О применении ступенчатого испарения в котлах высокого давления

Беляков И. И., Новиков И. И., Тарасов Б. А.

Ступенчатое испарение было предложено в 30-е годы [1] как метод получения чистого пара путем организации в барабане котла отсеков с различным солесодержанием котловой воды. При этом в “чистом” отсеке генерируется основное количество пара, содержание примесей в котором значительно меньше, чем в паре, полученном из солевого отсека, а после смешения обоих потоков обеспечивается качество пара, допустимое по условиям надежной работы пароперегревателей и турбин.
Данный способ достаточно эффективен в котлах низкого давления при наличии простейшей химводоподготовки и невысоких требований к качеству пара.
Имеется большое число литературных источников, где рассматриваются преимущества внутрикотловых схем барабанных котлов со ступенчатым испарением только с точки зрения обеспечения требуемого качества пара.
В [2] показано, что при наличии промывки пара, которая стала широко применяться в 50-е годы, влияние ступенчатого испарения на качестве пара практически не отражается. В связи с неизбежным повышением требований к качеству питательной воды с ростом давления вследствие увеличения примесей, особенно кремнекислоты в паре, в ряде работ [3 - 7] рассматривался вопрос о целесообразности применения ступенчатого испарения в котлах высокого давления.
В настоящее время, даже при применении неполного обессоливания питательной воды, на ТЭС с котлами высокого давления (ВД) нет проблем по качеству пара как при ступенчатом, так и при одноступенчатом испарении (ТП-100, ВПГ-250, ТПЕ-214 и все зарубежные котлы, в том числе работающие в России котлы среднего давления).
Известно, что надежность испарительных поверхностей нагрева в значительной мере определяется интенсивностью формирования внутренних отложений. В связи с этим следует рассмотреть особенности организации водно-химического режима (ВХР) котловой воды барабанных котлов при наличии ступенчатого испарения.
Ежегодно отмечается значительное число повреждений экранных труб барабанных котлов (отдулины, коррозия) и в то же время нет таковых на прямоточных котлах высокого и сверхкритического давления (СКД). Это связано с тем, что при одинаковом качестве питательной воды в котловой воде барабанных котлов, охлаждающей экраны, содержится значительно большее количество растворимых примесей (при 1% продувки в 100 раз больше, чем в питательной воде), чем в прямоточных, что создает более благоприятные условия для образования отложений и коррозии.
Растворимые примеси солей Са, Mg, Na, S1O2 и других выводятся из барабанного котла с непрерывной продувкой. Поэтому требования к качеству котловой воды, а, следовательно, и питательной, по содержанию растворимых примесей для барабанных котлов могут быть значительно ниже,
чем для прямоточных, в которых все примеси остаются в тракте.
По содержанию оксидов железа закономерность иная, так как основная их часть осаждается на внутренней поверхности экранных труб, а не выводится с продувкой. С ростом давления ужесточаются требования к качеству котловой воды, а следовательно, и питательной, по условиям предотвращения коррозии металла и образования внутренних отложений в экранных трубах.
Тем не менее, при трехступенчатом обессоливании подпиточной или даже при установке блочных обессоливающих установок (БОУ), как на ТЭС с прямоточными котлами, в барабан котла вводится специальный реагент Na3РО4 для связывания солей жесткости и NaOH для поддержания pH = 9,5 -:- 11,0.
При применении котлов со ступенчатым испарением единая норма поддержания избытка РО4 в котловой воде в принципе невозможна из-за наличия солевой кратности в 5 - 10 раз и более между чистым и солевым отсеками.
В течение последних 30 лет отмечается тенденция к всемерному снижению избытка фосфатов в чистом отсеке с 20 - 30 до 1 - 2 мг/кг Но даже при таком избытке фосфатов концентрация их в солевом отсеке может составлять более 10 - 15 мг/кг, а это способствует интенсификации образования внутренних железофосфатных отложений и возникновению “хайд-аута” (прятание солей). Переход на пониженное фосфатирование приводит к изменению химсостава отложений, повышается содержание железа в них до 80% и более (обычно 40 - 50%), отсутствуют фосфаты и натрий, что способствует повышению их теплопроводности и уменьшению химической агрессивности.
В [8] отмечается повышенный вынос с паром хлоридов, в зависимости от концентрации фосфатов в котловой воде, что сказывается на повышении агрессивности первичного конденсата в проточной части турбин, а, следовательно, на снижении надежности их лопаточного аппарата и дисков. Данное обстоятельство также подтверждает целесообразность минимального фосфатирования котловой воды.
Существует также точка зрения, что при наличии трехступенчатого обессоливания питательной воды вообще возможен отказ от применения фосфатирования. Однако при отсутствии БОУ весьма проблематично поддерживать требуемую жесткость питательной воды (в основном из-за прососов в конденсаторах турбин), это может привести к образованию низкотеплопроводных кальциевых отложений и резкому возрастанию вероятности перегрева и внутренней коррозии экранных труб при отсутствии фосфатирования котловой воды.
Перевод котлов в порядке эксперимента на бесфосфатный режим приводил к массовым повреждениям экранных труб через 5-7 тыс. ч. Даже в режиме минимального фосфатирования вклад фосфатов в общее солесодержание котловой воды весьма значителен и практически равен количеству всех остальных примесей.
Поддержание избытка фосфатов выше стехиометрического значения может создать условия для образования на внутренней поверхности экранных груб железофосфатных отложений и интенсификации коррозии металла.
Применение ступенчатого испарения при одинаковой продувке котловой воды обеспечивает вывод такого же количества примесей из тракта котла, что и при одноступенчатом испарении, однако количество вводимых в барабан фосфатов в котле со ступенчатым испарением во много раз выше.
Вопрос о целесообразности применения в котлах ступенчатого испарения высокого давления неоднократно обсуждался в печати. Учитывая неоднозначность точек зрения различных организаций по данному вопросу на техническом совещании в РАО “ЕЭС России” было принято решение о проведении на ряде котлов испытаний по проверке эффективности перевода их на одноступенчатое испарение.
В течение 1999 - 2000 гг. НПО ЦКТИ совместно со Свердловэнерго проводил испытания котла ТГМ-96 Среднеуральской ГРЭС. Котел ТГМ-96 изготовления таганрогского завода “Красный котельщик” имеет параметры пара: давление в барабане 15,5 МПа, температура перегретого пара 560°С и проектная паропроизводительность 480 т/ч. Регулирование перегрева пара осуществляется впрыском собственного конденсата. Топочная камера оснащена шестью горелками, установленными в два яруса на фронтовой стене, внутренний диаметр барабана котла 1800 мм и длина цилиндрической части 17 700 мм.
Проектная внутрикотловая схема имеет двухступенчатое испарение и промывку пара, солевые отсеки выполнены путем установки в торцах барабана котла специальных перегородок, что позволяет простейшим способом осуществить перевод его на одноступенчатое испарение, удалив указанные перегородки.
Перевод котлов, имеющих солевые отсеки с выносными циклонами, также возможен, однако выполнить это несколько сложнее, так как для этого требуется произвести переключение водоопускных труб [8].
В процессе эксплуатации котлы ТГМ-96 неоднократно подвергались реконструкции в части изменения компоновки и конструкции горелок. В настоящее время паропроизводительность котла повышена до 520 т/ч.
За время эксплуатации котлов типа ТГМ-96 СУГРЭС практически не было случаев нарушения нормативных показателей качества пара, однако, в 70-е годы отмечались многочисленные коррозионные повреждения экранных труб чистых отсеков из-за неправильного регламента фосфатирования котловой воды, рекомендованного в то время наладочными организациями (применение кислых фосфатов, низкая щелочность котловой воды, несвоевременное проведение химических промывок).

На одноступенчатое испарение котел ТГМ-96 был переведен в декабре 1998 г. Показатели качества котловой воды: за 1999 г. приведены далее.
В таблице представлены среднегодовые данные за 1999 г. качества котловой воды и пара для котла ст. № 9, имеющего двухступенчатое испарение и ст. № 10, переведенного на одноступенчатое испарение.
В котле ст. № 10 данные по чистому (ч.о) и солевому отсекам (с.о) соответствуют отборам проб котловой воды из центра барабана (ч.о) и с торцов (с.о).
Как следует из данных таблицы, качество питательной воды по всем показателям соответствует нормам ПТЭ.
Содержание кремнекислоты SiО2 и натрия в паре значительно меньше нормативных значений (для SiО2 = 10 мкг/кг, Na = 10 мкг/кг) и практически одинаково для котлов с двухступенчатым, одноступенчатым испарением.
Таким образом, перевод котлов на одноступенчатое испарение не отражается на качестве пара при одинаковом значении непрерывной продувки. Концентрация фосфатов в продувочной воде котла с одноступенчатым испарением примерно в 8 раз меньше, чем в котле с двухступенчатым испарением при поддержании равных значений pH котловой воды чистого отсека и котловой воды в барабане котла с одноступенчатым испарением.
Так как дозировка смеси фосфатов и едкого натра осуществлялась из общего банка, возникли некоторые затруднения в обеспечении подачи насосом-дозатором щелочнофосфатной смеси в барабан котла с одноступенчатым испарением (ст. № 10).
В котле с одноступенчатым испарением обеспечивается оптимальное соотношение гидратной и общей щелочностей, равное Щфф/Щобщ = 0,5, что соответствует полной нейтрализации потенциально кислых соединений в котловой воде [10].
Эффект непропорционального соотношения солесодержания продувочной воды в котлах с одно- и двухступенчатым испарением свидетельствует о том, что наибольший вклад в ионный состав котловой воды вносит щелочнофосфатная смесь, вводимая в барабан, концентрация которой в котловой воде котла со ступенчатым испарением значительно больше, чем в котле с одноступенчатым испарением, так как в соответствии с солевым балансом солесодержание продувочной воды определяется только величиной продувки и должно быть одинаковым для котлов с любым числом ступеней испарения.
Таким образом, перевод котлов на одноступенчатое испарение позволяет упростить эксплуатацию, снизить расход фосфатов, что уменьшает потенциальную вероятность образования железо- фосфатных отложений, а, следовательно, и возникновения подшламовой коррозии. Пониженная концентрация фосфатов в котловой воде, по-видимому, способствует снижению агрессивности первичного конденсата [8], что, вероятно, вызвано уменьшением выноса хлоридов, о чем свидетельствует опыт эксплуатации турбин, работающих в блоке с барабанными котлами, имеющими одноступенчатое испарение.

Список литературы

1. Ромм Э. И. Химический перекос и ступенчатое испарение в генераторах пара: Автореф. дис. на соиск. учен, степени доктора техн. наук. М., 1938.
2. Маргулова Т. X. Методы получения чистого пара. - ГЭИ 1955’
3. Стырикович М. А., Маргулова Т. X. О рациональной воднохимической схеме барабанных котлов 140 атм при конденсатном питании. - Электрические станции, 1965, № 2.
4. Маргулова Т. X, Прохоров Ф. Т. Анализ ступенчатого испарения при давлении 155 кгс/см2. - Теплоэнергетика, 1973, №6.
5. Маргулова Т. X, Карасева М. А. Опыт перевода котла ТП-100 на режим одноступенчатого испарения. - Теплоэнергетика, 1973, №6.
6. Лукин С. В., Зройчикова Т. В., Козлов Ю. В. О целесообразности изменения внутрикотловой схемы барабанных котлов ТЭЦ. - Энергетик, 1966, № 3.
7. Холщев В. В. Еще раз о ступенчатом испарении. - Энергетик, 1998, № 4.
8. Мартынова О. И. Влияние водно-химического режима барабанных котлов на некоторые характеристики пара. - Теплоэнергетика, 1998, № 2.
9. Беляков И. И. О ступенчатом испарении котлов высокого давления. - Энергосбережение и водоподготовка, 2001, №2.
10. Василенко Г В., Сутоцкий Г. П. О некоторых показателях качества котловой воды барабанных котлов высокого давления. - Электрические станции, 2001, № 2.