Тема 6 рабочие процессы в паровых и водогрейных котлах образование пара. Коррозия поверхностей нагрева



страница1/6
Дата14.06.2018
Размер1,24 Mb.
  1   2   3   4   5   6
ТЕМА 6
РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В ПАРОВЫХ

И ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛАХ
6.1. Образование пара.

6.2. Коррозия поверхностей нагрева.

6.3. Естественная циркуляция в испарительных поверхностях нагрева.

6.4. Принудительная циркуляция в паровых и водогрейных котлах.

6.5. Требования, предъявляемые к воде и пару.

6.6. Сепарационные устройства.

6.7. Условия надежной работы поверхностей нагрева.
6.1. Образование пара
В паровых котлах образование пара происходит при постоянном давлении и непрерывном подводе теплоты от продуктов сгорания к воде. Процесс образования перегретого пара состоит из трех последовательных стадий: подогрева воды до температуры насыщения, парообразования и перегрева пара до заданной температуры. В современных паровых котлах вода, поступающая непосредственно в барабан, а из него в поверхность нагрева, как правило, предварительно нагревается в водяном экономайзере. Однако независимо от того, где происходит нагрев воды, массе воды 1 кг должно быть сообщено определенное количество теплоты, равное разности энтальпий воды кипящей и поступающей в водяной экономайзер. Для получения из кипящей воды сухого насыщенного пара ей должно быть сообщено дополнительное количество теплоты, равное скрытой теплоте парообразования. Наконец, для получения 1 кг перегретого пара определенной температуры сухому насыщенному пару необходимо сообщить теплоту, равную разности энтальпий перегретого и сухого насыщенного пара.

Паровой котел работает при постоянном давлении пара. При этом разные типы парогенераторов имеют различный уровень давления. В связи с этим важно знать, как зависят энтальпия кипящей воды, скрытая теплота парообразования, энтальпия насыщенного и перегретого пара от давления. С увеличением давления, вплоть до критического (ркр= 22,1З МПа), энтальпия кипящей воды непрерывно возрастает. Следовательно, с повышением давления в котле площадь поверхностей нагрева, в которых происходит предварительный нагрев воды, должна увеличиваться. Скрытая теплота парообразования с увеличением давления непрерывно уменьшается и при критическом давлении равна нулю. Это указывает на возможность уменьшения площади поверхностей нагрева, в которых из кипящей воды образуется насыщенный пар. Энтальпия сухого насыщенного пара при возрастании давления до 3,3 МПа увеличивается, а затем падает. Следовательно, при выработке насыщенного пара нецелесообразно повышать его давление выше 3,3 МПа.

Энтальпия перегретого пара при постоянном перегреве с увеличением давления уменьшается. Следовательно, при повышении давления вырабатываемого котлом пара, целесообразно одновременно увеличить температуру перегретого пара. В связи с этим в котлах, вырабатывающих перегретый пар высокого давления, повышается роль пароперегревателя и водяного экономайзера.

Существенное влияние на надежность работы котла оказывает процесс кипения, под которым понимают процесс образования пара внутри объема жидкости. Условия кипения воды в котлах сложны и своеобразны. Как только температура воды в поверхности нагрева котла достигает температуры насыщения, начинается кипение, которое носит спокойный характер. При этом процесс начинается в слоях жидкости, соприкасающихся с внутренней стенкой поверхности нагрева. По мере увеличения температуры стенки число действующих центров кипения растёт, и процесс кипения становится все более интенсивным. Паровые пузырьки постепенно отрываются от поверхности и, проходя сквозь слой воды, увеличиваются в своем объеме. Это объясняется тем, что температура в объеме кипящей жидкости несколько выше температуры насыщения (по опытным данным на 0,2 – 0,4 °С).

При форсировке топки увеличивается разность температуры стенки и температуры насыщения. При этом температура насыщения при постоянном давлении в парогенераторе остается неизменной. Повышение разности температур стенки и кипящей воды приводит к увеличению количества теплоты, отводимой кипящей водой от стенки поверхности нагрева. В конечном итоге количество вырабатываемого котлом пара возрастает. Однако отвод теплоты с увеличением температурного напора между стенкой и кипящей водой возрастает до определенного предела (после его превышения начинает уменьшаться).

Температурный напор, при котором отвод теплоты от поверхности нагрева к кипящей жидкости достигает максимального, принято называть первым критическим значением. Режим кипения до момента наступления первого критического значения называется пузырьковым.

В поверхностях нагрева котлов не допускают превышения температурного напора сверх первого критического значения во избежание выхода поверхности нагрева из строя.

Поверхности нагрева котла обычно выполняют из труб, в которых на развитие кипения, кроме указанных факторов, влияют и такие, как скорость движения жидкости или пароводяной смеси и характер распределения паровой и жидкой фаз в трубах.



При движений жидкости в вертикальных трубах различают следующие режимы течения: пузырьковый, снарядный, стержневой и эмульсионный.

Пузырьковый режим течения в вертикальных трубах наблюдается при умеренном паросодержании и небольшой скорости течения пароводяной смеси. Пузырьки пара небольшие и довольно равномерно распределены по сечению трубы. При пузырьковом течении в горизонтальных трубах пузыри пара располагаются в верхней части трубы, а вода – в нижней ее части.

Снарядный режим течения наблюдается при увеличении паросодержания в потоке. Для этого режима характерно объединение мелких пузырей в крупные, напоминающие по очертанию снаряды.

Стержневой режим характеризуется наличием сплошного парового стержня, движущегося по центру трубы, со сплошной кольцевой пленкой, прилегающей к внутренней части грубы.

Эмульсионный режим наблюдается при большой скорости пара и высоком давлении. Основная масса водяной пленки срывается пузырями пара и уносится в виде капель. На внутренней стенке трубы остается тонкая водяная пленка.

В горизонтальных трубах при малых скоростях происходит расслоение потока. В верхней части трубы движется пар, имеющий меньшую плотность по сравнению с водой, а в нижней части – основная масса воды.

При низких давлениях наблюдается снарядный режим течения. С повышением давления до 3 – 4 МПа он переходит в снарядно-пузырьковый и при давлении 10 МПа – в пузырьковый, который при определенных условиях может перейти в стержневой, а затем в эмульсионный.

Процесс кипения в трубах может также происходить при температуре воды, меньшей температуры насыщения. Это наблюдается при интенсивном подводе теплоты, когда температура стенки выше температуры насыщения и кипение происходит в тонком (пограничном) слое жидкости. Однако паровые пузыри, образовавшиеся в пристенной области, попав в ядро потока, быстро конденсируются. Такое кипение называют кипением в пограничном слое или кипением недогретой жидкости.

Исследования процесса кипения показали, что для пузырькового режима характерна высокая интенсивность теплоотдачи и возможность отвода с единицы поверхности больших потоков теплоты, но не превышающих первого критического температурного напора.
6.2. Коррозия поверхностей нагрева
Разрушение металла под действием окружающей среды называют коррозией. Металлические поверхности нагрева паровых и водогрейных котлов подвергаются коррозии как под действием продуктов сгорания, так и под действием нагреваемой среды. Коррозия со стороны продуктов сгорания называется наружной, а со стороны нагреваемой среды – внутренней.

Наружная коррозия может быть низкотемпературной и высокотемпературной. Низкотемпературная коррозия бывает кислородная и сернокислотная. Кислородная коррозия может происходить при сжигании любого топлива, а сернокислотная – только при сжигании топлив, содержащих серу. Высокотемпературная коррозия может происходить лишь при сжигании мазутов, в золе которых содержится ванадий.

Кислородной коррозии подвержены поверхности нагрева, температура стенки которых может оказаться равной температуре точки росы. При поступлении слишком холодной воды в водяной экономайзер или конвективную поверхность нагрева водогрейных котлов либо холодного воздуха в воздухоподогреватель на их поверхности происходит конденсация водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. В результате оседания влаги на поверхностях нагрева растворенный в ней кислород вступает во взаимодействие с металлом, разъедая его. С увеличением влажности топлива и содержания в нем водорода вероятность кислородной коррозии повышается. Так, например, при сжигании антрацитового штыба температура точки росы 27 – 28 °С, природного газа и торфа 55 – 60 °С. Поверхности нагрева, выполненные из стали, разрушаются быстрее, чем поверхности нагрева из чугуна.

Низкотемпературная сернокислотная коррозия обусловлена наличием в продуктах сгорания серного ангидрида, получающегося при горении серы, содержащейся в мазуте или, например, в подмосковном буром угле.

При сгорании серы образуется сернистый ангидрид SO2 и небольшое количество серного ангидрида SO3. Имеющиеся в продуктах сгорания водяные пары, соединяясь с серным ангидридом, образуют пары серной кислоты Н2SO4. Если температура стенки поверхности нагрева равна или меньше температуры точки росы, то на стенке конденсируются пары серной кислоты. В результате этого поверхность нагрева подвергается интенсивной сернокислотной коррозии. Образование SО3 протекает более интенсивно при наличии свободного кислорода в продуктах сгорания. Поэтому повышенные значения коэффициента избытка воздуха в топке приводят к увеличению количества серного ангидрида. Температура точки росы продуктов сгорания тем выше, чем больше в них серного ангидрида.

Снижение интенсивности сернокислотной коррозии при сжигании сернистых мазутов достигается применением различных присадок. Присадки нейтрализуют SО2 и SО3, одновременно способствуя образованию более рыхлых отложений золы на поверхностях нагрева.

Результаты испытаний показали, что снижение коэффициента избытка воздуха на выходе из топки до 1,02 – 1,03 приводит к снижению низкотемпературной коррозии, которая при этих условиях характеризуется износом поверхности нагрева 0,2 – 0,3 мм/год.

Наличие небольшого количества ванадия в золе мазута приводит к высокотемпературной коррозии, которой подвергаются металлические элементы котла, работающие при температурах, больших 600 °С. При высоких температурах работают неохлаждаемые элементы котлов (например, подвески пароперегревателя), которые выходят из строя через 1 – 3 года.

Внутренняя коррозия паровых и водогрейных котлов в основном бывает следующих видов: кислородная, пароводяная, щелочная и подшламовая.

Кислородная коррозия наблюдается как при работе котла, так и при нахождении его в резерве. Основным проявлением кислородной коррозии являются язвы, обычно закрытые оксидами железа. Если продукты коррозии имеют черный цвет, образованный наличием в них магнетитов (Fe3О4), и прочно связаны с металлом, то образование этих язв происходит на работающем котле. Если окислы железа рыжего цвета и легко удаляются с металла, то наиболее вероятно, что они образовались в периоды остановки котла. Язвы, появляющиеся на работающем котле, обусловлены наличием кислорода в питательной воде и в первую очередь наблюдаются на входных участках водяного экономайзера, а при концентрациях кислорода свыше 0,3 мг/кг распространяются на барабан котла и опускные трубы. Язвы, появляющиеся на неработающем котле, указывают на так называемую стояночную коррозию. Стояночной коррозии могут подвергаться все участки котла.

Для защиты паровых и водогрейных котлов от кислородной коррозии применяется термическая деаэрация питательной и подпиточной воды, а также консервация котла при нахождении его в резерве или ремонте.

Защита от стояночной коррозии осуществляется следующими способами: при простоях котла более 1 – 2 месяцев консервацию производят путем использования раствора аммиака или газообразного азота, а при простоях до трех суток – путем заполнения котла деаэрированной водой и поддержания в нем постоянного избыточного давления.

Пароводяная коррозия наблюдается при работе котлов с повышенными тепловыми нагрузками. В результате пароводяной коррозии на внутренних поверхностях экранных труб появляются бороздки и язвы, как правило, покрытые рыхлым слоем оксидов металла.

Щелочная коррозия проявляется в виде местных разрушений экранных труб и хрупких повреждений в местах упаривания котловой воды. В большинстве случаев щелочная коррозия сопровождается пароводяной коррозией. Хрупкие повреждения (межкристаллическая коррозия) возникают при взаимодействии металла с котловой водой. Они обусловлены высокими растягивающими напряжениями в металле, соприкасающемся с котловой водой; неплотностью соединений (например, вальцовочных); наличием в котловой воде растворенного едкого натра.

Межкристаллическая коррозия возникает только при высокой относительной щелочности котловой воды. Под относительной щелочностью котловой воды понимают отношение ее щелочности к солесодержанию. Определяют это отношение (в процентах) по формуле:



,

где – щелочность котловой воды, мг-экв/кг; солесодержание котловой воды, мг/кг; 40 – эквивалент едкого натра.

В соответствии с правилами Проматомнадзора, во избежание аварий паровых котлов, связанных с межкристаллитной коррозией металла, относительная щелочность котловой воды не должна превышать 20 %.

Для защиты паровых котлов от пароводяной и щелочной коррозии необходимо предотвращать расслоение пароводяной смеси; снижать местные тепловые нагрузки; не допускать выноса продуктов коррозии из питательного тракта в котлоагрегат; своевременно удалять образующиеся отложения оксидов и накипи кислотными очистками; организовать циркуляцию воды в трубах котла, предотвращающую глубокое упаривание котловой воды, расслоение пароводяной смеси и застой пара в отдельных трубах; не допускать разверку температуры пара в трубах пароперегревателя и обеспечивать высокую чистоту пара.

Подшламовая коррозия происходит главным образом вследствие загрязнения питательной воды окислами железа и меди. В результате подшламовой коррозии образуются раковины, достигающие иногда в диаметре нескольких десятков миллиметров. Раковины в большинстве случаев имеют резко очерченные контуры. Скорость проникновения железооксидной коррозии вглубь металла колеблется в значительных пределах: от долей миллиметра до 1 мм в год и более. Повреждения поверхности металла труб независимо от их происхождения при поступлении в котел оксидов железа и меди становятся очагами подшламовой коррозии.

Оксиды железа и меди попадают в котлы вследствие коррозии оборудования тракта питательной воды и поверхностей нагрева самих котлов; коррозии элементов водяного тракта, расположенных до и после деаэратора (трубопроводов, баков, насосов, подогревателей, экономайзеров и т.д.); кислородной коррозией котлов и вспомогательного оборудования при нахождении их в резерве и ремонте. Для предупреждения поступления продуктов коррозии в котлы необходимо своевременно удалять оксиды железа и меди из полостей оборудования и тракта питательной воды, организовать отвод загрязнений из различных точек водяной системы и, самое главное, не допускать попадания этих загрязнений в питательную воду.



Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница