6. Поведение примеси в паровой турбине

6.1. Отложение примесей в турбинах скд

Отложения на лопатках турбины приводят к снижению ее мощности и экономичности, к возникновению аварийных ситуаций.

В паровых котлах (в НРЧ) может образовываться до очередной промывки 100-500 кг отложений. "Солеемкость" ЦВД турбины всего 1-2 кг.

При переходе к сверхкритическому давлению требования к качеству пара усилились:

• высота лопаток в ЦВД снизилась;

• растворимость веществ увеличилась;

• вынос примеси с паром в турбину увеличился (нет продувки котла).

Пример: расторимость меди (рис.6.1.1).

В паровой турбине параметры пара изменяются в очень широком диапазоне (рис.6.1.2): давление - от 25 до 0.0035 МПа; температура - от 545-570^оС до 30-40^оС.

Растворимость примесей в пределах турбины также изменяется очень сильно (рис.6.1.3).

На рис.6.1.4 показано количество отложений и их состав по ступеням турбины К- 300-240.

Введение 100% очистки конденсата в БОУ практически устранило кальциевые отложения в турбине. Медь осаждается преимущественно в ЦВД, оксиды железа - по всем ступеням, а SiO₂ - последних ступенях. Соединения натрия образуют отложения в турбине только при высоких концентрациях их в питательной воде (более 10 мкг/кг по Na).

Проведем сравнение влияния водных режимов (ГАВР и НКВР) на распространение и состав отложений в турбине (рис. 6.1.5 и 6.1.6). В ЦСД отложения незначительны и практически одинаковы для этих режимов.

ГАВР: отложения в ЦВД (рис.6.1.5.а) существенны, в основном - медистые отложения (латунные трубки в ПНД); кремниевая кислота отсутствует, т.к. в щелочной среде содержатся ее легкорастворимые соли, они вымываются при останове турбины. В ЦНД (рис.6.1.6.а) отложения состоят, в основном, из кремниевой кислоты. Две последние ступени ЦНД не имеют отложений, существует контакт влаги непосредственно с металлом. Влажность пара в последней ступени уже достаточно большая. и примеси во влаге не столь опасны с точки зрения коррозии. Однако последние ступени могут оказатьтся в области начала конденсации при переменных режимах. Подавляющее большинство зарубежных паровых турбин работает в гидразинно-аммиачном режиме, а в США все турбины - в высокощелочном режиме (рН = 9.5-9.6), то можно полагать, что именно "незащищенность" отложениями предпоследних ступеней турбины при ГАВР является причиной коррозионных разрушений под влиянием агрессивной первоначальной влаги. Щелочной режим неблагоприятен с точки зрения надежности турбин.

НКВР: отложение примеси в ЦВД в несколько раз меньше, имеется кремнекислота (рис.6.1.5.б). Отложений в ЦНД (рис.6.1.6.б) существенно больше (до 3 раз), чем при ГАВР; отложения имеются и на 28, 29 ступенях, т.е. ни в одной ступени ЦНД не существует контакта агрессивной влаги непосредственно с металлом, т.е. они защищены.

При комплексонном водном режиме на лопатках создается оксидная пленка, в том числе и в ЦНД.

6.2. Концентрация примесей в воде и паре в зоне Вильсона

Занос турбин твердыми отложениями приводит к сужению проходных каналов, увеличению шероховатости поверхностей лопаток и, как следствие, к снижению экономичности турбин.

Концентрирование примесей может происходить в слое имеющихся отложений. В последних ступенях ЦНД появляются водяные каплит, содержащие примеси. При попадании капель воды на отложения они впитываются ими, проникают в микропоры отложений. В переменных режимах работы турбины эта зона отложений может попасть в область сухого пара, влага испарится из отложений, а примеси остаются. При последующем попадании влаги на отложение концентрация примеси в ней будет возрастать - происходит концентрирование примеси непосредственно на поверхности металла в отложениях.

Опыты показали наличие пятен влаги, тонких пленок (< 100 мкм) на поверхностях сопловых лопаток и жидкой фазы в потоке пара, перегрев которого составляет 2-10^оС (рис.6.2.1). Образование и существование жидкой фазы в таких условиях возможно лишь в виде концентрированного водного раствора примесей пара, температура насыщения которого выше температуры насыщения чистой воды при данном давлении. Известно, что наличие примесей в воде и паре существенно меняет их свойства: имеют более высокую критическую температуру, обладают заметной температурной депрессией.

Повышение точки кипения: ΔT_k = bm_b, b - эмбулиоскопическая константа, для Н₂О b = 0.51^оС; m_b - количество молей вещества в 1000 г растворителя.

Понижение точки замерзания: ΔT_з = аm_b; а - криоскопическая константа; для Н₂О а = 1.86^оС.

Существенную роль играет концентрирование примеси в первых каплях воды. На рис. 6.2.2 показана проточная часть ЦНД турбины К - 300 - 240 - ЛМЗ. Изображена линия перехода перегретого пара во влажный (х = 1,у = 0, у = 1 - х) и зона Вильсона (заштрихована), где процесс расширения пара происходит с некоторым переохлаждением. Зона Вильсона не имеет четких границ.

Температура пара по высоте 33-ей ступени изменяется неравномерно и в результате повышенных потерь энергии у концов турбинных решеток существенно повышается к периферии. Таким образом, возникновение влаги в потоке пара происходит значительно раньше в среднем сечении, чем у концов лопаток.

На рис. 6.2.3 представлены данные по изменению степени концентрирования примесей в жидкой фазе К = С_ж/С_п и влажности пара "у" по высоте лопатки в сечении за 33 ступенью.

Минимальная влажность и, соответственно, максимальная степень концентрирования примесей отмечается в периферийном сечении рабочей лопатки. По мере удаления от периферийного сечения влажность пара увеличивается. Увеличение влажности пара приводит к снижению степени концентрирования примесей в жидкой фазе. Следовательно, наибольшая коррозионная агрессивность среды по сечению ЦНД в области двухфазной среды наблюдается вблизи корня и периферии лопатки.

Влияние изменения влажности парового потока на степень концентрирования нелетучих примесей в жидкой фазе показано на рис.6.2.4, где Na_п.к.⁺ - концентрация примеси (натрия) в первых каплях жидкой фазы,Na_п⁺ - в паре.

Баланс примеси в зоне Вильсона: 100С_п = уС_ж + (100 - у)С_п', (1)

где С_п' - равновесная концентрация примеси в паре; С_п - исходная концентрация примеси в паре.

Преобразования: 100С_п = С_ж (у+ (100 - у)С_п'/С_ж). (2)

Обозначим К_р' = С_п'/С_ж - равновесный коэффициент распределения примеси. Тогда 100С_п = С_ж (у+ (100 - у) К_р'). (3)

Проведем анализ полученного выражения (3):

а) Условный коэффициент распределения К_р^усл = С_п/С_ж: К_р^усл = С_п/С_ж = (у+ (100 - у) К_р' )/100 (4)

или К_р^усл = у/100 + (100 - у) К_р' /100. (5)

Получается, что К_р^усл зависит не только от равновесного коэффициента распределения, но и от влажности пара у.

При у → 0 К_р^усл → К_р'; если К_р' < у, то К_р^усл → у/100, т.е. определяется влажностью.

б) Концентрирование примеси: С_ж/С_п = 100/(у+ (100 - у) К_р' ). (6)

При у → 0 С_ж/С_п → 1/ К_р' ; если (100 - у) К_р' << у, то С_ж/С_п → 100/у.

Графически (рис.6.2.5) изобразим зависимость С_ж/С_п = f(у). Рис.6.2.5 и 6.2.4 - аналогичны, Следовательно, предлагаемый солевой баланс и его анализ имеет право на жизнь.

Из рис. 6.2.4: С_ж/С_п = Na_п.к./ Na_п = 5/у. (7) К_р^усл = С_п/С_ж = у/5. (8)

При у = 0.1% Na_п.к./ Na_п = 50; К_р^усл = 0.1/5 = 0.02.

Из (4): К_р' = (0.02*100 - 0.1)/(100 - 0.1) = 0.019.

При у = 1% К_р^усл = 0.2; К_р' = (0.2*100 - 1)/(100 - 1) = 0.192.

Равновесный коэффициент распределения К_р' зависит от влажности пара, его значения близки к значению условного коэффициента распределения К_р^усл.

в) Какая часть примеси переходит в первые капли воды?

Преобразуем выражение (1): 100С_п = (уС_ж/ С_п' + (100 - у)) С_п'. (9)

Отсюда С_п'/ С_п = 100/(100 - у +у/ К_р'). (10) При у = 0 С_п' = С_п .

При у = 0.1% С_п'/ С_п = 100/(100 - 0.1 +0.1/ 0.019) = 0.95;

т.е. в первые капли переходят 1 - 0.95 = 0.05 или 5% примеси.

При у = 1% С_п'/ С_п = 100/(100 - 1 + 1/ 0.192) = 0.96;

т.е. и в этом случае переходит в жидкую фазу всего 4% примеси, содержащейся в паре.