3 Шляхи підвищення надійності котлів при частокових навантаженнях енергоблоків

Надійна робота устатковання ТЕС на мінімальних навантаженнях в значній мірі визначається однозначністю гідравлічних характеристик, відносно низькими гідравлічними і тепловими нерівномірностями в панелях екранів та елементів в цілому, тому ще на стадії проектування необхідно прагнути забезпечити мінімальний гідравлічний опір поверхонь нагріву котла, а також відсутність режиму погіршеного теплообміну зони великих теплоємностей.

Максимальна температура зовнішньої поверхні труб повинна бути нижче температури окалиноутворення чи температури зміни структури металу. Це особливо важливо для радіаційних поверхонь нагріву, на яких при значних та швидкозмінних теплосприйняттях окалина утворюється досить інтенсивно.

Гранично допустимі температури зовнішньої поверхні труб котлів за умовами жаростійкості наведені в табл. 3.

Гранично допустимі температури зовнішніх поверхонь нагріву за умовами їх жаростійкості, °с

Таблиця 3

Марка сталі	Мазут	Естонський сланець	Інші палива
20	410	450	450
12Х1МФ	585	540	585
12Х2МФСР	585	540	595
ЭИ531	585	545	600
ЭИ756	620	560	630
1Х18Н12Т	610	610	640

Рівномірний обігрів екранів при інших рівних умовах сприяє достатньо рівномірному їх теплосприйняттю. В реальних умовах експлуатації рівномірного обігріву, а відповідно, і теплосприйняття радіаційних чи конвективних поверхонь нагріву досягнути неможливо, у зв’язку з чим на практиці поверхні нагріву розділяють на окремі елементи. Після кожного елемента середовище перемішується в змішувачах чи колекторах і поступає у наступний елемент з відносно рівномірною температурою і ентальпією. Таким чином знижуються теплові та гідравлічні нерівномірності.

Однак, як показали дослідження, на практиці не завжди можна досягти потрібних результатів. Екрани НРЧ котла ТП-110 складаються з панелей з десятиходовою підіймально-опускною схемою труб типу U-подібних. Дослідження роботи такої панелі показали, що при певних умовах внаслідок нерівномірності обігріву труб змійовики мають різні гідравлічні характеристики.

До основних факторів, що впливають на теплогідравлічну нерівномірність, слід віднести нерівномірний обігрів екранів, неоднакові ентальпії середовища на вході при рівномірному обігріві, різні довжини обігрівних труб, різні коефіцієнти опору труб при їх однакових довжинах.

Розробку гідравлічних схем прямотечійних котлів слід вести з врахуванням попередження появи від'ємного нівелірного перепаду тисків. Для цього в панелях екранів, де ентальпії середовища відповідають зоні великих теплоємностей, роздільні колектори доцільно розміщувати знизу, а збірні–на рівні верхньої частини панелі.

В режимах пульсаційної нестійкості середовища ефективним засобом є встановлення дросельних шайб в екранні чи підвідні труби до вхідних колекторів екранів. Діаметр шайб слід вибирати таким чином, щоб усувати пульсації та отримати однозначну характеристику.

Встановлення шайб в елементах радіаційних поверхонь доцільно здійснювати якщо ентальпія середовища нижча 1675 кДж/кг. Якщо ентальпія середовища вище, встановлення дросельних шайб потрібного ефекту не дає. Встановлення шайб в труби перегрівних поверхонь нагріву також в деякій мірі обмежує гідравлічну нерівномірність.

Зниження теплових та гідравлічних нерівномірностей, а також пульсацій можливо шляхом встановлення прохідних проміжних колекторів чи дихальних колекторів. На котлах ТГМП–314 перевірена ефективність роботи комплексу засобів–підпірних шайб і так званих гідродинамічних перемичок (дихальних колекторів обмеженого поперечного перерізу). Вказаний комплекс засобів дозволяє знизити теплову і гідравлічну нерівномірності в екранах котлів, а також зменшити пульсаційну нестійкість.

Головним засобом підвищення стійкості гідродинаміки є збільшення масової швидкості в екранах котла ( ). Збільшення масової швидкості також призводить до покращення теплообміну в топці. В той же час із збільшенням масової швидкості збільшується і витрата енергії на власні потреби. Як показали дослідження, для можливості зниження мінімального навантаження енергоблоку і, зокрема, котла необхідно забезпечити підвищені масові швидкості не в усьому тракті котла, а лише в найбільш напружених елементах екранів. Як правило, останніми є радіаційні поверхні нагріву.

При проектуванні гідравлічних схем радіаційних поверхонь нагріву прямотечійних котлів надкритичного тиску рекомендується приймати наступні масові швидкості в розрахунку на номінальну паропродуктивність котла ²:

Паливо	НРЧ	ВРЧ
Мазут	2500	1500-2000
Вугілля	2000	1000-1500
Газ	1500	1000

При розрахунках надійності гідравлічних схем пароперегрівників чи їх експериментальній перевірці слід орієнтуватись на наступні значення масових швидкостей (номінальна паропродуктивність), : для конвективних пароперегрівників свіжої пари 500, проміжних конвективних пароперегрівників 300, ширмових пароперегрівників 800-1100, настінних радіаційних пароперегрівників 1000-1500.

Для забезпечення достатньо високих масових швидкостей в радіаційних поверхнях нагріву на часткових навантаженнях і при пусках котлів рекомендується застосовувати схеми з комбінованою циркуляцією середовища. При цьому через випарні поверхні нагріву за рахунок встановлення додаткових пристроїв чи спеціальних схем прокачується значно більша кількість робочого середовища, ніж це необхідно для отримання заданої паропродуктивності котла.

Схеми рециркуляції середовища розрізняються за видом циркуляції (природна чи примусова) і за його тиском (надкритичного чи докритичного). До схеми з природною циркуляцією середовища слід віднести схеми з виносними колекторами, а до схем з примусовою циркуляцією середовища–схему з помпою рециркуляції середовища (ПРС) чи ежекторами (рис. 61).

Надійну роботу блоку на часткових навантаженнях за рахунок додаткової циркуляції середовища в екранах котлів при докритичному чи комбінованому тиску (при підтриманні до сепаратора надкритичного тиску, а в ньому і перегрівних поверхнях - докритичного) можуть забезпечувати схеми з повнопрохідним сепаратором.

В даний час існує ряд схем як з природною і примусовою циркуляцією середовища, так і при роботі на докритичному та закритичному тисках середовища. Найбільш відомими та перспективними з них є наступні.

Схема з примусовою циркуляцією середовища. Головною перевагою такої схеми є те, що вона може забезпечити циркуляцію середовища в контурі практично у всьому діапазоні навантажень. В енергетичному господарстві України найбільшого розповсюдження набула схема з помпами рециркуляції (рис. 61,а). В Німеччині, США та Японії успішно застосовуються дещо інші схеми як з ПРС, так і без них. Одна з таких схем приведена на рис. 61,б. Схема працює наступним чином. Частина середовища після радіаційних поверхонь нагріву з врахуванням забезпечення заданої паропродуктивності подається в спеціальний теплообмінник (типу ПВТ), де відбувається підігрів живильної води. Охолоджене середовище відводиться в деаератор. Схема забезпечує достатньо високі швидкості в радіаційних поверхнях нагріву в широкому діапазоні навантажень.

Схема з повнопрохідним сепаратором. На рис. 61,в наведена схема, за допомогою якої можна здійснювати рециркуляцію середовища через економайзерні і випарні поверхні нагріву у кількостях, необхідних для підтримання високої надійності роботи поверхонь нагріву. Між випарними та пароперегрівними поверхнями встановлено повнопрохідний сепаратор, в якому відбувається розділення пароводяної суміші. Необхідна паропродуктивність котла при цьому залежить від рівня тепловиділення в топці і подачі живильної води в резервуар, який розміщується на всмоктуванні ПРС. В резервуарі відбувається змішування живильної води і відсепарованого середовища.

Певну зацікавленість складає також схема з ежекторною установкою. Відбір частини робочого середовища здійснюється за окремими поверхнями нагріву і після змішування з основним потоком за допомогою ежектора подається на вхід в ці ж поверхні нагріву (рис. 61,г). Перевагою схеми з ежекторною установкою є простота виконання, а основним недоліком – це складність експлуатації і відносно низька надійність ежекторних установок.

На рис. 61,д показана схема з повнопрохідним сепаратором і з ПРС, яка працює за таким же принципом, що і схема на рис. 61,г, однак рециркуляція середовища здійснюється ПРС.

Перевагами схем з повнопрохідним сепаратором є більш висока ефективність роботи і можливість регулювання рівня води в ньому. Немає необхідності у встановленні ВЗ і дроселя на вході в сепаратор.

До недоліків слід віднести відносно велику товщину стінок сепаратора, що призводить до зниження маневреності. Застосування ПРС, а відповідно, додаткових трубопроводів і змішувачів також дещо ускладнює схему.

Схема з природною циркуляцією середовища. Схема може бути перспективною для прямотечійних котлів. Принцип її роботи полягає в тому, що частина робочого середовища відбирається за окремими поверхнями нагріву і відводиться у змішувач, який розміщується вище відмітки поверхні нагріву, з якої відбирається середовище (рис. 61,е). За рахунок перепаду нівелірних тисків (з врахуванням густини води і пари) середовище по відвідних трубах із змішувача надходить на вхід в поверхні нагріву котла.

Слід відмітити, що розглянені схеми можуть застосовуватись не лише для зниження мінімальних навантажень в стаціонарних умовах роботи котлів, але і в пускових режимах.