Анализ внутрикотловых схем барабанных котлов высокого давления

Беляков И. И., êàíä.òåõí. íàóê

ÎÀÎ “ÍÏÎ ÖÊÒÈ”

Особенностью барабанных котлов, по сравнению с прямоточными, является необходимость организации внутрикотловых схем с целью обеспе- чения требуемого качества пара, а также минимизации процессов образования внутренних отложений и коррозии металла парообразующих поверхностей нагрева. Данное обстоятельство обусловлено тем, что в барабане котла имеется фиксированная граница разделения парообразующей и перегревательной частей и из-за различия растворимости соединений, содержащихся в водяной и паровой фазах теплоносителя (растворимость соединений в паре на несколько порядков меньше, чем в воде), происходит концентрирование их в котловой воде.

Согласно материальному балансу без учета выноса солей с паром средняя концентрация примесей, содержащихся в котловой воде, определяется

Íà ðèñ. 1 показана получившая наибольшее распространение внутрикотловая схема барабанного котла высокого давления.

Для повышения эффективности сепарации пара используется принцип ступенчатого испарения с организацией солевых отсеков в вертикальных выносных циклонах. В чистом отсеке, расположенном непосредственно в барабане котла, для разделения пароводяной смеси устанавливаются внутрибарабанные циклоны и осуществляется промывка всего пара питательной водой на специальном барботажно-промывочном устройстве.

В настоящей статье не рассматриваются вопросы оптимального выполнения схем и сепарационных устройств, полагая, что они позволяют полу- чать требуемое качество насыщенного пара, а проводится анализ внутрикотловых схем с точки зре-

ãäå Ñïâ, Ñêâ – соответственно концентрация примесей, содержащихся в питательной и котловой воде; p – продувка, равная отношению расхода продувочной воды (Dïð) è ïàðà (Dï).

Из выражения (1) следует, что в продувке барабанного котла концентрация растворимых примесей, равная ее среднему значению в котловой воде при ð = 1%, приблизительно в 100 раз больше, чем в питательной воде. Поэтому для предотвращения коррозии металла парообразующих труб и максимального снижения интенсивности образования отложений на их внутренней поверхности в котловую воду вводят специальные реагенты.

Для поддержания постоянства концентрации растворимых примесей в котловой воде часть их необходимо непрерывно удалять из барабана котла с продувкой, а продукты коррозии и нерастворимые соединения, образовавшиеся при коррекционной обработке котловой воды в виде нерастворимого шлама, – периодической продувкой нижних коллекторов.

Возможность удаления части примесей, содержащихся в котловой воде, позволяет осуществлять питание барабанных котлов водой более низкого качества, чем прямоточных, при обеспечении одинакового качества пара.

8

2 ! $ $ /

+# !:

1 – барабан котла; 2 – выносные циклоны; 3 – линия фосфатирования; 4 – линия непрерывной продувки; 5 – нижние коллекторы солевых отсеков; 6 – линии перемешивания; 7 – опускные трубы солевого отсека; 8 – линия периодической продувки; 9 – экранные трубы солевого отсека; 10 – пароотводящие трубы солевого отсека; 11 – одна из панелей чистого отсека; 12 – линия солевой кратности; 13 – водоподводящая линия солевого отсека; 14 – пароотводящие линии; 15 – подвод питательной воды

ния обеспечения надежности парообразующих поверхностей нагрева.

Питательная вода в количестве, равном паропроизводительности (или ее половине) котла, подается на барботажно-промывочное устройство и далее поступает в водяной объем барабана.

Для связывания солей жесткости и поддержания требуемого значения pН котловой воды, обеспечивающего защиту металла парообразующих труб от коррозии, в барабан котла по специальной линии вводятся фосфаты или щелочно-фосфатная смесь.

Целесообразность ввода фосфатов непосредственно в котловую воду обосновывается тем, что это приводит к образованию фосфорита кальция Ca3(ÐÎ4)2 или гидроксилапатита Са10(ÐÎ4)6(ÎÍ)2 [иначе 3Са3(ÐÎ4)2·Ñà(ÎÍ)2]. Указанные соединения труднорастворимы в воде. Фосфорит кальция образует на поверхности нагрева низкотеплопроводные отложения, а гидроксилапатит выпадает в виде шлама. Так как последний образуется преимущественно при наличии в воде избытка гидроксильных ионов ОН–, то предполагается [1], что ввод фосфатов целесообразнее производить в более щелочную котловую воду, а не в питательную.

Подобный способ ввода фосфатов требует организации их равномерного распределения по длине барабана путем установки специальной трубы с большим числом раздающих отверстий малого диаметра по ее длине. В процессе эксплуатации неоднократно отмечаются случаи забивания данных отверстий, что является причиной возникновения значительных “солевых” перекосов по длине барабана.

Более простой способ подачи фосфатов в котел – их ввод непосредственно в питательную воду после экономайзера. Подобный метод в течение многих лет успешно применяется в котлах-утилизато- рах в химической промышленности с давлением в барабане 10,0 МПа [2].

Учитывая, что в котлы высокого давления для кондиционирования котловой воды вводится ще- лочно-фосфатная смесь, по-видимому, не имеет практического значения ввод их в питательную или котловую воду.

Вывод солей из котла осуществляется непрерывной продувкой по одной объединенной линии из обоих выносных циклонов солевых отсеков. Подобная схема позволяет вдвое сократить коли- чество арматуры, а также упростить процесс автоматизации продувки. Однако данное решение требует тщательного выполнения симметрии объединяющих линий, в противном случае возможно возникновение “солевого” перекоса из-за неравномерности расходов продувочной воды по сторонам котла.

Забор воды для непрерывной продувки в котлах производится, как правило, из выносного цик-

Для удаления железофосфатного шлама из котла осуществляется периодическая продувка путем поочередного кратковременного открытия (в тече- ние 30 – 60 с) вентиля, устанавливаемого на нижних коллекторах циркуляционной системы. Эффективность периодической продувки определяется гидродинамикой воды в коллекторе при обеспе- чении максимальной ее скорости по всей его длине.

Выполнение периодической продувки в тече- ние длительного времени не имеет смысла и является свидетельством несовершенства ее конструктивного выполнения. Периодичность проведения продувки (обычно 1 раз в сутки) определяется на основании результатов теплохимических испытаний котла.

Периодическую продувку для эффективного удаления шлама следует выполнять из нижних коллекторов котла трубами с внутренним диаметром 20 мм таким образом, чтобы расстояние между точками отбора было не более 1 м. В циркуляционных панелях, имеющих менее 30 экранных труб, для предотвращения срыва циркуляции при периодической продувке необходимо сократить время ее проведения до 15 с или установить ограничительные шайбы на продувочной линии [4].

Опыт эксплуатации показал, что недопустимо совмещение непрерывной и периодической продувок из нижнего коллектора панели контура солевого отсека, так как это может привести к забиванию линии непрерывной продувки. По этой же причи- не не рекомендуется выполнять непрерывную продувку, используя линию дренажа выносного циклона.

При использовании ступенчатого испарения требуемое качество пара достигается (при прочих равных условиях) при более низком качестве питательной воды, чем в котле с одноступенчатым испарением. Однако данный способ получения пара для котлов высокого давления применяется из-за невозможности обеспечить оптимальный воднохимический режим (ВХР) котловой воды по условиям образования внутренних отложений и коррозии металла парообразующих труб [5].

На современных барабанных котлах наиболее распространено выполнение солевых ступеней в выносных циклонах, так как это исключает заброс котловой воды из солевого отсека в чистый, что неоднократно происходит при их расположении внутри барабана. Кроме этого, применение выносных циклонов позволяет снизить паровую нагрузку барабана и, тем самым, несколько уменьшить его габариты.

При использовании выносных циклонов, вследствие небольшой производительности, необходимо в ряде случаев устанавливать их несколько штук. На большинстве котлов выносные циклоны (рис. 1) по питанию из барабана включаются после-

довательно при подаче из них котловой воды в нижний коллектор экранной панели солевого отсека.

При проведении испытаний подобного котла [6] было выявлено, что даже при отсутствии разделяющей перегородки в нижнем и верхнем коллекторах панели солевого отсека имеется четкое различие концентраций примесей в котловой воде опускных труб приблизительно в 2 раза. Это свидетельствует об отсутствии перемешивания котловой воды первого и второго циклонов в нижнем коллекторе и фактически подобный котел вместо двухступенчатого является трехступенчатым, в чем нет никакой целесообразности.

Выполнение схемы последовательного питания выносных циклонов при наличии большой длины водоподводящих труб может привести к возникновению нарушения циркуляции при нестационарных режимах работы котла вследствие запаздывания подачи воды из барабана в последний циклон, что вызовет недопустимо большое снижение уровня в нем. Подобные случаи отмечались на котлах среднего и низкого давления при последовательном включении трех и более выносных циклонов.

При проектировании котлов с выносными циклонами в случае неточности в определении паропроизводительности подключаемой к нему солевой ступени возможно возникновение нарушения циркуляции в экранных трубах из-за захвата пара в опускные трубы.

Питание выносного циклона осуществляется за счет разности уровней воды Í в нем и барабане котла

ãäå Pïî, Pâï – гидравлическое сопротивление пароотводящих и водоподводящей труб, кгс м2; ,– удельная плотность воды и пара на линии насыщения, кг м3.

В большинстве случаев H = 250 400 мм. Для предотвращения захвата пара в опускные

трубы согласно [3] уровень воды в выносном циклоне должен быть не менее 1200 мм от его донышка.

При фактической паропроизводительности солевой ступени больше расчетного значения вследствие увеличения Í может иметь место снижение уровня в выносном циклоне ниже допустимого значения, что вызовет нарушение циркуляции воды в экране солевого отсека из-за захвата пара в опускные трубы. Подобный случай имел место на одном из пылеугольных котлов блока мощностью 210 МВт. Для предотвращения нарушения циркуляции было выполнено наращивание на 1 м нижней водяной части выносного циклона и переклю- чение двух экранных труб в чистый отсек.

Снижение уровня воды в циклоне ниже места присоединения трубы непрерывной продувки вызывает прекращение ее работы и повреждение экранных труб вследствие интенсивного образования на их внутренней поверхности отложений, а также ухудшение качества пара, что также отмеча- лось в практике эксплуатации котлов.

При изготовлении выносных циклонов имели место случаи выполнения улитки ввода пароводяной смеси в выносной циклон с размерами, меньшими указанных проектных значений, что приводило к снижению запасов на опрокидывание и к нарушению циркуляции воды при максимальной нагрузке котла [6].

Положительное свойство рассматриваемой схемы котла состоит в том, что при аварийном “упуске” уровня воды в барабане повреждения труб экранов солевой ступени не происходит из-за незна- чительного снижения его в выносном циклоне.

С целью уменьшения химических перекосов между солевыми отсеками, расположенными на разных сторонах котла, выполняются линии выравнивания концентраций (линии перемешивания на ðèñ. 1) из труб диаметром 76 64 мм, для определения эффективности которых были проведены специальные опыты на котле блока мощностью 210 МВт [7] с измерением расходов и солесодержания котловой воды в них.

При равномерной раздаче фосфатов и питательной воды по длине барабана и одинаковой тепловой нагрузке солевых отсеков “солевой” перекос, т.е. различие концентраций примесей в котловой воде левой и правой сторон котла, отсутствует. Расходы котловой воды G и концентрации солей C в линиях перемешивания одинаковы.

“Солевой” перекос в большинстве случаев возникает из-за различия тепловых нагрузок по сторонам котла вследствие неравномерной работы топки, горелочных устройств. Подобный режим был специально организован путем увеличения тепловой нагрузки правого бокового экрана при сохранении постоянства паропроизводительности котла. При этом в наиболее нагруженной части котла (линия Ñ1) солесодержание котловой воды увеличилось на Ñ1, а в менее нагруженной (линия Ñ2) – осталось практически неизменным т.е.

Ñ1 > Ñ2.

Вследствие действия естественной циркуляции произошло увеличение расхода в одной из линий G1 íà G, в линии G2 – уменьшение на такую же величину G, ò.å. G2 > G1. В результате снизилась продувка (вывод солей) из наиболее нагруженного правого солевого отсека на величину G (Ñ1 – Ñ2).

Таким образом, наличие линий перемешивания при прочих равных условиях, хотя и не очень зна- чительно, способствует увеличению “солевого” перекоса, поэтому их применение нецелесообразно. Данное обстоятельство обусловлено особенно-

стью работы контуров котла с естественной циркуляцией, что не было учтено авторами данного предложения.

Из зависимости (1) следует, что солесодержание продувочной воды определяется величиной продувки p и не зависит от числа ступеней испарения. Данное положение справедливо для бескоррекционного ВХР, при котором в котловую воду не вводятся специальные корректирующие вещества. При дозировании в котловую воду щелочно-фос- фатной смеси в котле со ступенчатым испарением кратность Ê по фосфатам, а также по общему солесодержанию определяют согласно выражению

ãäå Ñ1, Ñ2 – солесодержание воды в солевом и чистом отсеках соответственно; n2 – доля паропроизводительности контуров второй ступени испарения; p – продувка.

Согласно ПТЭ при ð = 0,01 кратность солесодержания между солевым и чистым отсеками принимается равной 5 – 10. При такой кратности между ступенями при поддержании избытков фосфатов согласно существовавшим до 1995 г. нормам ПТЭ в солевых отсеках концентрация их могла достигать 50 мг дм3 и более, что приводило к образованию железофосфатных отложений на внутренней поверхности парообразующих труб, под слоем которых возникала пароводяная коррозия металла.

Для предотвращения данного явления во внутрикотловой схеме предусматривается линия регулирования солевой кратности (“линия рассаливания”) между ступенями испарения, соединяющая солевой отсек с чистым, по которой осуществляется регулируемая продувка котловой воды из солевого отсека в чистый.

Включение линии регулирования вызовет уменьшение кратности между ступенями испарения по фосфатам согласно зависимости

ãäå Z = Dð Dï, ãäå Dð – расход воды по линии регулирования кратности.

Коэффициент Z принимается равным 5 – 8% паропроизводительности котла.

Однако при проведении испытаний [7] не было обнаружено влияния указанной линии регулирования на изменение кратности солесодержания между ступенями испарения. Подобные результаты были получены ранее в [8]. Анализ полученных результатов показал, что данное обстоятельство объясняется большим временем, необходимым для реализации условий, определяемых уравнением (4).

Расчет показывает, что для установления рас- четной солевой кратности согласно формуле (4), которая достигается при полном перемешивании потоков, требуется более 20 ч.

В [9] показано, что установка указанных, постоянно открытых линий с двух сторон котла и включении их в крайние выносные циклоны (третья ступень испарения), котла ТП-87 позволяет значительно снизить солевую кратность между ступенями и уменьшить среднегодовой расход фосфатов приблизительно в 2 – 3 раза. Данное решение [9] рекомендуется к реализации на всех котлах как способ уменьшения ступенчатости испарения.

Однако в большинстве случаев котлы работают с переменными в течение суток нагрузками и поэтому указанные линии не будут выполнять требуемого назначения – как регуляторы солевой кратности.

Расчеты показывают, что при содержании SiO2 40 50 ìêã äì3 в питательной воде котлов высокого давления, продувке ð = 1%, наличии промывки пара питательной водой обеспечивается нормативно допустимое содержание SiO2 в насыщенном паре, равное 15 мкг дм3. Поэтому неоднократно вносились предложения о целесообразности отказа от ступенчатого испарения [10 – 12]. Однако приводимая для этого аргументация была недостаточно обоснованной.

Главной особенностью ступенчатого испарения является значительное различие солесодержания и значений pН котловой воды чистого и солевого отсеков. Это, как уже указывалось, создает принципиально невозможные условия оптимального поддержания водно-химического режима котловой воды путем ввода корректирующих примесей, обеспечивающих условия минимальной интенсивности образования внутренних отложений и коррозии металла.

Известно, что в процессе генерации пара на парообразующей поверхности нагрева происходит постепенное накопление внутренних отложений нерастворимых соединений, содержащихся в котловой воде, состоящих в основном из оксидов железа. При образовании определенного их количе- ства из-за упаривания котловой воды вследствие “фитильного” эффекта под слоем отложений происходит концентрирование агрессивных примесей, вызывающих разрушение защитной пленки магнетита и коррозию металла.

Начало и интенсивность данного процесса определяются сочетанием режимных и конструктивных факторов, одним из основных параметров при этом является агрессивность котловой воды, определяемая ее солесодержанием и значением pН.

Предполагалось, что в котле с одноступенча- тым испарением при одинаковой продувке солесодержание котловой воды будет таким же, что и в солевой ступени котла со ступенчатым испарением [1].

Однако при проведении сравнительных теплохимических испытаний котлов ТГМ-96 с двухступенчатым и одноступенчатым испарением было установлено [5], что данное обстоятельство справедливо только в отношении кремнекислоты, а солесодержание котловой воды одноступенчатого котла лишь незначительно (на 10 – 20%) больше, чем в солевом отсеке двухступенчатого котла при одинаковых продувке и кремнесодержании насыщенного пара.

Данное обстоятельство обусловлено тем, что для поддержания требуемого значения pН котловой воды котла с одноступенчатым испарением требуется вводить щелочно-фосфатной смеси приблизительно в 8 раз меньше, чем в котле со ступенчатым испарением. При нормативном значе- нии жесткости питательной воды, равном не более 1 мкг-экв дм3, солесодержание котловой воды определяется главным образом концентрацией в ней ионов РО34 .

Поэтому перевод котлов высокого давления на одноступенчатое испарение позволяет значительно уменьшить вероятность возникновения коррозии металла экранных поверхностей нагрева и увеличить до 10 – 15 лет длительность межпромывочного периода. Кроме этого, происходит значи- тельное уменьшение расхода фосфатов (приблизительно 1,5 т в год на котел паропроизводительностью 500 т ч [9]), объема химконтроля, и появляется возможность при прочих равных условиях снижения непрерывной продувки. Схему с одноступенчатым испарением следует применять, в первую очередь, на новых котлах, а также на ТЭС с трехступенчатым обессоливанием добавочной воды.

По результатам исследований процессов распределения примесей в водяном объеме парогенераторов энергоблоков АЭС с ВВЭР [13 – 14] были зафиксированы значительные неравномерности солесодержания парогенераторной воды по его длине, обусловленные наличием стабильной тепловой разверки, присущей только конструкции парогенератора. В этом случае для уменьшения указанной солевой неравномерности возможно выбрать оптимальное место отбора котловой воды для организации непрерывной продувки.

При уменьшении неравномерности распределения растворимых соединений, содержащихся в воде по длине парогенератора, при организации непрерывной продувки из зоны с максимальным солесодержанием общее количество выводимых соединений, т.е. солесодержание продувочной воды при ее постоянстве согласно выражению (1), останется неизменным. Указанное обстоятельство экспериментально подтверждено при испытании парогенератора [14].

При проведении испытаний парогенератора [12], при наличии эффекта выравнивания неравно-

мерности солесодержания по его длине путем организации непрерывной продувки воды из зоны с максимальной концентрацией примесей не было отмечено изменения значения pН котловой воды, являющегося наиболее важным показателем коррозионной агрессивности теплоносителя.

Вопросы совершенствования внутрикотловых схем барабанных котлов рассматривались также в работах специалистов МЭИ [15 – 18]. Предложения, содержащиеся в [15 – 18], спорны и, по нашему мнению, их использование и распространение не следует рекомендовать.

По мнению авторов [15, 18], основной задачей ступенчатого испарения является уменьшение суммарного поступления примесей к испарительным поверхностям нагрева с циркулирующей водой. Поэтому, для повышения надежности экранных поверхностей нагрева с учетом результатов исследования [5] не имеет смысла проводить изменение схем водопитания и фосфатирования с целью снижения неравномерности распределения растворимых примесей по длине барабана, т.е. чистого отсека, так как максимальный эффект снижения неравномерности общего солесодержания котловой воды может быть достигнут только при одноступенчатом испарении вследствие уменьшения ввода фосфатов, вызывающих ненужное “засоление” котловой воды, охлаждающей испарительные трубы.

Предельным случаем может служить сравнение солесодержания теплоносителя при одинаковом качестве питательной воды прямоточных и барабанных котлов высокого давления. Так как в прямоточном котле солесодержание котловой воды, характеризующее ее коррозионную агрессивность, на несколько порядков меньше, чем в барабанном, то, как показывает опыт эксплуатации, в котлах данного типа не наблюдается коррозии металла внутренних поверхностей нагрева.

Проблема обеспечения надежности испарительных поверхностей нагрева барабанных котлов носит многоплановый характер и основным при этом является вопрос оптимизации ВХР котловой воды с целью снижения интенсивности образования отложений оксидов железа и уменьшения коррозионной агрессивности котловой воды.

Не имеет практического смысла регулировать распределение солесодержания котловой воды по длине барабана чистого отсека, так как оно определяется (при равномерной раздаче питательной воды и фосфатов) неравномерностью тепловосприятия экранов, следовательно, и кратностей циркуляции контуров, которая, в отличие от парогенераторов ВВЭР не имеет постоянства, а максимальные концентрации примесей в котловой воде при ступенчатой схеме испарения всегда имеют место в солевых отсеках.

Как уже указывалось ранее, с точки зрения обеспечения минимальной агрессивности котло-