фирмы ре­комендуют установку термоэлектрических преобразовате­лей (термопар) на трубах. Однако это вызывает серьезное затруднение определения мест их установки, особенно на котлах новой конструкции, из-за отсутствия метода расчет­ного определения областей максимальных температур ме­талла труб.

При эксплуатации отечественных котлов СКД установ­лено, что метод оценки массы накопленных внутренних об­разований путем вырезки образцов экранных труб не при­годна при раннем их обнаружении. Этот метод применялся в основном после появления разрывов труб котла. Для по­вышения надежности котлов СКД с целью исключения воз­можности работы их поверхностей при температурах ме­талла, превосходящих предельно допустимые значения, требуется еще на стадии проектирования расчетная мето­дика определения времени, необходимого для достижения предельно допустимой температуры металла трубы в ре­зультате формирования внутритрубиых железнооксидных образований.

Необходимое условие надежной работы современного котла — рациональная организация водоподготовки, водно­го режима и химического контроля качества воды.

При выборе графика контроля питательной воды учи­тываются тип котла, параметры, мощность и тепловые схе­мы (блочная, секционированная).

Требования к качеству воды непрерывно повышаются в связи с переходом на сверхкритические параметры пара, а также с увеличением единичной мощности блоков.

Повышение надежности работы мощных энергоблоков обусловливает усиление контроля за водным режимом.

С целью уменьшения влияния водно-химического режи­ма на коррозиоішо-усталостіїьіе процессы в период р а стопок и опрессовок барабанных котлов необходимо:

Заполнение котлов производить конденсатом турбин или обессоленной водой;

Опрессовку котлов конденсатом турбин или обессолен­ной водой производить при показателе рН не менее 8,5. При необходимости показатель рН поддерживать вводом ам­миака;

Перед растопкой котла производить обработку воды гид­разином и аммиаком или едким натром. Обеспечить концен­трацию гидразина в котловой воде на уровне 2,5—3 мг/кг, рН — на уровне 9,0-—9,2 (за счет ввода аммиака, а при не­обходимости — едкого натра);

После заполнения котла водой дозировку аммиака и гид­разина производить согласно требованиям правил техниче­ской эксплуатации.

Основными параметрами, отражающими надежность проектируемой конструкции котла, являются:

Параметр потока отказов — число аварий (отказов) на 1000 ч работы котла;

Наработка на отказ — среднее число часов работы котла между двумя вынужденными остановками;

Коэффициент готовности — относительное время рабо­тоспособного состояния котла.