Параллельный текст с работающими программами-фрагментами см. в файле ВХР-модели котлов ВД.xls
Начнем рассмотрение с типичного энергетического котла, используемого в тепловых схемах ТЭЦ. Котел однобарабанный, с естественной циркуляцией и давлением пара в барабане котла Рб более 90 кгс/см2.
Котел имеет две ступени испарения мощностью: 1-я nI=~90% и 2-я nII=~10% от паровой нагрузки котла Dк. В первую ступень испарения входят барабан котла с опускными и подъемными трубами, во вторую - два выносных циклона тоже со своими циркуляционными контурами. Питательная вода подается в барабан котла – частично в его водяной объем, а частично на паропромывочный лист.
Котловая вода опускается по опускным трубам, а пароводяная смесь подымается по экранным (подъемным) трубам,которыми экранируется топка котла. Пароводяная смесь чистого отсека сепарируется во внутрибарабанных циклонах, откуда пар поступает под промывочный лист, где дополнительно очищается от влаги и примесей, и затем промытый насыщенный пар поступает в пароперегреватель и далее на турбину.
Качество непромытого пара чистого отсека характеризуется коэффициентом уноса примеси из котловой воды в пар:
CIпдп=КIун*CIкв
где CIпдп - концентрация примеси в паре до промывки, КIун - коэффициент уноса, CIкв - концентрация примеси в котловой воде чистого отсека.
Качество промытого пара чистого отсека характеризуется коэффициентом промывки примеси на промывочном листе:
CIп=Кпр*CIпдп
или, с учетом предыдущего уравнения:
CIп=КIун*Кпр*CIкв
Часть котловой воды из барабана поступает не в опускные трубы, а в выносные циклоны за счет разности уровней воды в барабане и циклонах. Пароводяная смесь из экранных труб контура выносных циклонов сепарируется в этих циклонах, из которых пар поступает в барабан котла под промывочный лист и далее проделывает описанный выше путь.
Качество промытого пара солевого отсека (циклонов) характеризуется уравнением, аналогичным уравнению для пара ч.о.:
CIIп=КIIун*Кпр*CIIкв
Пар, выдаваемый котлом, отвечает средневзвешенному пару чистого и солевого отсеков:
Cп=(nI*CIп+nII*CIIп)/Dк
Часть котловой воды из опускных труб выносных циклонов выводится на непрерывную продувку.
Все примеси питательной воды, поступающей в котел, выводятся из котла с паром и непрерывной продувкой. При этом в котловой воде концентрируются малолетучие примеси - прежде всего, соли натрия, затем кремнекислота, затем железо, - а газообразные примеси - кислород, аммиак и углекислота (в т.ч. и ее соли) - практически не обнаруживаются в котловой воде.
В целом, баланс поступления и вывода примесей в котле в рамках данного рассмотрения описывается уравнением:
Gпв*Cпв=Dк*Сп+y*Cy
или
(Dк+y)*Cпв=Dк*Сп+y*Cy
где Gпв=(Dк+y) - расход питательной воды на котел, Cпв - концентрация примеси в питательной воде, y - расход воды на непрерывную продувку, Cy=CIIкв - концентрация примеси в продувочной воде.
Кроме непрерывной продувки, производится и периодическая продувка котла из его нижних коллекторов (которые связывают опускные и подъемные трубы), предназначенная для вывода шламовых форм примесей (в основном железа).
Соли натрия, поступающие в котел, выводятся практически только с непрерывной продувкой. Поэтому солесодержание пит.воды на ее расход равно солесодержанию продувочной воды (котловой воды циклонов) на расход этой воды. По этому упрощенному балансу солесодержаний в пит. и продувочной воде зачастую и рассчитывают размер непрерывной продувки. Однако для точного расчета надо концентрации считать в г-молях и вычитать из правой части баланса (вывод солей с непр.продувкой) солесодержание, обусловленное дозированием фосфатов. Кроме того, если солесодержание определяется по электропроводности, то лучше оперировать с оттитрованными пробами, потому что щелочность вносит в этот показатель неэквивалентный вклад (подвижность OH- и H+ ионов в несколько раз больше подвижностей других ионов).
С точки зрения расчета баланса, концентрацией солей натрия в паре можно пренебречь. Однако с точки зрения солевого заноса турбин этой концентрацией уже нельзя пренебрегать. По ПТЭ регламентируется, прежде всего, содержание натрия и кремнекислоты в парах. По этим предельно допустимым по ПТЭ содержаниям натрия и кремнекислоты в паре рассчитывается (другими словами нормируется) солесодержание и кремнесодержание котловой воды. Основной вклад в соле- и кремнесодержание пара (порядка 70%) обусловлен котловой водой чистого отсека и зачастую ограничиваются нормированием только этой воды. Расчет предельно допустимых содержаний ведется по известным (заранее определенным или заданным) коэффициентам уноса и промывки.
Для натрия при Рб до 110 кгс/см2 коэффициент его уноса практически определяется механическим выносом капель котловой воды в пар. При нормальной работе внутрибарабанных циклонов этот вынос составляет лишь сотые доли процента. Hа промывочном листе, если он без дефектов, происходит дополнительная очистка пара от влаги (примерно, в два или более раза).
По кремневке ситуация несколько иная. Если при расчете выноса натрия часто пренебрегаем его молекулярным выносом, то для кремнекислоты, напротив, пренебрегаем капельным выносом и учитываем только молекулярный вынос. Последний существенно зависит от давления пара в барабане и от рH котловой воды (в книгах это можно посмотреть). Hо на практике более устойчивые зависимости получаются не от рH и даже не от гидратной щелочности (все это не очень надежные показатели, в особенности рH), а от общей щелочности котловых вод. Пар до промывки также проходит дополнительную очистку на промывочном листе по кремнекислоте - тоже
примерно в два или более раза.
Если обратиться к "святцам", то здесь можно насчитать чушь. Обычно утверждается, что пар после промывки по кремнекислоте соответствует молекулярному (то бишь, равновесному) коэффициенту выноса кремнекислоты в пар из промывочной воды. Однако для однобарабанного котла, с которым мы имеем дело, бал правит не равновесие, а кинетика перехода кремнекислоты из непромытого пара в воду на промывочном листе. Поэтому кпд промывочного листа в первом приближении остается постоянным и качество промытого пара по его кремнесодержанию определяется не кремнесодержанием воды на промывочном листе, а кремнесодержанием котловых вод и, прежде всего, кремнесодержанием котловой воды чистого отсека. В существенной мере подобные утверждения справедливы и применительно к промывке пара от других примесей. Практически или в пределах обычного это так. Hо если ситуация чрезвычайная - качество пара до промывки вдруг ухудшилось в десятки раз, - то в таком случае и кпд промывочного устройства возрастет в несколько раз. Поэтому промывочный лист мало полезен при очень хорошем качестве пара до промывки, но он и его исправность важны как элемент, обеспечивающий надежную работу котла.
Однако вернемся к обычной ситуации. Hа практике вынос кремнекислоты из котловых воды в пар до промывки раза в два больше, чем по стендовым и теоретически рассчитанным данным. Hо после промывки пар тоже улучшается примерно в два раза и итоговый коэффициент выноса можно уже сравнивать с теми данными, что приводятся в литературе (по лучевым диаграммам и т.п.).
Итак, пар нормируется по ПТЭ, а по коэффициентам выноса рассчитывается предельно допустимое качество котловых вод. Зная эти занормированные концентрации, можно посчитать соответствующее количество примеси, выводимой из котла с паром и непрерывной продувкой, и отсюда по балансу определить предельно допустимое качество питательной воды. При проектировании приходится обходиться теоретическими расчетами, а при эксплуатации все это уточняется по результатам теплохимических испытаний. Если по результатам этих испытаний удалось получить зависимости вида
СIкв_доп=f1(Cп_доп,y)
Спв_доп=f2(Cп_доп,y)
где Сп_доп, СIкв_доп, Спв_доп - предельно допустимые содержания примесей в паре, котловой воде чистого отсека и в питательной воде, и по ним рассчитать и построить соответствующие графические зависимости, то основная задача теплохимических испытаний выполнена.
Кроме солей натрия и кремнекислоты, в котел поступают соединения железа и меди. Порядка 70% соединений железа переходят в пар и осаждаются в котле. Поэтому роль непрерывной продувки в отношении этих соединений малосущественна (не стоит спасать котел от соед.железа большой продувкой). Впрочем, при пусках и в пусковые периоды это можно делать (а также чаще делать периодическую продувку). В отношении соединений меди ситуация подобна. Во всяком случае с медью тоже надо бороться не продувкой, а мерами против коррозии пароводяного тракта котла.
Все это, конечно, лишь в общем. Но если к этому научиться считать все балансы поступления-удаления примесей в котле, а еще плюс к этому для всей ТЭС, то может получиться и "высший пилотаж".
Проще всего к этой стратегической цели можно приблизиться с помощью компьютерных моделей.
Сначала нарисуем принципиальную схему рассматриваемого котла:
Hа этой схеме выделим общий контур котла - большой овал и отдельные его узлы - три овала, отвечающие котловой воде и пару чистого отсека, котловой воде и пару солевого отсека и верхний овал, где пары чистого и солевого отсеков смешиваются и образуют пар котла.
Для каждого овала (контура или узла) можно написать одно уравнение баланса: количество входящих примесей равно количеству выходящих примесей. Можно решить полученную таким образом систему уравнений (что, кстати, полезно и во многих случаях не сложно) и получить все нужные зависимости в виде формул. Однако мы попробуем эту задачу переложить на железные плечи компьютера.
Hиже представлена модель котла применительно к балансу поступления-удаления солей в пересчете на натрий. Для непосредственного использования этой и дальнейших моделей следует перейти в Excel ???
Синим цветом выделены значения, которые мы задаем. Прочее подбирает компьютер после многократного нажатия клавиши F9 (пересчет). Смотрим внимательно содержимое ячеек модели. В ячейке для Gпв мы обнаруживаем формулу вида Gпв=Dк+y (см. по адресам, к которым обращается эта ячейка). В остальных узловых ячейках для CIкв, CIIкв и Cп мы тоже обнаруживаем по одной формуле баланса. Так, в ячейке для нахождения Cп мы видим знакомую формулу вида Cп=(nI*CIп+nII*CIIп)/Dк - т.е. следствие из уравнения баланса для данного узла: Cп*Dк=nI*CIп+nII*CIIп.
Что характерно для моделей такого рода? Здесь не нужно решать систему уравнений. Hо нужно внимательно проследить по входящим и выходящим стрелочкам и очень аккуратно записать все входящие и выходящие потоки для каждого узла. А что делать, если мы хотим расширить нашу модель ранее неучтенными потоками? Переходим ко второй модели:
По сравнению с предыдущей моделью здесь добавился переток Per котловых вод из солевого отсека в чистый и соответствующая ему стрелка. По этой стрелке мы добавили балансовые члены в ячейки для CIкв, CIIкв (см. по адресам, к которым обращаются эти ячейки). В остальных ячейках формулы сохранились в прежнем виде. Для всего контура мы должны были проверить (обязательно!) правильность ячейки Gпв=Dк+y. Она также не изменилась, так как переток котловых вод происходит внутри контура котла. Кроме того, для контроля правильности работы скорректированной модели мы можем численно проверить и убедиться в правильности общего балансового равенства:
Gпв*Cпв=Dк*Сп+y*Cy
Итак, здесь мы не рассматривали по новой всю систему уравнений, не выводили из нее новых формул. Мы всего лишь дополнили кое-что согласно прибавившейся стрелочке и обошлись малой кровью. Этот несложный прием надо освоить и тогда модели можно будет бесконечно дополнять, расширять, преобразовывать и т.д., и т.п. Hапример, мы пожелали добавить к модели узел восполнения невозврата конденсата пара подпиточной химочищенной водой. Для этого замкнем линию возврата пара (имеется ввиду его конденсат) на добавляемый узел и зададим значения возврата и солесодержание химочищенной воды в пересчете на натрий (эти значения выделены синим цветом). При этом для упрощения схемы будем считать, что все другие потоки теплоносителя, возвращаемые в пароводяной цикл (например, возврат производственного конденсата от внешнего потребителя или конденсат из бака низких точек), направляются на химводоочистку (условно или реально), где обрабатываются и направляются в цикл вместе с химочищенной водой:
Проверив численно балансы по воде или примеси на входе и выходе модели, мы, как и в предыдущем случае, убедимся, что их значения на входе и выходе общего контура равны как для воды, так и для примеси, поступающий в общий контур и выходящей из него.
Здесь значение Cпв уже не задается, а рассчитывается как следствие возврата конденсата и добавка химочищенной воды. В остальном эта модель работает подобно предыдущим.
Средства Excel, в котором мы работаем, позволяют перекомпоновать ячейки (методом перетаскивания) в удобную для нас форму. Скопируем вторую модель и перекомпонуем ее в одну колонку см. Лист Opis файла ВХР-модели котлов ВД.xls
Затем скопируем колонку несколько раз и в каждой колонке
зададим новые значения непрерывной продувки. Снизу от продувки добавим члены Cпв/Сп, CIкв/Cп. Потом умножим эти члены на 5 - предельно допустимое содержание натрия в парах. Hажмем несколько раз F9 для пересчета и получим, например, такую таблицу предельно допустимых значений натрия в питательной воде и в котловой воде чистого отсека при разных значениях непрерывной продувки:
Теперь мы можем строить по этим значениям графики предельно допустимых содержаний... и т.д., и т.п., и прочее. Для наглядности здесь взяты завышенные значени Кун.
Расчет кремнесодержаний выполняется аналогично описанной схеме. Однако здесь желательно учесть два фактора, воздействующие на Kун: давление в барабане котла Рб и щелочность котловой воды.
Согласно лучевой диаграмме равновесное значение коэффициента перехода примеси из воды в пар описывается уравнением:
Kp=100*(-6.314+1977.489/Pб-342.01*Pб^-1.34)^-n
n - параметр распределения, равный 1.9 для кремнекислоты:
KpSi=100*(-6.314+1977.489/Pб-342.01*Pб^-1.34)^-1.9
Далее используются эмпирические соотношения:
КунSi=КунSi_max/(Щкв_м/1.8+1)
КунSi_max=КрSi*aКун
где Щкв_м - общая щелочность котловой воды; aКун и 1.8 - эмпирикие коэффициенты (aКун обычно находится в диапазоне 2..4 и определяется для каждого конкретного котла).
Представленные на этом листе модели можно копировать на другие листы, а также в другие файлы Excel и использовать в конкретных расчетах.
Приведенные здесь схемы, включая их внешнее оформление и порядок использования, не являются единственно возможными и наилучшими. Они могут едва ли не бесконечно дополняться и совершенствоваться в зависимости от компетентности технолога и квалификации программиста.
На Листах MOD1, MOD2 файла ВХР-модели котлов ВД.xls вы можете смотреть и опробовать работу моделей в Exel, здесь в текстовой части нет смысла эти модели, т.е. их внешний вид приводить.
Наше рассмотрение было бы не полным, если бы мы хотя бы кратко не отметили такие важные моменты в расчетах ВХР как зависимости от режимных факторов коэффициентов уноса примесей из котловых вод и кпд работы промывочного листа.
По результатам обработки лучевой диаграммы (в кн. М.А.Стырикович, О.И.Мартынова, З.Л.Миропольский: Процессы генерации пара на электростанциях, 1969г, стр.90) мною была получено аппроксимирующая формула:
Kp=100*(-6.314+1977.489/P-342.01*P^-1.34)^-n
где Kp – равновесный коэффициент распределения примеси между паром и водой в %;
P – давление пара в кгс/кг;
n – координационное число.
Коэффициент распределения отвечает концентрациям вещества в паре, не превышающим их растворимости в паровой среде. Координационное число для основных негазовых примесей имеет следующие значения:
Предполагаемые значения для солей жесткости находятся на уровне n=4,5.
Расчеты по формуле дают следующие примерные значения для Kp:
М.А.Стырикович, О.И.Мартынова, З.Л.Миропольский
Процессы генерации пара на электростанциях, 1969г
Стр. 294-296. На основании имеющегося, хотя и сравнительно ограниченного, опытного материала по исследованию промывки пара на котлах высокого давления и стендовых испытаний промывочных устройств можно полагать, что при хорошей организации промывки от легкорастворимых в воде солей, попадающих в пар за счет мех.уноса капель воды, коэф. полезного действия может достигать 90%.
В отношении веществ, растворенных в паре, коэф. полезного действия доходит до 60-80% даже при малых (50-60 мм) толщинах слоя воды, сквозь которую барботирует пар. Hо эффективность промывки даже при высоких значениях кпд ее сильно падает с увеличение коэф.распределения: вдвое большее значение Kp эквивалентно снижению кпд промывки также в 2 раза. Эффективность промывки снижается также при уменьшении соотношения к-ций в котловой и промывочной воде. Поэтому промывка пара котлов, работающих по схеме ступенчатого испарения, менее эффективна, для котлов с одноступенчатым испарением.
При очень низких коэф.распределения влияние загрязнения промывочной воды примесями, отмываемыми из пара, невелико и обычно остается несущественным даже при резком уменьшении количества промывочной воды. В этих условиях основное влияние на содержание примеси в промытом паре оказывает кпд промывки, определяемый проскоком непромытого пара.
Широкое внедрение обессоливания сильно уменьшило за последние годы область применения ступенчатого испарения и промывки пара.
P.S. Мои личные наблюдения за работой промывочного листа говорят о том, что кпд промывочного листа в отношении очистки пара от содержащихся в нем примесей обычно составляет 50-60%. То есть, качество промытого пара по содержанию нормируемых в паре примесей (соли натрия и соединения кремнекислоты) улучшается примерно в два или немного более раза.
При резком ухудшении качества питательной воды, что случалось в те отдаленные времена, когда котлы высокого давления подпитывались натрий-катионированной водой, кпд промывочного листа мог возрастать до 70-80%.
В технических отчетах ДонОРГРЭС есть также данные теплохимических испытаний, когда качество питательной воды изменялось в довольно широких пределах вплоть до почти теоретически чистой воды. В этих условиях чистой питательной воды кпд промывочного листа резко уменьшался, стремясь к нулю. Этому есть теоретическое объяснение в литературе по химической технологии, но я здесь отмечаю просто факт, вытекающий из имеющихся у нас экспериментальных данных.
Более подробные сведения по этому вопросу с фрагментами расчета вы найдете на Листе Kyn в файле ВХР-модели котлов ВД.xls.