Впрыскивающие пароохладители — устройства, в которых при отсутствии впрыска вся конструкция ВПО прогревается до входной температуры перегретого пара. При включении впрыска проходящая внутри ВПО водоподающая труба (рис. 1.38, поз. 5) практически мгновенно охлаждается до температуры воды, в большинстве случаев имеющей более низкую температуру, чем при установившемся затем режиме. В конструкции водоподающего устройства: в штуцере и крышке штуцера (рис. 1.38, поз. 3 и 4) и водоподающей трубе происходит изменение температурных полей, вызывающих напряжения в металле. Возникающие температурные напряжения значительны, так как разность температуры между паром на входе t1п и впрыскиваемой водой tв нередко достигает Δt= t1п—tв=350-400 °C на уровне t1п = 400-500 °C.
Вода поступает в пар в «спутном» с паром направлении. Для ускорения испарения воды предусматривается увеличение ее поверхности соприкосновения с паром — распыливание, в результате чего капли на длине 100-160 мм от места впрыска прогреваются до температуры насыщения ts при давлении пара в ВПО, и до тех пор, пока не испарятся, будут иметь эту температуру. Влага, которая выпадает на защитную рубашку (рис. 1.38, поз. 2), охлаждает ее в местах выпадения влаги до этой же температуры ts. Следовательно, металл защитной рубашки работает при изменении местной температуры от t1п до ts, что в основных ВПО составит в прямоточных котлах до 150 °C, а в барабанных, где ts = 220-340 °C, составит Δt= t1п — ts — 70:230 °C.
Таких термических циклов значительно больше, чем в водоподающем устройстве при включении впрыска. Каждое колебание температурного режима создает различные термические условия внутренней среды. Наличие зон захолаживания определяет необходимость компенсационных перемещений как по длине рубашки, так и в радиальном направлении.
В осевом направлении металл корпуса ВПО (рис. 1.38, поз. 1) и паропровода работает в следующих температурных условиях:
- от входного сечения до сечения, в которое вводится охлаждающая вода, металл нагрет до t1п, т.е. до температуры, изменяющейся незначительно (на Δt ~ ±20 °C), чем можно пренебречь. Это справедливо для всех ВПО, кроме пусковых, в периоде их регулирования температуры пара от котла к турбине;
• на выходном участке корпуса ВПО за окончанием защитной рубашки, если в ее пределах закончился процесс охлаждения пара в пароохладителе и температура металла паропровода соответствует балансовой температуре охлажденного пара которая ниже t1п на 5-30 °C в основных ВПО (здесь же размещаются упоры (рис. 1.38, поз. 13), препятствующие уносу рубашки в паропровод);
• от сечения ввода впрыска до выходного сечения ВПО температура металла корпуса может быть равна или быть ниже 0,5(t1п + t2п), но выше ts, если зазор между корпусом и рубашкой недостаточен для изоляции холодной рубашки от корпуса или если недостаточна скорость горячего пара в зазоре, что приводит к охлаждению участков корпуса ВПО против «холодных» мест в защитной рубашке.
В изложенных выше условиях надежность корпуса ВПО не вызывает опасения, если выполнены правильно устройства, дистанционирующие рубашку в корпусе (рис. 1.38, поз. 10-12).
Повреждения корпуса ВПО появляются в тех случаях, когда разрушена защитная рубашка с образованием в ней сквозных трещин, либо неудовлетворительно сварены друг с другом обечайки, составляющие защитную тонкостенную рубашку. В этом случае влага выпадает изнутри на корпус, вызывая в нем дополнительные термические напряжения.
Находящиеся внутри паропровода конструктивные элементы ВПО должны быть надежно укреплены. Как отмечено выше, наименее подверженным теплосменам участком ВПО является входной до сечения ввода впрыскиваемой воды. Поэтому неподвижная опора (рис. 1.38 и 1.39, поз. 8) рубашки в корпусе размещается именно здесь.
Если конструкция крепления повреждена или представляет собой значительное сопротивление в потоке пара, то этот фактор может способствовать срыву рубашки. Сдвиг рубашки с корпуса ВПО может вызвать серьезное разрушение не только пароохладителя, но также и участка паропровода сразу за ВПО, коллектора и даже обогреваемых змеевиков пароперегревателя.
Поскольку поток пара в паропроводе имеет большие скорости (табл. 1.22), то динамический напор (особенно при неудовлетворительной сварке неподвижной опоры с рубашкой и паропроводом) ускоряет отрыв рубашки.
На размещенную перпендикулярно потоку пара водоподающую трубу оказывает изгибающее действие давление пара. Это вызывает повреждение водоподающей трубы, при этом поток воды поступает в ВПО недостаточно распыленным, длина участка испарения возрастает, влага выносится за пределы ВПО и захолаживает паропровод. Кроме того, повреждается заглушка паропровода (рис. 1.38, поз. 9) от подтекающей воды.
Рис. 1.42. Схема пароохладителя с напряжениями, характерными для впрыскивающего пароохладителя: 1 — участки, подвергающиеся теплосменам; 2 — участки, подвергающиеся эрозионному износу; 3 — участки, работающие в вибрационном режиме
На рис. 1.42 приведены участки возможных вибрационных напряжений. Прежде всего, это относится к длинным тонкостенным защитным рубашкам (типа оболочек), не имеющим необходимой свободы перемещения в корпусе ВПО. В водоподающих трубах ВПО паропроводов больших диаметров (630, 720 и 920 мм) возникают вибрационные напряжения, что через штуцер сообщается паропроводу.
Основным способом соединения элементов ВПО друг с другом является сварка. Опыт эксплуатации ВПО с соединением отдельных элементов на резьбе (рис. 1.38, поз. 10) оказался неудачным, так как по каналам резьбового соединения просачивались пар и вода, что вызывало повреждения ВПО с наружной и внутренней стороны вплоть до сквозных повреждений паропровода. Заводы-изготовители не уделяли необходимого внимания особенностям условий работы пароохладителей и совершенствованию конструктивнотехнологического оформления ВПО. Это приводило к повреждениям сварного шва или зоны термического влияния (ЗТВ) сварных соединений.
В последнее время в ВТИ разрабатываются рекомендации по повышению надежности сварных соединений, которые позволят повысить срок безремонтной эксплуатации впрыскивающих устройств при конструировании и ремонте ВПО на электростанциях.
