Водний режим і продування котла

В барабанних котлах з природною і багатократною примусовою циркуляцією для уникнення утворення накипу необхідно, щоб концентрація солей у воді була нижчою від критичної, при якій починається їх випадання з розчину. З метою підтримання необхідної концентрації солей з котла продуванням виводиться деяка частина води і разом з нею віддаляються солі. В результаті продування кількість солей, які містяться у воді, стабілізуються на допустимому рівні, яке виключає їх випадання з розчину. Застосовують безперервне і періодичне продування котла. Безперервне продування забезпечує рівномірне видалення з котла розчинених солей і здійснюється з місця найбільшої їх концентрації у верхньому барабані. Періодичне продування застосовується для видалення шламу, який осів в елементах котла і проводиться з нижніх барабанів і колекторів котла через кожні 12-16 год.

Схема безперервного продування котлів показана на рис. 5. Вода безперервного продування подається в розширювач, де підтримується менший тиск ніж в котлі. В результаті частина продувочної води випаровується і пар, який утворюється, поступає в деаератор. Вода, яка залишилася в розширювачі, віддаляється через теплообмінник і після її охолоджання зливається в дренажну систему.

Рис. 5. Схема безперервного продування котла при одноступінчатій системі випаровування: 1 - труба з отворами по довжині для відведення продувочної води; 2 - труба для підведення живильної води

Безперервне продування р (%) встановлюється по допустимій концентрації у воді розчинних домішок, найчастіше по загальному солевмісту і виражається у відсотках від паропродуктивності котла:

(1)

де D_пр і D - витрати продувочної води і номінальна паропродуктивність котла, кг/год.

Витрата живильної води D_ж.в за наявності безперервного продування складає

(2)

Кількість води, яка видаляється безперервним продуванням, встановлюється з рівняння сольового балансу котла:

(3)

де D_ж.в - витрата живильної води, кг/год; S_ж.в, S_п і S_пр - солевміст живильної води, пари і продувочної води, кг/кг; S_від - кількість речовини, яка відкладаються на поверхнях нагріву, віднесена до 1 кг отриманої пари, мг/кг.

В котлах низького і середнього тиску кількість солей, які виносяться парою, незначна і член DS_п в рівнянні (3) можна прирівняти нулю. Відкладення солей на поверхнях нагріву при нормальному водному режимі котла не допускається і член DS_від в цьому рівнянні також має дорівнювати нулю. Тоді кількість води, яка видаляється з продуванням

(4)

Підставляючи значення D_ж.в з виразу (2) з врахуванням формули (1), визначаємо продування %,

(5)

В котлах високого тиску винос порою домішок внаслідок розчинності в парі гідроксидів металів і SiO₂, а також їх відкладеннями нехтувати не можна і величину продування необхідно визначати з врахуванням члена DS з рівняння (3) по формулі:

(5 а)

Використання безперервного продування, яке є основним засобом підтримання необхідної якості води барабанного котла, пов'язане з збільшенням витрати живильної води і тепловими втратами. На кожен кілограм продувочної води витрачається теплота, кДж/кг:

(6)

де h_пр і h_ж.в - ентальпії продувочної і живильної води, кДж/кг; η_к - ККД котла.

Правилами технічної експлуатації безперервне продування при живленні котла сумішшю конденсату і знесоленої води або дистиляту має бути не більше 0,5; при добавці до конденсату хімічно очищеної води - не більше 3; якщо втрати пари, яка відбирається на виробництво, перевищують 40 % - не більше 5 %.

При вказаних нормах продування і частковому використанні теплоти продувочної води втрати теплоти з продуванням складають 0,1-0,5 % теплоти палива.

В метою зменшення втрат теплоти з продуванням слід прагнути до зменшення кількості води, яка виводиться з котла. Ефективним методом зниження продування є ступінчасте випаровування води. Суть ступінчастого випаровування або ступінчастого продування полягає в тому, що випарна система котла розділяється на ряд відсіків, які з’єднані по парі і розділених по воді. Живильна вода подається лише в перший відсік. Для другого відсіку живильною водою служить продувочна вода з першого відсіку. Продувочна вода з другого відсіку поступає в третій відсік і т.д.

Продування котла відбувається з останнього відсіку - другого при двоступінчатому випаровуванні, третього - при триступінчатому випаровуванні і т.д. Оскільки концентрація солей у воді другого або третього відсіку значно вища, ніж у воді при одноступінчатому випаровуванні, для виведення солей з котла потрібний менший відсоток продування. Використання ступінчастого випаровування ефективне також як засіб зменшення виносу кремнієвої кислоти внаслідок високої гідратної лужності, яка одержується в сольових відсіках. Системи ступінчастого випаровування і продування, як правило, виконують з двох або трьох відсіків. В даний час в більшості барабанних котлів середнього і високого тиску застосовується ступінчасте випаровування. Підвищення солевмісту води при декількох ступенях випаровування відбувається ступенями і в межах кожного відсіку встановлюється постійним і рівним вихідному з даного відсіку. При двоступінчатому випаровуванні система ділиться на дві нерівні частини - чистий відсік, куди подається уся живильна вода і виробляється 75-85 % пари і сольовий відсік, де виробляється 25-15 % пари.

На рис. 6 а показана схема випарної системи з двоступінчатим випаровуванням з сольовими відсіками, які розташовані всередині барабана котла, а на рис. 6 б - з виносними циклонами, які разом з включеними в них екранами утворюють сольові відсіки котла.

Рис. 6. Схема продування котла при ступінчастій системі випаровування:

а) з сольовими відсікам всередині барабана; б) з виносними циклонами-сепараторами другого ступеня випаровування

1 - підведення живильної води; 2 - відведення пара; 3 - продування чистого відсіку; 4 - продування сольового відсіку; 5 - випарні поверхні нагріву, які включені в сольовий відсік; 6 - випарні поверхні нагріву, включені в чистий відсік

При двоступінчатому випаровуванні відносна сумарна паропродуктивність сольових відсіків (%) необхідна для забезпечення заданого солевмісту води в чистому відсіку, при відсутності перекидання в нього води з сольових відсіків, визначається з виразу:

(7)

де n_п - паропродуктивність сольових відсіків, %; S_ж.в і S_вІ - солевміст живильної води і води в чистому відсіку, кг/кг; р - продування з сольового відсіку, %.

Оптимальна паропродуктивність сольових відсіків при двоступінчатому випаровуванні і продуванні, визначається допустимим загальним солевмістом в парі, при продуванні в 1 % рівна 10-20 %, а при продуванні в 5 % вона складає 10-30 %.

При двоступінчатому випаровуванні загальний солевміст пари (мг/кг) визначається по формулі:

(8)

де , мг/кг; , мг/кг; тут К_І і К_ІІ - коефіцієнти винесення солей з першого і другого ступенів випаровування; при низькому і середньому тиску К_І = К_ІІ =0,01-0,03 %; С_І - кратність концентрацій в чистому відсіку і живильній воді.

Концентрація солей у воді чистого відсіку, мг/кг

(9)

Концентрація солей в продувочній воді, мг/кг

(10)

Кратність концентрацій між сольовим і чистим відсіками при відсутностіь перекидання води з сольового відсіку при двоступінчатому випаровуванні

(11)

Для системи з триступінчатим випаровуванням загальний солевміст пари, концентрація солей у відсіках і продувочній воді, а також кратність концентрацій визначаються по рівняннях, аналогічних приведеним.

В разі використання промивки пари другого і третього ступенів випаровування водою чистого відсіку загальний солевміст насиченої пари визначається по формулі:

(12)

Допустимі граничні значення солевмісту, кремневмісту і лужності води в барабанних котлах залежать від їх конструкції, тиску пари і ін.

Уникнути появи накипу на поверхнях нагріву барабанного котла лише шляхом поліпшення якості живильної води і продування котла не завжди вдається. Додатково використовують коректувальний метод обробки води в котлі, при якому солі Са і Мg переводять в нерозчинні у воді сполуки. Для цього вводять у воду реагенти (коректувальні речовини) аніони яких зв'язують і осаджують у вигляді шламу катіони кальцію і магнію.

В котлах при тиску більше 1,6 МПа як коректуючий реагент застосовують тринатрійфосфат Na₃PO₄∙12H₂O. При введенні цього реагенту відбуваються реакція з кальцієвими і магнієвими сполуками:

Одержані речовини володіють малою розчинністю і випадають у вигляді шламу, який видаляється періодичним продуванням. При живленні котлів конденсатом з добавкою хімічно очищеної води створюють фосфатно-лужний режим, при якому зберігається вільна лужність. При додаванні до конденсату дистиляту і хімічно знесоленої води підтримують чисто фосфатний режим за відсутності вільної лужності. Рекомендується наступний надлишок РО у воді: для котлів без ступінчастого випаровування 5-15; для котлів з ступінчастим випаровуванням в чистому відсіку 2-6 і в сольовому відсіку - не більше 50 мг/кг.

Для корекції якості води барабанних котлів з тиском вище 6,0 МПа в ряді випадків в живильну воду дозуються або аміак з гідразином, або комплексон.

При гідразино-аміачному водному режимі кисень, який залишився після термічної деаерації, зв'язується гідразином. Залишки вуглекислоти зв'язуються аміаком, який дозується в живильну воду і який повністю нейтралізує СО₂ і підвищує рН середовища до 9,1 ±0,1, що сприяє зменшенню швидкості корозії.

При комплексонному водному режимі крім аміаку і гідразину в живильну воду вводять комплексон (етилендиамінтетраоцтової кислоту (ЕДТК)). Це приводить до підвищення теплопровідності відкладень і їх переміщення в менш теплонапружені поверхні (економайзер). При 80-90°С водні розчини ЕДТК і аміаку утворюють тризаміщену амонійну сіль ЕДТК, яка взаємодіючи з продуктами корозії заліза утворює добре розчинні у воді комплекси заліза, які під дією вищої температури по ходу середовища розкладаються з утворенням на внутрішній стороні труб щільного шару магнетиту, який захищає метал від корозії.

В прямоточних котлах, які не мають продування, усі попавші в нього з живильною водою мінеральні домішки кристалізуються на поверхні, утворюючи відкладення накипу, або виносяться парою з котла.

На стінках поверхні нагріву частково відкладаються солі жорсткості і продукти корозії металу в області, де їх мінімальна розчинність при даному тиску менша, ніж концентрація цих сполук на вході в котел.

В котлах високого тиску відкладення солей починається тоді, коли вологовміст пари зменшується до 50-20 % і закінчується при перегріві пари на 20-30°С. Найбільше відкладення домішок відбувається в області, де вологість пари менше 5-6 %.

В прямоточних котлах при високому і надкритичному тиску розчинність ряду сполук, зокрема кремнієвої кислоти і хлориду натрію, достатньо велика і їх концентрація не доходить до стану насичення в котлі. Ці домішки виносяться разом з парою і майже не відкладаються на поверхні нагріву. Тому допустима концентрація кремнієвої кислоти і хлориду натрію в живильній воді визначається лише умовами надійної роботи турбін, в проточній частині яких при зниженні тиску пари можливе утворення відкладень.

Осад в трубах котла усувають в періоди зупинки водним і кислотним промиванням. Водну промивку здійснюють при черговій зупинці котла водою з температурою 100 °С. Кислотна промивка проводиться через кожних 2-3 роки слабким розчином хромової або соляної кислоти.