E) Ступенчатое испарение и промывка пара

Советский ученый Э. И. Ромм предложил оригиналь­ный способ получения пара высокого качества в пароге­нераторах барабанного типа при экономически приемле­мой величине продувки, который получил название сту­пенчатое испарение. Сущность этого способа состоит в получении пара из зон с различной концентрацией солей в кот­ловой воде. В обычных усло­виях питательная вода с ма­лым солесодержанием и низ­кой щелочностью, поступая в барабан, смешивается с концентрированной котло­вой водой, и выделение пара происходит из воды, имею­щей значительно более вы­сокую концентрацию солей и щелочей, чем питательная. При этом концентра­ции котловой и продувочной воды одинаковы, и тем са­мым качество насыщенного пара в значительной мере оп­ределяется концентрацией примесей в котловой воде, с которой генерируемый пар находится в контакте перед выходом его в паровой объ­ем парогенератора. Между тем, если поддерживать пони­женные концентрации веществ в котловой воде, из кото­рой генерируется пар, и более высокую концентрацию их в продувочной воде, то качество пара будет опреде­ляться низкой концентрацией веществ в котловой воде парогенератора.

При наличии внутри водяного объема парогенератора зон с различной концентрацией солей в котловой воде благодаря искусственно созданной неравномерности солесодержания, т. е. некоторому организованному «химическому перекосу», качество котловой воды отличается от качества продувочной воды и последняя не определя­ет чистоты пара.

Парогенератор со ступенчатым испарением представляет собой обычный парогенератор с естественной циркуляцией, который уста­новленными в барабане и коллекторах перегородками разделен на несколько самостоятельных контуров циркуляции. Водяные объемы этих контуров сообщаются только через отверстие, сделанное в разделительной внутрибарабанной перегородке. Теоретически паро­генератор может быть разделен на любое число ступеней, но в прак­тических условиях обычно ограничиваются двумя или тремя ступе­нями испарения.

При двухступенчатом испарении часть парогенератора, в ко­торую подается питательная вода, называют «чистым» отсеком (первая ступень испарения), а остальную часть — «соле­вым» отсеком (вторая сту­пень испарения). В парогенера­торах, оснащенных устройства­ми трехступенчатого испарения, имеются соответственно чистый отсек и солевые отсеки второй и третьей ступеней испарения.

Для второй ступени испа­рения отделяется часть объема с одного или двух торцов ба­рабана либо устанавливаются выносные циклоны, подключенные к боковым эк­ранным поверхностям пароге­нератора (рис. 5-7).

Благодаря тангенциально­му подводу пароводяной смеси в вертикальный цилиндрический корпус циклона, в нем га­сится кинетическая энергия па­роводяной смеси, а быстрое вращение ее в зоне зеркала испарения способствует интен­сивному разрушению пены. Питательная вода подается в чи­стый отсек барабана, из кото­рого осуществляется питание солвых отсеков в барабане либо вы­носных циклонов.

В результате такой организации питания отдельных циркуля­ционных контуров парогенератора солесодержание, щелочность и кремнесодержание котловой воды растут от первой ступени к по­следней, относительная продувка каждой ступени испарения по­лучается весьма значительной, а продувка парогенератора в це­лом— очень небольшой. При этом, несмотря на повышенное кремнесодержание котловой воды в солевых отсеках, избирательный вы­нос кремниевой кислоты из них уменьшается благодаря более высокой гидратной щелочности котловой воды в этих отсеках.

У

Рис. 5-7. Схема двухступенчатого испарения с выносными цикло­нами.

/ — барабан парогенератора; 2 - цик­лон; 3— боковой экран; 4 — подвод питательной воды.

Организация водного режима парогенератора со ступенчатым испарением имеет то преимущество перед па­рогенератором без ступенчатого испарения, что большая часть пара в нем вырабатывается в чистом отсеке с кон­центрациями котловой воды, существенно меньшими по сравнению с концентрацией продувочной воды, выводи­мой из меньших по паропроизводительности солевых от­секов.

Опыт эксплуатации пока­зывает, что в парогенерато­рах, оснащенных устройства­ми ступенчатого испарения, качество пара (солесодержание, кремнесодержание) за­метно улучшается по сравне­нию с парогенератором без этих устройств при сохране­нии той же величины продув­ки и того же качества пита­тельной воды. При этом уве­личивается вывод из пароге­нератора примесей с проду­вочной водой и соответст­венно уменьшается унос их с насыщенным паром . Отношение концентра­ций котловых вод второй ступени испарения и чистого отсека называют кратностью концентраций k, величина которой характеризует эффективность ступенчатого ис­парения. Чем выше величина k, тем экономичнее схема. На практике величина k ограничивается в пределах 3— 10, так как при

k >10 могут создаться высокие концен­трации фосфатов и окислов железа в котловой воде, опасные с точки зрения образования отложений на по­верхностях нагрева солевых отсеков.

Существенное влияние на ухудшение качества котло­вой воды в чистом отсеке оказывает обратный переток котловой воды из солевых отсеков в чистый через водо-перепускную трубу, по которой осуществляется продув­ка из чистого отсека в солевой, либо переброс котловой воды из солевого отсека в чистый при ее вспенивании и набухании. Подобные обратные перетоки и перебросы котловой воды могут привести к заметному снижению кратности солевых концентраций между ступенями, т. е. к уменьшению эффективности ступенчатого испарения. Чтобы избежать этого, предусматриваются специальные устройства для улавливания переброса и предотвраще­ния обратных перетоков котловой воды.

Организация водного режима парогенератора с при­менением схемы ступенчатого испарения дает возмож­ность значительно повысить концентрации примесей в продувочной воде без ухудшения качества пара. Тем самым представляется возможным уменьшить потреб­ную продувку парогенератора до экономически приемле­мой величины, а также снизить требования к соле- и кремнесодержанию питательной воды. В тех случаях, когда при заданных условиях (высокоминерализованная исходная вода, большая величина добавки питательной воды, высокое рабочее давление пара, лимитированная величина продувки и т. п.) оптимальные схемы ступен­чатого испарения не в состоянии обеспечить требуемую чистоту пара, могут быть с успехом применены более эффективные схемы организации водного режима паро­генераторов барабанного типа, а именно промывка пред­варительно осушенного насыщенного пара питательной водой либо сочетание промывки пара со ступенчатым испарением.

Сущность способа промывки пара состоит в том, что в процессе промывки вещества, унесенные в капельках котловой воды, а также истинно растворенные в паре, частично переходят в промывочную воду, а влажный промытый пар повторно осушается с помощью сепарационного устройства, расположенного в барабане паро­генератора, после чего пар поступает в пароперегрева­тель.

Переход кремниевой кислоты и других растворенных в насыщенном паре веществ в промывочную воду проис­ходит вследствие того, что равновесная концентрация кремниевой кислоты в паре при контакте его с промы­вочной водой меньше, чем при контакте его с котловой водой, из которой образовался пар. Этот переход начи­нается при прохождении пара через слой промывочной воды и продолжается в паровом пространстве над слоем промывочной воды, но уже в капли воды, образующиеся при разрыве пузырей при выходе их в паровой объем барабана.

Обеспечение с помощью промывки требуемого каче­ства пара базируется на той закономерности, что чисто­та промытого пара определяется чистотой промывочной воды, с которой он контактируется. Степень промывки пара зависит от величины коэффициента распределения неорганических соединений между жидкой и паровой фазами, ибо промывочная вода не может поглощать ве­щество из пара больше определенной равновесной кон­центрации. Так как кремниевая кислота и другие неорга­нические соединения растворяются в воде больше, чем в паре, то при промывке пара эти вещества будут уне­сены с паром в количестве, пропорциональном содержа­нию их в промывочной, а не котловой воде.

Чистоту промытого пара можно приближенно оце­нить, пользуясь формулой

ап = ( w +Кр ) а пр.в

где W — влажность промытого пара в долях единицы; Кр — коэффициент распределения в долях единицы; а пр.в — концентрация примесей в промывочной воде.

Величина коэффициента распределения для кремние­вой кислоты составляет для парогенераторов сверхвысо­кого давления 15% при гидратной щелочности менее 0,1 мг-экв/кг и 5-10% при гидратной щелочности 0,2- 0,3 мг-экв/кг.

Для осуществления процесса промывки пара пита­тельная вода подается в специальные устройства, расположенные в паровом объема барабана парогенерато­ра и отделенные от доступа котловой воды. Промывоч­ная питательная вода, после того как она контактиро­вала с насыщенным паром, поступает в котловую воду и смешивается с ней.

Известны следующие способы промывки пара: барботаж пара через слой питательной воды, пропуск его через сепараторы, смачиваемые питательной во­дой, и, наконец, распиливание питательной воды в по­токе пара.

В современных парогенераторах барабанного типа широко применяется барботажная промывка пара, которая обеспечивает наиболее полный контакт пара с промывочной водой. Промывочное барботажное устройство представляет собой затопленный плоский дырчатый щит (рис. 5-9) с закраинами, отвечающими требующейся высоте промывочного слоя (приблизитель­но 40—50 мм). На конденсационных электростанциях и чисто отопительных ТЭЦ на барботажное промывочное устройство подается вся питательная вода, а на про мышленных ТЭЦ, использующих в качестве добавки химически обработанную воду, на паропромывочное устройство подается от 50 до 100% питательной воды.

Общий эффект от применения промывки пара определяется к. п. д. как самого паропромывочного устройства, так и сепариру­ющих устройств, осушающих пар до и после промывки его. Коэф­фициент полезного действия собственно промывки пара представ­ляет собой отношение количества удаленного вещества к теорети­чески возможному количеству, т. е. он указывает, насколько про­мывка приближается к пределу очистки. Если бы содержание ве­щества в паре достигло концентрации, отвечающей коэффициенту распределения, то эффективность промывки была бы равна 100%, т. е. отвечала бы максимально возможной -теоретической -очистке пара. При ограниченной высоте промывочного слоя, которая имеет место в случае размещения паропромывочного устройства в паро­вом объеме барабана, величина к. п. д. собственно барботажной промывки составляет примерно 80%.

Рис. 5-9. Барботажное промывочное устрой­ство с затопленным дырчатым листом.

/ — промывочное устройство; 2 — жалюзийный се-

паратор; 3 — питательное корыто; 4 — дырчатый

лист; 5 — непрерывная продувка; б — питательная

труба; 7 — ввод фосфатов.

Для любой схемы внутрикотловых устройств важной характе­ристикой является доля уловленных ими в парогенераторе неорга­нических примесей от общей концентрации их в питательной воде. Применительно к парогенераторам с паропромывочными устройства­ми этот показатель зависит от: а) разности концентраций солей и кремниевой кислоты в паре, поступающем на промывочное устрой­ство, и соответственно в промывочной воде; б) гидратной щелоч­ности промывочной воды; в) отношения расхода промывочной воды к расходу пара; г) величины поверхности и продолжительно­сти контактирования пара с промывочной водой; д) значений коэффициентов массообмена, характеризующих интенсивность пере­хода того или иного вещества, растворенного в воде, в промывоч­ную воду.

Экспериментальные и эксплуатационные данные свидетельствуют о том, что паропромывочные устройства снижают кремнесодержание пара в среднем в 2—3 раза.

На промышленных ТЭЦ высокого давления (100 кгс/см²) при значительной добавке химически обра­ботанной воды обычно применяется комбинированная схема внутрикотловых устройств, которая предусматри­вает сочетание трехступенчатого испарения с барботаж­ной промывкой питательной водой всего пара либо толь­ко пара из солевых отсеков . Иногда пар про­мывается котловой водой чистого отсека; с этой целью пар из солевых отсеков подается под уровень воды в чистом отсеке. На конденсационных электростанциях и чисто отопительных ТЭЦ, где парогенераторы бара­банного типа сверхвысокого давления (140 кгс/см²) питаются с добавкой химически обессоленной воды либо дистиллята испарителей, часто применяется схема двух­ступенчатого испарения с выносной второй ступенью, имеющей паропроизводительность 3—6% Dn, которая сочетается с барботажной промывкой пара. Из этих парогенераторов уносится от 2 до 8% кремниевой кслоты, внесенной питательной водой.

ГЛАВА ШЕСТАЯ