Способы получения сухого и чистого пара. ступенчатое испарение

РАЗДЕЛ IV. ПЕРВИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ

К первичным методам переработки относят процессы разделения нефти на фракции, используя ее потенциальные возможности по ассор­тименту, количеству и качеству получаемых нефтепродуктов. Основным первичным процессом является атмосферная перегонка, в основе кото­рой лежат физические процессы: нагрев и испарение нефти в нагрева­тельных трубчатых печах с последующим фракционированием в ректи­фикационных колоннах на бензиновые, керосиновые, дизельные фрак­ции и остаток - мазут.

Эволюция первичной переработки нефти от периодически дей­ствующих кубов до современных установок была обусловлена рядом факторов: увеличением производительности по сырью, сокращением расхода металла, непроизводственных потерь тепла, площадей, необ­ходимых для размещения аппаратуры, повышением качества получа­емых продуктов за счет четкого погоноразделения и устранением воз­можного разложения их в процессе нагрева, снижением пожароопас­ное™, повышением надежности технологической аппаратуры и обо­рудования и др.

Современные установки AT и АВТ обычно комбинируют с процес­сом обезвоживания и обессоливания.

Перегонку нефти на атмосферных установках AT или в атмосферных секциях комбинированных установок АВТ можно осуществлять несколь­кими способами:

1. Однократным испарением в трубчатой печи и разделением отгона в одной ректификационной колонне.

2. Двухкратным испарением и разделением в двух ректификацион­ных колоннах - в колонне предварительного испарения с отделением легких бензиновых фракций и в основной колонне.

В этом случае используют схему перегонки с двухкратным испарени­ем нефти и двумя ректификационными колоннами. В первой колонне отбирают легкий бензин и газ. При этом понижается общее давление в системе и давление в основной ректификационной колонне, в результате чего происходит более полное отделение светлых нефтепродуктов из не­фти и более четкое разделение их в колонне. Схема с двухкратным испа­рением представлена на рис. 4.2

Сырая нефть забирается насосом I и через теплообменники 2 пода­ется на обезвоживание и обессоливание в электродегидраторы 3. Обезво­женная и обессоленная нефть проходит вторую группу теплообменников 4, нагревается до температуры 210-220°С и поступает в первую ректифи­кационную колонну К-1, где отбирается легкая фракция бензина и газ. Остаток из колонны К-1 забирается горячим насосом 5, нагревается в трубчатой печи до 340-360°С и поступает во вторую ректификационную колонну К-2, где отбираются все остальные требуемые фракции. В случае недостаточного нагрева нефти перед входом в колонну К-1 имеется воз­можность подать в низ колонны К-1 часть отбензиненной нефти, нагре­той в печи 6, в виде горячей струи. При работе по этой схеме требуется более высокая температура нагрева в печи по сравнению со схемой одно­кратного испарения вследствие раздельного испарения легкокипящих и более тяжелых фракций. Все современные установки AT в основном ра­ботают по схеме двухкратного испарения.

рис.4.3

Нефть, предварительно обезвоженная и обессоленная на блоке ЭЛОУ атмосферной трубчатой установки или атмосферно-вакуумной установ­ки, насосом 1 подается в теплообменники 2 для нагрева до 220-230°С и далее - в колонну К-1, в эвапорационном пространстве которой проис­ходит разделение ее на пары и неиспарившийся остаток, стекающий в нижнюю часть колонны по тарелкам.

Для поддержания необходимого теплового режима низа колонны К-1 в нижнюю ее часть поступает поток нагретой в печи 6 полуотбензи- ненной нефти («горячая струя»). Поток паров из эвапорационного про­странства колонны К-1, смешавшись с потоком паров, отпаренных из полуотбензиненной нефти, направляется в верхнюю часть колонны К-1, проходя ряд тарелок. На каждой тарелке за счет контакта стекающей с верха колонны флегмы, образованной за счет подачи холодного ороше­ния, с восходящим потоком паров происходит тепло- и массообмен, и пары, двигаясь вверх, все более облегчаются на каждой вышележащей тарелке и, пройдя все тарелки, достигают заданного качества. Как пра­вило, за счет этого удаляется примерно половина бензиновой фракции с концом кипения 130- 140°С, которая вместе с газом конденсируется и охлаждается до температуры 40-45°С в конденсаторе-холодильнике 3 и, после смешения с более тяжелым бензином из колонны К-2, направ­ляется на стабилизацию от растворенного в ней газа и далее на вторич­ную перегонку. На схеме колонны стабилизации и вторичной перегон­ки не показаны. Горячим насосом 4 полуотбензиненная нефть из ко­лонны К-1 подается в трубчатую печь 6, где нагревается до температуры 340-350°С и поступает в эвапорационное пространство основной рек­тификационной колонны К-2, где вновь происходит процесс разделе­ния на паровую ижидкую фазы, как и в колонне К-1.

Более тяжелая часть паров, конденсируясь на каждой тарелке, обога­щает флегму высококипящими компонентами. Пройдя все тарелки, рас­положенные в нижней части колонны, жидкий остаток достигает задан­ного качественного состава по содержанию легкокипящих фракций, ко­торое не должно превышать 4-6% на мазут. Обычно на практикепринято ориентироваться на содержание фракций, выкипающих до 360°С.

Вводимый вниз колонны перегретый водяной пар снижает парци­альное давление нефтяных паров и способствует более полной отпарке легкокипящих компонентов из мазута.

С верха из колонны К-2 уходят пары бензина (и воды) с температу­рой конца кипения не более 180-190°С. Регулирование качества по концу кипения осуществляют подачей бензинового орошения за счет возврата части охлажденного и сконденсированного в холодильнике-конденсато­ре 3 верхнего продукта колонны К-2. Этим достигается поддержание оп­ределенной температуры паров, уходящих с верхней тарелки, и соответ­ственно качества бензиновой фракции.

С нижележащих тарелок концентрационной части колонны отбира­ются боковые потоки других нефтепродуктов в виде жидкостей. Верхним боковым потоком отбирают керосиновую фракцию, затем фракцию лег­кую дизельную и еще ниже более тяжелую дизельную. Для осуществле­ния процесса ректификации в колонне требуется создание потока оро­шения или флегмы. Если создавать этот поток только за счет подачи орошения в верхней части колонны (так называемого острого орошения), потребуется большой его расход, что приведет к нерациональным тепло­вым потерям, а также к значительному перерасходу воды и энергии для конденсации и охлаждения орошения. В целях недопущения этого при­меняют, так называемое, циркуляционное орошение.

Для осуществления циркуляционного орошения часть флегмы заби­рается с тарелки, проходит через теплообменник 2, отдает свое гепло потоку нефти, как правило для нагрева перед колонной К-1, и охладив­шись до заданной температуры, поступает на тарелку выше той, с кото­рой забиралась флегма на охлаждение. При этом поддерживается опре­деленный температурный режим на тарелке отбора флегмы и создаются условия, необходимые для поддержания потока флегмы на нижележа­щих тарелках. Циркуляционных орошений может быть несколько, вплоть до трех.

Основная часть флегмы с тарелки отбора орошения идет в качестве целевого продукта в отпарную колонну (стриппинг). Дело в том, что в целевом продукте, в результате недостаточно четкого разделения, могут находиться более легкокипящие фракции, т.е. происходит наложение фракций. Это значит, например, что в отбираемой керосиновой фрак­ции может находиться некоторое количество тяжелой бензиновой фрак­ции. При этом, без дополнительной ректификации качество керосина не будет соответствовать заданному, например, по температуре вспыш­ки. Требуемая температура вспышки керосина по ГОСТу должна быть не ниже 28°С в закрытом тигле. Присутствие тяжелой части бензиновой фракции понизит ее на несколько градусов. С целью доведения целевых продуктов до нужной кондиции применяют отпарные колонны. Отби­раемая из колонны К-2 керосиновая фракция направляется в верхнюю часть отпарной колонны, например К-3/1, оборудованной 9-12 тарелка­ми. Поток керосина, стекая с тарелки на тарелку вниз стриппинга, встре­чается с потоком паров, движущихся вверх. Чтобы создать последний, в нижнюю часть стриппинга подают перегретый водяной пар с температу­рой перегрева выше конца кипения бензиновой фракции, присутствую­щей в керосине.

Из верхней части стриппинга в колонну К-2 отпаренные пары бензи­на вместе с водяным паром направляются в пространство между тарел­кой отбора и вышележащей тарелкой колонны К-2, а керосин приобре­тает необходимое качество. Для каждой боковой фракции, отбираемой из колонны К-2, имеется свой стриппинг. Их бывает, как правило, 2-3.

Cтраница 2

В настоящее время высокосернистые нефти перегоняют на установках АВТ, запроектированных для переработки сернистых нефтей. Атмосферная перегонка их производится по схеме двухкратного испарения. Ниже дается краткая характеристика перегонки высокосернистой нефти типа арланской.  

Наряду с числом тарелок и их конструкцией существенное влияние на фракционирующую способность колонны оказывает кратность орошения в отдельных ее секциях, а также схема перегонки. Опыт эксплуатации показал, что применение схемы двухкратного испарения целесообразно при наличии в перерабатываемой нефти больших количеств растворенных газов (порядка 1 - 3 вес.  

Большой интерес представляет крупнейшая установка АВТ в Делавэре (США), на которой перерабатывают около 20000 т / сутки высокосернистой нефти и получают легкий бензин, лигроин, легкий и тяжелый газойль и остаток вакуумной колонны - гудрон. Атмосферная часть этой установки работает по схеме двухкратного испарения. В первой колонне выделяются наиболее легкие фракции, вторая колонна является основной для получения остальных компонентов светлых нефтепродуктов.  

На установках АВТ, работающих по схеме двухкратного испарения, количество тарелок в колоннах [ в первой 14 тарелок, во второй (основной) 23 ] не обеспечивало удовлетворительного фракционирования.  

Процесс осуществляют в первой ректификационной колонне. Как на всех установках АВТ, работающих по схеме двухкратного испарения, с верха первой ректификационной колонны отбирают фракции, выкипающие до 85 С.  

Отмечено, что композиционные конденсаты, полученные по схемам одновременного испарения нескольких разноименных катодов и испарения как одно -, так и многокомпонентных катодов, дают слоистые многокомпонентные системы. Конденсаты, полученные при испарении в вакуумное пространство только катодов с жесткой регламентацией элементов, входящих в их состав, обеспечивают монолитные покрытия с ярко выраженным столбчатым строением. Установлена качественная корреляционная связь между составами многокомпонентных сплавленных катодов и композиционных покрытий.  

С разделяется на узкие фракции в блоке вторичной перегонки широкой бензиновой фракции 14, работающем по схеме, аналогичной схеме предыдущей установки. Принципиально новым (в отличие от установки, работающей по схеме двухкратного испарения) является работа электродегидраторов при абсолютном давлении 16 кгс / см2 и 150 - 155 С.  

Топочная камера призматическая полностью экранирована трубами с наружным диаметром 60 мм, шаг которых 64 мм. Нижняя часть экранной поверхности образует так называемую холодную воронку, по откосам которой частички шлака в твердом виде скатываются вниз, в шлаковый комод. Схема испарения двухступенчатая, с промывкой пара питательной водой. Первая ступень испарения включена непосредственно в барабан котла, второй ступенью служат выносные паросепарационные циклоны, включенные в схему циркуляции средних боковых блоков экрана.  

В июне 1976 г. по этой причине на ТЭЦ целлюлозно-бумажного комбината произошла авария на паровом котле типа Б КЗ-220-100 ф паропроизводительно-стью 220 т / ч с параметрами пара 100 кгс / сма и 540 С, изготовленном на Барнаульском котлостроительном заводе в 1964 г. Котел однобарабанный с естественной циркуляцией, выполнен по П - образной схеме. Топочная камера призматическая полностью экранирована трубами с наружным диаметром 60 мм, шаг которых 64 мм. Нижняя часть экранной поверхности образует так называемую холодную воронку, по откосам которой частички шлака в твердом виде скатываются вниз, в шлаковый комод. Схема испарения двухступенчатая, с промывкой пара питательной водой. Первая ступень испарения включена непосредственно в барабан котла, второй ступепью служат выносные паросепарационные циклоны, включенные в схему циркуляции средних боковых блоков экрана.  

Вся серия котлоагрегатов ДКВр на давление пара 14 и 24 кгс / см2 имеет общую конструктивную схему - экранированную топочную камеру, продольное размещение барабанов и раз-зитый котельный пучок с коридорным рас-лоложением кипятильных труб. Котлоагрегаты разной производительности отличаются по длине и ширине. Движение газов в котлоагрегатах - горизонтальное поперечное с несколькими поворотами, за исключением котлоагрегатов ДКВр-20, в которых применена пролетная схема движения газов. Схема испарения одноступенчатая с внутрибарабанными сепарационными устройствами; у ДКВр-10-39 и ДКВр-20 - двухступенчатая (первая ступень испарения - внутрибарабанные сепарационные устройства, вторая - выносные циклоны) с питанием контуров испарения второй ступени из нижнего барабана. Котлоагрегаты ДКВр могут работать на всех видах твердого топлива, включая фрезерный торф и древесные отходы, а также на жидком и газообразном топливе.  

Первоначальная проектная мощность этой установки была определена в 1 млн. т / год малосернистой нефти. Однако в начале строительства было принято решение об увеличении ее мощности до 1 5 млн. т / год без существенного изменения размеров основной аппаратуры. Установка работает по схеме двухкратного испарения - с предварительным выделением легких бензиновых компонентов. Перепад температур в колонне регулируется снятием избыточного тепла тремя циркулирующими потоками. Схема атмосферной перегонки на данной установке аналогична схеме типовой установки АВТ производительностью 2 млн. т / год.  

Обезвоженная и обессоленная нефть из емкости двумя потоками прокачивается в тешюобменные аппараты, где она нагревается за счет горячих потоков атмосферной и вакуумной части и крекинга соответственно до 134 и 172 С. Затем оба потока соединяются и при 150 С поступают в теплообменники котельного топлива. Выходя из них при 210 С, нефть подается в первую ректификационную колонну. Блок атмосферно-ва-куумной перегонки нефти и мазута работает по схеме двухкратного испарения. Балансовый избыток верхнего продукта первой ректификационной колонны направляется в блок стабилизации, работающий при абсолютном давлении 5 кгс / см2 и температуре низа 124 и верха 60 С. В основной ректификационной колонне с верха отбирается фракция 85 - 140 С; в виде боковых погонов выводятся фракции 140 - 180, 180 - 240, 240 - 300 и 300 - 350 С. Для получения четырех боковых фракций колонна оборудована 51 тарелкой и оснащена четырьмя отпарными колоннами.  

Беляков И. И., Новиков И. И., Тарасов Б. А.

Ступенчатое испарение было предложено в 30-е годы как метод получения чистого пара путем организации в барабане котла отсеков с различным солесодержанием котловой воды. При этом в “чистом” отсеке генерируется основное количество пара, содержание примесей в котором значительно меньше, чем в паре, полученном из солевого отсека, а после смешения обоих потоков обеспечивается качество пара, допустимое по условиям надежной работы пароперегревателей и турбин.
Данный способ достаточно эффективен в котлах низкого давления при наличии простейшей химводоподготовки и невысоких требований к качеству пара.
Имеется большое число литературных источников, где рассматриваются преимущества внут- рикотловых схем барабанных котлов со ступенчатым испарением только с точки зрения обеспечения требуемого качества пара.
В показано, что при наличии промывки пара, которая стала широко применяться в 50-е годы, влияние ступенчатого испарения на качестве пара практически не отражается. В связи с неизбежным повышением требований к качеству питательной воды с ростом давления вследствие увеличения примесей, особенно кремнекислоты в паре, в ряде работ рассматривался вопрос о целесообразности применения ступенчатого испарения в котлах высокого давления.
В настоящее время, даже при применении неполного обессоливания питательной воды, на ТЭС с котлами высокого давления (ВД) нет проблем по качеству пара как при ступенчатом, так и при одноступенчатом испарении (ТП-100, ВПГ-250, ТПЕ-214 и все зарубежные котлы, в том числе работающие в России котлы среднего давления).
Известно, что надежность испарительных поверхностей нагрева в значительной мере определяется интенсивностью формирования внутренних отложений. В связи с этим следует рассмотреть особенности организации водно-химического режима (ВХР) котловой воды барабанных котлов при наличии ступенчатого испарения.
Ежегодно отмечается значительное число повреждений экранных труб барабанных котлов (отдулины, коррозия) и в то же время нет таковых на прямоточных котлах высокого и сверхкритического давления (СКД). Это связано с тем, что при одинаковом качестве питательной воды в котловой воде барабанных котлов, охлаждающей экраны, содержится значительно большее количество растворимых примесей (при 1% продувки в 100 раз больше, чем в питательной воде), чем в прямоточных, что создает более благоприятные условия для образования отложений и коррозии.
Растворимые примеси солей Са, Mg, Na, S1O2 и других выводятся из барабанного котла с непрерывной продувкой. Поэтому требования к качеству котловой воды, а, следовательно, и питательной, по содержанию растворимых примесей для барабанных котлов могут быть значительно ниже,
чем для прямоточных, в которых все примеси остаются в тракте.
По содержанию оксидов железа закономерность иная, так как основная их часть осаждается на внутренней поверхности экранных труб, а не выводится с продувкой. С ростом давления ужесточаются требования к качеству котловой воды, а следовательно, и питательной, по условиям предотвращения коррозии металла и образования внутренних отложений в экранных трубах.
Тем не менее, при трехступенчатом обессоливании подпиточной или даже при установке блочных обессоливающих установок (БОУ), как на ТЭС с прямоточными котлами, в барабан котла вводится специальный реагент Na3РО4 для связывания солей жесткости и NaOH для поддержания pH = 9,5 -:- 11,0.
При применении котлов со ступенчатым испарением единая норма поддержания избытка РО4 в котловой воде в принципе невозможна из-за наличия солевой кратности в 5 - 10 раз и более между чистым и солевым отсеками.
В течение последних 30 лет отмечается тенденция к всемерному снижению избытка фосфатов в чистом отсеке с 20 - 30 до 1 - 2 мг/кг Но даже при таком избытке фосфатов концентрация их в солевом отсеке может составлять более 10 - 15 мг/кг, а это способствует интенсификации образования внутренних железофосфатных отложений и возникновению “хайд-аута” (прятание солей). Переход на пониженное фосфатирование приводит к изменению химсостава отложений, повышается содержание железа в них до 80% и более (обычно 40 - 50%), отсутствуют фосфаты и натрий, что способствует повышению их теплопроводности и уменьшению химической агрессивности.
В отмечается повышенный вынос с паром хлоридов, в зависимости от концентрации фосфатов в котловой воде, что сказывается на повышении агрессивности первичного конденсата в проточной части турбин, а, следовательно, на снижении надежности их лопаточного аппарата и дисков. Данное обстоятельство также подтверждает целесообразность минимального фосфатирования котловой воды.
Существует также точка зрения, что при наличии трехступенчатого обессоливания питательной воды вообще возможен отказ от применения фосфатирования. Однако при отсутствии БОУ весьма проблематично поддерживать требуемую жесткость питательной воды (в основном из-за прососов в конденсаторах турбин), это может привести к образованию низкотеплопроводных кальциевых отложений и резкому возрастанию вероятности перегрева и внутренней коррозии экранных труб при отсутствии фосфатирования котловой воды.
Перевод котлов в порядке эксперимента на бесфосфатный режим приводил к массовым повреждениям экранных труб через 5-7 тыс. ч. Даже в режиме минимального фосфатирования вклад фосфатов в общее солесодержание котловой воды весьма значителен и практически равен количеству всех остальных примесей.
Поддержание избытка фосфатов выше стехиометрического значения может создать условия для образования на внутренней поверхности экранных груб железофосфатных отложений и интенсификации коррозии металла.
Применение ступенчатого испарения при одинаковой продувке котловой воды обеспечивает вывод такого же количества примесей из тракта котла, что и при одноступенчатом испарении, однако количество вводимых в барабан фосфатов в котле со ступенчатым испарением во много раз выше.
Вопрос о целесообразности применения в котлах ступенчатого испарения высокого давления неоднократно обсуждался в печати. Учитывая неоднозначность точек зрения различных организаций по данному вопросу на техническом совещании в РАО “ЕЭС России” было принято решение о проведении на ряде котлов испытаний по проверке эффективности перевода их на одноступенчатое испарение.
В течение 1999 - 2000 гг. НПО ЦКТИ совместно со Свердловэнерго проводил испытания котла ТГМ-96 Среднеуральской ГРЭС. Котел ТГМ-96 изготовления таганрогского завода “Красный котельщик” имеет параметры пара: давление в барабане 15,5 МПа, температура перегретого пара 560°С и проектная паропроизводительность 480 т/ч. Регулирование перегрева пара осуществляется впрыском собственного конденсата. Топочная камера оснащена шестью горелками, установленными в два яруса на фронтовой стене, внутренний диаметр барабана котла 1800 мм и длина цилиндрической части 17 700 мм.
Проектная внутрикотловая схема имеет двухступенчатое испарение и промывку пара, солевые отсеки выполнены путем установки в торцах барабана котла специальных перегородок, что позволяет простейшим способом осуществить перевод его на одноступенчатое испарение, удалив указанные перегородки.
Перевод котлов, имеющих солевые отсеки с выносными циклонами, также возможен, однако выполнить это несколько сложнее, так как для этого требуется произвести переключение водоопускных труб .
В процессе эксплуатации котлы ТГМ-96 неоднократно подвергались реконструкции в части изменения компоновки и конструкции горелок. В настоящее время паропроизводительность котла повышена до 520 т/ч.
За время эксплуатации котлов типа ТГМ-96 СУГРЭС практически не было случаев нарушения нормативных показателей качества пара, однако, в 70-е годы отмечались многочисленные коррозионные повреждения экранных труб чистых отсеков из-за неправильного регламента фосфатирования котловой воды, рекомендованного в то время наладочными организациями (применение кислых фосфатов, низкая щелочность котловой воды, несвоевременное проведение химических промывок).

На одноступенчатое испарение котел ТГМ-96 был переведен в декабре 1998 г. Показатели качества котловой воды: за 1999 г. приведены далее.
В таблице представлены среднегодовые данные за 1999 г. качества котловой воды и пара для котла ст. № 9, имеющего двухступенчатое испарение и ст. № 10, переведенного на одноступенчатое испарение.
В котле ст. № 10 данные по чистому (ч.о) и солевому отсекам (с.о) соответствуют отборам проб котловой воды из центра барабана (ч.о) и с торцов (с.о).
Как следует из данных таблицы, качество питательной воды по всем показателям соответствует нормам ПТЭ.
Содержание кремнекислоты SiО2 и натрия в паре значительно меньше нормативных значений (для SiО2 = 10 мкг/кг, Na = 10 мкг/кг) и практически одинаково для котлов с двухступенчатым, одноступенчатым испарением.
Таким образом, перевод котлов на одноступенчатое испарение не отражается на качестве пара при одинаковом значении непрерывной продувки. Концентрация фосфатов в продувочной воде котла с одноступенчатым испарением примерно в 8 раз меньше, чем в котле с двухступенчатым испарением при поддержании равных значений pH котловой воды чистого отсека и котловой воды в барабане котла с одноступенчатым испарением.
Так как дозировка смеси фосфатов и едкого натра осуществлялась из общего банка, возникли некоторые затруднения в обеспечении подачи насосом-дозатором щелочнофосфатной смеси в барабан котла с одноступенчатым испарением (ст. № 10).
В котле с одноступенчатым испарением обеспечивается оптимальное соотношение гидратной и общей щелочностей, равное Щфф/Щобщ = 0,5, что соответствует полной нейтрализации потенциально кислых соединений в котловой воде .
Эффект непропорционального соотношения солесодержания продувочной воды в котлах с одно- и двухступенчатым испарением свидетельствует о том, что наибольший вклад в ионный состав котловой воды вносит щелочнофосфатная смесь, вводимая в барабан, концентрация которой в котловой воде котла со ступенчатым испарением значительно больше, чем в котле с одноступенчатым испарением, так как в соответствии с солевым балансом солесодержание продувочной воды определяется только величиной продувки и должно быть одинаковым для котлов с любым числом ступеней испарения.
Таким образом, перевод котлов на одноступенчатое испарение позволяет упростить эксплуатацию, снизить расход фосфатов, что уменьшает потенциальную вероятность образования железо- фосфатных отложений, а, следовательно, и возникновения подшламовой коррозии. Пониженная концентрация фосфатов в котловой воде, по-видимому, способствует снижению агрессивности первичного конденсата , что, вероятно, вызвано уменьшением выноса хлоридов, о чем свидетельствует опыт эксплуатации турбин, работающих в блоке с барабанными котлами, имеющими одноступенчатое испарение.

Список литературы

1. Ромм Э. И. Химический перекос и ступенчатое испарение в генераторах пара: Автореф. дис. на соиск. учен, степени доктора техн. наук. М., 1938.
2. Маргулова Т. X. Методы получения чистого пара. - ГЭИ 1955’
3. Стырикович М. А., Маргулова Т. X. О рациональной воднохимической схеме барабанных котлов 140 атм при конденсатном питании. - Электрические станции, 1965, № 2.
4. Маргулова Т. X, Прохоров Ф. Т. Анализ ступенчатого испарения при давлении 155 кгс/см2. - Теплоэнергетика, 1973, №6.
5. Маргулова Т. X, Карасева М. А. Опыт перевода котла ТП-100 на режим одноступенчатого испарения. - Теплоэнергетика, 1973, №6.
6. Лукин С. В., Зройчикова Т. В., Козлов Ю. В. О целесообразности изменения внутрикотловой схемы барабанных котлов ТЭЦ. - Энергетик, 1966, № 3.
7. Холщев В. В. Еще раз о ступенчатом испарении. - Энергетик, 1998, № 4.
8. Мартынова О. И. Влияние водно-химического режима барабанных котлов на некоторые характеристики пара. - Теплоэнергетика, 1998, № 2.
9. Беляков И. И. О ступенчатом испарении котлов высокого давления. - Энергосбережение и водоподготовка, 2001, №2.
10. Василенко Г В., Сутоцкий Г. П. О некоторых показателях качества котловой воды барабанных котлов высокого давления. - Электрические станции, 2001, № 2.

Пар, выходящий из барабанов котлоагрегатов, не должен содер­жать значительного количества влаги, солей, шлама, так как часть поверхности пароперегревателя будет местом испарения и выпадения содержащихся в воде солей, и металл труб может быть поврежден. Могут иметь место нарушения плотности соединений, а при бросках влаги - гидравлические удары и даже разрушения паропроводов.

В паре могут содержаться нелетучие и летучие вещества. Нелету­чие вещества обычно попадают в пар из котловой воды, в которой они находятся в растворенном виде или взвешенном состоянии. Раствори­мость их в паре низкого давления мала. Летучие вещества - аммиак МН3, двуокись углерода С02, азот N2 и водород Н2 - содержатся в виде газов и не дают отложений. Двуокись углерода, соединяясь с кальцием, может давать отложения. Аммиак, попадая в теплооб­менники с латунными трубками, вызывает их обесцинкование и раз­рушение; кроме того, аммиак токсичен. Двуокись углерода может вызвать коррозию; окислы железа дают шлам и отложения на обогре­ваемых поверхностях нагрева.

В связи с этим к пару предъявляются определенные требования по общему содержанию солей, пересчитанному на натрий: при давлении до 1,4 МПа (14 кгс/см2) - 1,0 мг/кг; до 2,2 МПа (22 кгс/см2) - 0,5 мг/кг и до 4,5 МПа (45 кгс/см2) -0,3 мг/кг. Следовательно, с ро­стом давления ужесточаются требования к качеству пара.

Загрязнение пара веществами происходит главным образом за счет выноса примесей, содержащихся в питательной и котловой воде. Для получения пара необходимого качества питательную воду очищают раз­личными способами и отделяют влагу от пара путем сепарации. Увеличению влажности пара способствует неправильный режим подачи воды в барабан - его перепитка, резкие колебания давления пара, несоблюдение требований, предъявляемых к качеству питательной воды. В частностей повышение ее щелочности, например, приводит к образованию и уносу пены из-за уменьшения объема парового прост­ранства. Если пар попадает под уровень воды, то пузырьки пара, выходя на поверхность воды - зеркало испарения, разрывают оболочку и об­разуют крупные и мелкие капельки, выносимые в паровое пространство.

При поступлении пароводяной смеси из труб в паровое пространст­во, кроме образования капель за счет разрыва оболочек пузырей пара, происходят удары струй воды о поверхность уровня, стенки барабана и расположенные в объеме детали.

Увеличение солесодержания котловой воды повышает ее поверхно­стное натяжение, что приводит к явлению набухания воды пузырями пара и росту его влажности. Повышение давления в барабане ухудшает

Осаждение мелких капель. Большой дйаметр барабана, низкое располо­жение уровня воды в нем позволяют иметь большую высоту парового пространства. Капли влаги, вынесенные в паровое пространство, по­теряв начальную скорость и объединившись на пути с другими каплями в большом объеме, будут выпадать быстрее. Чем больше действительная высота парового пространства, тем лучше при прочих равных условиях будет происходить естественная сепарация. Наилучшая сепарация для обычных нагрузок зеркала испарения в котельных агрегатах низкого и среднего давлений достигается на высоте 0,6-1,0 м, вследствие чего внутренний диаметр барабана обычно составляет 1,2-1,6 м. В прежних конструкциях котлов низкого давления влажность пара составляла 3-6%; теперь же она не превышает 0,5% и снижается с ростом дав­ления до 0,1-0,2%.

Увеличение содержания солей в котловой воде не только приводит к набуханию, но и по достижении определенной величины (критиче­ской) вызывает резкий рост уноса влаги. До этого содержания солей унос влаги примерно пропорционален содержанию солей в котловой воде. Загрязнение пара летучими веществами при низких и средних давлениях пара незначительно из-за малой растворимости солей в паре.

Для осуществления естественной сепарации пара, уменьшения уноса капель и получения сухого и чистого пара важно равномерное распределение выхода пара из экранных и кипятильных труб по длине барабана, предупреждение ударов струй воды о стенки и устройства

А - труба с отверстиями; б - отбойные щитки; в <- отбойные щитки, жалюзийный сепаратор и дырчатый лист; г -утопленные листы, жалюзийный сепаратор с дырчатым листом; д - щитки, утопленный лист и жалюзийный сепаратор с дырчатым листом; е - внутрибарабанные циклоны, жалюзийный сепаратор и дырчатый лист (иногда циклоны размещены вие барабана - выносные

Циклоны).

В барабане, о зеркало испарения и равномерная загрузка барабана. Необходимо также обеспечение равномерного отбора пара по длине ба­рабана для получения низких скоростей пара в паровом пространстве барабана, где происходит первичное отделение влаги. Однако естествен­ной сепарации влаги для получения сухого пара недостаточно. Дальней­шее улавливание влаги осуществляют механической сепарацией в устройствах, в которых используются силы инерции, центробежные силы, смачивание и поверхностное натяжение слоя жидкости. Такие устройства позволяют уловить капельки воды, вынесенные из парового пространства.

Принципиальные схемы сепарирующих устройств в барабанах кот - лоагрегатов низкого и среднего давлений показаны на рис. 4-6.

Простейшей из них является труба в паровом пространстве бараба­на с отверстиями разного диаметра на боковых образующих, распреде­ленными неравномерно по длине для лучшей сепарации в объеме (схе­ма рис. 4-6,а). Скорость пара в трубе (конечную) принимают 30- 40 м/с, скорость в отверстиях принимают большей скорости в трубе. Вместо установки трубы можно отделить часть парового пространства листом и выполнить в нем отверстия по тому же принципу, что и в тру­бе. При надлежащей высоте парового пространства, равномерном под­воде пароводяной смеси и отборе пара по длине барабана иногда доста­точной является установка отбойных щитков (схема рис. 4-6,6).

Для получения лучших результатов сепарации пара можно сочетать установку отбойных щитков с установкой перфорированных листов перед трубами, отводящими пар. Часто перед этим листом устанавли­вают жалюзи, в которых пар, изменяя несколько раз направление дви­жения, заставляет воду по инерции осаждаться на стенках листов жа­люзи, Такая схема изображена на рис. 4-6,в.

Если пароводяная смесь входит в барабан под уровень воды, то равномерного распределения пара можно достигнуть, установив под уровнем воды лист с отверстиями, а для очистки пара подать на этот лист питательную воду.

В верхней части барабана, как это видно из схемы рис. 4-6,г, устройства могут быть сохранены такими же, как и на предыдущей схеме. При вводе пароводяной смеси под и над уровнем целесообразно схему рис. 4-6,г дополнить отбойными щитками, - схема рис. 4-6,д) против труб, по которым пароводяная смесь поступает в барабан.

При больших нагрузках внутри барабана для получения пара высо­кого качества на вводе пароводяной смеси устанавливают циклоны, в которых при закручивании потока отделившаяся вода по стенкам сте­кает вниз, а пар через жалюзи на крышке циклона выходит в паровое пространство; под циклоном выполняют поддон, предупреждающий проход пара вниз. Перед пароотводящими трубами из барабана, как это видно из схемы рис. 4-6,е, ус"^анавливают лист с отверстиями и жалюзи.

Так как качество пара, выходящего из барабана, зависит от солесо - держания котловой воды, то значение величины солесодержания огра­ничивают, удаляя накапливающиеся соли вместе с горячей водой, осу­ществляя продувку.

Если удаление воды с солями выполняется постоянно, продувку на­зывают непрерывной. В нижних элементах котлоагрегата - ниж­них коллекторах экранов, в нижнем барабане - при работе и особенно при малых нагрузках и при останове может скапливаться шлам. Для его удаления при растопках и пониженных нагрузках из нижних точек
проводят продувку, которую называет периодической или шла­мовой.

Поскольку при продувке теряется не только вода, но и теплота, величину продувки ограничивают.

Способ, дающий возможность получать пар высокого качества при небольших размерах продувки, названный ступенчатым испаре­нием, был предложен в СССР проф. Э. И. Роммом в 1937 г. и получил широкое распространение. Сущность этого способа состоит в разделе­нии поверхностей нагрева, кол­лекторов и барабанов на ча­сти, в которых происходит по­степенное упаривание воды. Питательную воду подают в первую часть, называемую чистым отсеком, который производит 80-85% пара; в нем поддерживают опреде­ленное и невысокое солесодер­жание котловой воды за счет увеличенной продувки во ВТО* рую часть - соленый от­сек. Пар из чистого отсека будет удовлетворительного ка­чества, а котловая вода в со­леном отсеке будет иметь по­вышенное солесодержание, что и уменьшит размер продувки. Пар же из соленого отсека будет невысокого качества и потребует хорошей очистки, но его будет немного-15-20%; поэтому общее качество п^ра, выдаваемого котло­агрегатом, будет удовлетворительным. Обычно ступенчатое испарение осуществляют в двух, реже - трех ступенях [Л. 15].

На принципиальной схеме, показанной на рис. 4-7, изображено трехступенчатое испарение котловой воды в котлоагрегате, имеющем котельный пучок (I ступень испарения); фестон и задний экран (II сту­пень) и боковые экраны (III ступень испарения), пар из которых посту­пает в вынесенный из барабана циклон-сепаратор, а из последнего идет в барабан. Производительность I ступени п-70%, II ступени - п2- =20% и III ступени пз=10% общей производительности котлоагрегата.

Уравнение баланса солей для котлоагрегата с трехступенчатым испарением при солесодержании питательной воды 5П. В, воды в чистом отсеке 5ь соленом отсеке 52 И циклоне 5пр при величине продувки р будет иметь вид:

(100 Р) 5П. в = (пг + п2 4- р) 51 = (п3 -|~ р) (4-20)

Из этого уравнения можно найти процент продувки и солесодержа­ние котловой воды в каждом из отсеков.

Продувка котлоагрегата р, %, составит:

О ___ ^П. В (100 р)

1 пь + пг + р %

Во II ступени испарения аналогично

В III ступени и в продувке

О _____ ^п. в (100 Ч~ /О

Наличие трех ступеней испарения при продувке в 5% даже при со - лесодержании питательной воды в 500 мг/кг позволяет иметь со л есо дер­жание в продувке

Зщ, = 500 (1^° + 5)- = 10 500 мг/кг.

Из схемы на рис. 4-7 и формулы (4-20) видна эффективность при* менения ступенчатого испарения, особенно при повышенном содержании солей в питательной воде.

Из-за возможного образования отложений на поверхностях нагре­ва больше трех ступеней испарения не делают. В СССР все котельные заводы изготавливают котлоагрегаты со ступенчатым испарением.

Более совершенным является водный ре­жим, организованный по схеме ступенчатого испарения. Барабан делят перегородкой на два отсека (рис. 15.13). К каждому из отсеков присоединяют свою группу контуров циркуляции, не имеющих связи по воде. Лишь отверстие в разделяю­щей барабан перегородке соединяет водяной объем обоих отсеков. Питательную воду по­дают в первый (большой) отсек, продувку осуществляют через второй (малый) отсек. Котловая вода из первого отсека через отвер­стие в перегородке поступает во второй отсек, и уровень воды в нем устанавливается ниже, чем в первом. Весь пар из барабана отводят через первый отсек.

Отсек, где солесодержание воды невелико, называют чистым, а второй, в котором находится вода высокого солесодержания, - солевым отсеком. Отношение (Скв –концентрация примесей в котловой воде) называют кратностью концентрации. Приняв для примера, что 80% всего количества пара образуется из воды с низким солесодержанием, и поэтому основная масса пара получается более высокого качества, чем в схеме одноступенчатого испарения, и лишь 20% пара образуется из такой же воды, как в простой схеме. Следовательно, качество па­ра, полученного при двухступенчатой схеме, оказывается значительно выше, чем при одно­ступенчатой. Перетекание воды из чистого отсека в со­левой является внутренней продувкой чистого отсека. В отличие от внешней внутренняя про­дувка не сопровождается потерей ни теплоты, ни рабочей среды, и поэтому ее значение вы­бирают только из соображения максимально возможного улучшения качества пара. В свою очередь значение этой продувки определяет производительность солевого отсека. В связи с этим возникает вопрос о выборе оптималь­ной производительности солевого отсека, ко­торая устанавливается расчетом.

При внутрибарабанном ступенчатом испа­рении ввиду ограниченности высот водяного и парового объемов разность уровней невелика, и это может вызвать обратные перетоки воды. Увеличение разности за счет повышения уров­ня воды в чистом отсеке связано с уменьше­нием высоты парового объема и, следователь­но, с ростом капельного уноса, а снижение его в солевом отсеке может вызвать нарушение циркуляции.

При использовании выносных циклонов в качестве сепарационного объема и звена, за­мыкающего контур циркуляции солевого от­сека, разность уровней в отсеках может быть выбрана достаточной по условиям предотвра­щения обратного перетока воды. Поэтому схемы с выносными циклонами предпочтитель­ны, особенно при небольшой производительно­сти солевого отсека.

Эффективность ступенчатого испарения возрастает с увеличением числа ступеней ис­парения, однако это нарастание с ростом чис­ла ступеней затухает. Наибольшее распро­странение получили двух- и трехступенчатые схемы. При этом вторая ступень испарения может быть организована либо внутри бара­бана, как показано на рис. 15.13, либо вне его - в выносных циклонах (рис. 15.15). В трехступенчатой схеме обычно первую и вто­рую ступени выполняют в барабане, а третью - в выносном циклоне (рис. 15.16).

В выносных циклонах можно выполнять любой высоты паровой и водяной объемы. Это обеспечивает хорошую осушку пара (за счет большой высоты парового объема) и надеж­ную работу циркуляционных контуров (за счет большой высоты водяного объема), а также предотвращает вынос воды из соле­вого в чистый отсек.

Ступенчатое испарение позволяет повы­сить чистоту пара при заданном качестве пи­тательной воды и данном значении продувки. Оно позволяет также получить удовлетворительную чистоту пара при воде более низкого качества, что упрощает и удешевляет водоподготовку. Ступенчатое испарение позволяет также повысить экономичность паротурбинной установки вследствие уменьшения продувки без заметного снижения качества пара.