Автоматическое регулирование температуры перегрева пара на барабанных котлах

Коэффициент полезного действия парового цикла электростанции растет с повышением температуры остро­го пара. Даже незначительное снижение температуры (на несколько градусов) приводит к ощутимому сниже­нию к. п. д. цикла. Поэтому стремятся к поддержанию температуры перегрева по возможности более высокой. Предел повышения температуры перегрева определяется прочностью стали, из которой изготовлены трубки паро­перегревателя, паропроводы, арматура и камеры клапа­нов турбины. Эти части на современных агрегатах вы­полняются из специальных сортов жароупорной стали, что позволило повысить предельную температуру с 400— 420° С при углеродистой стали до 520—560°С на котлах блочных установок.

Регулирование температуры пара на котлах осуще­ствляется путем снятия излишнего перегрева в поверх­ностных или смешивающих теплообменниках — паро­охладителях. Для облегчения условий регулирования следовало бы устанавливать пароохладители за послед­ней ступенью поверхности пароперегревателя. В этом случае время запаздывания процесса было бы минималь­ным. Однако такая схема не защищает пароперегрева­тель котла и исключает возможность поддержания тем­пературы на максимально допустимом по условиям работы металла пределе, поэтому она практически не применяется.

Оптимальные условия регулирования перегрева пара достигаются при установке пароохладителя между двумя ступенями пароперегревателя (в «рассечку» перегрева­теля). Получив в первой ступени перегрев, близкий к предельно допустимому, пар проходит через регулируе­мый пароохладитель, после чего поступает во вторую ступень и на выход из котлоагрегата. Температура долж­на быть снижена в пароохладителе настолько, чтобы на выходе температура поддерживалась на максимально допустимом пределе.

На современных барабанных котлах большой паропроизводительности, также как и на прямоточных котлах применяется установка двух и более пароохладителей, последовательно расположенных в разных точках паро­вого тракта. Регулирование перегрева с помощью паро­охладителя, установленного в рассечку перегревателя, приводит к увеличению запаздывания изменений темпе­ратуры на выходе из котла. Поэтому желательно, чтобы пароохладитель был установлен по возможности близко к выходу пара из котлоагрегата. Однако это не всегда возможно по конструктивным соображениям. Например, у котлов старых выпусков пароохладители установлены не в рассечку, а перед пароперегревателем, на стороне насыщенного пара. Охлаждение «насыщенного» пара приводит к увеличению его влажности, в результате чего температура пара за пароперегревателем понижается. В большинстве случаев эти котлы имеют пароохлади­тели поверхностного типа, вследствие чего время за­паздывания процесса (с момента подачи охлаждающей воды до начала изменения регулируемой температуры) достигает значительной величины (примерно 160— 200 сек), что практически исключает возможность авто­матизации процесса. Следует заметить, что на большом количестве котлов поверхностные пароохладители были переделаны на впрыскивающие, расположенные в рас­сечку перегревателя.

Охлаждение пара в поверхностных пароохладителях производится питательной водой, ответвленной из общего потока и пропущенной по трубкам пароохладителя. При этом наблюдается взаимное влияние регуляторов питания и перегрева котла. На рис. 2-9 изображена упро­щенная схема питательных линий котла высокого давления с поверхностным пароохладителем на стороне насы­щенного пара. Вода из питательных магистралей посту­пает через клапан П₁ или П₂ авторегуляторов питания. Нормально питание производится по одной линии, а за­движка 3 находится в закрытом состоянии. Пройдя кла­пан П, часть воды через клапан Д подается в экономай­зер котла, а остальная вода через клапан Т регулятора перегрева поступает к пароохладителю, после чего вновь смешивается с потоком воды, движущимся в эко­номайзер. При увеличе­нии открытия клапана Я регулятора питания дав­ление воды за этим кла­паном повышается, что приводит к увеличению расхода воды через паро­охладитель.

Рис. 2-9. Упрощенная схема пита­тельных линий котла с поверхно­стным пароохладителем на сторо­не насыщенного пара.

Стремясь поддерживать заданную температуру пара, регуля­тор перегрева уменьшает расход воды на пароохлаждение, прикрывая клапан Т. Это вызовет повышение давления во­ды за клапаном регуля­тора питания и соответственно уменьшение подачи воды в котел. Регулятор питания вновь придет в действие, увеличив открытие клапана П и вызав новое включение регулятора перегрева. Взаимное влияние регуляторов приводит к ухудшению процессов регулирования уровня и температуры перегрева.

Может оказаться, что при полном открытии кла­пана Т регулятора температуры расход охлаждающей поды будет недостаточен. В этом случае клапан Д дол­жен быть прикрытым, что приводит к повышению давле­ния перед клапанами Д и Г, т.е. после клапана П—регу­лятора питания. В результате действия обоих регулято­ров расход воды через пароохладитель увеличится при прежнем расходе питательной воды. Возможен предель­ный случай, когда клапан Д окажется полностью закры­тым и вся питательная вода будет проходить через паро­охладитель. Клапан Д на большинстве котлов переме­щается с помощью дистанционного привода ручного управления. При наличии дифференциального регуля­тора давления этот клапан может переставляться авто­матически, поддерживая постоянным перепад давления на клапане П регулятора питания.

На рис. 2-10 показана схема автоматизации смеши­вающего (впрыскивающего) пароохладителя 1, установ­ленного между коллекторами 2 и 3 пароперегревателя.

Рис. 2-10. Схема автоматизации смешивающего (впрыскивающего) пароохладителя.

Диф— дифференцирующий прибор; ИМ — исполнительный механизм.

Пар из предыдущей ступени перегревателя через коллек­тор 2 направляется в пароохладитель, где в его поток впрыскивается охлаждающая вода, давление которой превосходит давление пара в месте впрыска. Расход воды зависит от открытия клапана РК, управляемого регулятором Pt°_пе. Внутри пароохладителя размещается предохранительная рубашка, не допускающая резкого охлаждения металла его внутренней поверхности вслед­ствие попадания на нее капель охлаждающей воды. Пройдя через пароохладитель и коллектор 5, пар посту­пает в секцию пароперегревателя, расположенную за ним, выйдя из которой, направляется в турбину или в последующую ступень пароперегревателя. Основным регулирующим сигналом для регулятора Pt°_пе служит температура t''_ne на выходе из охваченной регулирова­нием секции пароперегревателя. Для уменьшения влия­ния запаздывания и улучшения качества регулирования к регулятору подводится дополнительный, исчезающий со временем сигнал по скорости изменения температуры t_пр, измеренной за впрыском. Сигнал от термопары, измеряющей температуру t_пр , пропускается через диффе­ренцирующий прибор Диф. Подобная схема авторегули­рования перегрева пара выполняется и на прямоточных котлах.

Рис. 2-11. Схема авторегулирования температуры перегрева пара впрыском «собственного» конденсата.

При регулировании температуры перегрева пара в смешивающих пароохладителях необходимо иметь источник очищенной от солей воды, впрыск которой в пар не будет загрязнять его солями. Питательная вода барабанных котлов не всегда достаточно очищена от со­лей, поэтому возможность впрыска ее в пар ограничена. На прямоточных котлах, питаемых чистым конденсатом с добавкой химически обессоленной воды, применение питательной воды для охлаждения пара во впрыскиваю­щих пароохладителях допустимо.

Удобный в эксплуатации способ получения и подачи в пароохладитель чистого конденсата был разработан в Чехословацкой ССР проф. Долежалем. По этому спо­собу впрыскиваемую воду получают путем охлаждения пара, отведенного из барабана котла в поверхностном теплообменнике — конденсаторе. Полученный «собствен­ный» конденсат находится под давлением, поддерживае­мым в барабане котла. Транспортировка и впрыск его в пар происходят за счет перепада давления при про­хождении основного потока пара от барабана до места впрыска без применения специальных насосов.

На рис. 2-11 представлена схема автоматизации тем­пературы перегрева на котле, оборудованном устрой­ством для впрыска «собственного» конденсата. Паровое пространство барабана котла трубкой 1 соединено с кон­денсатором 2. Внутри конденсатора установлен змеевик, по которому проходит питательная вода, поступающая в экономайзер. Конденсат, образовавшийся при охлаж­дении пара питательной водой, стекает по трубке 3 в конденсатосборник 4, где происходит дополнительное охлаждение воды. Излишек конденсата по трубе 5 пере­ливается в барабан котла. Сборный бак соединен трубо­проводом 6 с впрыскивающим устройством 7. На трубо­проводе установлен клапан 8 регулятора температуры. Впрыскивающее устройство выполнено в виде участка паропровода, увеличенного диаметра, врезанного между коллекторами 1-й и 2-й ступеней пароперегревателя. Внутри трубы установлено сопло Вентури, переходящее в защитную рубашку, предохраняющую стенки трубо­провода от резких температурных деформаций, воз­никающих при попадании воды на нагретую поверх­ность. Впрыск осуществляется в суженное сечение сопла Вентури, где скорость пара достигает наибольшего зна­чения, а давление за этот счет понижено ¹. Применение сопла увеличивает перепад давления, под которым про­исходит впрыск воды, что улучшает распыливание. Авто­матический регулятор температуры 9 получает основной регулирующий сигнал по температуре пара на выходе из перегревателя и дополнительный исчезающий сигнал по скорости изменения температуры за местом впрыска.

Применяются также упрощенные схемы регулирова­ния впрыском «собственного» конденсата. В этих схемах сборный бак с переливом в барабан отсутствует. Вода поступает на впрыск непосредственно из конденсатора. При уменьшении расхода на впрыск уровень в конденса­торе повышается, затопляя змеевиковые поверхности охлаждения и выключая их из работы.

Повышение уров­ня продолжается до тех пор, пока производительность конденсатора не уменьшится до величины расхода на впрыск. При увеличении этого расхода уровень в конденсаторе понижается, активная поверхность охлаждения увеличивается, а производительность конденсатора воз­растает. В данном случае использовано свойство само­выравнивания регулируемого участка, благодаря кото­рому приток конденсата сравнивается со стоком, без участия автоматических регуляторов.

¹ Понижение давления в суженном сечении вызывается перехо­дом потенциальной энергии давления в кинетическую энергию скоро­сти. В расширяющемся участке трубы Вентури за впрыском скорость пара снижается, а давление за счет этого восстанавливается.