Расчет котлов и котельных установок

ПОЛУЧЕНИЕ ЧИСТОГО ПАРА. ВНУТРИБАРАБАННЫЕ УСТРОЙСТВА

Содержание примесей в паре на выходе из Kowia не Должно превышать допустимых значений, которые определяются условиями предотвращения солевых отложений в тракте перегре­ватель—турбина.

19. Нормы качества пара для барабанных котлов

Р, МПа

Нормируемый показатель

До 4 4,9—10 свыше 10

Соединения натрия (в пересчете на Na), мкг/кг

Кремневая кислота (в пересчете на Si02), мкг/кг

TOC o "1-3" h z 60 15

100 25

— ' 15 *

— 25 *

КЭС, ТЭЦ

КЭС ТЭЦ

* Начиная с давления 7 МПа.

В прямоточном котле, где часть примесей, содержащихся в воде, откладывается на поверхностях нагрева, а оставшаяся часть переходит в пар и уносится им, единственный путь получе­ния чистого пара — это улучшение качества питательной воды. С ростом давления рабочей среды концентрация примесей в паре увеличивается, а качество его приближается к качеству питатель­ной воды. В связи с этим качество пара, выдаваемого прямоточ­ным котлом, нормируют по питательной воде. Поэтому требова­ния к качеству питательной воды у прямоточных котлов значи­тельно выше, чем у барабанных.

В барабанном котле чистота пара определяется растворимостью солей в паре и механическим уносом капель влаги потоком пара в барабане. Растворимость веществ в паре имеет ряд особенностей. Во-первых, вещества в паре растворяются избирательно. При идентичных условиях растворимость в паре различных соедине­ний неодинакова. Во-вторых, растворяющая способность пара с повышением давления увеличивается. Поэтому при низком и среднем давлении, когда растворимость солей в паре мала, чи­стота пара в основном определяется уносом капель влаги. Кон­центрация солей в паре в этом случае зависит не столько от ка­чества захваченной паром влаги, сколько от концентрации солей в ней. Чем меньше концентрация солей в воде, тем чище пар.

При высоком и сверхвысоком давлении пара на его чистоту, кроме механического уноса капель влаги, существенное влияние оказывает и повышенная растворимость солей в паре. В первую очередь кремневой кислоты, а затем солей натрия, гидрооксидов меди и железа.

Получение пара, соответствующего по своей чистоте нормам (4абл. 19), в барабанных котлах достигается благодаря осуществ­лению следующих мероприятий:

Питания котла водой соответствующего качества; организацией продувки водяного объема барабана котла, часто дополняемой ступенчатым испарением;

Уменьшением влажности насыщенного пара путем сепарации влаги из пара в специальных устройствах и обязательной промыв­
кой насыщенного пара высо­кого давления питательной во­дой. Ниже рассматриваются основные из них.

Ступенчатое испарение явля­ется весьма эффективным мето­дом повышения чистоты пара. Этот метод позволяет при за­данном качестве питательной воды для одинаковых значений продувки получить более чи­стый пар, чем при одноступен­чатом испарении.

Сущность его состоит в сле­дующем. Водяной объем бараба­на котла и парообразующие циркуляционные контуры котла делят на несколько отсеков (ступеней) рис. 104, соединенных парал­лельно по пару и последовательно по воде. Питательная вода подается в первую ступень /, для второй ступени II питатель­ной водой является продувочная вода первой ступени. Продувоч­ная вода второй ступени II поступает в третью ступень III и т. д. Концентрация примесей в воде нарастает от ступени к сту­пени. Продувку котла проводят из последней ступени, в воде которой содержится максимальное количество примесей. Наи­большее распространение в современных котлах получили двух - и трехступенчатые схемы рис. 104. Вторая ступень II может быть организована внутри барабана, либо вне его — в выносных цик­лонах. В трехступенчатой схеме первую / и вторую II ступени выполняют в барабане 1, а третью III — в циклоне 2. Во вторую и третью ступени испарения частично или полностью включают боковые экраны 3. При питательной воде с умеренным солесодер - жанием используют двухступенчатую схему испарения. При питательной воде низкого качества — трехступенчатую. Произ­водительность каждой ступени испарения выбирают из условия обеспечения минимального соле - и кремнесодержания пара на выходе из барабана с использованием уравнений солевых балан­сов. Для схемы двухступенчатого испарения котлов высокого дав­ления, когда общее солесодержание пара в основном определяется уносом кремневой кислоты, эти уравнения имеют вид:

Sinc (1 + р) = Siгр + Sinfln;

Sii (л2 +, р) — Si2/c2«2 + Si2p; ^іцдп == Sii/Cjfij - f - Sia/c2/tj;

1 = tlx + n2,

Где Sinc, Sin„n, Sii и Si2 — кремнесодержание соответственно питательной воды первой ступени испарения, пара до промывоч­ного устройства, котловой воды в первой и второй ступенях ис­
парения, мг/кг; К = Si^m/Sii, = Sinnn2/Si2 — коэффициенты' уноса кремневой кислоты паром в первой и второй ступени испа-" рения; пх и л2 — относительная паропроизводительность первой и второй ступени испарения, в долях от паропроизводительности; котла; р — величина продувки, в долях от паропроизводитель­ности.

Кремнесодержание питательной воды первой ступени испаре­ния зависит от способа подачи питательной воды в барабан. При отсутствии паропромывочного устройства Sinc = SinB. При по­даче всей питательной воды на паропромывочное устройство

С; SinB (1 + Р — 0,5*пРв) + Si1<c1n1 + Sia*jj/i8 0,5 1 + Р + 0,5кпрв

Где /Спрв = SiHn/Sinpb — коэффициент уноса кремневой кислоты' паром в паропромывочном устройстве; SiHn — кремнесодержание насыщенного пара на выходе из барабана, мг/кг; SinpB — кремне­содержание паропромывочной воды, мг/кг.

Чем хуже качество питательной воды, тем выше должна быть паропроизводительность второй и третьей ступеней испарения. Однако суммарная их производительность не должна превышать 30 % паропроизводительности котла, а паропроизводительность третьей ступени должна быть около 7 %.

Сепарация уменьшает количество примесей, уносимых паром из барабана котла. Допустимая влажность пара на выходе из ба­рабана определяется давлением и наличием его промывки. При отсутствии последней влажность пара должна быть не более 0,02 %. При высоком давлении, когда необходимое количество пара обеспечивается в первую очередь промывкой его питатель­ной водой, влажность может быть выше 0,05 %, но не более 0,1 %.

Процесс образования капелек в паровом объеме определяется принятой схемой подвода пароводяной смеси из парообразующих труб в барабан. При подаче пара выше зеркала испарения капельки в паровом объеме образуются в результате дробления влаги, поступающей с паром в барабан из парообразующих труб. При подводе пароводяной смеси под зеркало испарения, как это выпол­нено у большинства современных энергетических котлов, образо­вание мелких капель происходит вследствие разрыва оболочек единичных пузырей при выходе их из водяного объема барабана.

В паровом объеме на каплю влаги действуют две противопо - " ложно направленные силы: подъемная сила, создаваемая потоком пара, и сила тяжести. Соотношение этих сил и длительность их воздействия на каплю приводят либо к уносу ее паром, либо к осаж­дению на поверхность воды (осадительная сепарация).

Эффективность этого процесса во многом определяется ско­ростью пара, высотой парового объема барабана и равномерно­стью загрузки зеркала испарения. Больший эффект осадительной сепарации достигается при меньшей подъемной скорости пара в барабане, т. е. когда средняя весовая паровая нагрузка на 158

Д) в)

Рис. 105. Схемы типовых внутрибарабанных уст­ройств:

А — среднего давления; б — высокого давлення; в — низ­кого давления

Метр длины цилиндрической части барабана, т/(ч м), невелика:

Аб = £>//„,

Где D — паропроизводительность котла, т/ч; /ц — длина цилин­дрической части барабана, м.

Снижение весовой нагрузки хотя и повышает эффект осади - тельной сепарации, однако приводит к увеличению размеров ба­рабана, что нельзя признать рациональным особенно для котлов высокого давления. В то же время с увеличением величины аб возрастает унос влаги. Максимально допустимая весовая паро­вая нагрузка при равномерном выходе пара с зеркала-испарения для давления больше 10 МПа

(аб)тах« 80d6ko,

Где d6 — внутренний диаметр барабана, м; k6 — критерий, ха­рактеризующий скорость легкой фазы, соответствующую возник­новению кризисных явлений в двухфазных потоках.

Для котлов без промывки пара при высоком качестве питатель­ной воды k6 с (0,4-f-0,6), с промывкой k6 < (0,29-^0,32).

Сушка пара, как правило, достигается с помощью внутриба­рабанных устройств:

Гашением кинетической энергии пароводяных струй; истекаю­щих из парообразующих труб;

Начальным разделением пароводяной смеси; равномерной раздачей пара по зеркалу испарения с последую­щей «тонкой» его сушкой в паровом объеме.

Тип и конструкция применяемых в барабане устройств зави­сят от единичной мощности котла и параметров пара. Схемы типо­вых внутрибарабанных устройств, проверенных в эксплуатации и освоенных в производстве, показаны на рис. 105.

Гашение кинетической энергии струи пароводяной смеси и на чальное разделение последней в барабане 1 котла среднего дав­ления осуществляется с помощью отбойных щитков 2 (рис. 105, а), жалюзидроссельных стенок с горизонтальным расположением пластин и т. п., а в барабане котла высокого давления с помощью внутрибарабанных циклонов 6 (рис. 105, б). Равномерность рас­пределения пара по сечению барабана и пароотводящим трубам обеспечивается применением уравнительных дроссельных щитов как в водяном объеме (погруженный щит 12 с отверстиями, рис. 105, в), так и в паровом объеме на выходе из барабана (паро - приемный потолок 4, рис. 105, а, б).

Тонкая сушка пара достигается осадительной сепарацией капель влаги в паровом объеме барабана и использованием инер­ционного жалюзийного сепаратора 3.

Отверстия в погруженном листе 12 выполняют диаметром не менее 10 мм (для предотвращения забивания их шламом).

Щит располагают на 50—75 мм ниже низшего массового уровня в барабане 1 с расстоянием до стенок барабана не менее 150 мм для стока воды. Равномерность раздачи пара по всему горизон­тальному сечению барабана достигается путем создания под погруженным щитом сплошной паровой подушки 11, устойчивость существования которой определяется скоростью движения пара в отверстиях. Чем выше давление в барабане, тем скорость должна быть меньше. Рекомендуются следующие скорости пара:

TOC o "1-3" h z Давление пара, МПа...................................... ....................... 4 8 12 14

Скорость пара в отверстиях погруженного щита, м/с:

Минимальная................................ 1 0,55 0,4 0,35

Рекомендуемая........................................................... 8 2,15 1,8 1,65

Л

Опасность захвата больших количеств пара в опускные трубы при этом исключается достаточной высотой слоя воды от нижней плоскости щита до входа в опускные. трубы 10. Для предотвра­щения прорыва пара в паровой объем, минуя щит, края щита загибают вниз на высоту не менее 50 мм.

Пароприемный потолок 4 устанавливается в паровом простран­стве перед пароотводящими трубами 5. Диаметр отверстий в по - 'Толке 5 мм. Их число определяется из условия обеспечения опти­мальной скорости пара. Некоторые значения приведены ниже.

Давление пара, МПа..................................................................... 8 11,3 15,2

Скорость пара в отверстиях пароприемного потолка, м/с 10 4—7 3—6

Наряду с использованием осадительной сепарации капель влаги в паровом объеме, в барабанных котлах широко применяют инерционные сепараторы. К ним относят: жалюзийные сепара­торы 3, внутрибарабанные 6 и выносные циклоны.

Жалюзийные сепараторы часто применяют совместно с паро - приемным потолком. Его назначение — сепарация транспорти­руемой потоком пара влаги. Жалюзийные сепараторы 3 представ - 160 ляют собой набор большого количества волнистых пластин ши­риной 80 мм, расстояние между которыми около 10 мм. Отделение капель воды в сепараторе происходит ввиду изменения направле­ния движения пароводяного потока при прохождении криволи­нейных каналов. Капли влаги под действием сил инерции попа­дают на пластины, смачивают их поверхность и стекают в виде струек. Захват влаги паром из этих струй невозможен, так как скорость пара мала, а капли влаги достаточно крупные. По рас­положению в паровом пространстве пакеты жалюзи подразделяют на горизонтальные и наклонные. Последние устанавливают под углом 10—30° к вертикали. Наклонные жалюзи обеспечивают от­носительно большую эффективность сепарации. Поэтому их при­меняют при высоких весовых нагрузках барабана. Рекомендуемая скорость набегания пара на жалюзи определяется из зависимости

Шж с = kxcA,

Где kmc — коэффициент пропорциональности, для горизонталь­ных пакетов kmc = 0,35^-0,45; для вертикальных kmc — 1-ї-1,3; А = i^qa (р' — р")/(р")2— вспомогательный параметр, м/с; о — коэффициент поверхностного натяжения воды, кг/с2; р" и р' — плотность соответственно пара и воды на линии насыщения, кг/м3.

Высота парового объема от верхнего уровня воды до жалю - зийного сепаратора должна быть не менее 400 мм.

Внутрибарабанный циклон используют в качестве основного паросепарационного устройства в мощных барабанных котлах (рис. 106). Он представляет собой цилиндрический вертикаль­ный корпус 3 диаметром 290—350 мм, к которому тангенциально через патрубок 2 подводят пароводяную смесь со скоростью 6— 8 м/с. В циклоне осуществляется двухступенчатая сепарация.

Первая ступень — центробежная, она создается за счет тан­генциального подвода пароводяной смеси. Поток закручивается, прижимаясь к поверхности циклона. Вода, прижатая к стенке, стекает вниз. Пар со скоростью около 1 м/с равномерно по всему сечению циклона из под крышки 1 выходит в паровой объем.

Вторая ступень — осадительная. Она имеет место при движе­нии пара в объеме циклона. Для предотвращения. прорыва пара через низ циклона, последний перекрывается донышком 5, обра­зующим кольцевое сечение, с расположенными на нем направляю­щими лопатками 4. Последние обеспечивают спокойный сток воды.

Внутрибарабанные циклоны создают равномерную подачу пара в паровой объем барабана по его длине и позволяют снизить ценообразование котловой воды. Однако установка их сложна, особенно монтаж соединительных коробов. Поэтому их применяют при нагрузках, превышающих предельную для погруженных щитов с отверстиями. Число циклонов в барабане определяется единичной нагрузкой на циклон, которая в свою очередь зависит

V» 6 Даойнншвнков В. А. ■ др. 161

Рис. 107. Вьшоёвой циклон

От его размеров и давления в барабане. Так, при диаметре 290 мм нагрузка принимается 4,2; 7,0; 8,2 f/ч соответственно дЛя давле­ния 4, 11,3 и 15,2 МПа.

При ступенчатом испарении пар может осушаться и в вынос­ных циклонах рис. 107. Выносные циклоны располагают вне барабана котла и соединяют с ним по пару и воде (см. рис. 104). Выносной циклон представляет собой коллектор 2 (см. рис. 107)^ с внешним диаметром 273—426 мм (чаще всего 426 мм). Пароводя­ная смесь подводится тангенциально, через штуцера 3, благодаря | чему процесс сепарации пара протекает так же, как и во внутри - барабанном циклоне.

Выравнивание поля скоростей пара по сечению циклона дости­гается с помощью листа 1 с отверстиями, расположенного в верх­ней части циклона. Суммарная площадь отверстий принимается І равной 10—20 % площади поперечного сечения циклона. Диа­метр отверстий 6—10 мм. В нижней части водяного объема уста­навливают крестовину 4, препятствующую воронкообразованию и захвату пара в опускные трубы 5. Подвод пароводяной смеси к циклонам осуществляется выше уровня воды в барабане на 200—500 мм, считая от нижнего штуцера.

Высота циклона определяется суммой необходимых высот парового (1,5—2,5 м) и водяного (2—2,5 м) объемов. Значения па­ровой нагрузки осевой скорости для выносных циклонов приве­дены ниже.

С увеличением давления в барабане при росте растворимости кремниевой кислоты возрастает ее содержание в паре. При дав­лении выше 11 МПа даже абсолютная сушка пара не обеспечи­вает его требуемого качества. Снижение содержания кремниевой кислоты в паре в этом случае достигается путем промывки его питательной водой в паропромывочном устройстве барабана (см. рис. 105). Последнее состоит из барботажных листов 7 с от­верстиями диаметром 5 мм, устройства для подачи питательной водц & на листы и сливных коробов 9. Для достижения большего эффекта промывки насыщенный пар пропускают через слой пита­тельной воды мелкими струйками. Необходимый уровень воды на дырчатых листах поддерживается верхней загнутой кромкой листа. 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.

Качество пара повышается благодаря протеканию следующих процессов. Во-первых, капли концентрированной воды, унесен­ные паром, смешиваются с питательной водой и уходящий пар содержит влагу с меньшим солесодержанием. Во-вторых, ввиду большей растворимости примесей в воде, чем в паре, при прохож­дении паром слоя воды растворенные в нем вещества переходят в питательную воду, а промытый пар уносит с собой эти примеси в количестве, пропорциональном их содержанию в промывочной, а не в котловой воде. После промывки пар подвергают повторной сепарации.