Сепарация капельной влаги из пара

Лекция 26.

Для получения чистого пара прежде всего необ­ходима возможно полная его осушка, т. е. сепарация капелек влаги из потока пара. К сепарационным системам предъявляются следующие основные требования: низкая влажность выдаваемого пара, высокая удель­ная паровая нагрузка, малое гидравлическое сопротивление.

Сепарация влаги основывается на разности плотностей воды и пара. Капля влаги в паро­вом объеме барабана подвержена воздейст­вию двух противоположно направленных сил: подъемной силы и силы тяжести. Соотноше­ние этих сил и длительность воздействия на каплю приводят либо к уносу капли паром, либо к осаждению ее на поверхность воды. Очевидно, больший эффект сепарации дости­гается при меньшей подъемной скорости пара в барабане, а для этого необходимо загрузить его по возможности равномерно по сечению. Наиболее простыми и вместе с тем эффек-

15.2. Скорость пара в отверстиях под­топленного дырчатого щита в зависимости от давления. 1 — минимальная; 2 — ре­комендуемая.

тивными устройствами, способствующими се­парации потока, являются дырчатые щиты, выполняемые из стальных- листов с отвер­стиями диаметром 5—12 мм. Один дырчатый щит устанавливается на 100—150 мм ниже среднего уровня воды в барабане — подтоп­ленный щит (в парогенераторах АЭС), другой в паровом объеме перед отводящими труба­ми — пароприемный потолок. Оба щита слу­жат для равномерной загрузки барабана па­ром по сечению. Для равномерной раздачи пара при барботаже по всему горизонтально­му сечению барабана необходимо под дырча­тым листом создать сплошной паровой слой — паровую подушку. Условие устойчивого су­ществования паровой подушки (см. § 13.1) определяется скоростью пара в отверстиях щита. Эта скорость зависит от давления. Чем выше давление, тем она меньше (рис. 15.2). В барабан мощного котла из каждой паро­образующей трубы поступает в среднем до 1000а из отдельных труб и до 1500 пароводяной смеси. Эти мощные потоки вы­брасываются в барабан с большим запасом энергии, которую с целью минимального увлажнения пара необходимо погасить. Гаше­ние кинетической энергии пароводяных струй также происходит в паросепарационных уст­ройствах.

Рис. 15.3. Внутрибарабанный цикленный сепаратор. / — корпус; 2 — подводящий патрубок; 3 — крышка; 4 —ворот­ник; 5 — подвод пароводяной смеси; 6 — крестовина- 7 — под­дон.

В качестве основного паросепарационного устрой­ства в мощных барабанных котлах применяют циклон­ные сепараторы пара, размещенные внутри барабана. Внутрибарабанный циклонный сепаратор (рис. 15.3) представляет собой цилиндрический вертикальный кор­пус диаметром 300—400 мм, к которому тангенциально подводят пароводяную смесь со скоростью 6—8При входе в циклон кинетическая энергия пароводяного потока приводит к центробежному эффекту, поток за­кручивается, прижимаясь к поверхности циклона. Вода, прижатая к стенке, стекает вниз, а пар со скоростью около 1 равномерно по всему сечеиию циклона выходит в паровой объем барабана из-под крышки (рис. 15.4). Крестовина в нижней части циклона пре­образует вращательное движение воды в поступатель­ное (вертикальное), и она спокойно, не закручиваясь, через поддон выходит в водяной объем барабана. Чи­сло циклонов в рабабане определяется единичной на­грузкой на циклон, которая в свою очередь зависит от его размеров и давления: при диаметре 300 мм нагрузка на циклон принимается при 4, 10 и 15,5соответственно 4, 6 и 10

Внутрибарабанная циклонная сепарация эффектив­на, но связана с преодолением дополнительного гидрав­лического сопротивления, что должно учитываться в расчетах циркуляции.

В сепарационных схемах барабанных котлов ши­рокое применение получили выносные циклоны, разме­щаемые вне барабана. Выносной циклонный сепаратор (рис. 15.5) представляет собой вертикальный коллектор диаметром Пароводяную смесь подводят тангенциально, благодаря чему процесс сепарации па­ра протекает так же, как и во внутрибарабанном цик­лоне. Высота циклона определяется суммой необходи­мых высот парового и водяногообъемов, что обеспечивает хорошую сепарацию и стаби­лизацию работы опускных труб контура циркуляции, присоединенного к выносному циклону.

В водопаровом тракте прямоточных котлов между топочными экранами и последующими за ними поверх-

Рис. 15.4. Типовая схема внутрибарабанных устройств. / — барабан; 2 — парообразующие трубы; 3 — короб; 4 — цик­лон; 5 — сливной короб; 6 — крышка; 7 — дырчатый щит про-мывояного устройства; 8 — пароприемный потолок; 9 — раздаю­щий короб питательной воды; 10 -- пароотводящие трубы; 11— модвод питательной воды; 12 — окно в перегородке, разделяю­щей барабан на отсеки; 13 — опускные трубы; 14 — труба ава­рийного слива воды.

Рис. 15.5. Типовой вы- Рис. 15.6. Унифицированный

носной циклонный сепа- встроенный (растопочный)

ратор.сепаратор ВНИИАМ.

1 — коллектор; 2 — подвод / — коллектор; 2 — вставка за-

пароводяной смеси; 3 —за- вихрителя; 3~ завихритель; 4 —

вихритель; 4 — дырчатый конусный раздатчик; 5 — вход

щит; 5 — пароотводящая тру- пароводяной смеси; 6 — выход

ба; 6 — воздушник; 7 — про- пара; 7— дренаж отсепариро-

дувка; 8 — опускные трубы; ванной влаги.
9 — подвод воды из бараба­
на; 10 — крестовина.

ностями нагрева предусматривается растопочный узел, одним из главных элементов которого является встро­енный сепаратор. Он представ­ляет собой вертикальный цилиндрический корпус с верхним вводом пароводяной смеси и одной ступенью сепарации в лопаточном аппарате (рис. 15.6).Капельная влага вследствие центробежного эффекта отбрасывает­ся на стенки корпуса, стекает в кольцевую дренажную камеру и удаляется через боковой вывод. Осушенный пар выходит из сепаратора через нижнюю камеру. Опи­санная конструкция сепаратора и его размеры унифи­цированы, они применяются для энергоблоков СКД 500, 800 и 1200 МВт.

При движении влажного пара в трубе с умеренной скоростью влага выпадает на стенку и течет по ней в виде кольцевой плен­ки. Такой процесс называют пленочной сепа­рацией. Для эффективного разделения потока на пар и воду нельзя сильно увеличивать его скорость во избежание срыва капель влаги с водяной кольцевой пленки и выноса паром. Значения предельной скорости зависят от давления и паросодержания потока (рис. 15.7). В настоящее время турбины большинства АЭС работают на насыщенном паре. Поэтому в целях достижения большей экономичности пар должен содержать минимальное коли­чество влаги, что достигается тщательной его первичной сепарацией и сепарацией с небольшим перегревом перед ЦНД. Технологическая схема сепарации определяется типом реак­тора.

В граффито-водяных реакторах канального типа насыщенный водяной пар сепарируется в горизонтальных барабанах, расположенных вне реактора. На реактор большой мощности устанавливается несколько параллельно вклю­ченных барабанов. Так, в реакторной установ­ке РБМК-1000 (мощность 1000 МВт) таких барабанов-сепараторов четыре. Барабаны-се­параторы изготавливаются из углеродистой стали 22К и по всей внутренней поверхности покрываются слоем из нержавеющей стали. Диаметр барабанов 2,3 м, длина 31 м. Схема включения барабанов-сепараторов реактора РБМК-1000 показана на рис. 24.13. Размеры барабанов и их количество не связаны с га­баритами реактора, и потому они выбираются из условий достижения максимальной осушки пара. Это позволяет отказаться от специаль­ных сложных сепарирующих аппаратов, мак­симально использовать эффект осадительной сепарации и применить простейшие и вместе с тем достаточно эффективные устройства

в виде подтопленного щита и пароприемного потолка. Барабаны-сепараторы описанной кон­струкции позволяют получать пар влажностью, не превышающей 0,1.

В водо-водяных кипящих реакторах кор­пусного типа сепарация организуется в одном корпусе с реактором (см. рис. 24.12). Осади-тельная сепарация пара в условиях малого объема недостаточно эффективна. Образую­щаяся в кассетах активной зоны реактора пароводяная смесь поступает в сборный ко­роб, откуда по параллельным патрубкам-стоякам попадает в циклоны аксиального ти­па. После разделения вода возвращается в во­дяной объем, а пар, поднимаясь в центральной части циклона, поступает в осушитель, а от­туда через выходные патрубки направляется по паропроводам в турбину.

Одна из возможных конструкций первичного цент­робежного сепаратора для корпусного реактора показа­на на рис. 15.8. Под воздействием центробежных сил, развиваемых завихрителем, пароводяная смесь разде­ляется на периферийный слой воды, движущийся вдоль внутренней цилиндрической стенки циклона, и централь­ный паровой поток. Основная масса воды удаляется из циклона через канал первичного отвода, в котором на лопатках прекращается ее вращение. Остаток воды, не попавший в канал первичного отвода, удаляется из канала вторичного отвода, в котором предусмотрены лопатки для выделения поступившего в этот канал пара. Последний вместе с основным потоком пара проходит предосушитель и далее направляется в осушитель.

15.9. Осушитель насыщенного пара. 1 п 5 — каналы постоянной скорости; 2 и 6 — перфорированные листы; 3 — горизонтальный желоб; 4 — дренажные трубы; 7 — гофрированные пластины; 8 — карман для улавливания влаги.

Осушитель чаще всего представляет собой систему параллельных вертикально расположенных гофрирован­ных пластин из нержавеющей стали (рис. 15.9). В каж­дом гибе пластин приварена полоска, образующая вер­тикальный карман для улавливания и отвода влаги.

Промывка пара. Перепишем уравнение (14.4) в виде, из которого следует, что повышение качества пара может быть достигнуто улучшением качества пита­тельной воды (связанным с усложнением и удорожанием водоподготовки), уменьшением влажности пара (достигаемым сепарацией влаги из потока пара) и уменьшением коэф­фициента распределения. Последний является константой равновесия между кипящей водой и насыщенным паром и зависит от физико-хи­мических свойств растворенных в воде ве­ществ и давления. Для данного растворенного в воде вещества, заданного давления и при­нятой концентрации, примеси коэффициент распределения является величиной постоян­ной. В свою очередь по­этому для получения более чистого пара при необходимо уменьшить концентра­цию примесей воды, что также связано с удо­рожанием водоподготовки.

Учитывая, однако, что чистота выдавае­мого пара определяется не водой, из которой он генерируется, а той водой, с которой он контактирует перед выходом в паровой объем, можно при данном качестве кипящей воды существенно уменьшить концентрацию приме­сей в паре в процессе его промывки, пропустив пар на последней стадии процесса через слой чистой воды, например конденсата или чистой питательной воды. Так реализуется барботаж-ная промывка пара.

Сущность барботажной промывки пара со­стоит в следующем (рис. 15.10). Пусть из котловой воды высокого солесодержания с концентрацией образуется сухой пар с концентрациейПри этом в соответствии с растворяющей способностью пара для дан­ного вещества, зависящей только от парамет­ров, устанавливается равновесие, характери­зуемое коэффициентом распределенияДалее, проходя слой питательной воды с концентрацией (воды низкого солесодержания), пар приобретает концентра­цию, соответствующую новому равновесию,

Рис. 15.10. Принципиальная схема промывки пара.

Рис. 15.11. Паропромывочное устройство.

отвечающему коэффициенту распределения

В процессе установления нового равнове­сия часть растворенной в паре примеси пере­ходит в воду, так какПри этом концентрация примеси в паре уменьшается, а в промывочной воде — увеличивается. При хорошем и достаточно длительном контакте обеих фаз в процессе промывки

Поскольку оба процесса (образование па­ра и его промывка) протекают при одном и том же давлении, то и так как. Для достижения высокого эффекта промывки пар через промывочную воду пропускают мелкими струйками, напри­мер, через дырчатый щит. После промывки насыщенный пар подвергается повторной се­парации, и влажность пара доводится пример­но до уровня влажности его до промывки. В простейшем виде для промывки пара при­меняют дырчатый щит (рис. 15.11),на кото­рый подают промывочную воду. Для нормаль­ной работы необходимо, чтобы промывочная вода не «проваливалась» через отверстия дырчатого листа, что возможно при малых нагрузках. Это обеспечивается созданием определенной скорости пара.

Промывку пара организуют в паровом объеме барабана (см. рис. 15.4). Необходи­мый уровень промывочной воды поддержи­вается верхней закраиной щита. Размеры промывочного устройства требуют, чтобы внутренний диаметр барабана был не менее 1600—1800 мм. В качестве промывочной воды применяют питательную воду. Количество во­ды, необходимой для промывки пара, зависит от паропроизводительности. В современных котлах вся питательная вода подается в раз­дающий короб, а ее избыток сливается через переливную щель в этом коробе непосредст­венно в водяной объем барабана, минуя про­мывку.

Ступенчатое испарение. Баланс солей для простейшей схемы водного режима барабан­ного котла с продувкой (рис. 15.12 ) имеет следующий вид:

Разделив левую и правую части уравнения на и обозначивполучим:

откуда

Пренебрегая солесодержанием пара и принимая продувку, например, равной 1, получаем:

Из последнего уравнения следует, что в указанных условиях пар образуется из кот­ловой воды с солесодержанием, в 101 раз превышающим солесодержание питательной воды, и качество пара можно повысить уве­личением продувки, что экономически невы­годно. Согласно ПТЭ непрерывную продувку выбирают в пределах 0,5—1,0 при воспол­нении потерь дистиллятом испарителей или обессоленной водой и 0,5—3 при восполне­нии потерь химически очищенной водой.

Рис. 15.13. Двухступенчатая схема испарения. Обозначения те же, что и на рис. 15.12; кроме того, ипаропроизводительность соответственно первой и второй ступе­ней испарения в процентах паропроизводительности агрегата.

Более совершенным является водный ре­жим, организованный по схеме ступенчатого испарения (метод ступенчатого испарения предложен Э. И. Роммом). 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.

Схема испарения, показанная на рис. 15.13, имеет две ступени. Приняв, например, паропроизводительность первой ступени , а второй , получим соответствующие концентрации примесей в котловой воде: в первой ступени испарения, во второй ступени испарения

Рис. 15.14. К опре­делению оптималь­ной производитель­ности солевого от­сека. Продувка

Видно, что при двухступенчатом испарении , поэтому первый отсек, где солесодержание воды невелико, называют чистым, а второй, в котором находится вода высокого солесодержания, — солевым отсеком. Отноше­ние называют кратностью концент­рации. Для приведенного примера 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. Задаваясь различными значениями производительности солевого отсека , в результате расчета определяют качество выдаваемого насыщенно­го пара при выбранной внешней продувкеОчевидно, что производительности второй сту­пени испарения и соответ­ствует водный режим без ступенчатого испа­рения и потому качество пара в обоих случаях должно быть одинаковым и соответствовать наибольшему его загрязнению. Для всей об­ласти работы по схеме ступенчатого испаре­ния качество пара выше, а со­держание в нем примесей ниже, чем в простой одноступенчатой схеме (рис. 15.14). Расчетом устанавливается оптимальная производитель­ностьпри которой достигается минималь­ное содержание примесей в паре. Каждой внешней продувке р соответствует свое опти­мальное значение

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 удовлетвори-

Рис. 15.15. Двухступенчатая схема организации водного режима с выносным циклоном.

/ — барабан; 2 — парообразующие трубы чистого отсека; 3 — подвод питательной воды; 4 —солевой отсек (выносной циклон); 5 — опускная труба; 6 —парообразующие трубы солевого от­сека; 7 — продувка; 8 — линия питания контура солевого отсе­ка; 9 — пароперепускная труба; 10 — пароотводящая труба.

Рис. 15.16. Схема трехступенчатого испарения с вынос­ной третьей ступенью

1 — барабан; 2, 3 и 5 — соответственно первая, вторая и третья ступени испарения; 4 —подвод питательной воды; 6 — опускная труба третьей ступени; 7 — парообразующие трубы третьей сту­пени; 8 — продувка; 9 и 10 — водоперепускная и пароперепуск­ная трубы; 11 — пароотводящая труба.

тельную 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.