Дипломная (вкр): Закономерности отложения примесей в паровых котлах, методы химических очисток и консервации котлов

Таким образом, при СКД весь диапазон отложений можно разделить на три участка:  ;  ;  . В пределах каждого из участков скорость роста отложений достигает максимального значения . Зависимость  от теплового потока, массовой скорости и других параметров на разных участках различна.

1.4 Особенности отложения примеси в прямоточном котле докритического давления

Особенностью отложения примеси в прямоточном котле докритического давления является полное упаривание воды в испарительных поверхностях нагрева и, соответственно, повышение концентрации примеси в жидкой фазе.

Представим прямоточный котел ДКД в виде трубы, на вход которой подается питательная вода, а на выходе - перегретый пар (рис. 1.13). По ходу рабочей среды имеются экономайзерный (эк), испарительный (исп) и перегревательный (пе) участки.

Рис. 1.13. Принципиальная схема прямоточного котла докритического давления

На испарительном участке происходит испарение воды, при этом часть примеси переходит в паровую фазу, а основное количество примеси остается в жидкой фазе двухфазного потока.

Напишем баланс примеси в пароводяной смеси

 (1.24)

где - концентрация примеси в жидкой и паровой фазах;

- массовое паросодержание.

Преобразуем формулу (1.24):

 (1.25)

где - коэффициент распределения примеси

Из (1.25) определим относительное изменение концентрации примеси  в жидкой фазе:

 (1.26)

Для паровой фазы аналогично:

 (1.27)

Для сильных электролитов , тогда

 (1.28)

В этом случае при  концентрация бесконечно растет (рис.1.14).

У слабых электролитов  составляет сотые и десятые доли, что существенно снижает концентрацию примеси в жидкой фазе и увеличивает в паровой (рис. 1.14). При , вся примесь из воды, в принципе может перейти в пар. Это условие отвечает критическому давлению.

Из рис. 1.14 видно, что даже при  концентрация примеси в жидкой фазе при  в 5 раз больше концентрации в питательной воде.

Рис. 1.14. Зависимость относительного увеличения концентрации примеси в жидкой фазе от массового паросодержания.

Растворимость примеси в пароводяной смеси уменьшается от растворимости в воде на линии насыщения  до растворимости в паре :

 (1.29)

На рис. 1.15 показано изменение растворимости по длине обогреваемой трубы. Возьмем концентрацию примеси в питательной воде  меньше, чем минимум растворимости в паре  (если больше - рассуждаем аналогично). По мере испарения воды  увеличивается и в каком-то сечении будет , т.е. начнется отложение примеси на стенке трубы. Отложение примеси будет происходить до сечения, где находится . Характер отложений зависит от давления, концентрации примеси, коэффициента распределения и других факторов.

При малых тепловых нагрузках (паровые котлы малой мощности на низкое давление), когда кризис кипения происходит при больших значениях , характер отложений аналогичен кривым 1 на рис. 1.15. В этом случае имеет смысл зону интенсивных отложений вынести из топки в конвективную шахту, где тепловой поток ниже в несколько раз. Такую поверхность нагрева называют переходной зоной. В ней происходит доиспарение воды и частичный  перегрев пара. Назначение переходной зоны состоит в накапливании отложений на внутренней поверхности труб до величин, предельно допустимых для температурного режима труб. В переходной зоне на единицу поверхности можно допустить отложений больше во столько раз, во сколько в ней меньше тепловой поток (по сравнению с топочными экранами, при одинаковых марках стали) (индексы: кш- конвективная шахта, т- топка):

; ;

; .

При высоких тепловых потоках и высоком давлении среды диапазон отложений сильно расширяется и организовать переходную зону практически не удается. К тому же основная масса примеси выпадает на стенку в зоне кризиса теплопередачи 2-го рода, т.е. при относительно низких значениях массового паросодержания.

1.5 Образование отложений в барабанных паровых котлах

а) Концентрирование примеси в котловой воде

Особенность образования отложений в барабанных паровых котлах заключается в том, что по мере испарения воды в подъемных трубах контуров циркуляции в котловой воде (вода в барабане и контурах циркуляции) происходит накапливание примесей. Когда концентрация примесей в котловой воде  будет больше растворимости ее , начнется непрерывный рост отложений примеси в трубах контура циркуляции, в первую очередь - в обогреваемых испарительных трубах. Чтобы не допустить этого или, по крайней мере, ограничить рост отложений в приемлемых размерах, в барабанных котлах организуется непрерывная продувка - удаление из котла небольшого количества продувочной воды  большой концентрацией примеси . При этом расход питательной воды увеличивается:

 (1.30)

где - паропроизводительность котла.

Количество продувочной воды выражают в %, , от паропроизводительности:

Составим схему потоков воды и пара с указанием соответствующих концентраций (рис. 1.16). В барабан с питательной водой за 1 час вносится примеси в количестве , а уходит: с паром , с продувочной водой . Часть примеси образует отложения в трубах . С учетом этих потоков примеси составим солевой баланс барабана:

 (1.31)

Принимаем, что внутренние загрязнения недопустимы . С учетом материального баланса (1.30) запишем солевой баланс в относительных единицах (разделим на ):

 (1.32)

Определим величину продувки:

 (1.33)

Рис.1.16. Принципиальная схема устройства продувки барабанного котла: 1- барабан котла; 2- заборные точки непрерывной продувки; 3- сборный коллектор непрерывной продувки; 4- запорные клапаны; 5- регулировочный клапан продувки; 6- расширитель; 7- отвод пара в деаэратор; 8- отвод продувочной воды; 9- поверхностный теплообменник; 10- теплоиспользующая вода; 11- дренаж охлажденной продувочной воды; 12- периодическая продувка и дренаж котла.

Величина продувки увеличивается при ухудшении качества питательной воды (больше ), при повышении требований к качеству пара ( уменьшается). С увеличением концентрации примеси в продувочной воде величина продувки уменьшается.

Концентрации примеси в паре  зависит от выноса влаги , %, и коэффициента распределения , %:

 (1.34)

где - суммарный коэффициент выноса примеси, %.

Из рис. 1.16 видно, что для рассматриваемой схемы . Подставляя выражения для  и  в (1.32), получим

Отсюда

 (1.35)

т.е. .

Относительное повышение концентрации примеси в котловой воде  за счет испарения воды определим по формуле

 (1.36)

Из этих данных видно, что при  (сильные электролиты) эффективность продувки очень высока: при =1% степень концентрирования примеси уменьшилась от бесконечности до 101, а при =5% - до 21. Для продуктов коррозии и слабых электролитов (- единицы и десятки процентов) эффективность продувки падает.

Снижать  можно и за счет улучшения подготовки питательной воды (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Соотношение между концентрацией примеси в котловой воде  и питательной воде  при разных величинах продувки котла .

Допустимая величина  определяется из следующих условий:

при снижении  уменьшается величина загрязнений поверхностей нагрева, улучшается температурный режим труб, увеличивается срок работы до очередной промывки поверхности для удаления с нее отложений;

уменьшение  требует дополнительных затрат на подготовку воды, уплотнение конденсаторов, подогревателей сетевой воды, всех трубопроводов (чтобы не было утечек воды и пара);

увеличение продувки  приводит к частичным потерям теплоты и воды, что снижает экономичность котла: для восполнения потерь воды необходимо готовить добавочную воду высокой чистоты.

В результате принимают следующие величины продувки: на ГРЭС и отопительных ТЭЦ, где общее количество добавочной воды невелико и ее можно готовить по методу химического обессоливания, = 0,3-1%; при восполнении химически очищенной водой =1-3%; на производственных ТЭЦ с большими потерями воды (по технологии производства на заводах) добавочная вода готовится по упрощенной схеме и продувка может быть до 5%. Таким образом, увеличение доли продувки приводит к уменьшению примеси в котловой воде (1.35) и в насыщенном паре (1.34), но увеличивает потери теплоты и воды с продувочной водой.

б) Системы ступенчатого испарения

Улучшить качество котловой воды и пара без увеличения общей продувки котла можно путем организации внутренней продувки - ступенчатого испарения. Существуют различные способы организации ступенчатого испарения, в частности, внутри барабана устанавливают перегородку (рис. 1.19) с отверстием. Питательная вода поступает в отсек 1, в который включены некоторые контуры циркуляции. Часть воды испаряется в них, при этом образуется пар в количестве  (доля его ). Оставшаяся вода через отверстие в перегородке перетекает в отсек 2. В контурах циркуляции, включенных в этот отсек, вода испаряется с образованием пара  (). Продувка котла производится из второго отсека, причем .

Рис.1.19. Схема двухступенчатого испарения в барабанном паровом котле.

При увеличении числа ступеней качество котловой воды и пара будут улучшаться. Практически делают 2-3 ступени испарения, причем в качестве второй или третьей ступени во многих случаях используют выносные циклоны (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Схемы ступенчатого испарения в паровых котлах с естественной циркуляцией: а - одноступенчатая; б - двухступенчатая с отсеком в барабане; в - двухступенчатая с выносными циклонами; г - трехступенчатая с выносными циклонами; 1 - барабан; 2 - выносной циклон; 3 - нижний коллектор циркуляционного контура; 4 - верхний коллектор; 5 - опускные трубы; 6 - экранные парогенерирующие трубы 1 ступени испарения; 7 - экранные парогенерирующие трубы 2 ступени испарения; 8 - экранные парогенерирующие трубы 3 ступени испарения; 9 - подвод питательной воды; 10 - отвод пара из барабана; 11 - отвод продувочной воды; 12 - чистый (1) отсек барабана; 13 - солевой (2) отсек барабана; 14 - внутрибарабанная перегородка; 15 - водоперепускная труба из барабана в циклон; 16 - пароперепускная труба из циклона в барабан; 17 - перепускные (пароотводящие) трубы из верхнего коллектора в барабан или выносной циклон (отводится пароводяная смесь).