5.1.3.3. Ступенчатое испарение и промывка пара

Советский ученый Э. И. Ромм предложил оригинальный способ получения пара высокого качества в парогенераторах барабанного типа при экономически приемлемой величине продувки, который получил название ступенчатое испарение. Сущность этого способа состоит в получении пара из зон с различной концентрацией солей в котловой воде. В обычных условиях питательная вода с малым солесодержанием и низкой щелочностью, поступая в барабан, смешивается с концентрированной котловой водой, и выделение пара происходит из воды, имеющей значительно более высокую концентрацию солей и щелочей, чем питательная вода. При этом концентрации котловой и продувочной воды одинаковы, и тем самым качество насыщенного пара в значительной мере определяется концентрацией примесей в котловой воде, с которой генерируемый пар находится в контакте перед выходом его в паровой объем парогенератора. Между тем, если поддерживать пониженные концентрации веществ в котловой воде, из которой генерируется пар, и более высокую концентрацию их в продувочной воде, то качество пара будет определяться низкой концентрацией веществ в котловой воде парогенератора.

При наличии внутри водяного объема парогенератора зон с различной концентрацией солей в котловой воде благодаря искусственно созданной неравномерности солесодержания, т. е. некоторому организованному «химическому перекосу», качество котловой воды отличается от качества продувочной воды, и последняя не определяет чистоты пара.

Рис. 5.4. Схема двухступенчатого испарения с двусторонним

расположением солевых отсеков в барабане парогенератора:

1 – продувка; 2 – питательная вода; 3 – пар

Парогенератор со ступенчатым испарением представляет собой обычный парогенератор с естественной циркуляцией, который установленными в барабане и коллекторах перегородками разделен на несколько самостоятельных контуров циркуляции. Водяные объемы этих контуров сообщаются только через отверстие, сделанное в разделительной внутрибарабанной перегородке. Теоретически парогенератор может быть разделен на любое число ступеней, но в практических условиях обычно ограничиваются двумя или тремя ступенями испарения.

При двухступенчатом испарении часть парогенератора, в которую подается питательная вода, называют «чистым» отсеком (первая ступень испарения), а остальную часть – «солевым» отсеком (вторая ступень испарения). В парогенераторах, оснащенных устройствами трехступенчатого испарения, имеются соответственно чистый отсек и солевые отсеки второй и третьей ступеней испарения.

Для второй ступени испарения отделяется часть объема с одного или двух торцов барабана (рис. 5.4) либо устанавливаются выносные циклоны, подключенные к боковым экранным поверхностям парогенератора (рис. 5.5).

Рис. 4.5. Схема двухступенчатого испарения с выносными циклонами

1 – барабан парогенератора; 2 – циклон; 3 – боковой экран; 4 – подвод питательной воды

Благодаря тангенциальному подводу пароводяной смеси в вертикальный цилиндрический корпус циклона в нем гасится кинетическая энергия пароводяной смеси, а быстрое вращение ее в зоне зеркала испарения способствует интенсивному разрушению пены. Питательная вода подается в чистый отсек барабана, из которого осуществляется питание солевых отсеков в барабане либо выносных циклонов.

В результате такой организации питания отдельных циркуляционных контуров парогенератора солесодержание, щелочность и кремнесодержание котловой воды растут от первой ступени к последней, относительная продувка каждой ступени испарения получается весьма значительной, а продувка парогенератора в целом – очень небольшой. При этом, несмотря на повышенное кремнесодержание котловой воды в солевых отсеках, избирательный вынос кремниевой кислоты из них уменьшается благодаря более высокой гидратной щелочности котловой воды в этих отсеках.

Организация водного режима парогенератора со ступенчатым испарением имеет то преимущество перед парогенератором без ступенчатого испарения, что большая часть пара в нем вырабатывается в чистом отсеке с концентрациями котловой воды, существенно меньшими по сравнению с концентрацией продувочной воды, выводимой из меньших по паропроизводительности солевых отсеков.

Составим уравнения баланса солей для первой и второй ступеней испарения парогенератора с двухступенчатым испарением, пренебрегая уносом солей с паром:

	(5.24)
	(5.25)

где – концентрации примесей (солесодержание, кремнесодержание, содержание истинно растворенных окислов железа, щелочность) в котловых водах чистого и солевых отсеков, г/т; – количество пара, вырабатываемое второй ступенью испарения в парогенераторе, т/ч.

Остальные обозначения те же, что и при расчете продувки.

Разделив каждое уравнение на D_п и введя обозначения D_пр/D_п = φ и D"/D_п = n₂, где φ — степень продувки в долях D_п и n₂ – паропроизводительность второй ступени испарения (солевого отсека) в долях, получим:

	(5.26)
	(5.27)

Из этих уравнений определяем концентрацию примесей котловой воды для каждой ступени испарения:

	(5.28)
	(5.29)

Концентрации примесей в паре, вырабатываемом каждой ступенью испарения, будут:

Общую концентрацию примесей в паре, вырабатываемом парогенератором, при отсутствии переброса или перетока котловой воды из солевого отсека в чистый можно определить по формуле

(5.30)

где n₁=1– n₂ – паропроизводительность первой ступени испарения в долях D_п.

Значения коэффициентов распределения по отсекам парогенератора различаются, в особенности для кремниевой кислоты, для которой, как известно, значение . Однако для упрощения приняв и сделав элементарные преобразования, получим значение а_п в граммах на тонну:

(5.31)

По этой формуле можно определить концентрацию примесей (солесодержание, кремнесодержание и щелочности) в паре при любых возможных значениях коэффициента распределения К_р, степени продувки φ, относительных производительностях чистого n₁ и солевого n₂ отсеков и концентрации указанных примесей в питательной воде а_п.в.

Опыт эксплуатации показывает, что в парогенератоpax, оснащенных устройствами ступенчатого испарения, качество пара (солесодержание, кремнесодержание) заметно улучшается по сравнению с парогенератором без этих устройств при сохранении той же величины продувки и того же качества питательной воды. При этом увеличивается вывод из парогенератора примесей с продувочной водой и соответственно уменьшается унос их с насыщенным паром (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Количество кремниевой кислоты, удаляемой из парегенератора с продувочной водой, в зависимости от величины продувки парогенератора (в расчетах принято = 0,8 %; =0,3 %; n₂ = 30 %):

1 – парогенератор без ступенчатого испарения; 2 – парогенератор со ступенчатым испарением

Отношение концентраций котловых вод второй ступени испарения и чистого отсека называют кратностью концентраций k, величина которой характеризует эффективность ступенчатого испарения. Чем выше величина k, тем экономичнее схема. На практике величина k ограничивается в пределах 3–10, так как при k > 10 могут создаться высокие концентрации фосфатов и окислов железа в котловой воде, опасные с точки зрения образования отложений на поверхностях нагрева солевых отсеков.

Существенное влияние на ухудшение качества котловой воды в чистом отсеке оказывает обратный переток котловой воды из солевых отсеков в чистый через водо-перепускную трубу, по которой происходит продувка из чистого отсека в cолевой либо переброс котловой воды из солевого отсека в чистый при ее вспенивании и набухании. Подобные обратные перетоки и перебросы котловой воды могут привести к заметному снижению кратности солевых концентраций между ступенями, т.е. к уменьшению эффективности ступенчатого испарения. Чтобы избежать этого, предусматриваются специальные устройства для улавливания переброса и предотвращения обратных перетоков котловой воды.

Организация водного режима парогенератора с применением схемы ступенчатого испарения дает возможность значительно повысить концентрации примесей в продувочной воде без ухудшения качества пара. Тем самым представляется возможным уменьшить потребную продувку парогенератора до экономически приемлемой величины, а также снизить требования к соле- и кремнесодержанию питательной воды. В тех случаях, когда при заданных условиях (высокоминерализованная исходная вода, большая величина добавки питательной воды, высокое рабочее давление пара, лимитированная величина продувки и т. п.) оптимальные схемы ступенчатого испарения не в состоянии обеспечить требуемую чистоту пара, могут быть с успехом применены более эффективные схемы организации водного режима парогенераторов барабанного типа, а именно промывка предварительно осушенного насыщенного пара питательной водой либо сочетание промывки пара со ступенчатым испарением.

Сущность способа промывки пара состоит в том, что в процессе промывки вещества, унесенные в капельках котловой воды, а также истинно растворенные в паре, частично переходят в промывочную воду, а влажный промытый пар повторно осушается с помощью сепарационного устройства, расположенного в барабане парогенератора, после чего пар поступает в пароперегреватель.

Переход кремниевой кислоты и других растворенных в насыщенном паре веществ в промывочную воду происходит вследствие того, что равновесная концентрация кремниевой кислоты в паре при контакте его с промывочной водой меньше, чем при контакте его с котловой водой, из которой образовался пар. Этот переход начинается при прохождении пара через слой промывочной воды и продолжается в паровом пространстве над слоем промывочной воды, но уже в каплях воды, образующихся при разрыве пузырей при выходе их в паровой объем барабана.

Обеспечение с помощью промывки требуемого качества пара базируется на той закономерности, что чистота промытого пара определяется чистотой промывочной воды, с которой он контактируется. Степень промывки пара зависит от величины коэффициента распределения неорганических соединений между жидкой и паровой фазами, ибо промывочная вода не может поглощать вещество из пара больше определенной равновесной концентрации. Так как кремниевая кислота и другие неорганические соединения растворяются в воде больше, чем в паре, то при промывке пара эти вещества будут унесены с паром в количестве, пропорциональном содержанию их в промывочной, а не в котловой воде.

Чистоту промытого пара можно приближенно оценить, пользуясь формулой

(5.32)

где W – влажность промытого пара в долях единицы; К_р – коэффициент распределения в долях единицы; а_пр.в – концентрация примесей в промывочной воде.

Величина коэффициента распределения для кремниевой кислоты составляет для парогенераторов сверхвысокого давления 15 % при гидратной щелочности менее 0,1 ммоль/дм³ и 5–10 % при гидратной щелочности 0,2–0,3 ммоль/дм³.

Для осуществления процесса промывки пара питательная вода подается в специальные устройства, расположенные в паровом объема барабана, парогенератора и отделенные от доступа котловой воды. Промывочная питательная вода, после того как она контактировала с насыщенным паром, поступает в котловую воду и смешивается с ней.

Известны следующие способы промывки пара: барботаж пара через слой питательной воды, пропуск его через сепараторы, смачиваемые питательной водой и, наконец, распыливание питательной воды в потоке пара. В современных парогенераторах барабанного типа широко применяется барботажная промывка пара, которая обеспечивает наиболее полный контакт пара с промывочной водой. Промывочное барботажное устройство представляет собой затопленный плоский дырчатый щит (рис. 5.7) с закраинами, отвечающими требующейся высоте промывочного слоя (приблизительно 40–50 мм). На конденсационных электростанциях и чисто отопительных ТЭЦ на барботажное промывочное устройство подается вся питательная вода, а на промышленных ТЭЦ, использующих в качестве добавки химически обработанную воду, на паропромывочное устройство подается от 50 до 100 % питательной воды.

Общий эффект от применения промывки пара определяется КПД как самого паропромывочного устройства, так и сепарирующих устройств, осушающих пар до и после промывки его. Коэффициент полезного действия, собственно промывки пара представляет собой отношение количества удаленного вещества к теоретически возможному количеству, т. е. он указывает, насколько промывка приближается к пределу очистки. Если бы содержание вещества в паре достигло концентрации, отвечающей коэффициенту распределения, то эффективность промывки была бы равна 100 %, т. е. отвечала бы максимально возможной (теоретической) очистке пара. При ограниченной высоте промывочного слоя, которая имеет место в случае размещения паропромывочного устройства в паровом объеме барабана, величина КПД собственно барботажной промывки составляет примерно 80 %.

Рис. 5.7. Барботажное промывочное устройство с затопленным дырчатым листом:

1 – промывочное устройство; 2 – жалюзийный сепаратор; 3 – питательное корыто; 4 – дырчатый лист; 5 – непрерывная продувка; 6 – питательная труба; 7 – ввод фосфатов

Для любой схемы внутрикотловых устройств важной характеристикой является доля уловленных ими в парогенераторе неорганических примесей от общей концентрации их в питательной воде. Применительно к парогенераторам с паропромывочными устройствами этот показатель зависит: а) от разности концентраций солей и кремниевой кислоты в паре, поступающем на промывочное устройство, и соответственно в промывочной воде; б) гидратной щелочности промывочной воды; в) отношения расхода промывочной воды к расходу пара; г) величины поверхности и продолжительности контактирования пара с промывочной водой; д) значений коэффициентов массообмена, характеризующих интенсивность перехода того или иного вещества, растворенного в воде, в промывочную воду.

Рис. 5.8. Схема трехступенчатого испарения с выносными циклонами и барботажной промывкой пара:

1 – пароводяная система чистого отсека; 2 – вторая ступень испарения; 3 – третья ступень испарения; 4 – питательная вода; 5 – продувка; 6 – в пароперегреватель

Экспериментальные и эксплуатационные данные свидетельствуют о том, что паропромывочные устройства снижают кремнесодержание пара в среднем в 2–3 раза.

На промышленных ТЭЦ высокого давления (100 кгс/см²) при значительной добавке химически обработанной воды обычно применяется комбинированная схема внутрикотловых устройств, которая предусматривает сочетание трехступенчатого испарения с барботажной промывкой питательной водой всего пара либо только пара из солевых отсеков (рис. 5.8). Иногда пар промывается котловой водой чистого отсека; с этой целью пар из солевых отсеков подается под уровень воды в чистом отсеке. На конденсационных электростанциях и чисто отопительных ТЭЦ, где парогенераторы барабанного типа сверхвысокого давления 13,8 МПа (140 кгс/см²) питаются с добавкой химически обессоленной воды либо дистиллята испарителей, часто применяется схема двухступенчатого испарения с выносной второй ступенью, имеющей паропроизводительность 3–6 % D_п, которая сочетается с барботажной промывкой пара. Из этих парогенераторов с паром уносится от 2 до 8 % кремниевой кислоты, внесенной питательной водой.