4.6.2. Поведение примесей пара в проточной части паровых турбин

В перегретом паре, поступающем в турбину, могут присутствовать в различных количественных соотношениях растворенные в нем неорганические соединения, мельчайшие высококонцентрированные капельки котловой воды, частицы сухих солей и окислов металлов. При расширении пара в ступенях проточной части турбины стремительно снижаются его температура и давление, вследствие чего уменьшается растворяющая способность перегретого пара, а в унесенных капельках котловой воды сдвигается равновесие в растворах неорганических соединений. В результате этих физико-химических процессов из пересыщенных парового и водного растворов выделяется твердая фаза. Выделение избытка вещества из перегретого пара может происходить как непосредственно на поверхности проточной части, так и в самом паровом потоке с отложением выкристаллизовавшихся из него сухих частиц на последующих ступенях турбин. В настоящее время еще нет достаточно надежных данных о доле выпадающей из пара твердой фазы, кристаллизующейся и накапливающейся на поверхности проточной части турбины.

Выделение твердой фазы из парового раствора возможно только в том случае, если содержание веществ в перегретом паре, поступившем в проточную часть турбины, превышает растворяющую способность перегретого пара в какой-либо из ее ступеней.

В условиях сильного пересыщения парорастворов, обусловленного тем, что пар проходит всю проточную часть турбины за десятые доли секунды, выпадение твердой фазы в объеме парового потока и на поверхности лопаток будет иметь место не только по достижении предела растворимости, но и на лопатках последующих ступеней. В процессе кристаллизации веществ из парорастворов происходят частичный захват и отложение в турбине тех соединений, которые вследствие своей малой растворимости в паре поступают в проточную часть турбины в виде тонкодисперсных твердых частиц.

В первых ступенях ц. в. д. преимущественно отлагаются соединения CuO, Сu₂О, Na₂SiO₃, Na₂SO₄, Mg(OH)₂, очень слабо растворимые в перегретом паре и характеризующиеся сильной зависимостью величины их растворимости от плотности пара. Уже при небольшом снижении давления в пределах ц. в. д. растворимость этих веществ падает до десятых долей микрограмма на килограмм пара. Можно полагать, что в этой зоне проточной части турбины отложения образуются в результате непосредственной кристаллизации солей или окислов металлов из пересыщенного парораствора, когда энергия кристаллической решетки достаточно велика, чтобы образовать прочные отложения, способные противостоять эрозионному воздействию потока пара.

Согласно данным некоторых зарубежных литературных источников, доля отложившихся на лопатках ц. в. д. турбины окислов меди не превышает 8–19 %, остальное уносится потоком пара и может частично отложиться в промежуточном пароперегревателе либо попасть в конденсат турбины. Тем не менее на энергоблоках с. к. д. медистые отложения представляют серьезную опасность, так как они образуются преимущественно на первых ступенях ц. в. д. в зоне наименьших проходных сечений проточной части, именно там, где удельная мощность на 1 м² поверхности лопаток (МВт/м²) велика. Здесь даже незначительный по величине занос может заметно уменьшить мощность турбины и снизить ее экономичность. При давлении перед турбиной 130 кгс/см² растворимость меди значительно меньше и медистые отложения в проточной части перестают играть сколько-нибудь серьезную роль.

Отложения окислов железа обнаруживаются на всех ступенях турбины, причем на тex ступенях, где других веществ мало, процентное содержание окислов железа в отложениях резко возрастает. Окислы железа в большинстве отложений присутствуют преимущественно в виде Fe₃О₄ и лишь частично в виде Fe₂O₃.

Значительно лучше растворимый в паре хлористый натрий при концентрации его в паре, отвечающей нормам, достигает насыщения в турбине, где проходные сечения проточной части достаточно велики, и занос в меньшей степени отражается на ограничении мощности и снижении экономичности турбины. Только при значительном ухудшении качества пара (мкг/дм³) хлористый натрий отлагается в конце цилиндра высокого давления (ц.в.д.).

Кремниевая кислота, обладающая хорошей растворимостью в паре, выделяется в твердую фазу лишь при значительном снижении давления. Кремнекислые отложения (с содержанием SiO₂ 85–95 %) в различных кристаллических модификациях или в аморфной форме сосредотачиваются, как правило, в ц.с.д. и ц.н.д. турбины (рис. 4.7), так как растворимость SiO₂ слабо зависит от плотности пара.

Рис. 4.7. Схематическая диаграмма температурных границ существования разных отложений, образующихся в проточной части турбин (по данным фазового анализа)

Соединения иNa⁺ практически при любом их содержании в поступающем паре частично выпадают на лопатки ц. в. д., причем процессу отложения соответствует отложениеNa⁺. Происходит оседание Na₂SiО₃, растворимость которого в паре значительно ниже, чем Н₂SiО₃. При этом интенсивность заноса ц. в. д. турбины находится в полном соответствии с качеством питательной воды и перегретого пара. Следствием заноса ц. в. д. является снижение мощности турбины при отсутствии повреждений поверхности нагрева парогенератора.

Основными причинами нарушений норм качества питательной воды и пара, поступающего в турбину по кремнесодержанию являются: 1) наличие в исходной воде значительного количества тонкодисперсных соединений кремниевой кислоты, которые не поглощаются анионитными фильтрами, а проходят через все фильтры обессоливающей установки и обнаруживаются в обессоленной добавочной воде в схеме питания блока; 2) увеличение присоса охлаждающей воды при содержании в ней тонкодисперсных соединений кремниевой кислоты; 3) высокое кремнесодержание пара в первый период после включения в работу турбин из-за недостаточной эффективности режима промывок питательного тракта и внутренних поверхностей парогенератора; 4) нарушение нормальной работы установок обессоливания конденсата – несвоевременный вывод анионитных фильтров на регенерацию, неудовлетворительная отмывка фильтров, использование растворов нерациональной концентрации для регенерации катионитных и анионитных фильтров.

Большое влияние на характер кремнекислых отложений в турбине оказывает соотношение в паре щелочи (NaOH) и кремниевой кислоты. В тех случаях, когда содержание натрия достаточно для связывания всей кремниевой кислоты, образуются отложения только водорастворимых силикатов натрия. В противном случае лишь часть кремния выпадает в виде силикатов натрия в головной части турбины, остальная же часть кремниевой кислоты транспортируется паром и образует водонерастворимые отложения в ступенях низкого давления. При снижении параметров пара в ступенях турбины едкий натр переходит из парового раствора, минуя твердую фазу, в жидкое состояние и может, взаимодействуя с окислами железа и кремниевой кислотой, образовывать ферриты и ферросиликаты натрия.

Сопоставление величины жесткости конденсата проб пара с пределом растворимости в перегретом паре соединений кальция, а также непосредственный микроскопический анализ показали, что соединения кальция проходят через проточную часть турбины главным образом в виде сухой пыли.

В ступенях низких давлений, где начинается увлажнение пара, примеси, выделяющиеся из парового раствора вследствие снижения его растворяющей способности, полностью переходят во влагу и не образуют отложений в проточной части. При нестабильной работе турбины (резкое изменение или сброс нагрузки), а также при колебаниях температуры пара происходит частичное отслаивание и вынос отложений из ц. в. д. в промежуточный пароперегреватель либо в ц. с. д. и ц. н. д. При остановках и последующих пусках из турбины частично вымываются влажным паром не только водорастворимые натриевые соединения, но и отложения, обладающие малой растворимостью в горячей воде. Отсюда следует, что с увеличением продолжительности рабочей кампании турбоагрегата опасность заноса проточной части окислами меди, железа и кремния возрастает, ибо перестает сказываться положительное влияние самопромывки, уменьшающей темп снижения мощности и КПД турбины.

Для выявления роли основных факторов, влияющих на интенсивность образования солевых отложений в проточной части турбины, используются индикаторы, имитирующие процессы, протекающие в отдельных ступенях турбины. Эти индикаторы могут служить лишь для качественной оценки условий образования отложений в турбине; так как они не дают надежных результатов для выявления количественных величин отложений.