Паровые котлы ТЭС

Методы получения чистого пара

Требования к чистоте пара чрезвычайно высоки. Суммарное содержание примесей, на-

Рнс. 15.1. Влияние давления на каче­ство пара прямо­точного котла, Ркр>Р>Р2>Рз.

Пример, в перегретом паре СКД не превышает 40—50 мкг/кг. Методы получения чистого пара зависят от типа установки.

В прямоточном котле рабочая среда (во­да) безостаточно упаривается. При этом часть примесей откладывается на поверхностях на­грева, а часть переходит в пар и уносится им. С ростом давления концентрация примесей в паре увеличивается, качество пара прибли­жается к качеству питательной воды (рис. 15.1). Продувки в прямоточном котле нет. Единственный путь получения чистого пара — это улучшение качества питательной воды. Качество выдаваемого прямоточным котлом пара нормируется по питательной во­де [б].

В барабанном котле чистота насыщенного пара, а следовательно, и перегретого пара определяется качеством воды, из которой он получается. Чем меньше концентрация при­месей в кипящей воде (при прочих равных условиях), тем чище пар. Наличие продувки в барабанных котлах позволяет улучшить ка­чество циркулирующей в контуре воды, од­нако чрезмерно большая продувка снижает экономичность паротурбинной установки вслед­ствие потери теплоты с продувочной водой.

Сепарация капельной влаги из пара. Для получения чистого пара прежде всего необ­ходима возможно полная его осушка, т. е. сепарация капелек влаги из потока пара. К сепарационным системам предъявляются следующие основные требования: низкая влажность выдаваемого пара, высокая удель­ная паровая нагрузка, малое гидравлическое сопротивление.

Сепарация влаги основывается на разности плотностей воды и пара. Капля влаги в паро­вом объеме барабана подвержена воздейст­вию двух противоположно направленных сил: подъемной силы и силы тяжести. Соотноше­ние этих сил и длительность воздействия на каплю приводят либо к уносу капли паром, либо к осаждению ее на поверхность воды. Очевидно, больший эффект сепарации дости­гается при меньшей подъемной скорости пара в барабане, а для этого необходимо загрузить его по возможности равномерно по сечению.

Наиболее простыми и вместе с тем эффективными устройствами, способствующими се­парации потока, являются дырчатые щиты, выполняемые из стальных листов с отвер­стиями диаметром 5—12 мм. Один дырчатый щит устанавливается на 300—150 мм ниже среднего уровня воды в барабане — подтоп­ленный щит (в парогенераторах АЭС), другой в паровом объеме перед отводящими труба­ми — пароприемный потолок. Оба щита слу­жат для равномерной загрузки барабана па­ром по сечению. Для равномерной раздачи пара при барботаже по всему горизонтально­му сечению барабана необходимо под дырча­тым листом создать сплошной паровой слой — паровую подушку. Условие устойчивого су­ществования паровой подушки (см. § 13.1) определяется скоростью пара в отверстиях щита. Эта скорость зависит от давления. Чем выше давление, тем она меньше (рис. 15.2).

В барабан мощного котла из каждой паро­образующей трубы поступает в среднем до 1000 кг/ч, а из отдельных труб и до 1500 кг/ч пароводяной смеси. Эти мощные потоки вы­брасываются в барабан с большим запасом энергии, которую с целью минимального увлажнения пара необходимо погасить. Гаше­ние кинетической энергии пароводяных струй также происходит в паросепарационных уст­ройствах.

В качестве основного паросепарационного устрой­ства в мощных барабанных котлах применяют циклон­ные сепараторы пара, размещенные внутри барабана. Внутрибарабанный циклонный сепаратор (рис. 15.3) представляет собой цилиндрический вертикальный кор­пус диаметром 300—400 мм, к которому тангенциально подводят пароводяную смесь со скоростью 6—8 м/с. При входе в циклон кинетическая энергия пароводяного потока приводит к центробежному эффекту, поток за­кручивается, прижимаясь к поверхности циклона. Вода, прижатая к стенке, стекает вниз, а пар со скоростью около 1 м/с равномерно по всему сечению циклона вы­ходит в паровой объем барабана из-под крышки (рис. 15.4). Крестовина в нижней части циклона пре­образует вращательное движение воды в поступатель­ное (вертикальное), и она спокойно, не закручиваясь, через поддон выходит в водяной объем барабана. Чи­сло циклонов в рабабане определяется единичной на­грузкой на циклон, которая в свою очередь зависит от его размеров и давления: при диаметре 300 мм нагрузка на циклон принимается при 4, 10 и 15,5 МПа соответственно 4, 6 и 10 т/ч.

Внутрибарабанная циклонная сепарация эффектив­на, но связана с преодолением дополнительного гидрав­лического сопротивления, что должно учитываться в расчетах циркуляции.

В сепарационных схемах барабанных котлов ши­рокое применение получили выносные циклоны, разме­щаемые вне барабана. Выносной циклонный сепаратор (рис. 15.5) представляет собой вертикальный коллектор диаметром 350—450 мм. Пароводяную смесь подводят тангенциально, благодаря чему процесс сепарации па­ра протекает так же, как и во внутрибарабанном цик­лоне. Высота циклона определяется суммой необходи­мых высот парового (1,5—2,5 м) и водяного (2—2,5 м) . объемов, что обеспечивает хорошую сепарацию и стаби­лизацию работы опускных труб контура циркуляции, присоединенного к выносному циклону.

В водоларовом тракте прямоточных котлов между топочными экранами и последующими за ними поверх-

1 — коллектор; 2 — подвод пароводяной смеси; 3 — за - вихритель; 4 — дырчатый щит; 5 — пароогводящая тру­ба; 6 — воздушник; 7 — про­дувка; 8 — опускные трубы; 9 —1 подвод воды из бараба­на; 10 — крестовина.

/ — коллектор; 2 — вставка за - внхрителя; 3 — завнхритель; 4 — конусный раздатчик; 5 — вход пароводяной смеси; 6 — выход пара; 7 ^ дренаж отсепариро - ванной влаги.

М/с 20

Рис. 15.7. Скорость пара, при которой происходит срыв капель с поверхности жидкой пленки в зависимости от давления.

Рис. 15.8. Первичный центробежный сепаратор аксиаль­ного типа.

1 — завнхритель; 2 — циклон; 3 — канал первичного отвода от - сепарированной влаги; 4 — лопатки для прекращения вращения потока; 5 — канал вторичного отвода отсепарированной влаги; 6 —- сепарационные лопатки вторичного отвода; 7 — предосуши - тель.

Шим перегревом перед ЦНД. Технологическая схема сепарации определяется типом реак­тора.

В графито-водяных реакторах канального типа насыщенный водяной пар сепарируется в горизонтальных барабанах, расположенных вне реактора. На реактор большой мощности устанавливается несколько параллельно вклю­ченных барабанов. Так, в оеакторной установ­ке РБМК-Ю00 (мощность 1000 МВт) таких барабанов-сепараторов четыре. Барабаны-се­параторы изготавливаются из углеродистой стали 22К и по всей внутренней поверхности покрываются слоем из нержавеющей стали. Диаметр барабанов 2,3 м, длина 31 м. Схема включения барабанов-сепараторов реактора РБМК-1000 показана на рис. 24.13. Размеры барабанов и их количество не связаны с га­баритами реактора, и потому они выбираются из условий достижения максимальной осушки пара. Это позволяет отказаться от специаль­ных сложных сепарирующих аппаратов, мак­симально использовать эффект осадительной сепарации и применить простейшие и вместе с тем достаточно эффективные устройства

В виде подтопленного щита и пароприемного потолка. Барабаны-сепараторы описанной кон­струкции позволяют получать пар влажностью, не превышающей 0,1%.

В водо-водяных кипящих реакторах кор­пусного типа сепарация организуется в одном корпусе с реактором (см. рис. 24.12). Осади - тельная сепарация пара в условиях малого объема недостаточно эффективна. Образую­щаяся в кассетах активной зоны реактора пароводяная смесь поступает в сборный ко­роб, откуда по параллельным патрубкам- стоякам попадает в циклоны аксиального ти­па. После разделения вода возвращается в во­дяной объем, а пар, поднимаясь в центральной части циклона, поступает в осушитель, а от­туда через выходные патрубки направляется по паропроводам в турбину.

Одна из возможных конструкций первичного цент­робежного сепаратора для корпусного реактора показа­на на рис. 15.8. Под воздействием центробежных сил, развиваемых завихрителем, пароводяная смесь разде­ляется на периферийный слой воды, движущийся вдоль внутренней цилиндрической стенкн циклона, и централь­ный паровой поток. Основная масса воды удаляется из циклона через канал первичного отвода, в котором на лопатках прекращается ее вращение. Остаток воды, не попавший в канал первичного отвода, удаляется из канала вторичного отвода, в котором предусмотрены лопатки для выделения поступившего в этот канал пара. Последний вместе с основным потоком пара проходит предосушитель и далее направляется в осушитель.

Осушитель чаще всего представляет собой систему параллельных вертикально расположенных гофрирован­ных пластин из нержавеющей стали (рис. 15.9). В каж­дом гибе пластин приварена полоска, образующая вер­тикальный карман для улавливания и отвода влаги.

Промывка пара. Перепишем уравнение (14.4) в виде Cn=CB((d+kр), из которого сле­дует, что повышение качества пара может быть достигнуто улучшением качества пита­тельной воды (связанным с усложнением и удорожанием водоподготовки), уменьшением влажности пара (достигаемым сепарацией влаги из потока пара) и уменьшением коэф­фициента распределения. Последний является константой равновесия между кипящей водой и насыщенным паром и зависит от физико-хи­мических свойств растворенных в воде ве­ществ и давления. Для данного растворенного в воде вещества, заданного давления и при­нятой концентрации примеси коэффициент распределения является величиной постоян­ной. В свою очередь &р= СГ^/СГ™, по­этому для получения более чистого пара при &p=const необходимо уменьшить концентра­цию примесей воды, что также связано с удо­рожанием водоподготовки.

Учитывая, однако, что чистота выдавае­мого пара определяется не водой, из которой он генерируется, а той водой, с которой он контактирует перед выходом в паровой объем, можно при данном качестве кипящей воды существенно уменьшить концентрацию приме­сей в паре в процессе его промывки, пропустив пар на последней стадии процесса через слой чистой воды, например конденсата или чистой питательной воды. Так реализуется барботаж - ная промывка пара.

Сущность барботажной промывки пара со­стоит в следующем (рис. 15.10). Пусть из котловой воды высокого солесодержания с концентрацией Ск. в образуется сухой пар с концентрацией СП. При этом в соответствии с растворяющей способностью пара для дан­ного вещества, зависящей только от парамет­ров, устанавливается равновесие, характери­зуемое коэффициентом распределения ki = = Спі/Ск. в. Далее, проходя слой питательной воды с концентрацией СПВ (воды низкого солесодержания), пар приобретает концентра­цию, соответствующую новому равновесию,

Сп. в^Ск. б

Отвечающему коэффициенту распределения k 2= Спг/Сп. в.

В процессе установления нового равнове­сия часть растворенной в паре примеси пере­ходит в воду, так как Сп2/Сп. B>'k2. При этом концентрация примеси в паре уменьшается, а в промывочной воде — увеличивается. При хорошем и достаточно длительном контакте обеих фаз в процессе промывки Cn2/C„B>ik2.

Поскольку оба процесса (образование па­ра и его промывка) протекают при одном и том же давлении, то ki = k2, и так как Ск. в3> ^>Сп. в, то Си2<^Сп1- Для достижения высокого эффекта промывки пар через промывочную воду пропускают мелкими струйками, напри­мер, через дырчатый щит. После промывки насыщенный пар подвергается повторной се­парации, и влажность пара доводится пример­но до уровня влажности его до промывки. В простейшем виде для промывки пара при­меняют дырчатый щит (рис. 15.11), на кото­рый подают промывочную воду. Для нормаль­ной работы необходимо, чтобы промывочная вода не «проваливалась» через отверстия дырчатого листа, что возможно при малых нагрузках. Это обеспечивается созданием определенной скорости пара (см. § 13.2).

Промывку пара организуют в паровом объеме барабана (см. рис. 15.4). Необходи­мый уровень промывочной воды поддержи­вается верхней закраиной щита. Размеры промывочного устройства требуют, чтобы внутренний диаметр барабана был не менее 1600—1800 мм. В качестве промывочной воды применяют питательную воду. Количество во­ды, необходимой для промывки пара, зависит от паропроизводительности. В современных котлах вся питательная вода подается в раз­дающий короб, а ее избыток сливается через переливную щель в этом коробе непосредст­венно в водяной объем барабана, минуя про­мывку.

Ступенчатое испарение. Баланс солей для простейшей схемы водного режима барабан­ного котла с продувкой (рис. 15.12) имеет следующий вид:

ДСп + ДпрСпр=(Д+/)Пр)Сп. в. (15.5)

Разделив левую и правую части уравнения (15.5) на D и обозначив Dnv/D = p, получим:

Сп+рСщ,= (1 +р) Сп. в,

Сш в - Ск в' Спр- Сш ~~ концентрации веществ соответственно в питательной воде, котловой воде, продувочной воде и паре.

Откуда

С ___ J

Up

Пренебрегая солесодержанием пара (Сп~0) и принимая продувку р, например, равной 1%, получаем:

Г — С + °'01)СП. в =

Пр W. B 0,01

= Ю1СП

Из последнего уравнения следует, что в указанных условиях пар образуется из кот­ловой воды с солесодержанием, в 101 раз превышающим солесодержание питательной воды, и качество пара можно повысить уве­личением продувки, что экономически невы­годно. Согласно ПТЭ непрерывную продувку выбирают в пределах 0,5—1,0% при воспол­нении потерь дистиллятом испарителей или обессоленной водой и 0,5—3% при восполне­нии потерь химически очищенной водой.

Более совершенным является водный ре­жим, организованный по схеме ступенчатого испарения (метод ступенчатого испарения предложен Э. И. Роммом). Барабан делят перегородкой на два отсека (рис. 15.13). К каждому из отсеков присоединяют свою группу контуров циркуляции, не имеющих связи по воде. Лишь отверстие в разделяю­щей барабан перегородке соединяет водяной объем обоих отсеков. Питательную воду по­дают в первый (большой) отсек, продувку осуществляют через второй (малый) отсек. Котловая вода из первого отсека через отвер­стие в перегородке поступает во второй отсек, и уровень воды в нем устанавливается ниже, чем в первом. Весь пар из барабана отводят через первый отсек.

W0%LCn

Схема испарения, показанная на рис. 15.13, имеет две ступени. Приняв, например, паро- производительность первой ступени Пх=80%, а второй ли=20%, получим соответствующие концентрации примесей в котловой воде: в первой ступени испарения

Г1 — + + _ (80 + 20 + 1)СП. В __

К. в Пц + Р 20+1 —

= 4,8СП. В; (15.9)

Во второй ступени испарения Си + _(20 + 1)*.8Сп.>=г101С

К. В р 1 П'в'

(15.10)

Видно, что при двухступенчатом испарении С'в<с^в, поэтому первый отсек, где соле со­держание воды невелико, называют чистым, а второй, в котором находится вода высокого солесодержания, — солевым отсеком. Отноше­ние СІ!С1кв называют кратностью концент­рации. Для приведенного примера 80% всего количества пара образуется из воды с низким солесодержанием, и поэтому основная масса пара получается более высокого качества, чем в схеме одноступенчатого испарения, и лишь 20% пара образуется из такой же воды, как в простой схеме. Следовательно, качество па­ра, полученного при двухступенчатой схеме, оказывается значительно выше, чем при одно­ступенчатой.

Перетекание воды из чистого отсека в со­левой является внутренней продувкой чистого отсека. В отличие от внешней внутренняя про­дувка не сопровождается потерей ни теплоты, ни рабочей среды, и поэтому ее значение вы­бирают только из соображения максимально возможного улучшения качества пара. В свою очередь значение этой продувки определяет производительность солевого отсека. В связи с этим возникает вопрос о выборе оптималь­ной производительности солевого отсека, ко­торая устанавливается расчетом. Задаваясь различными значениями производительности солевого отсека пц, в результате расчета определяют качество выдаваемого насыщенно­го пара при выбранной внешней продувке р. Очевидно, что производительности второй сту­пени испарения пц=0 и гац=Ю0% соответ­ствует водный режим без ступенчатого испа­рения и потому качество пара в обоих случаях должно быть одинаковым и соответствовать наибольшему его загрязнению. Для всей об­ласти работы по схеме ступенчатого испаре­ния 0<яи< 100% качество пара выше, а со­держание в нем примесей ниже, чем в простой одноступенчатой схеме (рис. 15.14). Расчетом

Устанавливается оптимальная производитель­ность «и, при которой достигается минималь­ное содержание примесей в паре. Каждой внешней продувке р соответствует свое опти­мальное значение Пц.

При внутрибарабанном ступенчатом испа­рении ввиду ограниченности высот водяного и парового объемов разность уровней невелика, и это может вызвать обратные перетоки воды. Увеличение разности за счет повышения уров­ня воды в чистом отсеке связано с уменьше­нием высоты парового объема и, следователь­но, с ростом капельного уноса, а снижение его в солевом отсеке может вызвать нарушение циркуляции.

При использовании выносных циклонов в качестве сепарационного объема и звена, за­мыкающего контур циркуляции солевого от­сека, 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.

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, как показано на рис. 15.13, либо вне его — в выносных циклонах (рис. 15.15). В трехступенчатой схеме обычно первую и вто­рую ступени выполняют в барабане, а третью — в выносном циклоне (рис. 15.16).

В выносных циклонах можно выполнять любой высоты паровой и водяной объемы. Это обеспечивает хорошую осушку пара (за счет большой высоты парового объема) и надеж­ную работу циркуляционных контуров (за счет большой высоты водяного объема), а также предотвращает вынос воды из соле­вого в чистый отсек.

Ступенчатое испарение позволяет повы­сить чистоту пара при заданном качестве пи­тательной воды и данном значении продувки. Оно позволяет также получить удовлетвори-

Рис. 15.15. Двухступенчатая схема организации водного режима с выносным циклоном.

1— барабан; 2— парообразующие трубы чистого отсека; 3 — подвод питательной воды; 4 — солевой отсек (выносной циклон); 5 — опускная труба; 6 — парообразующие трубы солевого от­сека; 7 — продувка; 8 — линия питания контура солевого отсе­ка; 9 — пароперепускпая труба; 10 — пароотводящая труба.

Тельную чистоту пара при воде более низкого качества, что упрощает и удешевляет водо - подготовку. Ступенчатое испарение позволяет

Также повысить экономичность паротурбинной установки вследствие уменьшения продувки без заметного снижения качества пара.