Лекция 7

3.5. Время пребывания примесей в парогенераторной воде

На первый взгляд оценить время пребывания примеси в парогенераторной воде возможно за временем пребывания питательной воды в котле, считая, что оно совпадает со временем заполнения водяного объема ПГ, или, иначе, используя принцип вытеснения воды из водяного объема ПГ.

t _в = V_в r_в / D_пв , ( 3.16)

где t _в – время вытеснения (заполнения), ч;

V_в - водяной объем парогенератора, м³;

r_в – плотность воды, кг/м³;

D_пв – расход питательной воды, кг/ч.

Часто пренебрегают разницей между расходами питательной воды и производительностью ПГ и (3.16) записывают так:

t _в @ V_в r_в / D_п .

Тем самым подчеркивают, что это время практически не зависит от доли продувки. Для парогенераторов t _в @ 0,14…0,56 ч.Уточнить!

Вместе с тем опытами с “помеченными примесями“ было выявлено, что “принцип вытеснения” на них распространить невозможно. Он справедлив, если невозможно отличить “свежую” молекулу воды от той, которая уже находится в ПГ и принимает участие в циркуляции. Однако примеси в парогенераторной воде находятся в небольшом количестве, в пар они почти не переходят, а вероятность того, что они сразу будут выведены с небольшим количеством продувочной воды мала. Поэтому время пребывания примеси в парогенераторной воде во-первых статистическая, вероятностная величина, а во-вторых оно зависит также от того, испытывает или нет примесь преобразования (отложение, разложение и т.д.). Поэтому для примесей рекомендуют учесть показатель концентрирования и рассчитывать время пребывания как

t _дом = t _в Z_дом, ( 3.17)

Если же рассматривать примеси, которые не испытывают изменений, то для них имеем

t_дом =(V_в r_в /(D_п( 1+ p)))(1+ p)/(К_с+w + p)=(V_в r_в/D_п)/(К_с+w + p).

Таким образом, время пребывания, например натрия, будет на несколько порядков больше, чем время простого вытеснения воды. Это означает, что у примесей есть значительное время для того, чтобы могли состояться самые продолжительные во времени преобразования. В том числе кристализация, отложения, разложение, взаимодействие с иными примесями и т.д. .

3.6. Продувка, её роль и схемы организации

Продувка - основной способ, который позволяет поддерживать состав парогенераторной воды на нормируемом уровне. Ответственность продувки еще больше возростает, если учесть, что парогенераторная вода содержит специальные (коррегирующие) примеси, вводимые с питательной водой. Присутствие коррегирующих веществ ведет к образованию в ней шлама или истинно растворимых примесей, которые необходимо удалить. Это возможно сделать только с помощью продувки.

Особенность организации продувки из ПГ состоит в том, что продувку нельзя сбрасывать за пределы станции и приходится очищать и возвращать в контур.

Это возможно осуществить по схемам, которые приведены на рис.3.5.

Продувка парогенератора в соответствии к требованиям нормативного документа делится на непрерывную (0,5 %) и периодическую (1 % на протяжении одного часа в сутки). Вся продувочная вода направляется на ионообменную очистку (СВО-5). Возможна реализация двух схем такой очистки (рис.3.5).

Рис.3.5. Варианты схем очистки продувочной воды: а- без снижения давления; б- со сниженем давления.

1- ПГ, 2-регенеративный теплообменник, 3- доохоладитель, 4 – мехфильтр, 5-Н-катионитовый фильтр, 6 – ОН – анионитовый фильтр, 7- фильтр-ловушка, 8 –насос , 9 - расширитель продувки.

Разница в этих вариантах состоит в том, что у варианте а фильтры должны работать под полным давлением контура. Это значительно удорожает стоимость фильтров и процесса в целом. В вараинте б фильтры работают при пониженном давлении, таком, которое используется при ионном обмене на химводоочистке. Такие фильтры более дешевые. Поэтому сейчас преимущество отдается варианту б.

Особенность роботы СВО-5 в том, что обрабатывается достаточно чистая вода ( χ не более чем 5 мкСм/см), поэтому продолжительность фильторцикла достаточно большая (ориентировочно 0,5 раза в месяц). Сложность состоит в том, что на СВО-5 удаляются не только природные примеси, но также коррегирующие реагенты и продукты, которые образуются при коррекционной обработке.

Как следует из схеми (см..рис.3.5б), наличие расширителя продувки позволяет экономно использовать часть энергетического запаса продувочной воды и получить некоторое количество пара низкого потенциала, который возможно вернуть в основной контур станции, например, в деаэратор.

Количество пара, который возможно получить, рассчитывают на основе энергобаланса расширителя

D_п^р = D_пр ( h_пр^¢ – h_р^¢ ) / r , ( 3.18 )

где D_п^р,D_пр - соответственно производительность по пару расширителя и расход продувки, кг/с;

h_пр^¢,h_р^¢ - энтальпии насыщения соответственно при давлении в барабане котла и при давлении в розширителе продувки, кДж/кг;

r - тепло фазового перехода, кДж/кг .

Величину продувки, как правило, измеряют специальными расходомерами. Однако ёё возможно также рассчитать по замерам

концентраций примесей, которые не испытывают изменений, в питательной воде, паре и продувочной воде:

р = (С_пв – С_п ) / ( С_пр – С_пв ) . (3.19)

По ПТЭ величина продувки является жёстко нормируемой и контролируемой величиной.

Тема 4. Методы обеспечения качества пара

4.1. Ступенчатое испарение

4.1.1.Концепция ступенчатого испарения

Ступенчатое испарение было предложенно в 1936 г. Е.І.Роммом (ВТИ) и нашло свое применение в барабанных котлах на органическом топливе. Практическое развитие осуществлено В.І.Ноевым (ОРГРЕС).

Предложение внешне казалось не очень удачным из-за того, что предлагало допустить в котле химический перекос и создать для отдельных поверхностей нагрева котла (экранов) заведомо неравноценные условия. Такого перекоса всегда опасались и значительные технологические и конструктивные усилия направляли на то, чтобы предупредить его. Статистический анализ аварий свидетельстовал о том, что розрывы экранных труб имеют место как раз там, где по каким либо причинам возникало увеличение концентрации примеси, иными словами, образовывался “ химический перекос ”. Однако, уже первые попытки реализации, а также последующие научные обоснования доказали полезность ступенчатого испарения.

Цель ступенчатого испарения: повысить качество пара, максимально ослабить влияние концентрирования примесей в парогенераторной воде на качество пара, использовать те обстоятельства, что в питательной воде содержание примесей намного меньше, чем в парогенераторной воде. Попутно достигается снижение интенсивности отложений в большей части трубок ПГ, которые размещены в чистом отсеке.

Для этого, не изменяя величину продувки для парогенератора в целом, выполняют по длине парогенератора (лучше- трубок) “химический перекос ” (ступени). Достигается это секционированием перегородками жидкостной (водной) части парогенератора. Эта перегородка делит его водный объем на отдельные отсеки, которые имеют возможность обмениваться водой с помощью перепускных (переточных) устройств. Размеры этих устройств позволяют регулировать величину этого перетока и организовывать желаемое направление перетока воды вдоль парогенератора. Тот отсек, в который подается питательная вода, називают чистымотсеком. Последующие отсеки в направлении перетока воды називают солевыми (грязными)отсеками. Количество солевых отсеков может быть разным. Самое простое решение, когда есть только чистый и солевой отсек, т.е., когда реализуется двухступенчатая схема испарения. Более чем два солевых отсека (трёхступенчатая схема испарения) на практие не используют. Переток воды из чистого в солевой отсек и далее осуществляется за счет некоторого повышения уровня воды в предыдущем отсеке. Перепускные устройства (трубы) выполняют достаточно большого размера с очень малыми гидравлическими сопротивлениями. Их сечение должно быть почти таким как и сечение труб, которые подводят в парогенератор питательную воду.

Ступенчатое испарение для ПГ очень желательно , но в горизонтальном ПГ в условиях, когда весь водный объем заполненый змеевиковыми трубками, выполнить деление этого объема на солевой и чистый отсек технически очень сложно. Именно потому такие ПГ вначале ступенчатое испарение не предусматривали и только неудовлетворенность организацией и ведением ВХР ПГ и невозможностью его исправления и коррекции без реконструкции вынудили пойти на применение ступенчатого испарения в современных ПГ. Качество и результативность его использования значительно ниже, чем в установках с барабанными котлами. Прежде всего потому, что солевой отсек может быть только встроенным.

Особенности организации ступенчатого испарения рассмотрим в его формальном описании, наподобие условиям реализации для барабанного котла. Выводы и расчетные формулы, которые получены далее, для ПГ АЕС следует рассматривать как эталон, к которому в ПГ АЭС возможно только наблизиться.

Схема организации двухступенчатого испарения приведена на рис. 4.1

Как уже омечалось наличие химического перекоса приводит теплопередающие поверхности, которые заполняют чистый и солевой отсеки, у неравное состояние. Поэтому солевой отсек розмещают со стороны холодного коллектора где найменее напряжены по тепловой нагрузке участки труб.

Рис.4.1. Схема ступенчатого испарения

1- корпус ПГ, 2- холодный колектор, 3 – секционирующая перегородка , 4- раздаточная система (колектор) питательной воды, 5- горячий коллектор, 6- змеевиковые теплопередающие трубки , 7 – солевой («грязный») отсек; 8- чистый отсек; 9- подвод и отвод воды 1-го контура.

На рисунке наряду с полными потоками приведены ихние относительные величины. Если за 1 принять поток пара, тогда поток продувки это доля продувки,– р, поток питательной воды - это (1 + р ). Доли пара, которые образуются соответственно в чистом и солевом отсеках, обозначим как n₁ и n₂ .

Здесь n_i = D_i / D_п , т.е. отношение количества пара, который образуется в соответствующем отсеке к общей производительности парогенератора по пару. Очевидно, что , например, при двух ступенях (z=2) : n₁ + n₂ = 1 .

Наличие химического перекоса ставит теплообменные поверхности, которые подключены к чистому и солевому отсекам, в неравные условия. Поэтому солевые отсеки размещают в найменее напряженных по тепловой нагрузке пучкам парогенераторов. Чаще всего – это участки труб пучка, примыкающие к «холодному коллектору» .

Производительность солевого отсека делают намного меньше (в 5 ... 10 раз), чем чистого отсека, поэтому смесь пара чистого и солевого отсеков (по паре никаких препятствий нет и пар свободно перетекает из одного отсека в другой) намного чище, чем у случае одноступенчатого испарения.

4.1.2.Материальные балансы состава воды и пара при ступенчатом испарении

Составим материальный баланс примесей отсеков ПГ и парогенераторной воды в целом.

При этом учтем, что величина внутреннего перетока воды через перегородку (продувка чистого отсека) составляет

1 + р - n₁ = n₂ + р.

Для чистого отсека баланс примесей (без учета коррозии и отложений, т.е. для примесей, которые не испытывают изменений) получаем

( 1 + р )С_пв = ( 1 - n₂) С_п1 + (n₂ + р ) С_ч ,

однако С_п1 = ( w₁ + К_с1 ) С_ч .

Выполнив подстановку и решив выражение относительно С_ч находим концентрацию примеси в чистом отсеке

С_ч = С_пв(1 + р)/( ( 1 - n₂ ) ( w₁ + К_с1 ) + n₂ + р)

или в удобном для сравнения виде

С_ч = С_пв(1+ р)/(( р+w₁ + К_с1) + n₂ (1 - w₁ - К_с1)). ( 4.1)

Соответственно для показателя концентрирования примеси имеем

Z_ч = С_ч /С_пв =(1 + р)/(( р+w₁ + К_с1) + n₂ (1 - w₁ - К_с1). (4.2 )

(Для чистого отсека баланс примесей с учетом коррозии и отложений, т.е. для примесей, которые испытывают изменения при условии, что А_ч /D_пч= А_с/D_пс= А /D_п получаем:

Z_ч=С_ч /С_пв=(1+р+А( j_k h_k –j _о)/(D_п С_пв ))/((р+w₁+К_с1)+n₂(1-w₁ -К_с1) (4.3))

Сопоставляя (4.2) и (3.7) возможно сделать вывод, что показатель концентрирования в чистом отсеке всегда меньше чем в случае одноступенчатой схемы при одинаковой величине продувки. Таким образом, все трубки (участки труб), которые размещены в чистом отсеке, окажутся в более благоприятных условиях, чем трубки парогенератора с одноступенчатой схемой. А главное, что пар, который образуется в этом отсеке буде более чистым.

Для солевого отсека имеем

( n₂ + р) С_ч = n₂ С_п2 + р С_пр,

однако С_п2 = ( w₂ + К_с2 ) С _пр .

Подставляя и решая полученное выражение относительно концентрации продувочной воды, получаем

С_пр= С_ч ( n₂ + р) / ( р + n₂ (w₂ + К_с2 )). ( 4.4 )

(С учетом коррозии и отложений

С_пр= С_ч ( n₂ + р+ А( j_k h_k –j _о)/(D_п С_ч )) / ( р + n₂ (w₂ + К_с2 )).

Откуда показатель концентрирования солевого отсека:

Z_св =С_пр /С _ч =(n₂ + р) /(р + n₂ (w₂ + К_с2 )) . ( 4.5)

(Для солевого отсека баланс примесей с учетом коррозии и отложений, т.е. для примесей, которые испытывают изменения при условии, что А_ч /D_пч= А_с/D_пс= А /D_п получаем:

Z_св=С_пр /С_ч=(n₂ + р+ А( j_k h_k –j _о)/(D_п С_ч)) /(р + n₂ (w₂ + К_с2 )) ( 4.5¹) )

Заменяя в уравнениях (4.4) и (4.5) С_ч на выражение (4.3), для концентрации примесей в продувочной воде и для показателя концентрирования примесей в парогенераторе в целом получаем

С_пр=С_пв(1+р)(n₂+р)/((р+w₁+К_с1)+n₂ (1-w₁ -К_с1)(р+n₂(w₂+К_с2))) (4.6)

и

Z=С_пр/С_пв=(1+р)(n₂+р)/((р+w₁+К_с1)+n₂(1-w₁ -К_с1)(р+n₂(w₂+К_с2))).(4.7)

С учетом коррозии и отложений:

Z=С_пр/С_пв=(1+р+ А( j_k h_k –j _о))/(D_п С_пв))(n₂+р+ А( j_k h_k

–j _о)/(D_п С_ч ))/((р+w₁+К_с1)+n₂(1-w₁ -К_с1)(р+n₂(w₂+К_с2))).(4.8)

Следует иметь в виду, что при условии

w₁ = w₂ и К_с1 = К_с2, а это условие очень близко к реальности, выражение (4.8) будет тождественным выражению (3.7). Т.е.показатели концентрирования примесей в продувочной воде, как при одноступенчатой схеме так и при двухступенчатой схеме при одинаковой продувке будут одинаковы. Таким образом при двухступенчатой схеме только солевой отсек будет выдавать пар такого же качества (С_п2=С_пр(К_с+ω) как весь пар при одноступенчатой схеме, а чистый отсек будет видавать более чистый пар. Это и обеспечивает повышение качества пара в целом. Качество пара определяется простым правилом смешения и перераспределения примесей при смешении потоков пара чистого и солевого отсеков

С_п = ( 1 - n₂ ) С_п1 + n₂С_п2 ( 4.9 )

Эта функция экстремальна относительно доли пара, который образуется в солевом отсеке n₂. Наглядно зависимость иллюстрируется рис. 4.2.

Рис.4.2. Зависимость концентрации примеси в паре от доли пара солевого отсека

Анализ графика позволяет сделать вывод, что существует оптимальное значение доли пара, который вырабатывается в солевом отсеке – для двухступенчатой схемы это » 0,1. При таких условиях качество пара буде найвысшим.

При распределении показателя концентрирования обычно поступают так, чтобы он был однаковым в чистом и солевом отсеках: Z_ч = Z_св = - при двухступенчатой схеме и Z_і = при произвольном числе ступеней - m (обычно более трёх ступеней не используют).

При виборе доли пара, характеризующей испарение в солевом отсеке на практике несколько отступают от оптимальной величины в сторону больших значений. Это объясняется прежде всего желанием подключить к солевому отсеку конкретные пакеты труб, чаще всего симметрично. Доля их производительности по пару больше оптимальной, и чтобы не усложнять конструкцию ПГ и пакетов труб, оставляют производительность солевого отсека, по факту, который обеспечивают паропроизводительности выделенных участков. Однако это не очень понижает качество пара, поскольку, как видно из графика, минимум несколько розмыт как раз в сторону больших долей. Поэтому на практике n₂ = 0,25...0,30.

Приведенные расчетные соотношения действительны только для примесей, которые не испытывают изменений. Для железа или для накипеобразователей эти соотношения более сложны, однако качественная картина остается такой же, т.е. и для них организация ступенчатой схемы полезна. Убедительно это подтвердила практика атомных электростанций, для которых сначала проектировались и изготавливались парогенераторы без ступенчатой схемы испарения, однако сейчас на всех нових ПГ используют ступенчатую схему испарения.

Вопросы для самоконтроля:

1. Как возможно рассчитать время пребывания примесей в парогенераторной воде?

2. Продувка , её функции и схемы исполнения.

3. Какие задачи выполняет расширитель продувки?

4. Что таке ступенчатое испарение и какие задачи оно решает?

5. Какое оптимальное значение доли солевого отсека в общей производительности ПГ?

6. Как рассчтываются концентрации примесей в ступенях испарения?