4.2. Пути снижения уноса влаги. Конструктивное выполнение внутрибарабанных устройств

Барабан представляет собой цилиндрический горизонтальный сосуд с внутренним диаметром до 1600-1800 мм и длиной, зависящей от паропроизводительности (до 15-20 м и более). В барабан подается вода или пароводяная смесь из экономайзера (рис. 4.2.1). При подаче воды над уровнем ее в барабане и падении на поверхность водяного объема образуется большое количество водяных капель, поднимающихся в паровое пространство барабана. Если же ввод воды производить под уровень воды, то слой воды частично погасит энергию струи, но он недостаточен для полного гашения ее, поэтому образуются сложные линии тока в объеме воды, волнообразование и выброс капель в паровое пространство. Отсюда вытекает первая задача внутрибарабанных устройств - гащение кинетической энергии водяной или пароводяной струи после экономайзера.

Из барабана часть воды направляется в опускные трубы контура циркуляции. Из анализа работы опускных труб, который проводится в курсе котельных установок, вытекает вторая задача: организация плавного входа воды в опускные трубы, с малым сопротивлением входа; предусмотреть устройства,предотвращающие воронкообразование и захват (снос) пара опускающейся водой. Для того, чтобы высота уровня воды над входом в опускные трубы была максимальной, опускные трубы надо выводить из барабана как можно ближе к нижней его образующей.

В барабан из контура циркуляции по отводящим трубам поступает пароводяная смесь с большой скоростью. Если организовать сосредоточенный ввод отводящих труб (рис.4.2.1), то за счет большой кинетической энергии струи и значительного объема паровой фазы уровень воды, насыщенный паровыми пузырями, будет значительно выше среднего, т.е. произойдет набухание уровня. При прохождении пара через границу вода - пар будет образовываться большое количество водяных капель, поднимаемых потокам пара. Отсюда третья задача: организовать равномерный по длине и сечению барабана ввод пароотводящих труб и гашение энергии поступающей пароводяной струи; обеспечить равномерность распределения паровой фазы по сечению барабана с тем, чтобы пар барботировал через слой воды с малой скоростью, при этом возмущение уровня воды будет минимальным, образование капель и их выброс в паровое пространство уменьшится.

Насыщенный пар, поступающий в барабан, поднимается в верхнюю часть барабана и отводится через трубы в пароперегреватель. Ясно, что эти трубы должны быть расположены вдоль верхней образующей барабана, иначе может образоваться застойная зона. Поток пар, направляющийся к сосредоточенному отводу, плохо заполняет сечение барабана, скорость пара в средней части при этом существенно увеличивается. Поток пара может унести часть капель воды из парового пространства в отводящие трубы и дальше в пароперегреватель. Так ка унос капель по массе невелик, то эта влага на условия теплообмена в пароперегревателе не влияет. Если произодет "заброс" влаги, т.е. большой унос ее с паром, то вода, попадая на стенки труб пароперегревателя, вызовет резкое охлаждение их и термическое растрескивание металла. Но и малое количество уноса влаги приносит большие неприятности: в каплях воды содержится большое количество примесей, которые при испарении воды на стенке пароперегревателя оставляет отложения с низкой теплопроводностью, а при испарении в потоке пара передают ему примеси, которые уносятся в турбину. Четвертая задача: организовать равномерное заполнение потоком пара сечение барабана, чтобы снизить скорость пара; обеспечить интенсивную сепарацию пара от воды, уменьшив унос влаги до приемлемого значения.

При высоком давлении насыщенный пар, барботирующий через слой воды в барабане, содержит значительное количество примесей и тогда возникает пятая задача - организация очистки пара внутри барабана.

Из общего анализа процессов в барабане видно, что при проектировании и эксплуатации барабана приходится решать сложные задачи. Конструктивное решение их приводит к сильному загромождению внутрибарабанного пространства различными устройствами, усложняющими ремонт и эксплуатацию котла. Поддержание постоянного уровня воды в барабане при всех режимах работы котла является одной из главных задач эксплуатации котла, обеспечивающей надежность и экономичность его работы и работы всего блока.

По набору основных устройств барабаны можно, условно, разделить на две группы: для низкого и среднего давления (давление в барабане р_б = 11 МПа и ниже); для высокого и сверхвысокого давления (р_б =15-19 Мпа). Основное различие состоит в том, что при р_б < 11 МПа промывку пара, как правило, не делают, паровое пространство остается свободным и создаются условия для естественной, осадительной, сепарации влаги от пара. При более высоком давлении промывка пара делается обязательно, паропромывочное устройство загромождает паровое пространство, оставшаяся высота парового объема недостаточна для естественной сепарации, приходится делать устройства для вынужденной, механической сепарации. Рассмотрим принципиальные схемы выполнения этих двух вариантов.

На рис.4.2.2 представлена схема внутрибарабанных устройств для котлов низкого и среднего давления. Промывка пара отсутствует, поэтому для снижения концентрации примеси в паре влажность его должна быть не более 0.02%. Опускные трубы 1 выведены по нижним образующим барабана, над ними стоят решетки 5 или крестовины, препятствующие воронкообразованию; чтобы предотвратить снос пара, между опускными 1 и подъемными 2 трубами стоит перегородка 6; кавитация на входе в опускные трубы не ожидается, так как столб жидкости над ними более 400 мм.

Подъемные пароотводящие трубы 2 введены равномерно по длине барабана в водяное и паровое пространство. В современных паровых котлах через каждую трубу подается до 1000 -1500 кг/ч пароводяной смеси при скорости 0.3 - 0.8 м/с. Гашение кинетической энергии пароводяной смеси происходит за счет отбойных щитков 7 и водяного объема, через который проходит вся пароводяная смесь. При этом происходит первое, грубое разделение пароводяной смеси. Для равномерного распределения пара по сечению зеркала испарения выполнен погруженный дырчатый лист 8 с отверстиями диаметром 10-20 мм. Дырчатый лист устанавливается на 50 - 75 мм ниже наинизшего уровня (весового) воды. Между листом и корпусом барабана должен быть зазор не менее 150 мм для стока воды ( скорость воды должна быть не более 0.1 м/с). Щеки 9 предотвращают прорыв паровой подушки 10 помимо дырчатого листа.

Важным моментом расчета дырчатого листа является выбор скорости пара в отверстиях: увеличение скорости пара приводит к росту сопротивления дырчатого листа и толщины пароыой подушки. С обной стороны, это способствует выравниванию распределения пара по сечению барабана, что хорошо, но, с другой стороны, увеличение толщины паровой подушки может привести к захвату пара в опускные трубы и нарушению работы контура циркуляции. На рис. 4.2.3 показаны минимально допустимые и рекомендуемые скорости пара в дырчатых листах. Толщина паровой подушки составляет порядка 50 мм.

Вода после экономайзера 3 подводится к раздающей трубе 11, расположенной в правой части дырчатого листа. По длине трубы расположены отверстия диаметром более 10 мм, через которые вода равномерно вытекает и проходит над дырчатым листом. При этом происходит частичная промывка пара и предотвращается пенообразование. Малая высота двухфазного слоя ограничивает возможность набухания уровня и увеличивает высоту парового пространства.

Отвод пара 4 выполняется по верхним образующим вдоль барабана через пароприемный потолок - дырчатый лист 12 и жалюзийный сепаратор 13.

С увеличением паропроизводительности котла нагрузка на зеркало испарения увеличивается, погруженный дырчатый лист не может обеспечить хорошие условия для барботажа пара, паровой объем не справляется с сепарацией влаги из потока пара. В этом случае и в котлах среднего давления могут быть установлены внутрибарабанные и выносные циклоны. В барабанах практически всех современных котлов с высоким давлением устанавливаются внутрибарабанные циклоны и паропромывочные устройства, во многих случаях применяются и выносные циклоны.

На рис.4.2.4 представлена схема внутрибарабанных устройств котлов высокого давления. Подвод воды в опускные трубы 1 так же организован через крестовины 2. Показана труба аварийного слива воды3, через которую удаляется часть котловой воды, когда уровень ее превысит максимально допустимое значение. Перед трубами 13, через которые отводится пар, стоит пароприемный дырчатый лист 12.

Пароводяная смесь из экранных труб 4 поступает в короб 5, идущий вдоль барабана. В этом коробе происходит частичное гашение кинетической энергии смеси и ее первоначальное разделение на воду и пар. Вода через щели в нижней части короба направляется в водяной объем, а оставшаяся вода вместе с паром по перепускному коробу 16 направляется во внутрибарабанный циклон 17. Внутрибарабанный циклон состоит (см. левый циклон в разрезе) из корпуса 6 диаметром 300 мм, крышки 7 с встроенным жалюзийным сепаратором 8 и крестовины 9. Пароводяная смесь поступает в циклон тангециально. Под воздействием центробежных сил происходит первая ступеь сепарации. Жидкая фаза отбрасывается на корпус циклона, внутренняя поверхность жидкости принимает форму параболы. Скорость подвода пароводяной смеси должна быть рассчитана таким образом, чтобы нижняя часть параболы располагалась между перепускным коробом 16 и крестовиной 9. Иначе вода будет забрасываться в перепускной короб или пар вырвется через дно циклона и может попасть в опускные трубы. Оптимальная скорость на выходе перепускного короба составляет 10-12 м/с (минимум 5-6 м/с, максимум 15-20 м/с). Положение нижней части параболы зависит и от уровня воды в барабане. Поэтому циклон устанавливается таким образом, чтобы при наивысшем положении воды в барабане уровень ее был на середине перепускного короба. Верхняя часть параболы должна заканчиваться у кромки корпуса; между корпусом и крышкой предусмотрена щель для разворота вниз пленки воды при ее выходе за пределы корпуса циклона.

Пар с остатками воды направляется вверх по средней части циклона. Для лучшей сепарации воды в паровом пространстве циклона (осадительная сепарация) скорость пара выравнивается по сечению (0.5-0.7 м/с) с помощью установки на выходе из циклона жалязийного сепаратора 8 или дырчатых листов. Жалюзийный сепаратор представляет собой третью ступень сепарации в циклоне. После циклона пар попадает в паровое пространство барабана, скорость его падает, происходит дополнительная естественная (осадительная) сепарация. Влажность пара должна быть в пределах 0.05%. Вода из циклона направляется вниз в водяной объем через крестовину 9 или другое устройство для превращения вращательного дви-жения воды в поступательное опускное.

Диаметр внутрибарабанного циклона выбирается по условиям эффективвности сепарации (лучше - иметь больший диаметр) и возможности доставить его внутрь через торцевой люк. Оптимальный диаметр циклона - 290-300 мм. Высота циклона определяется необходимой степенью осушки пара и имеющимися размерами внутри барабана (порядка 500 мм). Нагрузка одного такого циклона составляет при давлении 15 МПа 7-8 т/ч, т.е. в барабане устанавливается иногда (при большой паропроизводительности) десятки таких циклонов.

Осушенный пар проходит через паропромывочное устройство 11, дырчатый лист 12 и уходит в пароперегреватель по трубам 13. Питательная вода после экономайзера 15 поступает в распределительный коллектор 14, течет по дырчатому листу 11 и направляется по сливному коробу 10 в водяной объем.

Для выравнивания скорости пара по сечению барабана и, тем самым, уменьшения ее величины, вверху барабана делается пароприемный потолок, представляющий собой дырчатый лист. Диаметр отверстий 6-10 мм, скорость пара в отверстиях принимается 6-10 м/с для высоких и 10-18 м/с для средних давлений. Гидравлическое сопротивление щита должно быть больше сопротивления входа пара в пароотводящие трубы.

Равномерное распределение пара по сечению барабана, отсутствие набухания двухфазного слоя и пенообразования, относительно высокое паровое пространство - все это создает хорошие условия для естественной сепарации влаги и снижению влажности пара. Для дополнительного улавливания капель воды перед пароприемным дырчатым листом устанавливают жалюзийный сепаратор. Варианты его конструкции представлены на рис.4.2.5. При проходе пара в щелях направление движения его изменяется и за счет инерционных сил капли воды осаждаются на пластинах сепаратора, сливаются в струи и стекают в водяной объем. Чтобы не происходило срыва пленки жидкости паром, скорость пара перед жалюзийным сепаратором не должна превышать 0.5 м/с при р = 4 МПа; 0.2 м/с про р = 10 МПа; 0.1 м/с при р= 15 МПа. Эффективность сепаратора увеличивается при снижении скорости пара в барабане (рис.4.2.6). Жалюзийные сепаратроры устанавливаются на высоте более 400 мм от уровня воды.

По конструктивному выполнению жалюзийные сепараторы могут быть горизонтальными (подвод пара снизу), вертикальными (подвод пара по боковой поверхности) или наклонными. В барабанах котлов установлены, как правило, горизонтальные жалюзийные сепараторы.

Во второй и, тем более, третьей ступени испарения концентрация примеси в котловой воде значительно выше, чем в первой, и для получения чистого пара необходима высокая степень осушки пара. В низких внутрибарабанных циклонах это сделать нельзя, применяются выносные циклоны, схема соединения которых с барабаном и контуром циркуляции показана на рис.4.2.7.

Выносной циклон представляет собой вертикальную трубу диаметром 300 - 500 мм и высотой 4- 5 м (рис.4.2.7). В днище циклона вварены опускные трубы 1, подвод воды из барабана 2 сделан над ними. На пути воды из водного объема циклона в опускные трубы стоит крестовина 3 - для ликвидации вихревых потоков. Замер уровня воды в циклоне производится с помощью водомерного стекла 4. Пароводяная смесь из экранных труб поступает тангенциально через улитку 8 и завихритель 9. Вода отжимается к стенкам и опускается вниз, а пар поднимается вверх. Выравнивание скорости пара (порядка 0.3- 0.5 м/с) производится путем установки дроссельного дырчатого листа 5 перед трубами 6 отвода пара. За счет большой высоты парового пространства происходит хорошая сепарация влаги от пара. Осушенный пар из циклона направляется в барабан котла.

Продувочная линия 10 выводится ниже уровня воды в циклоне, где находится область наиболее высокой концентрации примеси. В верхнем торце циклона предусмотрен воздушник 7 для удаления воздуха из системы при пучке котла.

Расположение выносного циклона по высоте относительно нормального уровня воды в барабане показано на рис. 4.2.7. Удельная нагрузка на сечение циклона может быть в 2 - 2.5 раза выше, чем у внутрибарабанного, а, учитывая больший внутренний диаметр (350 мм), паровая нагрузка на выносной циклон больше в 3-4 раза и составляет порядка 25-30 т/ч при р = 15 МПа. Обычно на паровой котел ставят 2-4 выносных циклона.

Принцип работы паропромывочного устройства россмотрен в следующем параграфе.