Одна из существенных составляющих решения проблемы живучести оборудования ТЭС — эффективное регулирование температуры пара в паровом тракте и за котлом. Из известных способов воздействия на температуру перегретого пара наиболее применяемым и малоинерционным является впрыск воды в пар, осуществляемый с помощью впрыскивающих пароохладителей (ВПО).
Пароохладители используются для регулирования температуры пара в котлах прямоточного и барабанного типов, в первичном и вторичном паровых трактах. С помощью ВПО регулируется температура как в основных режимах, так и при пусках. Основные ВПО рассчитаны на номинальную и частичную нагрузки, а также на работу в переходных режимах котла: изменение нагрузки, переход с одного вида топлива на другое, изменение температуры питательной воды и пр.
Одним из лучших мест расположения следует считать размещение ВПО в паропроводах между поверхностями нагрева. За котлом, в главных паропроводах и паропроводах горячего промперегрева, размещаются пусковые пароохладители.
Известно, что пропуск впрыскиваемой воды в промперегреватель создает термодинамическую потерю в энергоблоке. Но обеспечение необходимой температуры пара в ЦСД турбины положительно влияет на надежность и даже экономичность энергоустановки, поддерживая постоянное значение температуры.
Рис. 1.37. Структурные схемы регулирования температуры пара впрыскивающими пароохладителями: (а) прямоточный котел: 1, 2 — ВПО (по два на каждой из двух ниток для моноблока и четырех ниток для дубль-блока и моноблока 1200 МВт); (б) барабанный котел: 1-3 — ВПО (по три на каждой из двух ниток котла); (в) вторичный пар: 1 — ВПО «аварийный» (впрыск низкого давления, количество ВПО равно числу ниток промперегрева); 4, 5 — ВПО пускового впрыска острого пара или горячего промперегрева; РПП — радиационный, ШПП — ширмовый, КПП — конвективный пароперегреватель; ЭК — экономайзер; РПК — регулирующий питательный клапан; РКВ — регулирующий клапан впрыска; РТ — регулятор температуры; РБ — регулятор байпаса; Д — дифференциатор; tп. в — температура питательной воды
На рис. 1.37 показаны схемы включения ВПО в паровых трактах прямоточного (а), барабанного (б) котлов и вторичного пара (в). Известны также и другие конструкции ВПО, которые совмещены с собирающими или раздающими коллекторами поверхностей нагрева котла.
В современных мощных энергоблоках количество пароохладителей достигает 20 ед., а в котлах небольшой паропроизводительности без промперегрева, но при двухниточном пароперегревателе — 4-6 ед. Эти устройства вносят в работу паропровода (корпуса ВПО) изменения, которые необходимо учитывать при конструировании ВПО, выборе металла для элементов узла, выборе опор паропровода, в котором размещен впрыскивающий пароохладитель.
Основной задачей впрыска воды в перегретый пар является поддержание заданной (постоянной или переменной в ходе работы) температуры пара за следующей после впрыска поверхностью нагрева пароперегревателя. При относительно стабильном на входе в ВПО давлении, температуре и расходе пара сам пароохладитель является принципиально работающим в нестабильном режиме даже при постоянной нагрузке котла.
Режимы работы впрыскивающих пароохладителей котельных агрегатов
Особенность режимов работы теплообменников смешивающего типа (впрыскивающих пароохладителей) заключается в неравномерности температуры, сохраняющейся при завершении процессов тепло- и массообмена: температура пара выше на входе в ВПО, и после впрыска температура насыщения выше, т. е. за пароохладителем пар всегда перегретый.
Впрыскивающие пароохладители размещаются в необогреваемых паропроводах парового тракта котла для регулирования температуры в последующих ступенях пароперегревателя котлов как прямоточного, так и барабанного типов (рис. 1.37). В переменном режиме ВПО работают как регулирующие устройства.
Наиболее значительны изменения режима работы ВПО в переходных процессах, связанных с изменениями нагрузки, вида или качества топлива, с обдувкой, расшлаковкой и пр. Поэтому для определения необходимого диапазона работы каждого ВПО необходима проверка изменения температуры в Динамическом процессе. Принимаемые в расчетах котла значения расходов воды на впрыски, обеспечивающие допустимые температуры пара в пароперегревательных поверхностях нагрева, являются условно средними, относительно которых впрыск в процессе эксплуатации котла изменяется как в одну, так и в другую сторону. Кроме того, в расчетах котла учитываются термошоки и неравномерность температурных полей в начальный период включения впрыска.
Таблица 1.22. Параметры, характеризующие условия работы впрыскивающих пароохладителей котлов
Если основной впрыск, работающий в паровом тракте котла, используется еще и в пусковых операциях, то диапазон параметров, определяющих условия работы этого ВПО, гораздо шире. Часто именно эти режимы становятся теми расчетными, которые определяют основные элементы конструкции пароохладителя: тип ВПО, длину защитной рубашки, типоразмеры трубопроводов подачи воды, проходные сечения для ввода воды в пар, арматуру для впрыска и др.
Так, в условиях нормальных эксплуатационных режимов в регулировочном диапазоне котла снижение температуры в результате работы каждого из впрысков происходит всего на 10-30 °C (процент впрыска невелик: Gвпр/Dп = 2:5%, где Gвпр — расход воды на впрыск, Dп — расход пара в пароохладителе). В пусковых режимах впрыск снимает до 100-150 °C, что приводит к изменению температуры пара в паропроводе за впрыском на те же значения, а процент впрыска при этом равен 15-20.
В табл. 1.22 приведены параметры, при которых эксплуатируется ВПО, характеризующие условия работы впрыскивающих пароохладителей котлов. Заметна разница между основными и пусковыми ВПО. Основные ВПО работают практически постоянно, а пусковые — как впрыски включаются только во время растолок, остальное время они являются проходными участками паропроводов, где снижение температуры пара не происходит. Эксплуатационная проверка показала, что при отсутствии подачи воды на впрыск перегретый пар проникает в трубопровод, предназначенный для ввода воды, конденсируется там и вытекает через водоподающее устройство в паропровод. Количество конденсата невелико, и на температуру пара оно повлиять не может, но, попадая на прогретый до температуры пара металл ВПО, создает циклические термические напряжения.
Основные параметры ВПО разного назначения существенно отличаются.
Особенности каждого элемента пароохладителя (рис. 1.38) заключаются в следующем:
- корпус ВПО, в котором размещается весь теплообменник-смеситель, состоит из участка подводящего паропровода того же или несколько измененного диаметра. Корпус паропровода рассчитывается по «Нормам расчета на прочность» [77] на параметры пара перед ВПО при заданной температуре металла;
- защитная рубашка экранирует с внутренней стороны толстостенный корпус ВПО от теплосмен, возникающих при выпадении не испарившейся впрыскиваемой влаги на стенки корпуса; тонкостенная защитная рубашка рассчитывается по длине и толщине стенки по номограммам [126];
Рис. 1.38. Основные элементы впрыскивающего пароохладителя со струйной форсункой (схема): 1 — корпус ВПО; 2 — защитная рубашка, 3 — штуцер; 4 — крышка штуцера; 5 — водоподающая труба; 6 — дистанционирующие плавники; 7 — палец; 8 — неподвижная опора; 9 — заглушка; 10 — шпилька; 11 — подвижная опора; 12 — подкладное кольцо; 13 — упоры
- водоподающее устройство (рис. 1.38, поз. 3-6), содержащее детали конструкции, необходимые при подаче воды, а также элементы ВПО, предохраняющие его от дополнительных напряжений — термических, механических или эрозионных, рассчитываются по температуре воды tΒ, давлению впрыскиваемой воды рв и температуре пара в ВПО;
- штуцер — элемент, соединяющий водоподающую трубу с корпусом ВПО. Рекомендации по расчету длины и толщине стенки штуцера изложены в [77, 127];
- крышка штуцера, соединяющая его с водоподающей трубой. Конструктивное решение дополняет расчет штуцера;
- водоподающая труба с распылителем, дистанционирующие элементы (плавники) в штуцере и палец — для фиксации трубы в корпусе ВПО;
- неподвижная опора защитной рубашки в корпусе ВПО;
- заглушка в корпусе ВПО;
- шпилька, дистанционирующая положение защитной рубашки в корпусе ВПО; между шпилькой и рубашкой необходим зазор 0,5-0,75 мм для продольного перемещения рубашки;
- подвижная опора (сухарь), дистанционирующая защитную рубашку по длине и диаметру в корпусе ВПО, приварена только к защитной рубашке; между корпусом и сухарем необходим зазор 0,5-0,75 мм для продольного перемещения рубашки;
- подвижная (скользящая) опора на выходе пара из ВПО, приваривается только к защитной рубашке;
- упоры, предохраняющие рубашку (рис. 1.38, поз. 13) от сноса при обрыве неподвижной опоры (рис. 1.38, поз. 8);
- подкладное кольцо в стыковом шве, соединяющем крышку штуцера со штуцером.
На рис. 1.39 приведены основные элементы пароохладителя с трубой Вентури.
Рис. 1.39. Основные элементы пароохладителя с трубой Вентури для котлов с естественной циркуляцией (схема): 1-5, 8, 11,12 — см. рис. 1.38; 6' — конфузор; 6" — диффузор; 7 — распиливающее устройство; 9 — стыковой шов между конфузором и диффузором; 10 — угловой шов штуцера с корпусом
