ЧЕРНЯК В. Н., СЕРИК В. И., инженеры, ВТИ им. Ф. Э. Дзержинского — ЗиО
Впрыскивающие пароохладители (ВПО) широко распространены в парогенераторной технике. Они предназначены для регулирования температуры пара в основных и растопочных режимах; на котлах блочных энергоустановок их число достигает 12—20 шт. Эти устройства работают в режиме резких и частых теплосмен, поэтому вопросам термопрочности ВПО необходимо уделять большее внимание.
Исследования температурных условий эксплуатации элементов ВПО выявили, что в наиболее тяжелых режимах работают водоподающие устройства, включая штуцер, и защитная рубашка ВПО. Однако при конструировании котлов в настоящее время определяются, как правило, лишь количество необходимой для регулирования температуры пара впрыскиваемой воды, проходные сечения в трубопроводе и форсунке для впрыска и длина испарительного участка в корпусе пароохладителя, защищаемая рубашкой. Расчеты на прочность элементов ВПО (толщина стенки корпуса, штуцера) выполняются без учета дополнительных напряжений, связанных с особенностями температурных режимов ВПО как регулятора температуры пара.
Практика показывает, что в этих расчетах должны быть приняты во внимание не только режимы номинальной нагрузки, но и те ситуации, при которых возникают опасные для элементов ВПО условия. Задачей настоящей статьи является выявление режимов, при которых происходит резкое отклонение параметров сред, омывающих ВПО, и как следствие, возникновение не учтенных расчетами напряжений.
В качестве примера можно привести снижение температуры питательной воды. Известно, что это изменение приводит к уменьшению КПД цикла, перерасходу топлива. Но как сказывается такое нарушение режима эксплуатации на надежности работы ВПО?
Для обеспечения того же диапазона регулирования на «холодной» воде, что и на «горячей», потребуется меньшее количество впрыскиваемой воды, и в этом нет изменения, приводящего к каким- либо последствиям. Однако, разность температуры под длине L штуцера 
(где t1п — температура пара на входе в ВПО, t, — температура впрыскиваемой воды) увеличивается, а вместе с нею возрастает и градиент
температуры
и достигает в не которых случаях 3 °С/мм и более.
В результате труба, подающая воду, может оторваться от штуцера, это особенно вероятно при частых включениях и отключениях впрыскивающей установки. Если узел водоподающего устройства выполнен без учета возможного увеличения (tп—tB) и конструкция недостаточно податлива в отношении изгиба, то это и является причиной указанного повреждения.
Эксплуатация ВПО в условиях завышенной по сравнению с расчетной температурой пара приводит к дополнительным напряжениям как в штуцере, так и в металле защитной рубашки, для надежности которой определяющей является разность температур 11—ts (где ts — температура насыщения по давлению пара).
Резкие изменения давления также сказываются на надежности работы ВПО. Например, срабатывание предохранительных клапанов со снижением давления на 30—50 кгс/см2 приводит к росту температурных напряжений на 20—30 %, что может оказаться опасным, если защитная рубашка выполнена недостаточно тонкостенной.
Если при конструировании ВПО известны не только основные параметры его работы, но и те, которые могут быть названы опасными, то следует воспользоваться имеющимися рекомендациями, основанными на экспериментальных и расчетных исследованиях, выполнение которых сделает работу ВПО более надежной.
Анализ повреждения ВПО показал, что полное прекращение подачи впрыскиваемой воды и особенно последующее ее включение приводят к возникновению наиболее значительных напряжений. Надежность узла подачи воды в корпус ВПО можно повысить, и все-таки следует иметь в виду, что в тех случаях, когда происходит автоматическое отключение впрыска из-за снижения регулируемой температуры (например, при отключении мельниц или другом изменении топочного режима, в особенности при пылевидном топливе), при включении затем впрыска в местах соединения элементов пароохладителя, расположенных в зоне штуцера, будет возникать напряжение значительно больше обычных расчетных.
Из всех ВПО в наиболее тяжелых условиях находятся пусковые, работающие при низких давлениях и расходах пара, но при высоких температурах пара перед пароохладителем и при существенно большем диапазоне снижения пара, чем в основных ВПО. Поэтому отклонения режима от расчетного в этих пароохладителях представляются наиболее опасными. Примером может быть пуск энергоблока мощностью 800 МВт.
Рис. 1. Изменение параметров при пуске энергоблока мощностью 800 МВт из холодного состояния
Рис. 2. Разность температуры по длине штуцеров пускового ВПО и ВПО II во время пуска
Рис. 3. Предельно допустимые толщины стенок защитных рубашек ВПО II и пускового по параметрам пара во время пуска
На рис. I приведены графики режимных факторов во время пуска блока из холодного состояния (котел двухниточный). Регулирование температуры пара производилось пусковыми и выходными (ВПО II) впрысками. Диапазон снижения температуры при этом составлял 50— 100 °С.
Форсировка котла в режиме холостого хода перед синхронизацией привела к значительному повышению температуры пара перед ними. Снижение температуры пара за котлом до 400—440 °С обеспечивалось с помощью обоих впрысков, что в результате обеспечило плавное нагружение блока до нагрузки 0,5 Nm„ за 3 ч.
Рассматривая условия работы элементов данных ВПО, можно отметить следующие типичные их особенности во время пуска.
- Перефорсировка котла перед разворотом турбины привела к невозможности удержания температуры пара перед ЦВД на необходимом уровне несмотря на полностью включенные пусковые ВПО, в результате при нагрузке блока
- % NHом были включены ВПО II, что представляется преждевременным.
Разность температур /i„—tc свидетельствует об условиях работы водоподающего устройства. Если расчет выполнен исходя из условия, что tin—<в = <впп.п—<п.в = 230 °С, а при включении ВПО II эта разность равна 370-т-270 °С, то этот режим пуска становится опасным для ВПО II. В пусковых ВПО опасными являются режимы, в которых ВПр—t„.B>250 °С. На рис. 2 представлены значения этих разностей во время пуска.
- На рис. 1 приведено изменение значения температуры питательной воды. Столь низкая ее температура наряду с высокой температурой пара обусловливает разность температур, которая и определяет ненадежность узла водоподающего устройства. Конечно, столь низкая температура питательной воды не может считаться типичной, но все же снижение ее по сравнению со значениями, приведенными в пусковых инструкциях, встречается нередко, и это не безопасно.
- В процессе пуска при развороте турбины произошло снижение давления с 90 до 55 кгс/см2, что привело к снижению температуры кипящей на защитной рубашке пленки воды с 300 до 265 °С. Это значит, что разность температуры выросла на 35 °С при значении 480—520 °С, что приводит к чрезмерно большим напряжениям в металле защитной рубашки. Так, расчеты показали, что если толщина стенки защитной рубашки значительно больше 6—8 мм, то напряжения превысят в этих режимах предел выносливости, который следует принять за критерий прочности рубашки. На рис. 3 показаны те толщины стенки защитной рубашки, при которых не создавалось бы чрезмерных напряжений.
- Перефорсировка котла при пуске приводит к подаче в ВПО большего по сравнению с расчетным количества впрыскиваемой воды. В пусковых ВПО для высококачественного распыливания используются центробежные форсунки. Наибольший расход воды через форсунку соответствует перепаду давления на ней 40 кгс/см . Если для снижения температуры необходим еще больший расход (его получают увеличением перепада давления на форсунке), то начинается интенсивный эрозионный износ форсунки, что также является опасным. Кроме того, введение в поток пара большего количества воды приводит к удлинению испарительного участка по сравнению с расчетным, защищенным рубашкой, прямолинейным участком за ВПО. Вынос неиспарившейся влаги на гиб паропровода или на какой-либо другой его участок приводит к термошоку и другим термическим напряжениям, т. е. также является опасным.
- Включение ВПО II в режимах малых нагрузок (до N = 0,25Nном) при низких давлениях пара приводит к неудовлетворительному испарению воды, введенной в поток пара обычной струйной форсункой (типа перфорированной трубы) . При этом вода может выпадать на нижнюю образующую защитной рубашки или паропровода в виде лотка и создавать прогиб рубашки или паропровода.
- При проектировании впрыскивающих пароохладителей необходимо выполнять тепловые и прочностные расчеты для обеспечения надежной работы ВПО в статических и динамических режимах.
- Несоблюдение проектных условий работы ВПО приводит к преждевременному исчерпанию их ресурса и следующим повреждениям:
разрушению форсунок ВПО; отрыву водоподающего устройства от штуцера;
разрушению штуцера и места приварки его к паропроводу;
разрушению защитных рубашек; прогибу коллекторов впрысков и к образованию трещин на гибах трубопроводов за ВПО.
