3.5. Образование отложений в барабанных паровых котлах

а) Концентрирование примеси в котловой воде

Особенность образования отложений в барабанных паровых котлах заключается в том , что по мере испарения воды в подъемных трубах контуров циркуляции в котловой воде (вода в барабане и контурах циркуляции) происходит накапливание примесей. Когда концентрация примесей в котловой воде С_кв будет больше растворимости ее С_кв⁰, начнется непрерывный рост отложений примеси в трубахконтура циркуляции. в первую очередь - в обогреваемых испарительных трубах. Чтобы не допустить этого или, по крайней мере. ограничить рост отложений в приемлемых размерах, в барабанных котлах организуется непрерывная продувка - удаление из котла небольшого количества продувочной воды D_пр с большой концентрацией примеси С_пр. При этом расход питательной воды увеличивается

D_пв = D + D_пр = D(1 + D_пр/D), (1)где D - паропроизводительность котла.

Количество продувочной воды выражают в %, р, от паропроизво-дительности р = (D_пр/D)*100.

Составим схему потоков воды и пара с указанием соответствующих концентраций (рис.3.5.1). В барабан с питательной водой за 1 час вносится примеси в количестве D_пвС_пв, а уходит: с паром DС_п, с продувочной водой D_прС_пр. Часть примеси образует отложения в трубах D_пвΔС_отл. С учетом этих потоков примеси составим солевой баланс барабана D_пв С_пв = D С_п + D_пр С_пр + D_пвΔС_отл . (2)

Принимаем, что внутренние загрязнения недопустимы (ΔС_отл = 0) . С учетом материального баланса (1) запишем солевой баланс в относительных единицах (разделим на D): (100 + р)С_пв = 100С_п + рС_пр. (3)

Определим величину продувки р = 100(С_пв - С_п)/(С_пр - С_пв). (4)

Величина продувки увеличивается при ухудшении качества питательной воды (больше С_пв), при повышении требований к качеству пара (С_п уменьшается). С увеличением концентрации примеси в продувочной воде величина продувки уменьшается.

Концентрация примеси в паре С_п зависит от выноса влаги ω,%, и коэффициента распределения К_р, %,

С_п = 0.01(ω + К_р)С_кв = 0.01К_вС_кв, (5)

где К_в - суммарный коэффициент выноса примеси,%.

Из рис.3.5.1 видно, что для рассматриваемой схемы С_пр = С_кв. Подставляя выражения для С_п и С_пр в (3), получим

(100 + р)С_пв = К_вС_кв + рС_кв.

Отсюда С_кв = С_пв(100 + р)/(К_в + р), (6) т.е. С_кв = f(С_пв, р, К_в).

Относительное повышение концентрации примеси в котловой воде γ_кв за счет испарения воды определим по формуле

γ_кв = С_кв/С_пв = (100 + р)/(К_в + р). (7)

Расчеты по этой формуле представлены на рис. 3.5.2. Из этих данных видно, что при К_в ≈ 0 (сильные электролиты) эффективность продувки очень высока: при р = 1% степень концентрирования примеси уменьшилась от бесконечности до 101, а при р = 5% - до 21. Для продуктов коррозии и слабых электролитов (К_р - единицы и десятки процентов) эффективность продувки падает.

Снижать С_кв можно и за счет улучшения подготовки питательной воды С_пв (рис.3.5.3).

Допустимая величина С_кв определяется из следующих условий:

• при снижении С_кв уменьшается величина загрязнений поверхностей нагрева, улучшается температурный режим труб, увеличивается срок работы до очередной промывки поверхности для удаления с нее отложений;

• уменьшение С_пв требует дополнительных затрат на подготовку воды, уплотнение конденсаторов, подогревателей сетевой воды, всех трубопроводов (чтобы не было утечек воды и пара):

• увеличение продувки р приводит к частичным потерям теплоты и воды, что снижает экономичность котла: для восполнения потерь воды необходимо готовить добавочную воду высокой чистоты.

В результате принимают следующие величины продувки: на ГРЭС и отопительных ТЭЦ, где общее количество добавочной воды невелико и ее можно готовить по методу химического обессоливания, р = 0.3 - 1%; при восполнении химически очищенной водой р = 1 - 3%; на производственных ТЭЦ с большими потерями воды (по технологии производства на заводах) добавочная вода готовится по упрощенной схеме и продувка может быть до 5%.

Таким образом, увеличение доли продувки приводит к уменьшению примеси в котловой воде (6) и в насыщенном паре (5), но увеличивает потери теплоты и воды с продувочной водой.

б) Системы ступенчатого испарения

Улучшить качество котловой воды и пара без увеличения общей продувки котла можно путем организации внутренней продувки - ступенчатого испарения. Существуют различные способы организации ступенчатого испарения, в частности, внутри барабана устанавливают перегородку (рис.3.5.4) с отверстием. Питательная вода поступает в отсек 2, в который включены некоторые контуры циркуляции. Часть воды испаряется в них, при этом образуется пар в количестве D₁ (доля его n₁ = D₁/D). Оставшаяся вода через отверстие в перегородке перетекает в отсек 2. В контурах циркуляции, включенных в этот отсек, вода испаряется с образованием пара D₂ (n₂ = D₂/D). Продувка котла производится из второго отсека, причем С_пр = С_кв2.

Определим С_кв1 и С_кв2.

Для первого отсека по (6): С_кв1 = С_пв(n₁ + p₁)/(K_в1 + p₁), (8)

где продувка первого отсека р₁ равна паропроизводительности второго отсека n₂ и продувке котла р: р₁ = n₂ + р. (9)

Если принять при двухступенчатой схеме n₂ = 20%, n₁ = 80%, К_в1 = 0, р = 1%, то получим степень концентрирования γ₁ примеси в отсеке 1: γ₁ = С_кв1/С_пв = (80 +20 + 1)/(20 + 1) ≈ 4.8. (10)

Следовательно, в первом отсеке котловая вода стала чище примерно в 20 раз (101: 4.8) по сравнению с одноступенчатой схемой.

Для второго отсека питательной водой является котловая вода первого отсека с концентрацией примеси С_кв1:

С_кв2 = С_кв1(n₂ + p)/(К_в2 + р). (11)

Отношение γ₂ при К_в2 = 0 и р = 1%: γ₂ = С_кв2/С_кв1 = (20 +1)/1 = 21. (12)

По отношению к С_пв: γ₂ = (С_кв2/С_кв1)/(С_кв1/С_пв) = γ₂ γ₁ = 4.8*21 = 101. (13)

Концентрация примеси в котловой воде 2 ступени значительно выше, чем в первой, и соответствует концентрации в одноступенчатой схеме. Поэтому 1 отсек называют "чистым", а 2 - "солевым". Выигрыш ступенчатого испарения заключается в том, что 80% (в нашем примере) котловой воды и, следовательно, пара получается значительно чище (в 20 раз); только 20% котловой воды и пара имеют такуюже концентрацию, что и в одноступенчатой схеме.

При К_в = 0.01%: γ₁ = 101/21.01 = 4.8; γ₂ = 21/1.01 ≈ 21.

Концентрация примеси в паре для тех же условий:

1. одноступенчатая схема: С_п = 0.01К_вС_кв = С_пв *0.01К_в(100 + р)/(К_в + Р) = = С_пв*0.01*0.01(100 + 1)/(0.01 + 1) = 10^-4*100С_пв;

2. двухступенчатая схема: а) в первом отсеке С_п1 = -.01*0.01С_кв1 = 0.01*0.01 γ₁С_пв = 10^-4*4.8С_пв;

б) во втором отсеке С_п2 = 10^-4С_кв2 = 10^-4 γ₂ С_пв = 10^-4*101С_пв;

в) после смешения потоков С_п = 0.8С_п1 + 0.2С_п2 = 10^-4(0.8*4.8 + 0.2*101)С_пв = 10^-4*24С_пв.

Результаты расчета показывают, что в двухступенчатой схеме количество примесей в паре в 4 раза меньше, чем в одноступенчатой (в нашем примере). Для других исходных данных соотношения будут изменяться.

При увеличении числа ступеней качество котловой воды и пара будут улучшаться. Практически делают 2 - 3 ступени испарения, причем в качестве второй или третьей ступени во многих случаях используют выносные циклоны (рис.3.5.5).

в) особенности образования отложений в барабанных котлах

На рис. 3.5.6 показано изменение растворимости примеси по длине испарительных труб (до h_пвс - энтальпии пароводяной смеси на выходе из испарительной трубы) и труб пароперегревателя (от h" до h_пе). График имеетвид, аналогичный для прямоточного котла докритического давления, только диапазон энтальпии от h_пвс до h" в барабанном котле не реализуется. Энтальпия h_пвс и массовое паросодержание х_пвс определяются кратностью циркуляции в контуре (в целом по котлу).

Допустим, что С_пв< (С_п⁰)_мин. За счет упаривания концентрация примеси в котловой воде увеличивается в γ раз. Возможны три случая (рис.3.5.6) соотношения С_кв в ступени испарения и растворимости С⁰:

а) С_кв < С_пвс⁰; отложение примеси возможно в небольших (относительно) количествах за счет адсорбции на стенке и местного концентрирования примеси в поверхностной пленке жидкости;

б) С_пвс⁰ < С_кв < С_ж⁰; интенсивное отложение примеси в конце участка;

в) С_кв > С_ж⁰; интенсивное отложение примеси по всей длине трубы.

Чтобы рост отложений в испарительных трубах был минимальным, необходимо выдержать соотношение С_пв < С_пвс⁰/γ. (14)

В насыщенном паре при уносе влаги ω = 0 концентрация примеси составлит: в случае "а" С_п< С_п⁰; в случаях "б" и "в" С_п = С_п⁰. Отложение примеси будет происходить, в основном, в начале пароперегревателя (до (С_п⁰)_мин). Если ω > 0, то С_п резко увеличится, что приведет к росту величины отложений в трубах.

Учитывая, что концентрация и интенсивность отложения примеси в контурах циркуляции второй и третьей ступени испарения выше, для снижения температуры стенки их располагают в топочной камере на участках с минимальными тепловыми потоками (боковые стенки, угловые секции).