Глава четвертая отложения в энергетическом оборудовании и способы устранения

4.1. Отложения в парогенераторах и теплообменниках

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. Как известно, температура стенки со стороны газов при загрязненной накипью поверхности определяется из уравнения:

(4.1)

где t_ст – температура стенки, °С; t_н – температура насыщения (кипящей воды), °С; q – плотность теплового потока, вт/м²; δ_ст и δ_нак – толщина стенки и слоя накипи, м; λ_ст и λ_нак – коэффициенты теплопроводности стенки и слоя накипи, Вт/(м·°С); α₂ – коэффициент теплоотдачи от накипи к воде, Вт/(м²·°С).

Как видно из приведенного уравнения, температура стенки пропорциональна плотности теплового потока и толщине накипи и обратно пропорциональна коэффициенту теплопроводности ее.

Радиационные поверхности нагрева современных парогенераторов интенсивно обогреваются топочным факелом. Плотность теплового потока в них достигает 600–700 кВт/м², а значения плотностей местных тепловых потоков могут быть еще выше. Поэтому даже кратковременное ухудшение коэффициента теплоотдачи от стенки к кипящей воде приводит к столь значительному росту температуры стенки трубы (500–600 °С 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 слабо-наклонные участки парообразующих труб с вялой циркуляцией, то в них обычно происходит скопление отложений рыхлого шлама. Сужение сечения для прохода воды или полная закупорка парообразующих труб приводят 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 стороне, прилегающей к стенке топочной камеры («тыльная» сторона).

Поскольку прямоточный парогенератор является эффективной ловушкой трудно растворимых 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 подвергается систематической коррекционной обработке разнообразными реагентами (фосфатами, комплексонами и др.), обеспечивающими выпадение накипеобразователей в форме легкоподвижного неприкипающего шлама, выводимого из парогенератора с помощью его периодической продувки. Выявилось, что в условиях конденсатного питания парогенераторов с малой добавкой химически обессоленной природной воды либо дистиллята испарителей, основной составляющей отложений на всем протяжении водопарового 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 водопарового цикла энергоблоков. Это достигается путем глубокой очистки всего конденсата пара, прошедшего через турбину, а также конденсатов греющего пара регенеративного и теплофикационного подогревателей.

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

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 КПД 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, маслами 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 технологической эксплуатации состояния 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 на поверхности металла и не превышают 50 г/м² для парогенераторов высокого давления (в. д.) и не более 20–25 г/м² для парогенераторов сверхкритического давления.

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.