Способы получения чистого пара

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ СУХОГО И ЧИСТОГО ПАРА. СТУПЕНЧАТОЕ ИСПАРЕНИЕ

Пар, выходящий из барабанов котлоагрегатов, не должен содер­жать значительного количества влаги, солей, шлама, так как часть поверхности пароперегревателя будет местом испарения и выпадения содержащихся в воде солей, и металл труб может быть поврежден. Могут иметь место нарушения плотности соединений, а при бросках влаги — гидравлические удары и даже разрушения паропроводов.

В паре могут содержаться нелетучие и летучие вещества. Нелету­чие вещества обычно попадают в пар из котловой воды, в которой они находятся в растворенном виде или взвешенном состоянии. Раствори­мость их в паре низкого давления мала. Летучие вещества — аммиак МН3, двуокись углерода С02, азот N2 и водород Н2 — содержатся в виде газов и не дают отложений. Двуокись углерода, соединяясь с кальцием, может давать отложения. Аммиак, попадая в теплооб­менники с латунными трубками, вызывает их обесцинкование и раз­рушение; кроме того, аммиак токсичен. Двуокись углерода может вызвать коррозию; окислы железа дают шлам и отложения на обогре­ваемых поверхностях нагрева.

В связи с этим к пару предъявляются определенные требования по общему содержанию солей, пересчитанному на натрий: при давлении до 1,4 МПа (14 кгс/см2) — 1,0 мг/кг; до 2,2 МПа (22 кгс/см2) — 0,5 мг/кг и до 4,5 МПа (45 кгс/см2) —0,3 мг/кг. Следовательно, с ро­стом давления ужесточаются требования к качеству пара.

Загрязнение пара веществами происходит главным образом за счет выноса примесей, содержащихся в питательной и котловой воде. Для получения пара необходимого качества питательную воду очищают раз­личными способами и отделяют влагу от пара путем сепарации. Увеличению влажности пара способствует неправильный режим подачи воды в барабан — его перепитка, резкие колебания давления пара, несоблюдение требований, предъявляемых к качеству питательной воды. В частностей повышение ее щелочности, например, приводит к образованию и уносу пены из-за уменьшения объема парового прост­ранства. Если пар попадает под уровень воды, то пузырьки пара, выходя на поверхность воды — зеркало испарения, разрывают оболочку и об­разуют крупные и мелкие капельки, выносимые в паровое пространство.

При поступлении пароводяной смеси из труб в паровое пространст­во, кроме образования капель за счет разрыва оболочек пузырей пара, происходят удары струй воды о поверхность уровня, стенки барабана и расположенные в объеме детали.

Увеличение солесодержания котловой воды повышает ее поверхно­стное натяжение, что приводит к явлению набухания воды пузырями пара и росту его влажности. Повышение давления в барабане ухудшает

Осаждение мелких капель. Большой дйаметр барабана, низкое располо­жение уровня воды в нем позволяют иметь большую высоту парового пространства. Капли влаги, вынесенные в паровое пространство, по­теряв начальную скорость и объединившись на пути с другими каплями в большом объеме, будут выпадать быстрее. Чем больше действительная высота парового пространства, тем лучше при прочих равных условиях будет происходить естественная сепарация. Наилучшая сепарация для обычных нагрузок зеркала испарения в котельных агрегатах низкого и среднего давлений достигается на высоте 0,6—1,0 м, вследствие чего внутренний диаметр барабана обычно составляет 1,2—1,6 м. В прежних конструкциях котлов низкого давления влажность пара составляла 3—6%; теперь же она не превышает 0,5% и снижается с ростом дав­ления до 0,1—0,2%.

Увеличение содержания солей в котловой воде не только приводит к набуханию, но и по достижении определенной величины (критиче­ской) вызывает резкий рост уноса влаги. До этого содержания солей унос влаги примерно пропорционален содержанию солей в котловой воде. Загрязнение пара летучими веществами при низких и средних давлениях пара незначительно из-за малой растворимости солей в паре.

Для осуществления естественной сепарации пара, уменьшения уноса капель и получения сухого и чистого пара важно равномерное распределение выхода пара из экранных и кипятильных труб по длине барабана, предупреждение ударов струй воды о стенки и устройства

Рис. 4-6. Принципиальные схемы сепарирующих устройств в паровых котлах низкого

И среднего давления.

А —• труба с отверстиями; б — отбойные щитки; в Комментарии к записи СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ СУХОГО И ЧИСТОГО ПАРА. СТУПЕНЧАТОЕ ИСПАРЕНИЕ отключены

Источник

Методы получения чистого пара

Требования к чистоте пара чрезвычайно высоки. Суммарное содержание примесей, на-

Рнс. 15.1. Влияние давления на каче­ство пара прямо­точного котла, Ркр>Р>Р2>Рз.

Пример, в перегретом паре СКД не превышает 40—50 мкг/кг. Методы получения чистого пара зависят от типа установки.

В прямоточном котле рабочая среда (во­да) безостаточно упаривается. При этом часть примесей откладывается на поверхностях на­грева, а часть переходит в пар и уносится им. С ростом давления концентрация примесей в паре увеличивается, качество пара прибли­жается к качеству питательной воды (рис. 15.1). Продувки в прямоточном котле нет. Единственный путь получения чистого пара — это улучшение качества питательной воды. Качество выдаваемого прямоточным котлом пара нормируется по питательной во­де [б].

В барабанном котле чистота насыщенного пара, а следовательно, и перегретого пара определяется качеством воды, из которой он получается. Чем меньше концентрация при­месей в кипящей воде (при прочих равных условиях), тем чище пар. Наличие продувки в барабанных котлах позволяет улучшить ка­чество циркулирующей в контуре воды, од­нако чрезмерно большая продувка снижает экономичность паротурбинной установки вслед­ствие потери теплоты с продувочной водой.

Сепарация капельной влаги из пара. Для получения чистого пара прежде всего необ­ходима возможно полная его осушка, т. е. сепарация капелек влаги из потока пара. К сепарационным системам предъявляются следующие основные требования: низкая влажность выдаваемого пара, высокая удель­ная паровая нагрузка, малое гидравлическое сопротивление.

Сепарация влаги основывается на разности плотностей воды и пара. Капля влаги в паро­вом объеме барабана подвержена воздейст­вию двух противоположно направленных сил: подъемной силы и силы тяжести. Соотноше­ние этих сил и длительность воздействия на каплю приводят либо к уносу капли паром, либо к осаждению ее на поверхность воды. Очевидно, больший эффект сепарации дости­гается при меньшей подъемной скорости пара в барабане, а для этого необходимо загрузить его по возможности равномерно по сечению.

Наиболее простыми и вместе с тем эффективными устройствами, способствующими се­парации потока, являются дырчатые щиты, выполняемые из стальных листов с отвер­стиями диаметром 5—12 мм. Один дырчатый щит устанавливается на 300—150 мм ниже среднего уровня воды в барабане — подтоп­ленный щит (в парогенераторах АЭС), другой в паровом объеме перед отводящими труба­ми — пароприемный потолок. Оба щита слу­жат для равномерной загрузки барабана па­ром по сечению. Для равномерной раздачи пара при барботаже по всему горизонтально­му сечению барабана необходимо под дырча­тым листом создать сплошной паровой слой — паровую подушку. Условие устойчивого су­ществования паровой подушки (см. § 13.1) определяется скоростью пара в отверстиях щита. Эта скорость зависит от давления. Чем выше давление, тем она меньше (рис. 15.2).

В барабан мощного котла из каждой паро­образующей трубы поступает в среднем до 1000 кг/ч, а из отдельных труб и до 1500 кг/ч пароводяной смеси. Эти мощные потоки вы­брасываются в барабан с большим запасом энергии, которую с целью минимального увлажнения пара необходимо погасить. Гаше­ние кинетической энергии пароводяных струй также происходит в паросепарационных уст­ройствах.

Рис. 15.3. Внутрибарабанный циклонный сепаратор.

/ — корпус; 2 — подводящий патрубок; 3— крышка; 4 — ворот­ник; 5 — подвод пароводяной смесн; 6 — крестовина; 7 — под-

В качестве основного паросепарационного устрой­ства в мощных барабанных котлах применяют циклон­ные сепараторы пара, размещенные внутри барабана. Внутрибарабанный циклонный сепаратор (рис. 15.3) представляет собой цилиндрический вертикальный кор­пус диаметром 300—400 мм, к которому тангенциально подводят пароводяную смесь со скоростью 6—8 м/с. При входе в циклон кинетическая энергия пароводяного потока приводит к центробежному эффекту, поток за­кручивается, прижимаясь к поверхности циклона. Вода, прижатая к стенке, стекает вниз, а пар со скоростью около 1 м/с равномерно по всему сечению циклона вы­ходит в паровой объем барабана из-под крышки (рис. 15.4). Крестовина в нижней части циклона пре­образует вращательное движение воды в поступатель­ное (вертикальное), и она спокойно, не закручиваясь, через поддон выходит в водяной объем барабана. Чи­сло циклонов в рабабане определяется единичной на­грузкой на циклон, которая в свою очередь зависит от его размеров и давления: при диаметре 300 мм нагрузка на циклон принимается при 4, 10 и 15,5 МПа соответственно 4, 6 и 10 т/ч.

Внутрибарабанная циклонная сепарация эффектив­на, но связана с преодолением дополнительного гидрав­лического сопротивления, что должно учитываться в расчетах циркуляции.

В сепарационных схемах барабанных котлов ши­рокое применение получили выносные циклоны, разме­щаемые вне барабана. Выносной циклонный сепаратор (рис. 15.5) представляет собой вертикальный коллектор диаметром 350—450 мм. Пароводяную смесь подводят тангенциально, благодаря чему процесс сепарации па­ра протекает так же, как и во внутрибарабанном цик­лоне. Высота циклона определяется суммой необходи­мых высот парового (1,5—2,5 м) и водяного (2—2,5 м) . объемов, что обеспечивает хорошую сепарацию и стаби­лизацию работы опускных труб контура циркуляции, присоединенного к выносному циклону.

В водоларовом тракте прямоточных котлов между топочными экранами и последующими за ними поверх-

Рис. 15.4. Типовая схема внутрибарабанных устройств. 1 — барабан; 2 — парообразующие трубы; 3 — корой; 4 — цик­лон; 5 — сливной короб; 6 — крышка: 7 — дырчатый щит про­мывочного устройства; 8 — пароприемный потолок; 9 — раздаю­щий короб питательной воды; 10 — иароотводящие трубы; И — подвод питательной воды; 12—окно в перегородке, разделяю­щей барабан на отсеки; 13 — опускные трубы; 14 — труба ава­рийного слива воды.

1 — коллектор; 2 — подвод пароводяной смеси; 3 — за — вихритель; 4 — дырчатый щит; 5 — пароогводящая тру­ба; 6 — воздушник; 7 — про­дувка; 8 — опускные трубы; 9 —1 подвод воды из бараба­на; 10 — крестовина.

Рис. 15.6. Унифицированный встроенный (растопочный) сепаратор ВНИИАМ.

/ — коллектор; 2 — вставка за — внхрителя; 3 — завнхритель; 4 — конусный раздатчик; 5 — вход пароводяной смеси; 6 — выход пара; 7 ^ дренаж отсепариро — ванной влаги.

О Z Ч 6 8 10 МПа

Рис. 15.7. Скорость пара, при которой происходит срыв капель с поверхности жидкой пленки в зависимости от давления.

Рис. 15.8. Первичный центробежный сепаратор аксиаль­ного типа.

Ностями нагрева предусматривается растопочный узел, одним из главных элементов которого является встро­енный сепаратор (подробно см. § 23.4). Он представ­ляет собой вертикальный цилиндрический корпус с верхним вводом пароводяной смеси и одной ступенью сепарации в лопаточном аппарате (рис. 15.6). Капельная влага вследствие центробежного эффекта отбрасывает­ся на стенки корпуса, стекает в кольцевую дренажную камеру и удаляется через боковой вывод. Осушенный пар выходит из сепаратора через нижнюю камеру. Опи­санная конструкция сепаратора и его размеры унифи­цированы, ори применяются для энергоблоков СКД 500, 800 и 1200 МВт.

При движении влажного пара в трубе с умеренной скоростью влага выпадает на стенку и течет по ней в виде кольцевой плен­ки. Такой процесс называют пленочной сепа­рацией. Для эффективного разделения потока на пар и воду нельзя сильно увеличивать его скорость во избежание срыва капель влаги с водяной кольцевой пленки и выноса паром. Значения предельной скорости зависят от давления и паросодержания потока (рис. 15.7).

В настоящее время турбины большинства АЭС работают на насыщенном паре. Поэтому в целях достижения большей экономичности пар должен содержать минимальное коли­чество влаги, что достигается тщательной его первичной сепарацией и сепарацией с неболь-

1 — завнхритель; 2 — циклон; 3 — канал первичного отвода от — сепарированной влаги; 4 — лопатки для прекращения вращения потока; 5 — канал вторичного отвода отсепарированной влаги; 6 —- сепарационные лопатки вторичного отвода; 7 — предосуши — тель.

Шим перегревом перед ЦНД. Технологическая схема сепарации определяется типом реак­тора.

Рис, 15.5. Типовой вы­носной циклонный сепа­ратор.

В графито-водяных реакторах канального типа насыщенный водяной пар сепарируется в горизонтальных барабанах, расположенных вне реактора. На реактор большой мощности устанавливается несколько параллельно вклю­ченных барабанов. Так, в оеакторной установ­ке РБМК-Ю00 (мощность 1000 МВт) таких барабанов-сепараторов четыре. Барабаны-се­параторы изготавливаются из углеродистой стали 22К и по всей внутренней поверхности покрываются слоем из нержавеющей стали. Диаметр барабанов 2,3 м, длина 31 м. Схема включения барабанов-сепараторов реактора РБМК-1000 показана на рис. 24.13. Размеры барабанов и их количество не связаны с га­баритами реактора, и потому они выбираются из условий достижения максимальной осушки пара. Это позволяет отказаться от специаль­ных сложных сепарирующих аппаратов, мак­симально использовать эффект осадительной сепарации и применить простейшие и вместе с тем достаточно эффективные устройства

В виде подтопленного щита и пароприемного потолка. Барабаны-сепараторы описанной кон­струкции позволяют получать пар влажностью, не превышающей 0,1%.

В водо-водяных кипящих реакторах кор­пусного типа сепарация организуется в одном корпусе с реактором (см. рис. 24.12). Осади — тельная сепарация пара в условиях малого объема недостаточно эффективна. Образую­щаяся в кассетах активной зоны реактора пароводяная смесь поступает в сборный ко­роб, откуда по параллельным патрубкам- стоякам попадает в циклоны аксиального ти­па. После разделения вода возвращается в во­дяной объем, а пар, поднимаясь в центральной части циклона, поступает в осушитель, а от­туда через выходные патрубки направляется по паропроводам в турбину.

Одна из возможных конструкций первичного цент­робежного сепаратора для корпусного реактора показа­на на рис. 15.8. Под воздействием центробежных сил, развиваемых завихрителем, пароводяная смесь разде­ляется на периферийный слой воды, движущийся вдоль внутренней цилиндрической стенкн циклона, и централь­ный паровой поток. Основная масса воды удаляется из циклона через канал первичного отвода, в котором на лопатках прекращается ее вращение. Остаток воды, не попавший в канал первичного отвода, удаляется из канала вторичного отвода, в котором предусмотрены лопатки для выделения поступившего в этот канал пара. Последний вместе с основным потоком пара проходит предосушитель и далее направляется в осушитель.

Осушитель чаще всего представляет собой систему параллельных вертикально расположенных гофрирован­ных пластин из нержавеющей стали (рис. 15.9). В каж­дом гибе пластин приварена полоска, образующая вер­тикальный карман для улавливания и отвода влаги.

15.9. Осушитель насыщенного пара.

1 и 5 — каналы постоянной скорости; 2 и 6 — перфорированные листы; 3 — горизонтальный желоб; 4 — дренажные трубы; 7 — гофрированные пластины; s — карман для улавливания влаги.

Промывка пара. Перепишем уравнение (14.4) в виде Cn=CB((d+kр), из которого сле­дует, что повышение качества пара может быть достигнуто улучшением качества пита­тельной воды (связанным с усложнением и удорожанием водоподготовки), уменьшением влажности пара (достигаемым сепарацией влаги из потока пара) и уменьшением коэф­фициента распределения. Последний является константой равновесия между кипящей водой и насыщенным паром и зависит от физико-хи­мических свойств растворенных в воде ве­ществ и давления. Для данного растворенного в воде вещества, заданного давления и при­нятой концентрации примеси коэффициент распределения является величиной постоян­ной. В свою очередь &р= СГ^/СГ™, по­этому для получения более чистого пара при &p=const необходимо уменьшить концентра­цию примесей воды, что также связано с удо­рожанием водоподготовки.

Учитывая, однако, что чистота выдавае­мого пара определяется не водой, из которой он генерируется, а той водой, с которой он контактирует перед выходом в паровой объем, можно при данном качестве кипящей воды существенно уменьшить концентрацию приме­сей в паре в процессе его промывки, пропустив пар на последней стадии процесса через слой чистой воды, например конденсата или чистой питательной воды. Так реализуется барботаж — ная промывка пара.

Сущность барботажной промывки пара со­стоит в следующем (рис. 15.10). Пусть из котловой воды высокого солесодержания с концентрацией Ск. в образуется сухой пар с концентрацией СП. При этом в соответствии с растворяющей способностью пара для дан­ного вещества, зависящей только от парамет­ров, устанавливается равновесие, характери­зуемое коэффициентом распределения ki = = Спі/Ск. в. Далее, проходя слой питательной воды с концентрацией СПВ (воды низкого солесодержания), пар приобретает концентра­цию, соответствующую новому равновесию,

Источник