Пониженное давление пара в котле

Федоров А. И., канд. техн. наук, Понасечкин С. А., инж. ОАО «Фирма ОРГРЭС”
Срок службы котлов среднего давления составляет примерно 45 лет. В настоящее время более 300 котлов среднего давления (ТЭЦ бывшего Минэнерго) и значительное число котлов ТЭЦ промышленных предприятий эксплуатируются более 39 лет. Из-за относительно низкой температуры перегретого пара (менее 450°С) металл пароперегревателей котлов не работает в условиях ползучести, поэтому одним из основных факторов, приводящих к снижению срока службы, является коррозионный износ. Наиболее эффективный способ продления срока службы этих котлов — это планомерная замена поверхностей нагрева и обеспечение снижения темпа коррозионных процессов в котле.
В настоящее время более 600 котлов высокого давления ТЭС с поперечными связями находятся в эксплуатации свыше 40 лет и продление их ресурса осуществляется за счет контроля и диагностирования, замены (если необходимо) основных элементов котла, снижения температуры перегретого пара на 10 — 15°С (по условиям надежности и экономичности работы турбины), а также и за счет других мероприятий.
При реконструкции и техническом перевооружении работающих ТЭЦ иногда возникает необходимость перевода действующих котлов среднего и высокого давления на работу при пониженных параметрах пара (давление и температура перегретого пара). Эти вопросы возникают в основном на паровых котлах с давлением пара 34 — 155 кгс/см2 (3,4 — 15,5 МПа), введенных в эксплуатацию в 1940 — 1960 гг., большая часть которых выработала свой ресурс (наработка 200 — 300 тыс. ч). Задача продления срока их службы за счет снижения параметров пара, а значит и увеличения, так называемого, паркового ресурса [1], актуальна в связи с большой стоимостью установки новых паровых котлов, замещающих “старые”.

Рис. 1. Изменение энтальпии пара и воды в зависимости от давления:
I — энтальпия среды, ккал/кг; p — давление, кгс/см2; гпв, гпп — энтальпия питательной воды и перегретого пара соответственно, ккал/кг; i’, i» — энтальпия кипящей воды и сухого насыщенного пара соответственно; tuu, t^ — температура перегретого пара и питательной воды соответственно, °С; Q — доля тепла, которое необходимо подвести к поверхностям: испарительным Qmm экономайзера Q3a пароперегревателя Q^, регенеративных подогревателей питательной воды Q^
Из показаний на рис. 1 I-p диаграммы процесса нагрева воды, испарения и перегрева пара в котлах видно, что при снижении давления в котле уменьшается доля тепла, которое необходимо подвести к экономайзерным и пароперегревательным поверхностям нагрева, и увеличивается доля тепла, которое необходимо подвести к испарительным поверхностям. Следовательно, при снижении давления в котле поверхности нагрева пароперегревателя (ПП) и водяного экономайзера (ВЭ) должны быть уменьшены, а испарительные поверхности — увеличены. В связи с тем, что топочные камеры котлов воспринимают приблизительно 40 — 55% полного количества тепла сжигаемого топлива, то при снижении давления в котле тепла, получаемого за счет радиационного теплообмена, уже недостаточно для испарительных поверхностей. Поэтому при снижении давления в котле до 40 кгс/см2 (4,0 МПа) и ниже ВЭ становятся кипящими. При снижении давления в котле увеличивается температурный напор между дымовыми газами и водой или паром. Это приводит, при прочих равных условиях, к тому, что через каждый 1 м2 поверхности нагрева передается большее количество тепла.
При переводе котлов на пониженные параметры пара, как правило, должно быть предусмотрено выполнение следующих основных работ:
тепловой и гидравлический расчеты котла, а также пересчет сепарационных устройств; реконструкция ПП и пароохладителя; реконструкция ВЭ;
реконструкция внутрикотловых устройств котла, циркуляционных контуров, пароперепускных трубопроводов и паропроводов;
реконструкция общестанционного оборудования за пределами котла (установка новых питательных насосов и др.);
восстановительный ремонт котла; наладка и испытания котла.
В зависимости от состояния котла и от абсолютного значения понижения давления в котле часть работ может не производиться или производиться в уменьшенном объеме.
При понижении рабочего давления в котле изменяются практически все теплофизические характеристики воды и пара. При понижении давления происходит:
относительное увеличение осевых скоростей пара за счет уменьшения плотности пара;
увеличение разности плотности воды и пара (р’ -р»), а следовательно, увеличение подъемной силы и скорости всплытия паровых пузырей;
увеличение скрытой теплоты парообразования. Поэтому одно и то же количество тепла, воспринимаемое экранами, у котлов при работе на пониженном давлении испаряет меньше воды, чем при работе на повышенном давлении. По этой причине при переводе котлов на пониженное давление происходит увеличение кратности циркуляции; увеличение поверхностного натяжения, а следовательно, увеличение размеров паровых пузырей и капель, которые выбрасываются в паровой объем;
увеличение скорости витания капель в паровом объеме (при скорости витания масса капли и сила аэродинамического сопротивления равны);
увеличение критического по вспениваемости солесодержания котловой воды и др.

Рис. 2. Пересчет допустимых паровых нагрузок сепарационных устройств при понижении давления пара в котле:
Dp IDp — отношение допустимых паровых нагрузок при сниженном и номинальном давлении пара; рб — давление пара в барабане, кгс/см2: 1 — 24; 2 — 32; 3 — 44; 4 — 65; 5 — 115; 6 — 155
Нормальная работа сепарационных устройств (СУ), в том числе и барабана, происходит при выполнении условия
(1)
где— допустимая осевая подъемная скорость пара, при превышении которой резко увеличивается влажность (солесодержание) пара котла.
При понижении рабочего давления в котле вследствие изменения теплофизических характеристик воды и пара фактическая скорость пара в СУ за счет увеличения его плотности растет быстрее, чем допустимая, поэтому, как правило, при понижении давления пара допустимые паровые нагрузки котлов приходится ограничивать. При переводе на пониженное рабочее давление котел может нести по условиям обеспечения качественного пара прежнюю (ту же, что и при повышенном давлении) паровую нагрузку в следующих случаях:
при работе котла на пониженном давлении СУ были рассчитаны с большим запасом по нагрузке,
т.е. w»ос << (w»ос)доп;
были приняты специальные конструктивные меры (установка новых СУ с большими допустимыми паровыми нагрузками, установка дополнительных выносных циклонов и др.), позволяющие интенсифицировать работу СУ.
Во всех остальных случаях допустимые паровые нагрузки котлов при понижении давления необходимо снижать.
Пересчет допустимых паровых нагрузок СУ котла с одного рабочего давления на другое точнее
всего можно производить с помощью критерия устойчивости двухфазных потоков [2]
(2)
где р’, р» — соответственно плотность пара и воды на кривой насыщения; g — ускорение свободного падения; а — коэффициент поверхностного натяжения; w»ос — осевая подъемная скорость пара в СУ.
Применимость данного критерия для пересчета допустимых паровых нагрузок сепарационных устройств приведена в работах ЦКТИ [3, 4], фирмы “ОРГРЭС” [5, 6, 7] и других организаций. Он позволяет с точностью до ± 15% пересчитывать допустимые паровые нагрузки при переводе котла с одного давления на другое.
На рис. 2 показаны графики пересчета допустимых паровых нагрузок СУ при пониженном давлении пара в котле с использованием критерия формулы (2), из которых можно, например, определить, что при снижении давления пара в котле со 115 кгс/см2 (11,5 МПа) до 14 кгс/см2 (1,4 МПа) допустимая весовая паровая нагрузка должна быть снижена до 51%. Методика построения графиков приведена в [8].
При переводе котлов на сниженные параметры пара должна быть обеспечена надежная работа циркуляционных контуров, ПП и ВЭ. Более подробно эти вопросы рассмотрены в [8].

Пар насыщенный.
Примечание. Числитель — номинальные параметры пара, знаменатель — сниженные.
Примеры перевода котлов на пониженные параметры пара приведены в таблице.