КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Принципиальная тепловая и водорежимная схема энергетического блока ТЭС на сверхкритические параметры пара. Характеристики примесей воды

Принципиальная схема движения водного теплоносителя в контуре энергетического блока ТЭС на сверхкритические параметры пара представ­лена на рис. 12.1.

Конденсат отработавшего в турбине пара из конденсатора 1 подается насосами 2 и 4 в систему из подогревателей 5, 6 и 7, затем — в деаэратор 8, где происходит частичное удаление из воды газообразных примесей (кисло­род, углекислый газ, азот и т. д.). Из деаэратора питательная вода насосами 9 и 10 направляется в группу подогревателей высокого давления 12 и через регулятор питания РП подается в паровой котел 13. В паровом котле вода проходит через поверхности нагрева 14-17, 19, 20, где нагревается за счет теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в топочной камере котла, и уже в виде перегретого пара (545-565°С) поступает в паровую турбину.

Пройдя в турбине части сверхвысокого 23 и высокого 24 давления, пар направляется в промежуточный пароперегреватель 28 парового котла, где вновь нагревается до 545-565°С, после чего идет в турбину (часть среднего давления 25, затем часть низкого давления 26). В конденсаторе происходит конденсация пара, отвод теплоты при этом осуществляется охлаждающей водой 32.

Встроенная задвижка 18, встроенный сепаратор 29 и растопочный рас­ширитель 30 используются при пуске и останове парового котла.

Теплообмен в паровом котле происходит в условиях высокой темпера­туры (дымовые газы — до 1500- 1800°С, водный теплоноситель — до 545- 565°) и давления воды — до 32 МПа. Удельные тепловые потоки при этом достигают высоких значений - до 500-800 кВт/м2. Металл труб поверх­ностей нагрева работает в этих условиях с малым запасом по прочности.

ГЛАВА 12

Чтобы обеспечить высокую надежность и экономичность работы парово­го котла, необходимо учитывать особенность проявления теплофизических свойств воды и пара, теплопередачи к однофазному и двухфазному по­токам теплоносителя, гидродинамики однофазного и двухфазного потоков в одиночных трубах и пучках труб и т. д. Надежность работы металла труб поверхностей нагрева зависит также от таких процессов, как окалинообра- зование, коррозия, износ и занос летучей золой с газовой стороны, коррозия и отложение примесей на внутренней, водной стороне.

Интенсивность коррозии и образования отложений на внутренней стороне труб парового котла зависит от состава примесей воды и их количе­ства. Нормы качества питательной воды паровых котлов жестко ограничи­вают состав и количество примесей. Так, для паровых котлов сверхкритиче­ского давления концентрация примесей устанавливается на уровне единиц или (для отдельных веществ) десятков мкг/кг (1 мкг/кг= 1СГ9 кг). Получить воду высокого качества можно только с помощью системы конструкторских и профилактических мероприятий. В частности, на рис. 12.1 показано, что после конденсатора конденсат поступает в блочную очистительную (обес­соливающую) установку (БОУ) 3, где улавливается большинство примесей. Конденсат пара из ПНД и ПВД также подается в конденсатор и прохо­дит через БОУ. Профилактически проводится коррекция состава примесей конденсата и питательной воды путем ввода химикатов. Для каждого энер­гетического блока в зависимости от типа парового котла, параметров пара, металла, используемого в ПНД и других характеристик оборудования, вы­бирается свой оптимальный водно-химический режим.

Учитывая высокую стоимость подготовки питательной воды, органи­зуется замкнутый цикл движения водного теплоносителя, а потери воды и пара в цикле восполняются за счет подачи химически обессоленной до­бавочной воды 31 (рис. 12.1).

На тепловых электростанциях, кроме основного пароводяного конту­ра 1-31, существуют еще два контура, по которым циркулирует большая масса воды: система теплоснабжения 33-39, система воды 32, 40-43, охла­ждающей пар в конденсаторе.

Из замкнутой системы теплоснабжения на ТЭС поступает обратная сетевая вода 33 (рис. 12.1), которая нагревается в основном сетевом подо­гревателе 34 и, при необходимости, в пиковом сетевом подогревателе 35. После этого горячая сетевая вода 36 поступает тепловым потребителям 37.

Греющий пар на сетевые подогреватели поступает из отборов турбины, а конденсат 38 направляется в конденсатор турбины. В закрытой систе­ме теплоснабжения в качестве добавочной сетевой воды 39 допускается использовать техническую воду, прошедшую химическую обработку и де­аэрацию. Присадка гидразина в подпиточную и сетевую воду запрещается. Не рекомендуется использовать для подпитки сетевой воды продувочную и дренажную воду паровых котлов. Для открытых систем теплоснабжения используется питьевая вода без дополнительной химической обработки.

На ТЭС используется большое количество охлаждающей воды. Так, для охлаждения пара в конденсаторе турбины К-300-240 блока мощ­ностью 300 МВт необходимо около 12 м[2]/с воды. Для ТЭС мощно­стью 1 200 МВт это составит почти 50 м3/с или 180 000 м3/ч. Пример­но 10% этого количества воды требуется для охлаждения масла и воздуха, восполнения потерь в оборотных системах.

На рис. 12.1 представлена прямоточная система охлаждения: вода из крупного источника водоснабжения 40 (река, водоем с большим зеркалом испарения и т. п.) поступает в приемный колодец 41, откуда циркуляцион­ным насосом 42 подается в конденсатор 1 и через колодец 43 сбрасывается обратно в водоем 40. С охлаждающей водой в водоем сбрасывается огром­ное количество теплоты (в 1,5 раза больше электрической мощности ТЭС). Чтобы не нарушать экологическую обстановку в водоеме, тепловые сбросы не должны приводить к повышению температуры воды в водоеме более чем на 5°С в зимнее и на 3°С в летнее время. Водоем должен обеспечить есте­ственное охлаждение воды до температуры, необходимой для поддержания заданного вакуума в конденсаторе.

При отсутствии в районе ТЭС крупных источников водоснабжения используется оборотная система охлаждения. В этом случае охлаждение нагретой воды после конденсатора происходит в градирнях, брызгальных бассейнах, прудах-охладителях, в искусственных водохранилищах.

Качество охлаждающей воды должно быть таким, чтобы не происходи­ло образование отложений минерального и биологического характера в тру­бах конденсатора и других охладителей. Для этого в оборотных системах охлаждения применяют обработку воды реагентами (подкисление, декар­бонизация; фосфатирование), организуют продувку системы. Для предот­вращения биологических отложений в обоих видах охлаждающих систем применяют обработку воды сильными окислителями (газообразный хлор, его производные).

В качестве источников водоснабжения ТЭС используются поверх­ностные (из рек, озер, прудов) или подземные (из артезианских скважин) природные воды. В этих водах содержатся разнообразные примеси есте­ственного происхождения, в них попадают также загрязнения с бытовыми и промышленными стоками.

Природные воды, используемые для подпитки тепловых сетей, основ­ного пароводяного тракта и других технических целей на ТЭС, требуют сложной очистки на водоподготовительной установке (ВПУ). Предвари­тельная очистка (предочистка) предназначена для выделения из воды грубо - дисперсных и коллоидных веществ, снижения щелочности воды. На даль­нейших этапах производится очистка воды от истинно-растворенных при­месей. Для этого используют ионный обмен, термические методы (испари­тели) и другие.

Предочистка обычно включает следующие этапы обработки воды (см. рис. 12.1): фильтр грубой очистки 44, осветлитель 45, механический фильтр 46. В осветлителе совмещены два процесса: коагуляция и извест­кование. Для коагуляции используются глинозем (сернокислый алюминий), сернокислое железо, хлорное железо и т. д. В результате реакций в объеме воды появляется крупная хлопьевидная взвесь. Известкование воды произ­водится раствором извести или известковым молоком. При этом происходит снижение щелочности, декарбонизация, снижение солесодержания воды. В осветлителях, таким образом, в значительной степени удаляются взве­шенные и органические вещества, соединения кремния и железа. Твердая фаза удаляется из осветлителя, а вода подается на механические фильтры, в которых улавливаются взвешенные примеси.

Сущность ионного обмена заключается в использовании способности некоторых специальных материалов (ионитов) изменять в желаемом направ­лении ионный состав примесей воды. Ионно-обменные материалы, способ­ные к обмену катионами, называются катеонитами и используются при обработке воды в исходных Na-, Н - и ЫН4-формах: аниониты, способные к обмену анионами, используются в ОН-форме и, реже, в С1-форме.

Набор ионнообменных фильтров определяется требуемым качеством добавочной воды. Для примера на рис. 12.1 показана схема подготовки воды для подпитки системы теплоснабжения. После предочистки установлены последовательно два Na-катионитных фильтра 47,48. Затем умягченная вода подается в деаэратор 49, где удаляются кислород и углекислота. В деаэратор подается греющий пар 50 из отборов турбины.

По аналогичной схеме возможна подготовка воды для испарителей 52. Испарители поверхностного типа применяются на ТЭС для получения вто­ричного пара из химически обработанной воды. Этот пар конденсируется в охладителе 53, и конденсат 55 подается в бак чистой воды. По своему ка­честву дистиллят пригоден для использования в качестве добавочной воды для любых современных паровых котлов.

В последние годы испарители широко используются для утилизации различного вида сбросных вод. Вода продувки барабанных котлов, дрена­жей, сбросные воды из химцеха и т. д. подаются по трубопроводу 51 в деаэ­ратор 49, а затем — в испаритель 52. Продувочная вода испарителя с высо­кой концентрацией примеси охлаждается и направляется в доупаривающую установку 54. Выделенные при этом соли используются в промышленности или сбрасываются в специальные хранилища.

Учитывая высокие требования к качеству питательной воды для котлов сверхкритического давления, добавочная вода в основной паро­водяной тракт блока СКД проходит химическое обессоливание в три ступени. После предочистки вода (рис. 12.1) проходит две ступени Н-катионитных фильтров 56, 58 и первую ступень анионитного филь­тра 57, затем поступает в декарбонизатор 59, где происходит удале­ние свободной углекислоты. После декарбонизатора вода подается на вторую ступень анионитного фильтра 64 и в фильтр смешанного дей­ствия 65 (третья ступень ионного обмена). Добавочная вода 31 направ­ляется в конденсатор 1 паровой турбины, где проходит дополнительную деаэрацию.

В энергоблоках с прямоточными котлами СКД для очистки конденсата от солей и кремнекислоты, поступающих с присосами охлаждающей воды в конденсаторе турбины, и продуктов коррозии оборудования предусмат­ривается блочная обессоливающая установка (БОУ) 3, через которую про­пускается непрерывно весь конденсат. БОУ включает в себя механические фильтры для улавливания продуктов коррозии и других взвешенных приме­сей и фильтр смешанного действия (ФСД) для обессоливания турбинного конденсата, в ФСД осуществляется процесс совместного Н-ОН-ионирова - ния воды.

Для ТЭС с барабанными котлами высокого и сверхвысокого давления в качестве добавочной используется химически очищенная вода после двух ступеней Н-ОН-ионирования.

Характеристика воды и ее примесей. В зависимости от размера частиц все примеси разделяют на три группы:

— истинно растворенные примеси находятся в воде в виде ионов, от­дельных молекул, комплексов или групп молекул. Размер этих частиц менее 10"6 мм (10~3 мкм). В истинно растворенном состоянии в воде находятся газы (О2, СО2, H2S, N2), катионы и анионы солей Са2+, Mg2+, Na+, К+, SO2", НСО3 , Cl~, NO3 , NO2 ;

— коллоидно-растворенные примеси образованы большим числом мо­лекул и имеют размеры частиц порядка 10~6-10~4 мм (10—3—10~1 мкм). Эти примеси могут быть как органического (гуминовые вещества, вымы­ваемые из почвы), так и минерального (кремниевые кислоты, соединения железа) происхождения;

— грубодисперсные примеси с размером частиц более 10~4 мм (10~1 мкм). Это растительные остатки, частицы песка, глины и т. д.

Концентрация грубодисперсных веществ в воде определяется путем фильтрования воды через бумажный фильтр.

Солесодержание — суммарная концентрация в воде катионов и анио­нов за исключением ионов Н+ и ОН~ мг/кг. Косвенно о солесодержании можно судить по сухому остатку.

Сухой остаток (мг/кг) определяют путем выпаривания определенного объема воды (после фильтрования) и последующего просушивания остатка при температуре 110-120°С.

Окисляемость характеризует содержание в воде органических ве­ществ; определяется по количеству окислителя, расходуемого на их окис­ление. В качестве окислителя обычно используется пермаганат калия КМ11О4 — «пермаганатная окисляемость», мг/кгС>2.

Общая жесткость — суммарная концентрация в воде катионов кальция и магния, мг-экв/кг.

Общая щелочность — суммарная концентрация в воде растворенных гидрооксидов и анионов слабых кислот НСО3 и СО~ за вычетом концен­трации ионов водорода, мг-экв/кг.

Пересчет концентрации веще ствСн, измеряемой в мг-экв/кг (мкг-экв/кг), на концентрацию См, мг/кг (мкг/кг), производится по формуле

См — С'н • Э,

Где Э — эквивалентная масса, равная молекулярной массе вещества, поде­ленной на валентность.

Для кальция эквивалентная масса равна 20,04, для магния -- 12,16 мг/мг-экв (мкг/мкг-экв).

I

Рис. 12.2. Зависимость нлотности воды р от температуры Т и давления р.

Рассмотрим еще одну зависимость: плотность водного теплоносите­ля от температуры (рис. 12.2). Отметим, что при докритичееком давлении

Существует двухфазная область, в пределах которой происходит резкое из­менение плотности среды при постоянной температуре, а при сверхкри­тическом давлении значительное изменение плотности среды происходит в зоне большой теплоемкости.

Аналогично плотности зависит от температуры и диэлектрическая проницаемость воды.

Возьмем две частицы с зарядами Qi и Q2 (рис. 12.3). По закону Кулона сила взаимодействия между ними

(-1-

47Г€о

Где г — расстояние между зарядами; єо, є — диэлектрическая проницаемость в пустоте и данной среде, соответственно.

Для водного теплоносителя на рис. 12.4 показана зависимость диэлек­трической проницаемости от температуры.

Вода при низкой температуре обладает высокой проницаемостью. Этим обусловлена хорошая растворяющая способность воды.

Поваренная соль NaCl при комнатной температуре на воздухе пред­ставляет собой кристаллическое твердое вещество. Поместим ее в воду. Так как молекулы воды (Н2О) представляют собой электрически заряжен­ные частицы, то они будут притягиваться к ионам Na+ и С1~ соответственно стороной 02~ и Н+ — процесс гидратации. Количество молекул воды, на­
ходящихся в непосредственной близости от молекулы NaCl, показывает ее координационное число.

Значение диэлектрической проницаемости г = 80 показывает, что элек­тростатические силы взаимодействия между ионами Na+ и С1~ в воде уменьшаются в 80 раз по сравнению с силами в пустоте. За счет этого ослабления сил взаимодействия Na+ и Cl~ эти ионы «растаскиваются» мо­лекулами воды и кристаллическая решетка NaCl разрушается. Происходит диссоциация молекулы NaCl на йоны Na+ и С1".

Аналогичные процессы протекают и с другими веществами, контакти­рующими с водой.

Частичной диссоциации подвергается и сама вода:

Н20 Н+ + ОНГ

Или

2Н2О —» НзО+ 4- ОН". Константа равновесия диссоциации

И „ flQH п Срп

Где ан, «он, &н2о — активность соответственно ионов Н+, ОН" и молекул Н2О; Сн, Сон Сн2о — аналогично — концентрация.

При очень малой концентрации ионов Hf и ОН" их активность прак­тически равна концентрации. Преобразуем (12.2)

Hp ' Сн2о = Сн • Сон (12.3)

И обозначим

Kp • Сн2о = kw. (12.4)

Величина kw называется водным числом. Оно может быть вычислено через концентрации ионов Н+ и ОН-

&w = CH-Coh - (12.5)

При температуре 20°С и атмосферном давлении величина kw = = Ю-11 г-ион/л. Чистая вода нейтральна, т. е. концентрации ионов Н+ и ОН" равны

Сі = Сон — 10"' г-ион/л.

Отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода называют водородным показателем воды рН

РН = - log Си = - log Ю-7 = 7.

Аналогично — гидроксыльный показатель воды рОН рОН = - log Сон - - log Ю-7 = 7.

Химически чистая вода является очень слабым электролитом, для нее величина рН при комнатной температуре равна 7, т. е. только одна из десяти миллионов молекул воды диссоциирует на ионы Н+ и ОН". При наличии примесей в воде реакция раствора может быть кислой (рН=1~3), слабокис­лой (рН=4-6), нейтральной -(рН=7), слабощелочной (рН=8-10), щелочной (рН=11-14).

С повышением температуры диссоциация воды увеличивается и, соот­ветственно, растет водное число kw.

Для характеристики и контроля воды и конденсатов с малым соле - содержанием при отсутствии растворенных газов СО2 и NH3 использует­ся показатель — удельная электропроводимость воды. Удельная электро­проводимость воды, См/см (Сименс на см), характеризуется электрической проводимостью слоя воды, находящегося между двумя противоположными гранями куба с ребром в 1 см. Она связана с суммарной концентрацией примеси в истиннорастворенном состоянии. Электропроводность чистой воды при 20°С составляет 0.04 мкСм/см. С увеличением температуры она существенно растет, при 100°С х = 0,7 мкСм/см.

При наличии в воде растворенных, примесей электрическая проводи­мость раствора зависит от концентрации анионов и катионов примесей. В этом случае измеренная величина электрической проводимости будет интегрально характеризовать концентрацию ионов присутствующих при­месей.