Теплофизические свойства водного теплоносителя

На рис. 8.2a показана зависимость давления от удельного объема водного теплоносителя и температуры. При постоянной температуре удельный объем с ростом давления уменьшается, причем при докритической температуре имеется область двухфазного (пароводяного) состояния, заключенная между кривыми v' (объем воды на линии насыщения) и v" (объем пара на линии насыщения). При сверхкритической температуре водный теплоноситель считается однофазной средой, хотя переход от состояния воды к пару происходит постепенно, а не скачкообразно.

Параметры критического состояния воды:

давление р_КР=2,2115·10⁷ Па=22,115 МПа; температура t_КР = 374,12°С;

удельный объем V_КР = 0,003147 м³/кг; удельная энтальпия h_КР=2095,2 кДж/кг.

Изотермы на рис. 8.2a проведены для температур, характерных для перегретого пара (440, 510, 540, 570°С) паровых котлов. Горизонтальные линии соответствуют характерным для энергетики давлениям воды и пара, применяемым в паровых котлах.

Зависимость удельной теплоемкости с_Р, кДж/(кг·К), от температуры удельного объема v и плотности r от температуры, характеризующие состояние теплоносителя на (рис. 8.2б) (при постоянном давлении). При докритическом давлении теплоемкость воды и пара ограничена своими значениями на линии насыщения (с_Р' и с_Р" соответственно). При сверхкритическом давлении теплоемкость имеет максимальное значение при температуре, которая называется температурой максимальной теплоемкости t_МТ или псевдокритической температурой.

Практическая работа к теме урока №4

Составить и объяснить диаграммы зависимость давления от удельного объема водного теплоносителя и температуры.

Условно на диаграмме с_Р - t рис. 8.2б) выделяют по ординате t при сверхкритическом давлении диапазон температур - зону большой теплоемкости (ЗБТ).

Зона большой теплоемкости соответствует диапазону температур, при которых с_Р > 8 кДж/(кг·К). Диапазон температур до зоны большой теплоемкости условно называют областью состояния жидкости, после зоны - областью состояния пара (рис. 8.2б), (рис. 8.2 в).

При проведении различных расчетов необходимо знать зависимости удельной энтальпии h, удельного объема v и плотности r от температуры, характеризующие состояние теплоносителя (рис. 8.2б), (рис. 8.2 в).

Тема № 2.

Температурный режим поверхностей нагрева паровых котлов.

Тема урока №1

«Металл паровых котлов».

Условия работы металла в паровых котлах отличаются большим разнообразием: температура изменяется от комнатной до 1000°С и более, давление - от атмосферного до 35 МПа, активность рабочей среды - от нейтральной до химически активной.

В наиболее простых условиях работает металл каркаса котла, его обшивка - при атмосферном давлении, температуре, незначительно превышающей комнатную, среда - воздух. Элементы воздухоподогревателя (трубы, трубные доски, уплотнения, крепление) также работают при давлении, близком к атмосферному, но температура значительно выше. С учетом большого расхода металла на изготовление воздухоподогревателей и низких нагрузок (тепловых и механических) для их изготовления используется дешевая углеродистая сталь. В некоторых случаях приходится ограничивать температуру горячего воздуха и дымовых газов таким образом, чтобы температура металла не превышала допустимой для углеродистой стали. Металл воздухоподогревателя подвергается воздействию сернокислотной коррозии и абразивному износу летучей золой при сжигании твердого топлива. В условиях высоких температур (1000°С и более) и интенсивной коррозии работают неохлаждаемые стойки и подвески труб, их крепежные элементы, детали горелок.

К другой группе элементов конструкции парового котла относятся поверхности нагрева, включающие обогреваемые трубы и коллекторы, трубопроводы между поверхностями нагрева, барабан, работающие под воздействием не только высокой температуры, но и высокого внутреннего давления рабочей среды. Кроме того, поверхности нагрева подвергаются коррозии с газовой стороны и со стороны водного теплоносителя, абразивному износу летучей золой. Конкретные условия работы металла поверхностей нагрева существенно различаются и для их выполнения необходимо использовать металл соответствующего качества.

Работоспособность металла определяется комплексом его механических, технологических и приданных ему специальных свойств. Специальные свойства металла обеспечивают его рабочее состояние в особо напряженных условиях. Так, для поверхностей нагрева паровых котлов, работающих при высоких температурах, важное значение имеют жаропрочность и окалиностойкость металла.

Жаропрочность - способность материала выдерживать механические нагрузки без существенной деформации и разрушения при повышенных температурах. Жаропрочность отражает свойство стали сохранять прочность, пластичность и стабильность структуры при высоких температурах в условиях ползучести металла в течение расчетного срока службы в сочетании с высокой коррозионной стойкостью.

Жаростойкость (окалиностойкость) - способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием окислительной газовой среды при высоких температурах. Критерием окалиностойкости служит удельная потеря массы при окислении металла за определенный период времени.

Для каждой стали, используемой в паровых котлах, устанавливается предельная температура наружной поверхности по жаропрочности и окалинообразованию, превышение которой приводит к интенсивной коррозии стали в газовой среде и изменению структуры металла с резким ухудшением его механических свойств.

Коррозия металла поверхностей нагрева парового котла с внешней (газовой) и внутренней (водопаровой) стороны снижает прочностные характеристики металла элементов конструкции котла и для достижения надежной службы этих элементов необходимо использовать металл соответствующего качества.

Перечень марок сталей, используемых в паровых котлах, предельно допустимая температура наружной поверхности металла t_пр, °С, по жаропрочности, высокотемпературной наружной коррозии и окалинообразованию представлены в табл. 10.1.

При тепловом расчете парового котла предварительно выбираются марка стали, диаметр и толщина стенки труб.

После теплового расчета проводится расчет элементов котла на прочность, в результате которого могут быть определены (в зависимости от целей расчета):

- толщина стенки (трубы, коллектора, барабана) S, м, сравнивается с предварительно принятой толщиной S_пр, м (S ≥ S_пр),

- приведенное напряжение от внутреннего давления σ_пр, Па, не должно превышать номинальное допустимое напряжение [σ], Па;

- допустимое рабочее давление р_доп, Па, должно быть больше действительного рабочего давления р, Па;

- температура наружной поверхности стенки t_СТ^НАР, °С, должна быть ниже предельно допустимой температуры t_пр .

Если предварительно принятые конструктивные характеристики элемента не удовлетворяют условиям прочности, тепловой расчет котла повторяется с новыми исходными данными.

Тема урока № 2.

«Водно-химические режимы паровых котлов».

Водно-химические режимы и нормы качества пара и питательной воды.

Водно-химический режим, рекомендованный для котла, должен обеспечить получение необходимой чистоты пара перед турбиной, ограничение допустимой скорости образования отложений на внутренних поверхностях оборудования и снижение интенсивности коррозионных процессов по пароводяному тракту. Решение этих задач определяется типом оборудования, параметрами водного теплоносителя, материалом оборудования, количеством и составом примесей и т.п.

Необходимая чистота пара определяется предотвращением заноса примесями проточной части турбины. Паровая турбина чувствительна к отложениям примесей: достаточно 3…4 кг отложений на лопатках, чтобы турбина 300 МВт снизила свою мощность и экономичность. С увеличением давления перед турбиной уменьшается проходное сечение лопаточного аппарата и, следовательно, возрастает влияние солевого заноса на ее работу. Поэтому с ростом давления перегретого пара возрастают требования к его чистоте.

В (таб.12.1) представлены нормы качества пара для барабанных котлов и котлов сверхкритического давления (по "Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей"). Нормирование качества пара ведется по натрию, так как соединения натрия составляют значительную долю примесей пара, и кремнекислоте, растворимость которой в паре с ростом давления существенно возрастает, и она в турбине образует трудносмываемые отложения.

В барабанных котлах по нормам (таб.12.1) должен соответствовать не только перегретый, но и насыщенный пар, поскольку возможно выпадение примесей в поверхностях пароперегревателя.

Концентрация примесей в насыщенном паре определяется уносом влаги ω, % и растворимостью в паре, характеризуемой коэффициентом распределения К_p.

Концентрацию примеси в паре С_p, уходящем из барабана котла, можно существенно снизить по сравнению с C`_п, если обеспечить промывку влажного пара на специальном устройстве.

В прямоточных котлах примеси питательной воды переходят в пар или образуют внутритрубные отложения, что отрицательно сказывается на работе котла. Качество питательной воды прямоточных котлов должно быть высокое (таб.12.2). Добавочная вода проходит химическое обессоливание. В блоках СКД организуется 100%-ная конденсатоочистка в БОУ для удаления механических примесей (нерастворенных продуктов коррозии конструкционных материалов), коллоидно-дисперсных и растворенных веществ, попадающих в конденсат за счет присосов в конденсаторе.

Ограничение образования отложений в барабанном котле происходит за счет снижения С_к.в (продувка, ступенчатое испарение), а в прямоточном котле докритического давления может быть выделена переходная зона для отложения в ней большинства примесей. Во всех случаях устанавливаются предельные концентрации примесей в питательной воде и проводится коррекция химического состава воды для уменьшения количества отложений и увеличения их теплопроводности.

Полностью избежать отложений в поверхностях котла не удается, поэтому для их удаления проводятся периодически химические промывки котла или его отдельных поверхностей.

Снижение интенсивности коррозионных процессов обеспечивается путем ввода в конденсат и питательную воду реагентов, влияющих на скорость коррозии, создающих на поверхности металла защитные пленки с высокой теплопроводностью.

В барабанных котлах нормирование жесткости питательной воды (соединений Са и Mg) вызвано тем, что соли жесткости приводят к образованию на стенках труб отложений, большого количества шлама в объеме воды и малотеплопроводных отложений, которые могут прикипать к поверхности труб. Ограничение концентрации угольной кислоты и кислорода определяется их влиянием на коррозию пароводяного тракта.

Для связывания кислорода, присутствующего в питательной воде за счет присосов в вакуумной части конденсатного тракта и неполностью удаленного при деаэрации, производится обработка турбинного конденсата гидразином N₂H₄. Поддержание гидразина в пределах 20…60 мкг/кг перед котлом обеспечивает подавление кислородной коррозии.

Связывание остаточных после деаэратора концентраций углекислоты производится аммиачной обработкой питательной воды. Аммиак NH₃ нейтрализует угольную кислоту и повышает рН до значений слабощелочной среды.

Чрезмерное количество аммиака (свыше 1000 мкг/кг) приводит к аммиачной коррозии латунных трубок конденсатора и ПНД.

Примеси железа и меди образуют малотеплопроводные отложения на теплонапряженных поверхностях нагрева, приводящие к пережогу труб. С ростом давления в котле интенсивность образования железооксидных отложений увеличивается (уменьшается растворимость, увеличиваются тепловые потоки).

Содержание масел в питательной воде ограничивается в связи с резким увеличением термического сопротивления экранных труб при образовании маслянистой пленки на поверхности металла.

В прямоточных котлах СКД качество питательной воды должно быть равным или близким к качеству пара.

Растворимость соединений меди, натрия и кремнекислоты в водном теплоносителе СКД достаточно велика, и эти соединения проходят котел транзитом. Допустимые концентрации Сu, Na и SiO₂ в питательной воде вызваны надежной работой турбины.

Снижение допустимых концентраций соединений железа и солей жесткости в питательной воде направлено на уменьшение скорости роста малотеплопроводных отложений в радиационных поверхностях нагрева, особенно в котлах, сжигающих мазут.

В (таб.12.3) приведены допустимые значения ряда показателей работы блока СКД, определяемые применением водно-химических режимов. Показатели оцениваются при сжигании мазута через 7000 ч, а при сжигании газа и твердых топлив - через 24 000 ч эксплуатации.

Тема урока № 3

«Водно-химические режимы прямоточных котлов»

.

Гидразинно-аммиачный водный режим (ГАВР) рекомендуется на энергетических блоках, в которых трубки конденсатора и ПНД выполнены из медьсодержащих сплавов (латуни).

В воде конденсатного тракта за счет присосов воздуха в конденсаторе и на входе конденсатного насоса растворены кислород и углекислота. Термическая деаэрация не обеспечивает полного удаления кислорода и углекислоты, поэтому ее дополняют химической обработкой питательной воды.

В конденсат (после БОУ) или в питательную воду (после деаэратора) подают (рис.12.1) гидразин-гидрат (N₂H₄∙H₂O), который вступает в реакцию с кислородом с образованием в результате азота и воды. Для обеспечения полного связывания кислорода гидразин вводят в количестве, превышающем стехиометрическое значение. Оставшийся в воде избыточный гидразин (20…60 мкг/кг перед котлом) практически полностью разлагается в котле с образованием аммиака, азота и воды.

Углекислота находится в воде в виде молекул СО₂ (растворенный газ) и раствора углекислоты Н₂СО₃. Углекислота нейтрализуется дозируемым в питательную воду аммиаком, который вводится в количестве, обеспечивающем как нейтрализацию СО₂ так и создание избытка гидроксида аммония, повышающего рН среды до 9,1 ± 0,1.

Значение показателя рН = 9,1 ± 0,1 рекомендуется при наличии в конденсатном тракте латунных трубок, но при этом не подавляется полностью ни коррозия стали, ни коррозия латуни. В результате в котел поступают оксиды железа и меди, где происходит их отложение в НРЧ. При ГАВР в котле не образуется защитных пленок, и металл корродирует. Недостатки ГАВР заметно проявились при переходе на сжигание в котлах мазута с высокими тепловыми потоками. Рост температуры стенки в НРЧ достигает 10…15°С за 1000 ч работы; внутренние отложения увеличиваются за 1000 ч на 20…30 г/м² в газомазутных котлах или на 15…20 г/м² в пылеугольных котлах; при отложениях 250…400 г/м² приходится выполнять химические очистки поверхностей нагрева. На газомазутных котлах межпромывочный период составляет 7000…10000 тыс. ч, а в некоторых случаях и меньше (4…6 месяцев, т.е. через 3000…4500 ч).

Гидразинный водный режим (ГВР) (нейтрально-восстановительный ВХР) применяется при наличии медьсодержащих сплавов в конденсатном тракте (рис.12.1). Гидразин вводится после БОУ (перед ПНД), в питательной воде поддерживается рН = 7,7…0,2 (за счет гидразина и работы ионитовых фильтров БОУ). При этом обеспечивается: снижение концентрации соединений меди более чем в 2 раза (до 2 мкг/кг); содержание железа в питательной воде не более 10 мкг/кг; восстановление оксидов железа и перевод их в магнетит; удлинение межпромывочного периода в газомазутных котлах до 15 000 ч; уменьшение заноса проточной части турбины.

Высокощелочной режим применяется на блоках, где отсутствуют трубки из латуни. Это разновидность гидразинно-аммиачного режима. За счет ввода аммиака поддерживается рН = 9,5…9,6, при этом скорость коррозии железа мала. Для реализации этого режима в фильтрах смешанного действия БОУ требуются специальные катиониты (в NH₄-фоpмe). Высокие концентрации аммиака в воде способствуют переходу в пар и выносу в турбину хлоридов и сульфатов, которые вызывают коррозионное растрескивание под напряжением элементов турбины.

Нейтрально-окислительный водно-химический режим (НОВР) широко распространен на блоках СКД, в ПНД которых применяются трубки из нержавеющей аустенитной стали (вместо латунных). После БОУ турбинный конденсат приближается к теоретически чистой нейтральной воде, электропроводность которой 0,04…0,06 мкСм/см. Такая вода почти не содержит ионогенных примесей, и электрохимические процессы в ней заторможены. Содержащийся в обессоленной воде кислород играет неоднозначную роль: при малой концентрации (менее 30 мкг/кг) кислорода обессоленная вода является корро-зионно-агрессивной средой; при увеличении концентрации кислорода скорость коррозии резко снижается, а при концентрации свыше 200 мкг/кг на поверхности металла образуется сплошная защитная оксидная пленка из магнетита Fe₃O₄ и гематита Fe₂O₃. Оксидные пленки обеспечивают длительное, устойчивое состояние стали, защищают от дальнейшей коррозии. При останове оборудования консервация его не требуется. Ухудшение качества воды (электропроводность свыше 0,2…0,3 мкСм/см) вызывает значительный рост скорости коррозии.

Нейтрально-кислородный водный режим (НКВР) применяется, когда питательная вода имеет высокую чистоту (электропроводность меньше 0,3 мкСм/см). В конденсат дозируется кислород с концентрацией 200…800 мкг/кг. Выпар из деаэратора открыт для удаления углекислоты, при этом удаляется и часть кислорода. В этом случае в питательную воду добавляется кислород в количестве 100…400 мкг/кг. Концентрация O₂ должна быть такой, чтобы кислород израсходовался до участков пароперегревателя из аустенитной стали. Для поддержания нейтрального значения рН = 7 в питательную воду дозируется аммиак в небольших количествах (30…60 мкг/кг). Возможен режим с подщелачиванием воды (аммиаком) до рН = 8. Подачу газообразного кислорода в воду трудно автоматизировать.

Режим НКВР обеспечивает содержание железа в питательной воде ниже нормативного значения (в среднем 5…7 мкг/кг, на некоторых электростанциях 1…2 мкг/кг), при этом масса отложений снижается в 3…5 раз (90…150 г/м² за 10 000 ч работы), а скорость роста температуры стенки трубы в НРЧ не превышает 3…5 °С за 1000 ч, температура металла уменьшается. Химическую очистку поверхностей нагрева выполняют в капитальный или расширенный текущий ремонт. Отказ от дозирования гидразингидрата и больших количеств аммиака удешевляет и упрощает эксплуатацию блока, увеличивает межрегенерационный период фильтров БОУ.

Вместо газообразного кислорода для дозирования в воду применяются и другие окислители. В частности, на ряде электростанций используется раствор переоксида водорода Н₂О₂, подачу которого можно автоматически регулировать в зависимости от расхода питательной воды. Концентрация Н₂О₂ составляет 220…280 мкг/кг. При этом на поверхности металла (стали) образуется оксидная пленка из малых кристаллов округлой формы, без трещин, обладающая хорошими защитными свойствами. Рост отложений в НРЧ составляет 60…90 мкг/м₂ за 10 000 ч, термическое сопротивление их примерно в 8 раз меньше, чем при режиме ГАВР, поэтому температура стенки растет медленно (до 1…2°С за 1000 ч).

При переводе блоков СКД с режима ГАВР на режим НОВР необходимо оснастить подогреватель ПНД трубками из аустенитной стали; обеспечить плотность конденсаторов турбин, высокое качество обессоленной и питательной воды; провести эффективную химическую очистку поверхностей котла, деаэратора и конденсатно-питательного тракта от отложений меди и других соединений.

Комплексонный водно-химический режим (КВР) организуется на базе гидразинно-аммиачного водного режима. Кроме традиционной гидразинно-аммиачной обработки конденсата и питательной воды на всас бустерных насосов (после деаэратора) подается раствор комплексона аммонийной соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТК или ЭДТУ).

Аммонийная соль ЭДТК образует со всеми катионами питательной воды (железа, меди, цинка, кальция, магния и др.) комплексонаты, обладающие высокой растворимостью в воде. Расчет концентрации комплексона С_компл при СКД ведут по стехиометрическим соотношениям по концентрации в питательной воде оксидов железа C_п.в.^Fe, меди C_п.в.^Cu и цинка C_п.в.^Zn.

(12.1)

При температуре 250…330 °С происходит интенсивный термолиз комплексонатов железа (разложение при высокой температуре). При термическом разложении комплексонатов железа в условиях контакта их со сталью на ее поверхности образуется пленка магнетита, плотно сцепленная со сталью и обладающая защитными свойствами. Пленка защищает сталь от общей коррозии. Образование защитной пленки магнетита происходит при отсутствии комплексонатов других катионов, поэтому требуется высокое качество питательной воды, 100%-ная конденсатоочистка. Процесс термолиза зависит только от температуры и не зависит от тепловой нагрузки. Поэтому образование оксидной пленки происходит на обогреваемых и необогреваемых трубах, равномерно по периметру обогреваемой трубы. Зона термолиза комплексоната железа включает последний ПВД (ПВД-8), экономайзер, подвесные трубы, начало НРЧ.

Основная масса оксидов железа (до 80%) выпадает на участках до НРЧ с относительно низкими тепловыми потоками (рис.12.2). При этом в НРЧ количество отложившихся оксидов железа уменьшается в 3-4 раза по сравнению с ГАВР (∆С_Fe = 2…3 мкг/кг вместо 8…10 мкг/кг).

Отложения образуют плотный слой с теплопроводностью λ = 2…3 Вт/(м∙К) - в 3…4 раза выше теплопроводности при режиме ГАВР. В результате этого рост температуры стенки трубы НРЧ составляет за 1000 ч менее 5°С и межпромывочный период увеличивается.

Тема урока № 4

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: