Глава 3

ОТЛОЖЕНИЯ В ПАРОГЕНЕРАТОРАХ

И ТЕПЛООБМЕННИКАХ И СПОСОБЫ

ИХ УДАЛЕНИЯ

3-1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Различные примеси; содержащиеся в нагреваемой и испаряемой воде, могут выделяться в твердую фазу на внутренних поверхностях парогенераторов, испарителей, паропреобразователей, подогревателей и конденсаторов паровых турбин в виде накипи, а внутри водяной массы — в виде взвешенного шлама. Нельзя, однако, провести четкую границу между накипью и шламом, так как вещества, отлагающиеся на поверхности нагре­ва в форме накипи, могут с течением времени превра­щаться в шлам и, наоборот, шлам при некоторых усло­виях может прикипать к поверхностям нагрева, образуя накипь.

Из элементов парогенератора загрязнению внутрен­них поверхностей больше всего подвержены обогревае­мые экранные трубы. Образование отложений на внутренних поверхностях парообразующих труб влечет за собой ухудшение теплопередачи и как следствие опас­ный перегрев металла труб.

Радиационные поверхности нагрева современных парогенераторов интенсивно обогреваются топочным факелом. Плотность теплового потока в них достигает 600—700 квт/м2, а местные тепловые потоки могут быть еще выше. Поэтому даже кратковременное ухудшение коэффициента теплоотдачи от стенки к кипящей воде приводит к столь значительному росту температуры стенки трубы (500—600С и выше), что прочность ме­талла может оказаться недостаточной, чтобы выдержать возникшие в нем напряжения. Следствием этого явля­ются повреждения металла, характеризующиеся появ­лением отдулин, свищей, а нередко и разрывом труб.

При резких температурных колебаниях в стенках парообразующих труб, которые могут иметь место в про­цессе эксплуатации парогенератора, накипь отслаивает­ся от стенок в виде хрупких и плотных чешуек, которые заносятся потоком циркулирующей воды в места с за­медленной циркуляцией. Там происходит осаждение их в виде беспорядочного скопления кусочков различных величин и формы, сцементированных шламом в более или менее плотные образования. Если в парогенераторе барабанного типа имеются горизонтальные или слабо­наклонные участки парообразующих труб с вялой цир­куляцией, то в них обычно происходит скопление отло­жений рыхлого шлама. Сужение сечения для прохода воды или полная закупорка парообразующих груб приводит к нарушению циркуляции. В так называемой пере­ходной зоне прямоточного парогенератора докритического давления, где испаряются последние остатки влаги и осуществляется небольшой перегрев пара, образуются отложения соединений кальция, магния и продуктов коррозии. При этом на полупериметре парообразующей трубы, обращенном в топку («огневая» сторона), отло­жений в 2—3 раза больше, чем на ее стороне, приле­гающей к стенке топочной камеры («тыльная» сторона).

Поскольку прямоточный парогенератор является эффективной ловушкой труднорастворимых соединений кальция, магния, железа и меди, то при повышенном содержании их в питательной воде они быстро накапли­ваются в трубной части, что значительно сокращает продолжительность рабочей кампании парогенератора.

Для того чтобы обеспечить минимальные отложения как в зонах максимальных тепловых нагрузок паро­образующих труб, так и в проточной части турбин, необходимо строго поддерживать эксплуатационные нор­мы допустимого содержания в питательной воде тех или иных примесей. С этой целью добавочная питательная вода подвергается глубокой химической очистке либо дистилляции на водоподготовительных установках . Однако этого недостаточно, так как опасным источником загрязнения конденсата турбин накипеобразователями и натриевыми соединениями являются присосы охлаждающей воды в паровое пространство конденсатора через неплотности (места вальцовки или приварки труб) или через сквозные коррозионные свищи и трещины на стенках трубных пучков. Поэтому в процессе эксплуатации ТЭС требуется уделять большое внимание постоянному поддержанию высокой герметич­ности конденсатора.

Для борьбы с последствиями загрязнения конденсата турбин солями жесткости вследствие присосов в конден­саторе на ТЭС с парогенераторами барабанного типа питательная и котловая вода подвергаются системати­ческой коррекционной обработке разнообразными реаген­тами (фосфаты, комплексоны и др.), обеспечивающими выпадение накипеобразователей в форме легкоподвиж­ного неприкипающего шлама, выводимого из парогене­ратора с помощью его периодической продувки (см. гл. 5). Выявилось, что в условиях конденсатного пита­ния парогенераторов с малой добавкой химически обессоленой природной воды либо дистиллята испарителей основной составляющей отложений на всем протяжении водо-парового тракта являются продукты коррозии кон­струкционных материалов.

На ТЭС с парогенераторами барабанного типа для предотвращения железоокисных и медноокисных накипей может быть успешно применена коррекционная обра­ботка котловой воды гексаметафосфатом натрия или комплексонами.

На энергоблоках с прямоточными парогенераторами в связи с исключительно высокими требованиями, предъ­являемыми ими к качеству питательной воды, должен быть обеспечен возможно более полный вывод окислов железа, меди и других сопутствующих примесей из водо-парового цикла энергоблоков. Это достигается пу­тем глубокой очистки всего конденсата пара, прошед­шего через турбину, а также конденсатов греющего па­ра регенеративного и теплофикационного подогревате­лей (см. гл. 9).

В целях предотвращения образования накипных от­ложений в теплофикационных системах подпиточная вода подвергается умягчению либо омагничиванию с последующей термической ее дегазацией (см. гл. 6).

На многих электростанциях для конденсации отрабо­тавшего в турбине пара используются оборотные систе­мы технического водоснабжения с градирнями и брызгальными бассейнами. Основным отличием оборотной системы от прямоточной является упаривание в ней цир­кулирующей воды, вызывающее возрастание концентра­ции растворенных в ней накипеобразующих веществ, что приводит к образованию плотной накипи на охлаждае­мых поверхностях. Присутствие в циркуляционной воде микроорганизмов способствует образованию на охла­ждаемых поверхностях специфических отложений био­логического характера.

Наличие отложений на внутренних поверхностях кон­денсаторных труб, омываемых охлаждающей водой, ухудшает теплоотдачу в конденсаторе и уменьшает про­ходное сечение труб. Из-за этого повышается темпера­тура пара внутри конденсатора, а вследствие роста гидравлического сопротивления системы уменьшается расход охлаждающей воды и соответственно повышает­ся ее нагрев. Оба эти процесса, взаимно усиливая друг друга, ухудшают вакуум и увеличивают удельный расход пара на выработанный киловатт-час, что снижает экономичность турбоагрегатов.

В целях постоянного поддержания нормального ва­куума в конденсаторах и предотвращения тем самым снижения к. п. д. турбинной установки на ТЭС прово­дится эффективная борьба с неорганическими и биоло­гическими загрязнениями конденсаторных труб с при­менением химических (фосфатирование, подкисление, хлорирование), безреагентных (омагничивание) и тер­мических методов обработки охлаждающей воды.

Как правило, внутренние поверхности вновь смонти­рованных парогенераторов, оборудования и трубопро­водов тракта питательной воды бывают загрязнены ржавчиной, окалиной, сварочным гратом, маслам» и т. п. Количество этих загрязнений составляет в сред­нем 200—250 г/м², но иногда оно достигает 350 г/м² и более. Указанные загрязнения возникают в процессе технологического создания и монтажа парогенератора и вспомогательного оборудования (прокат труб, ковка барабанов, отжиг, гибы, сварка, вальцовка и т. д.), а также в результате атмосферной коррозии во время транспортирования и хранения на монтажных площад­ках недостаточно герметизированных и пассивирован­ных элементов агрегатов и трубопроводов.

Пуск и наладка загрязненных парогенераторов и тракта питательной воды неизбежно приводят к опас­ному повышению температуры стенок парообразующих и перегревательных труб и к заносу проточной части турбины кремнекислыми соединениями и окислами ме­таллов. Поэтому вновь смонтированные парогенераторы и тракт питательной воды подвергаются предпусковой химической очистке до начала их наладки и пробной эксплуатации. Предпусковую очистку только в том слу­чае можно признать удовлетворительной, если остав­шиеся неотмытые отложения равномерно распределены нa поверхности металла и не превышают 50 г/м² для парогенераторов высокого давления (в. д.) и не более 20—25 г/м² для парогенераторов с. к. д.

Выявлено, что даже при нормальном водном режиме ТЭС и соблюдении установленных норм качества пита­тельной и котловой воды отложения, преимущественно состоящие из продуктов коррозии, все же постепенно накапливаются в парогенераторах и регенеративных по­догревателях. Эти отложения зачастую отличаются пористостью, иногда они имеют рыхлую структуру: в их состав входят главным образом гидратированные окис­лы железа (двух- и трехвалентного), а иногда и окислы меди. Улучшение качества конденсатов и питательной воды заметно ослабляет процесс образования эксплуатационных отложений на поверхности паросилового оборудования, но полностью его не устраняет. Следова­тельно, в целях обеспечения должной чистоты поверхно­сти нагрева необходимо наряду с одноразовой предпу­сковой очисткой проводить также периодические экс­плуатационные очистки основного и вспомогательного оборудования и притом не только при наличии система­тических грубых нарушений установленного водного режима и при недостаточной эффективности проводимых на ТЭС противокоррозионных мероприятий, но и в усло­виях нормальной эксплуатации ТЭС. Проведение экс­плуатационных очисток особенно необходимо на энерго­блоках с прямоточными парогенераторами.

На основании многолетнего опыта применения хими­ческой очистки парогенераторов и пароводяного тракта на отечественных и зарубежных электростанциях уста­новлено, что тщательно проведенные повторные кислот­ные очистки практически безопасны.

3-2. СОСТАВ, СТРУКТУРА И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОТЛОЖЕНИЙ

Отложения на поверхностях нагрева бывают весьма разнообразными по химическому составу, структуре, плотности и коэффициенту теплопроводности. Наряду с рыхлыми пористыми отложениями, подобными пемзе или туфу, встречаются отложения, которые по твердости и прочности связи с металлом напоминают эмали. Раз­нообразны также состав и физические свойства котель­ного шлама.

Образующиеся в парогенераторах отложения могут быть по своему химическому составу подразделены на три основные группы:

1) щелочноземельные;

2) железные;

3) мед н ы е.

В первую группу входят кальциевые и магние­вые накипи (карбонатные, сульфатные, силикатные, фосфатные), в составе которых преобладают (до 90%) СаСО₃, CaSO₄, CaSiO₃, 5CaO • 5SiO₂-H₂O, Ca₃(PO₄)₂, Mg(OH)₂.

Во вторую группу входят железоокисные Fe₂О_3, железофосфатные Fe₃(PO₄)₂, NaFePO₄ и железо-силикатные Na₂O-Fe₂O₃-SiO₂ накипи.

В третью группу входят отложения металличе­ской меди и окислы меди СиО, Си₂О.

Карбонатная накипь откладывается обычно в форме плотных кристаллических отложений на тех поверхностях нагрева или охлаждения, где отсутствует кипение воды, а среда нещелочная. Этими поверхностя­ми являются водяные экономайзеры, конденсаторы тур­бин, водоподогреватели, питательные трубопроводы, теп­ловые сети и др. В условиях же кипения щелочной воды (в парогенераторах, испарителях) СаСО₃ обычно выпа­дает в форме неприкипающего шлама.

Сульфатная накипь обладает большими твер­достью и плотностью.

Силикат кальция образует твердую накипь, крепко пристающую к стенкам поверхности нагрева.

Сложные силикатные накипи имеют раз­нообразный минеральный состав, так как кремниевая кислота образует накипи не только с катионами кальция и магния, но и с катионами натрия, железа и алюминия (натроферросиликаты и натроалюмосиликаты). В со­ставе сложных силикатных накипей содержится до 40— 50% кремниевой кислоты, 25—30% окислов железа, ме­ди и алюминия и 5—10% окиси натрия. Количество же соединений щелочноземельных металлов в этих отложе­ниях обычно не превышает нескольких процентов. Эти сложные бескальциевые силикатные накипи характери­зуются разнообразием структур — от пористых и комковых отложений до твердых и плотных образований, ровным слоем покрывающих металлическую поверх­ность.

При повышенном содержании фосфатов и железа в котловой воде и низкой щелочности последней на внутренних поверхностях парообразующих труб откла­дываются рыхлые железофосфатные накипи Fe₃ (РО₄)₂, NaFePO_4, которые при обстукивании труб сравнительно легко отваливаются от стенок. Характерным для железофосфатных накипей является равномерное распреде­ление их по всей длине трубы.

На внутренней поверхности экранных труб в зонах наибольших температур факела, характеризующихся высокими местными тепловыми нагрузками, откладываются железоокисные накипи главным образом в форме магнетитаFе₃О₄. Анализ отложений, отобранных с внут­ренних поверхностей нагрева парогенераторов с. к. д., показывает, что они на 95—98% состоят из соединений железа. В железоокисных накипях нередко присутствует равномерно распределенная в толще слоя отложений металлическая медь.

При повышенном содержании соединений меди в пи­тательной воде на участках парообразующих труб с плотностью теплового потока, равной или большей 230 квт/м², или в местах глубокого упаривания котло­вой воды откладывается и прочно пристает к металлу слоистая накипь, одним из основных компонентов кото­рой является металлическая медь. В отличие от железо­окисных накипей распределение меди в толще медной накипи обычно таково, что верхний слой, омываемый котловой водой, содержит наибольшее количество ме­таллической меди (70—90% веса пробы), а последую­щие слои накипи по мере приближения к внутренней поверхности трубы содержат все меньший процент меди (10—25%) при одновременном возрастании количества окислов железа, кремниевой кислоты, фосфатов кальция и других компонентов.

Накипи в большинстве случаев имеют смешанный характер, иногда со значительным преобладанием окис­лов железа, меди, фосфатов кальция, железо- и алюмосиликатов и других компонентов. В процессе эксплуата­ции парогенератора при изменениях его гидродинамиче­ского и теплового режимов, связанных с ростом нагруз­ки, возможно образование на стенках парообразующих труб временных натриевых отложений Na₂SO₄, Na₂Si0₃, NaCl, которые, будучи хорошо растворимыми в воде, полностью вымываются со стенок труб парогенератора при его останове либо резком снижении нагрузки.

Находящиеся в котловой воде взвешенные частицы увеличиваются в размере за счет кристаллизации на их поверхности веществ из котловой воды, а также взаим­ного сцепления, образуя на внутренних поверхностям парогенератора илистые шламовые отложения. В состав котельного шлама входяг углекислый кальций СаСО₃, гидрокарбонат магния Mg(OH)₂*MgCO₃, фосфат маг­ния Mg₃{PO₄)₂, гидроксилапатит Са₁₀(РО₄)_б(ОН)₂, окис­лы железа Fe₂O₃, Fe₃O₄, окислы меди СиО, Си₂О, орга­нические вещества и т. д. При наличии в котловой воде кремниевой кислоты гидроокись магния вступает с нею в соединение, образуя при этом серпентин, который обычно выпадает в форме высокодисперсного шлама:

3Mg(OH)₂ + 2SiO₂ = 3MgO.* 2SiO₂*2H₂O + H₂O

Следует различать:

а) шламы, не прикипающие к поверхностям нагрева и поэтому сравнительно легко выводимые наружу во время работы парогенератора путем периодической про­дувки последнего; к числу их относятся гидроксилапатит и серпентин, а также карбонат кальция в щелочной среде;

б) шламы, способные при известных условиях при­кипать к поверхностям нагрева и являющиеся материа­лом для образования так называемых вторичных накипей; к числу прикипающих шламов могут быть отнесены гидроокись магния и фосфато-магнезиальные соедине­ния. Отсюда следует, что одной из важных задач орга­низации рационального водного режима парогенерато­ров с многократной циркуляцией является создание в котловой воде таких условий, при которых накипеобразователи, проникающие в парогенератор с питательной водой, выделялись бы только в форме шлама, неспособного прикипать к стенкам труб и удаляемого из парогенератора с продувочной водой.

Теплоизолирующие свойства отложений характери­зуются следующими физико-механическими показателя­ми: структура (пористость), теплопровод­ность, толщина и сила сцепления их с по­верхностью металла.

Структура накипи, характеризующаяся ее пори­стостью и твердостью, зависит от условий и кинетики образования отложений. Твердость и пористость отло­жений являются показателями, по которым можно судить о трудности удаления их с помощью скребков, шарошек и других механических способов. Теплопровод­ность отложений является важной характеристикой, определяющей надежность и экономичность работы па­рогенераторов и теплообменных аппаратов. Величины коэффициентов теплопроводности отложений зависят от их структуры и химического состава (табл. 3-1). Плотно приставшие к поверхности отложения менее опасны, чем слабосидящие, так как зазор, образующийся между металлической стенкой и отложениями, сильно увеличи­вает температурный на­пор и приводит к опасно­му местному перегреву металла.

Из приведенных дан­ных видно, что наиболь­шую опасность представ­ляют силикатная накинь и накипь, пропитанная маслом.

На рис. 3-1 изображены кривые, характери­зующие влияние толщины и теплопроводности наки­пи на температуру стенки парообразующей трубы парогенератора. Приве­денные кривые показыва­ют, что достаточно незна­чительного по толщине слоя (0,1—0,2 мм) мало­теплопроводной накипи на поверхности наиболее теплонапряженных экранных труб, чтобы температура металла на внутренней поверх­ности стенки достигла 500°С и больше. Температура на­ружной поверхности стенки трубы при этом еще на 30— 40 °С выше, что за сравнительно короткий период работы парогенератора приводит к отдулинам и разрывам паро­образующих труб.

1 2 3 Л 5 ^ Толщина слоя накипи, мм

Рис. 3-1. Зависимость температу­ры стенки кипятильной трубы от толщины слоя накипи для различ­ных значений коэффициента ее теплопроводности.

3-3. ОБРАЗОВАНИЕ ОТЛОЖЕНИЙ НА ВНУТРЕННИХ