книги из ГПНТБ / Мейкляр, М. В. Паровые котлы электростанций [учеб. пособие]

Фосфатирование. При тех способах водоподготовки, какие применяются на многих электростанциях е бара­ банными котлами, нельзя избежать попадания в котло­ вую воду небольшого количества солей жесткости. Для предотвращения их вредного действия рекомендуется вводить в барабан котла вещества, содержащие фосфор ( ф о с ф а т ы ) , которые соединяются с солями жесткости и образуют твердые частицы, не оседающие на поверхно­ стях нагрева и движущиеся по трубам вместе с потоком воды. Такие частицы называют ш л а м о м . Постепенно шлам оседает в нижних элементах котла и время от вре­ мени удаляется при открытии вентилей периодической продувки. При правильно организованном водном режи­ ме котла, правильной подаче в него фосфатов и своевре­ менном удалении шлама котел работает без внутренней очистки. Но если шлама накапливается большое количе­ ство, то при малой скорости воды он может прикипать

кповерхностям нагрева, образуя вторичную накипь. Увеличение содержания фосфатов сверх рекомендуе­

мых значений может способствовать образованию слоя пены над уровнем воды в барабане, а иногда даже ускоряет образование накипи.

Подавать фосфаты в барабан котла лучше всего спе­ циальным насосом. Разведенные в воде фосфаты посту­ пают в насос самотеком из бака. Давление, создаваемое насосом, должно быть выше давления в котле.

У прямоточных котлов вода фосфатированию не под­ вергается.

Таким образом, для предотвращения образования в барабанном котле слоя накипи необходимы: обработка природной воды до подачи ее в котел и удаление из нее солей жесткости, а также других вредных солей: фос­ фатирование котловой воды для превращения в шлам небольшого количества прошедших в котел солей жест­ кости; непрерывная продувка для удаления из котла из­ лишка солей и периодическая продувка шлама из ниж­ них элементов котла.

Для прямоточных котлов необходимы тщательная очистка от солей питательной воды и периодическая вну­ тренняя промывка котлов.

Кремниевая кислота. Кроме описанных выше солей жесткости питательная вода котлов может быть загряз­ нена и другими веществами. Из них большую опасность могут представлять кремниевые соли, образующиеся

30

при растворении в природной воде различных горных пород.

Кремниевые соли могут выпадать в котле в виде на­ кипи, которая считается одной из самых опасных. Но эксплуатацию электростанций высокого давления ослож­ няет другое свойство кремниевых солей.

При давлении в котле свыше 60—70 кгс/см2 некото­ рое количество этих солей и прежде всего кремниевая кислота уносятся паром, причем унос кремниевой ки­ слоты при 115 кгс/см2 достигает примерно 1% ее содер­ жания )В котловой воде. С повышением давления унос кремниевой кислоты возрастает.

Кремниевая кислота, находясь в паре, свободно про­ ходит через пароперегреватель, но оседает на рабочих лопатках турбины при охлаждении в ней пара. По мере роста толщины отложений мощность турбины постепен­ но снижается, иногда на 5—10%. Снижается также и экономичность работы турбины. Таким образом, кремние­ вая кислота безвредна для котла, но может нарушить работу всей электростанции.

Снижение содержания кремниевых солей в питатель­ ной воде осуществляется в испарительной и обессоливаю­ щей установках, а в паре — при его прохождении внутри

впитательной и котловой воде различных солей обычно характеризуют количеством миллиграммов растворенно­ го вещества на 1 л или 1 кг раствора. Если, например, указывают, что концентрация натриевых или иных солей

вкотловой воде равна 50 мг/л, то это значит, что в каж ­ дом литре котловой воды содержится 50 мг соответст­

вующих солей.

Иногда стремятся характеризовать одним числом содержание в воде различных солей, имеющих сходные свойства. Это относится, например, к различным солям жесткости. Второй такой характеристикой, общей для различных солей, является щ е л о ч н о с т ь воды, которая определяется количеством соляной кислоты, расходуемой на нейтрализацию содержащихся в воде щелочных со­ лей.

Если щелочность котловой воды равна нулю, такая вода разрушает металл как слабая кислота. Наличие щелочности у котловой воды обязательно.

31

Т а б л и ц а 2 -1 . Х а р а к т е р и с т и к и в о д ы и п а р а

(табл. 2-1).

С повышением давления пар сжимается. Соответст­ венно уменьшается его удельный объем, т. е. измеренный в кубических метрах объем 1 кг пара. С возрастанием температуры пар расширяется и его удельный объем увеличивается.

Из той же табл. 2-1 видно, что с возрастанием давле­ ния сокращается разница между удельным объемом на­ сыщенного пара и удельным объемом нагретой до кипе­ ния воды. Так, при 32 кгс/см2 такой пар легче воды в 52

электростанции котле поднимаются в воде не так ин­ тенсивно, как при кипении воды при атмосферном дав­ лении.

Э н т а л ь п и я (теплосодержание) воды и пара опре­ деляется количеством тепла, которое нужно затратить для нагрева 1 кг воды от 0°С до заданной температуры. Из табл. 2-1 видно, что при температуре до 200 °С с уве­ личением температуры воды на каждый градус энтальпия воды возрастает почти на 1 ккал/кг. При более высо­ кой температуре увеличивается расхождение между численными значениями температуры и энтальпии воды.

Энтальпия насыщенного пара равна сумме энталь­ пии воды при температуре кипения и скрытой теплоты испарения.

Пар сверхкритического давления. Если увеличивать давление еще более, то оказывается, что при 225,65 кге/см2 различие между удельными объемами ки­ пящей воды и насыщенного пара полностью исчезает и их удельные объемы становятся равными друг другу. Частицы такого пара не могут всплывать в воде.

Піри этом же давлении изменяется и другое свойство пара. Исчезает скрытая теплота испарения, которая хаоактеризует собой затрату энергии на увеличение объе­ ма воды при ее превращении в пар. Вода, нагретая при таком давлении до температуры парообразования (374,15 °С), превращается в пар не постепенно, путем выделения отдельных пузырьков, а сразу всем своим объемом. Такой характер парообразования опасен при меньшем давлении, поскольку выделение в короткое вре­ мя большого объема пара может привести к разрыву сосуда и значительным разрушениям. Но объемное па­ рообразование не опасно, когда удельные объемы кипя­ щей воды и насыщенного пара одинаковы.

Давление, при котором изменяются условия превра­ щения воды в пар, называют к р и т и ч е с к и м . Еще бо­ лее высокое давление называют с в е р х к р ит и ч е- ским. При сверхкритнческом давлении работает боль­ шое число энергоблоков в СССР.

Критическое давление и температура парообразова­ ния при этом давлении (критическая температура) мо­ гут заметно изменяться при наличии в воде даже не­ большого количества солей. Так, добавка лишь одной молекулы едкого натра на 250 молекул воды повышает критическую температуру до 442,3 °С.

При движении в одних и тех же трубах котла сверх­ критического давления как воды, так и пара иногда трудно установить, что именно находится в отдельных местах труб: только пар или вода, или и то и другое вместе (если, например, у стенок трубы вода нагрета немного более, чем у ее оси). В этих условиях и воду и пар в котле сверхкритического давления называют его р а б о ч е й с р е д о й .

Нельзя рассматривать критическое давление как не­ кую резкую грань между двумя различными по характе­ ру процессами превращения воды в пар. При давлении, превышающем критическое, сохраняются, хотя и в изме­ ненном виде, отдельные особенности, присущие процессу парообразования при меньшем давлении.

34

Так, iß обычных условиях температура кипящей в со­ суде воды перестает повышаться на все время протека­ ния процесса парообразования (если не изменяется дав­ ление). Когда в равномерно обогреваемой трубе котла сверхкритического давления вода нагревается почти до температуры парообразования, то дальнейшее повыше­ ние ее температуры хотя не прекращается, но заметно замедляется.

При докритическом давлении для нагрева 1 кг воды на 1°С затрачивается около 1 ккал тепла. При сверхкри­ тическом давлении и температуре, близкой к температу-

в десятки раз больше тепла для нагрева на каждый гра­ дус как воды, так и пара. При дальнейшем повышении температуры пара соответствующая затрата тепла снова сокращается.

Количество тепла, затрачиваемое на подогрев 1 кг вещества на 1 °С, называют его т е п л о е м к о с т ь ю . На рис. 2-7 видно, насколько возрастает теплоемкость воды и пара сверхкритического давления при температурах, близких к температуре парообразования. Эту зону тем­ ператур иногда называют зоной максимальной теплоем­ кости.

С повышением давления более 225 кгс/см2 продолжа­ ет увеличиваться и температура превращения воды

в пар, доходящая при 300 кгс/см2 до 400 ЛС. Пар выходит из серийных котлов сверхкритического давления при 255 кгс/см2, а образуется из воды при еще более высоком давлении и температуре около 390°С.

Большое практическое значение имеет при сверхкри­ тическом давлении и другая особенность превращения воды в пар. В зоне парообразования передача тепла от стенки трубы рабочей среде увеличивается при значи­ тельной скорости этой среды и резко ухудшается при снижении скорости. Ухудшение передачи тепла может стать причиной недопустимого повышения температуры обогреваемых труб и их разрыва. Поэтому у котлов сверхкритического давления вода должна подаваться в зону парообразования с достаточно высокой скоро­ стью при всех режимах работы, включая начальный период растопки.

Глава 3 МЕТАЛЛ

ПАРОВЫХ котлов

3-1. Котельные стали

Состав стали. Котлы изготовляют, в основном, из ста­ ли, которая состоит из железа и добавляемых к нему различных веществ, повышающих прочность и улучшаю­ щих другие свойства металла.

Во всех сортах котельной стали содержится неболь­ шое, строго ограниченное количество углерода, а также марганца и кремния. В ничтожном количестве имеются и неудаленные остатки вредных примесей — серы и фос­ фора. Сталь, содержащую только эти примеси, называют у г л е р о д и с т о й . В сталях более высокого качества — л е г и р о в а н н ы х — имеются, кроме того, заданные ко­ личества молибдена, хрома, никеля и других элементов,

не применяется в котлостроении. Необходимое увеличение прочности достигается небольшой добавкой кремния и марганца. Кроме того, кремний и марганец, добавляемые в расплавленное железо, погло­ щают растворенные в нем кислород и другие газы и образуют легкие шлаки, всплывающие на поверхность жидкого металла и легко уда­ ляемые. Марганец очищает сталь и от серы, соединяясь с которой также образует легко удаляемый шлак. Но содержание кремния и

36

37

марганца свыше указанного в таблице верхнего предела приводит к появлению в стали отрицательных свойств: ухудшается качество сварных швов, увеличивается опасность возникновения трещин

ит. д.

Сповышением температуры уменьшается наиболь­ шая нагрузка, которая может быть допущена для стали.

Трубы пароперегревателя выдерживают давление, если пар в них нагревается до расчетной температуры. Но эти трубы могут не выдержать давления и разорваться, если температура движущегося в них пара превысит рас­ четную.

Одно из основных назначений легирующих добавок заключается в повышении ж а р о п р о ч н о с т и стали, т. е. ее прочности при высокой температуре. Легирующие добавки увеличивают и ж а р о с т о й к о с т ь стали, т. е. ее способность сопротивляться химическому воздействию других веществ при высоком нагреве.

Сорта котельной стали. В СССР условные обозначе­ ния сталей характеризуют их примерный состав. Каж­ дая буква указывает на наличие в стали какого-либо добавляемого легирующего элемента. Цифры до первой буквы показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента; цифры за буквой характеризуют сред­ нее содержание элемента в целых процентах. Если коли­ чество какого-нибудь элемента содержится меньше или около 1%, то цифра за его обозначением обычно отсут­ ствует.

Условные обозначения добавляемых элементов следующие:

Так, в стали марки 38ХВФІО, применяемой при изготовлении котельной арматуры, содержится 0,35—0,43% углерода и небольшое количество металлов хрома, вольфрама, ванадия и алюминия. В жа­ ропрочной стали Х17Н2, из которой изготовляют нагреваемые до вы­ сокой температуры опорные конструкции, содержится 16—18% хрома и 1,5—2,5% никеля.

Наличие в конце обозначения буквы А показывает, что в метал­ ле очень мало вредных примесей — серы и фосфора, и что при изго­ товлении особо тщательно соблюдались все правила производства высококачественной стали. Буква Л характеризует стальное литье.

Наиболее распространенным сортом котельной стали является углеродистая сталь 'марки 20. Котельные бара­ баны, работающие при давлении до 115 кгс/см2, «зготов-

38

ляют обычно из углеродистой стали 22К, главное отли­ чие которой от стали марки 20 заключается в повышен­ ном содержании марганца. При более высоком давлении для барабанов применяют слаболегированную сталь 16ГНМА. Нагреваемые до высокой температуры трубы пароперегревателя изготовляют преимущественно из стали марок 12Х1МФ, 12Х2МФСР, Х18Н12Т. В котлах сверхкритического давления трубы из стали 12X1МФ устанавливают и там, где в других котлах применяется сталь марки 20.

3-2. Строение стали

Перлитные стали. На схемах рис. 3-1 атомы железа условно изображены в виде шаров. Взаимная связь меж­ ду атомами характеризуется соединяющими их линиями.

Взаимное расположение атомов в стали может быть различным. Когда полученная на металлургическом за­ воде сталь медленно остывает, то при температуре свы­ ше 910°С ее атомы размещаются как бы по граням эле­ ментарных кристаллических ячеек, образуя так называе­ мое гамма-железо (рис. 3-1,а). При снижении темпера­ туры от 910 до 723 °С происходит постепенная перестрой­ ка атомов и возникает альфа-железо, в котором атомы размещены не только по граням, но и в центральной ча­ сти каждой элементарной ячейки (рис. 3-1,6).

На схеме видно, что в центре каждой элементарной кристаллической ячейки гамма-железа имеется неболь­ шое свободное пространство, в котором может размес­ титься один из атомов углерода. Этот атом изображен на схеме черным кружком. При охлаждении стали и возникновении альфа-железа свободные пространства внутри элементарных кристаллических ячеек исчезают,

аатомы углерода перемещаются между атомами металла

исосредоточиваются на границах его микроскопических

зерен — к р и с т а л л и т о в . Поэтому при обычной тем­ пературе сталь имеет неоднородное строение. В микро­ скоп видно, что она состоит из отдельных светлых кри­ сталлитов почти чистого железа и из обогащенных угле­

39