4.3.6. Условия образования отложений легкорастворимых соединений

В воде, испаряемой в парогенераторах, обычно содержатся примеси легкорастворимых веществ: сульфаты, хлориды, фосфаты, силикаты и гидроокись натрия, которые попадают в питательную воду с добавочной питательной водой, производственными конденсатами и присосом охлаждающей воды в конденсаторах. При глубоком упаривании котловой воды и достижении концентраций, превышающих растворимость натриевых соединений, они кристаллизуются и образуют твердые отложения на поверхностях нагрева.

Рассмотрим условия, необходимые для образования водорастворимых отложений из натриевых соединений на внутренних поверхностях парообразующих труб. Если обозначить через t_o температуру кипения чистой воды при данном давлении и через t_Р температуру кипения насыщенного раствора данного вещества, то величина температурной депрессии Δt_s = t_p – t_o показывает, насколько температура стенки парообразующей трубы должна быть выше температуры кипения чистой воды при данном давлении, чтобы раствор соли мог быть выпарен досуха в атмосфере водяного пара данного давления. Экспериментальным путем установлено, что величины значений Δt_s зависят от состава растворенных веществ и давления.

Образование отложений легкорастворимых соединений на внутренних поверхностях парообразующих труб определяется величиной Δt_s, оно возможно лишь в том случае, когда температура раствора на каком-либо участке пароводяного тракта парогенератора превышает температуру кипения чистой воды на величину больше чем Δt_s. Если в растворе преобладают вещества, характеризующиеся малой величиной Δt_s, достаточно небольшого перегрева стенки трубы, чтобы произошло полное испарение пленки воды с образованием твердых солевых отложений. Вещества же с большим значением Δt_s могут оставаться в растворе даже в том случае, когда температура перегретой стенки значительно превышает температуру кипения чистой воды.

Экспериментальным путем установлено, что для образования твердых отложений легкорастворимых веществ в условиях кипения котловой воды, представляющей собой многокомпонентный солевой раствор, необходимы значительно большие повышения температуры раствора в сравнении с чистой водой, чем в условиях кипения однокомпонентных растворов натриевых соединений.

Когда гидродинамические нарушения отсутствуют, и в парогенераторе имеет место нормальное пузырьковое кипение, происходит интенсивный тепло- и массообмен между перегретой жидкостью в пристенном слое и основной массой неперегретой котловой воды. При таком благоприятном температурном режиме не наблюдается сколько-нибудь существенного местного повышения температуры внутренней поверхности нагрева под паровыми пузырями и тем более температуры пристенного слоя котловой воды.

Так как на площадках поверхности нагрева под образующимися паровыми пузырями не происходит глубокого упаривания раствора в пристенном слое, и он остается ненасыщенным, то и кристаллизации солей не происходит. Отсюда следует, что в условиях нормального пузырькового кипения, даже при концентрациях, значительно превышающих обычные солесодержания котловой воды, отложения легкорастворимых соединений на внутренней поверхности парообразующих труб не образуются. Лишь при нарушении режима гидродинамики пароводяной смеси и ухудшении температурного режима металла парообразующих поверхностей возможно местное повышение концентрации легкорастворимых соединений в пристенном слое котловой воды вплоть до насыщения с последующей кристаллизацией их и образованием твердых отложений на поверхности нагрева. В указанных неблагоприятных условиях происходит глубокое упаривание пристенного слоя котловой воды, сопровождаемое резким уменьшением водосодержания потока пароводяной смеси.

Установлено, что при малых кратностях циркуляции и высоком паросодержании двухфазного потока имеет место переход от нормального пузырькового к опасному пленочному режиму кипения, т. е. наступает так называемый кризис кипения, когда паровые пузыри не успевают отрываться от поверхности нагрева и образуют паровой изолирующий слой. Это приводит к нарушению массообмена между пристенным слоем и ядром потока, содержащим влагу, следствием этого является утонение либо полное упаривание раствора у стенки, резкое ухудшение температурного режима труб и выпадение на их внутренних стенках всех солей, в том числе легкорастворимых натриевых.

Для того чтобы предотвратить кризис кипения и отложение легкорастворимых солей, необходимо увеличить скорость циркуляции и снизить местные тепловые нагрузки.

При расслоении пароводяной смеси, опрокидывании циркуляции и образовании свободного уровня в трубах локальная концентрация солей в пристенном слое этих труб может в сотни раз превышать среднюю концентрацию солей в циркулирующей котловой воде, так как происходит глубокое местное упаривание последней. Установлено, что расслоение пароводяной смеси (лотковый режим течения) наблюдается обычно в интенсивно обогреваемых горизонтальных и слабонаклоненных парообразующих трубах экранов. При этом в нижней части трубы, где движется вода, имеет место нормальное пузырьковое кипение жидкости, и температура стенки трубы мало отличается от температуры насыщения. В верхней же части сечения, где на стенках трубы отсутствует сплошная жидкая пленка, температура стенок трубы может быть значительно выше ввиду того, что на «сухих» участках коэффициент теплоотдачи от стенки к пару намного меньше, чем от стенки к воде.

При лотковом режиме течения смеси в трубах имеет место систематическое попадание мелких капель (брызг) воды на верхнюю (сухую) часть трубы с последующим испарением этих капель вплоть до выпадения тех солей, температура кипения насыщенных растворов которых ниже температуры металла. При этом могут отлагаться не только труднорастворимые соли щелочно-земельных металлов, но и те легкорастворимые натриевые соединения, которые обладают температурой кипения насыщенного раствора, близкой к температуре кипения котловой воды. Ликвидации этих явлений можно добиться увеличением угла наклона парообразующей трубы к горизонтали до 15–30°.

В парообразующих трубах может произойти опрокидывание циркуляции, при котором вода и пар движутся в разные стороны и в результате образуются паровые мешки и пробки, приводящие к перегреву металла и образованию местных солевых отложений. Опасным фактором, способствующим образованию отложений, является так называемый «свободный уровень» воды в вертикальных экранных трубах, который может получиться при неодинаковом обогреве параллельно включенных парообразующих труб циркуляционного контура, а также при обогреве газами лишь верхнего участка трубы, в то время как нижний участок ее зашлакован. С повышением давления в парогенераторе растет опасность образования свободного уровня в связи с уменьшением движущих напоров циркуляции. При длительном наличии свободного уровня котловая вода, находящаяся в трубе ниже его, подвергается выпариванию. При этом концентрация веществ в котловой воде, содержащейся в трубе, быстро повышается, достигая значений, намного превышающих концентрацию их в котловой воде, циркулирующей по другим трубам.

О связи солеотложений с гидродинамическим режимом свидетельствует наблюдаемое при эксплуатации парогенераторов высокого давления с дефектной циркуляцией специфическое явление, характеризующееся временным снижением содержания легкорастворимых соединений в котловой воде. Это так называемое «прятанье» солей объясняется тем, что при росте нагрузки парогенератора, обладающего дефектной циркуляцией, известная часть натриевых соединений, входящих в состав котловой воды, отлагается на интенсивно обогреваемых поверхностях парообразующих труб, плохо омываемых котловой водой. При остановке парогенератора или же резком снижении его нагрузки наблюдается обратная картина, так как с восстановлением в парогенераторе нормальной циркуляции и ликвидацией явления расслоения пароводяной смеси водорастворимые натриевые соли, отложившиеся на «сухих» участках парогенератора, снова переходят в раствор.

Отложившиеся на высокотеплонапряженных участках парообразующих труб водорастворимые натриевые соединения могут в результате топохимических реакций с окислами металла котла преобразовываться в труднорастворимые смешанные накипи. Следовательно, в известных неблагоприятных условиях натриевые соединения уже становятся опасными накипеобразователями.