Глава 5. водный режим паровых котлов

5.1. Водоподготовка

Эффективность работы энергетической установки и ее эксплуатационная надежность зависят от качества используемой котлом воды.

Различают котловую, питательную и добавочную воды. Вода, циркулирующая в котле, называется котловой, а подаваемая в котел в процессе его работы – питательной. В качестве пита­тельной воды обычно используют конденсат пара, который от­работал в турбине и паровых вспомогательных механизмах. С этой целью конденсат собирается и возвращается в паровой Котел, таким образом, цикл использования воды поддержи­вается замкнутым. Для восполнения утечек пара и воды в замк­нутый цикл вводят добавочную воду (дистиллят), приготовляемую в испарительных установках из морской воды.

В котловой воде при ее испарении накапливаются соли, ко­торые поступают в котел с питательной водой и не покидают его вместе с уходящим из котла паром. Повышение концентра­ции раствора солей в котловой воде приводит к появлению на внутренних поверхностях нагрева плотной или рыхлой накипи. Из-за образовавшейся в трубах накипи, имеющей сравнительно низкую теплопроводность, ухудшается охлаждение труб из­нутри, они могут перегреться («перегореть») и потерять проч­ность, что, как правило, приводит к их разрыву.

Водный режим котлов необходимо организовать так, чтобы все соли, попавшие в котел с питательной водой и склонные к накипеобразованию, выделялись в воде только в виде легко­подвижного неприкипающего шлама, то есть взвесей, удаляемых из котла с продуваемой периодически или непрерывно водой. Процесс периодического или непрерывного продувания котловой воды должен сопровождать работу любого парового котла, что­бы не допустить появления накипи. Образование в котле твер­дой накипи следует рассматривать как предаварийное состояние.

Под воздействием воды, пара и пароводяной смеси металли­ческая поверхность нагрева внутри трубы подвергается корро­зии. Окислителями в этом процессе являются растворенные в воде кислород и углекислый газ. Коррозия внутренних поверх­ностей нагрева обусловлена в основном электрохимическими процессами. При электрохимической коррозии окисление вы­звано переходом ионов металла в раствор (котловую воду) и накоплением в металле эквивалентного количества электронов. В результате появляется разность потенциалов и так называе­мый «коррозионный» ток. Чем больше в воде растворенных при­месей, тем больше коррозионный ток и выше скорость коррозии металла.

Если температура стенки выше 250°С, то на ее поверхности образуется плотная оксидная пленка, которая препятствует раз­витию коррозии. Образованию такой пленки способствует ще­лочность воды. Кислород и углекислый газ снижают прочность защитной пленки, вызывают появление локальных язвин, осо­бенно в местах соединений отдельных деталей. При значениях температуры более 500°С наблюдается химическая коррозия поверхности нагрева, при которой окислителем является водя­ной пар.

Наличие примесей в котловой воде способствует набуханию уровня и вспениванию воды в пароводяном коллекторе. В этом случае пар, выходя из коллектора, может захватить и увлечь за собой капельки воды, а вместе с ними и содержащиеся в них соли. Уносимые паром соли в итоге откладываются в паропере­гревателе, трубопроводах, арматуре и даже на лопатках тур­бины, ухудшая их работу.

Для предотвращения уноса влаги и растворенных в ней солей необходимо: 1) погасить в пароводяном коллекторе котла кине­тическую энергию струй пароводяной смеси, выходящих из подъемных труб; 2) создать равномерный выход пара через зер­кало испарения; 3) обеспечить строго вертикальное движение пара в паровом пространстве с минимально возможной ско­ростью; 4) осуществить сепарацию пара и промывку его чистой питательной водой.

Первые две задачи решаются путем установки ниже уровня воды в коллекторе дырчатого щита с отверстиями диаметром 10–20 мм. Щит создает дополнительное сопротивление движе­нию пара, способствует образованию паровой подушки, в кото­рой гасится кинетическая энергия пароводяных струй. Третье условие обеспечивается установкой потолочного паросборного дырчатого щита с диаметром отверстий 10 мм, выравниваю­щего сбор пара по длине коллектора. Четвертая задача выпол­няется путем размещения в паровом пространстве коллектора сепарационного устройства и специального щита, образующего каскад воды. На щит подают около половины вводимой в кол­лектор питательной воды, которая растекается по его поверх­ности ровным слоем. Пар подается под щит и проходит через слой стекающей питательной воды. При этом капли котловой воды, содержавшиеся в паре, уносятся питательной водой. Вме­сто них пар захватывает капли питательной воды, в которой солей значительно меньше, и направляется в сепаратор, где от­деляется от влаги. В итоге пар, выходящий из коллектора кот­ла, очищается. Специальная химическая служба контролирует чистоту пара отбором проб.

Для обеспечения надежной работы котла производят вне- и внутрикотловую обработку воды, продувку котла и сепарацию пара.

Требования к качеству котловой воды зависят от назначения котла и рабочего давления пара. Основными показателями ка­чества воды являются: общее солесодержание, содержание хло­ридов, общая жесткость, щелочность, щелочное, фосфатное и нитратное числа, концентрация водородных ионов, содержание газов.

Общим солесодержанием называется сумма всех содержа­щихся в воде солей в миллиграммах на 1 кг воды (мг/кг). Со­держание хлоридов (хлористых солей NaCl, MgCl, CaCl и др.) выражают в миллиграммах хлориона в 1 кг воды.

Общая жесткость определяется количеством растворенных в воде солей кальция и магния, которые являются основными накипеобразующими веществами. Количественно жесткость ха­рактеризуется суммарной концентрацией ионов кальция и маг­ния, выраженной в миллиграмм-эквивалентах на 1 кг воды (мг-экв/кг). Миллиграмм-эквивалент – это количество вещества, соответствующее его атомной массе. Принятый за единицу же­сткости 1 мг-экв/кг соответствует содержанию 0,02 мг кальция и 0,012 мг магния в 1 кг воды.

Щелочность воды обусловлена введением в нее химических соединений (реагентов) с целью уменьшения жесткости, а сле­довательно, накипеобразования. Показателем щелочности слу­жит щелочное число, под которым понимают количество кис­лоты, необходимой для нейтрализации раствора, пересчитанное на концентрацию щелочи NaOH в мг/кг воды. О щелочности воды можно судить также по фосфатному и нитратному числам и концентрации водородных ионов. Фосфатное число характери­зует количество фосфорного ангидрида РО₄ , а нитратное – содержание в воде NaNO₃ в мг/кг. Концентрацию водород­ных ионов определяет водородный показатель рН. Чистая нейтральная вода при температуре 22°С имеет рН = 7. Если рН < 7, то вода имеет щелочную реакцию; если рН > 7, то кислотную.

Содержание газов показывает концентрацию в воде кисло­рода и углекислого газа в мг/кг. Кислород – основной корро­зионный агент, вызывающий коррозию поверхностей нагрева котла. Углекислый газ способствует активизации коррозионных процессов, влияет на процессы водоподготовки. Растворимость газов в воде зависит от давления газа над водой и температуры воды. С ростом давления растворимость газов в воде повышает­ся, а с увеличением температуры – уменьшается. При кипении воды растворимость кислорода стремится к нулю.

Нормы качества воды для котлов морских судов приведены в табл. 5.1. Таким образом, основные задачи водоподготовки и водного режима котлов заключаются в устранении накипеоб­разования, снижении коррозионного воздействия, уменьшении солевого уноса.

Таблица 5.1