Содержание статьи
- Введение в проблематику продувки котлов
- Накопление солей в котловой воде
- Образование шлама и его воздействие
- Процессы упаривания и концентрирования
- Типы продувки и их назначение
- Методы расчета продувки
- Нормы качества котловой воды
- Техническая реализация систем продувки
- Экономические аспекты продувки
- Часто задаваемые вопросы
Введение в проблематику продувки котлов
Продувка барабана котла представляет собой один из важнейших технологических процессов в современной теплоэнергетике, направленный на поддержание оптимального водно-химического режима парогенерирующего оборудования. Этот процесс заключается в контролируемом удалении части котловой воды вместе с накопившимися в ней солями, шламом и другими загрязнениями с одновременной заменой на подготовленную питательную воду.
Физико-химические процессы, происходящие в котле при генерации пара, неизбежно приводят к концентрированию растворенных веществ в котловой воде. При испарении чистая вода переходит в паровую фазу, а все растворенные соли остаются в жидкой фазе, постепенно увеличивая свою концентрацию. Без своевременного удаления этих накоплений концентрация солей может достигнуть критических значений, при которых начинается их выпадение в осадок на наиболее теплонапряженных поверхностях нагрева.
Накопление солей в котловой воде
Процесс накопления солей в котловой воде представляет собой сложный физико-химический механизм, развивающийся по мере работы парогенератора. Основными источниками поступления солей являются питательная вода, конденсат возврата и различные химические реагенты, используемые для водоподготовки.
Основные виды солей в котловой воде
| Тип солей | Химическая формула | Источник поступления | Предельная концентрация, мг/л | Влияние на работу котла |
|---|---|---|---|---|
| Карбонаты кальция | CaCO₃ | Исходная вода, термическое разложение бикарбонатов | 0-2 | Образование твердой накипи |
| Сульфаты кальция | CaSO₄ | Природная вода, коррозия | 0-5 | Кристаллическая накипь, снижение теплопередачи |
| Соединения магния | Mg(OH)₂, MgSO₄ | Жесткость исходной воды | 0-3 | Рыхлая накипь, коррозия |
| Фосфаты натрия | Na₃PO₄, Na₂HPO₄ | Дозирование реагентов | 15-40 | Защита от накипи при правильной дозировке |
| Силикаты | Na₂SiO₃, SiO₂ | Коррозия, исходная вода | 20-90 | Трудноудаляемая накипь, загрязнение пара |
Механизм концентрирования солей
Коэффициент упаривания представляет собой отношение концентрации солей в котловой воде к их концентрации в питательной воде. Этот показатель напрямую связан с интенсивностью парообразования и определяется балансом поступления и удаления солей из системы.
Расчет коэффициента упаривания:
Ky = Cк / Cп
где:
Ky - коэффициент упаривания
Cк - концентрация солей в котловой воде, мг/л
Cп - концентрация солей в питательной воде, мг/л
Практический пример:
При концентрации солей в питательной воде 50 мг/л и допустимой концентрации в котловой воде 3000 мг/л, коэффициент упаривания составляет:
Ky = 3000 / 50 = 60
Это означает, что без продувки концентрация солей в котле увеличится в 60 раз.
Образование шлама и его воздействие
Шлам в котле представляет собой дисперсную систему из тонкодисперсных частиц различных соединений, образующихся в результате химических реакций, коррозионных процессов и выпадения солей из перенасыщенных растворов. Состав и свойства шлама определяют характер его воздействия на работу котельного оборудования.
Состав и классификация шлама
| Тип шлама | Основные компоненты | Размер частиц, мкм | Плотность, кг/м³ | Способность к оседанию |
|---|---|---|---|---|
| Фосфатный | Ca₃(PO₄)₂, Mg₃(PO₄)₂ | 0,1-10 | 2800-3200 | Медленная |
| Железистый | Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeOOH | 0,01-5 | 4500-5200 | Быстрая |
| Кремнистый | SiO₂, силикаты | 0,05-2 | 2200-2600 | Очень медленная |
| Карбонатный | CaCO₃, MgCO₃ | 1-50 | 2600-2900 | Средняя |
Негативное воздействие шлама
Накопление шлама в котле приводит к множественным негативным последствиям, которые существенно влияют на эффективность и безопасность работы оборудования. Основными проблемами являются снижение теплопередачи, локальные перегревы металла, увеличение гидравлического сопротивления и ускорение коррозионных процессов.
Зоны наибольшего накопления шлама
Шлам распределяется неравномерно по объему котла, концентрируясь преимущественно в зонах с пониженной скоростью циркуляции воды. К таким зонам относятся нижние части барабанов, застойные участки коллекторов, области за перегородками и экранами, а также нижние точки выносных циклонов при их наличии.
Процессы упаривания и концентрирования
Упаривание представляет собой основной физический процесс, происходящий в котле и определяющий необходимость проведения продувки. При парообразовании происходит селективное удаление чистой воды из системы, в то время как растворенные вещества остаются в жидкой фазе, что приводит к их постепенному концентрированию.
Термодинамические основы процесса
Интенсивность упаривания определяется несколькими факторами: тепловой нагрузкой котла, температурно-давлением режимом работы, качеством питательной воды и эффективностью пароводяного тракта. При повышении давления растворимость большинства солей снижается, что ускоряет процессы выпадения осадков.
Уравнение материального баланса по солям:
Gп × Cп = Gпр × Cпр + Gпара × Cпара + ΔGотл
где:
Gп - расход питательной воды, т/ч
Cп - концентрация солей в питательной воде, мг/л
Gпр - расход продувочной воды, т/ч
Cпр - концентрация солей в продувочной воде, мг/л
Gпара - расход пара, т/ч
Cпара - концентрация солей в паре, мг/л
ΔGотл - масса отложений, т/ч
Ступенчатое испарение
Для повышения эффективности работы котла и снижения потерь с продувкой применяется принцип ступенчатого испарения. Барабан котла разделяется перегородками на отсеки - чистый и солевые, каждый из которых имеет свой контур циркуляции.
| Параметр | Чистый отсек | Солевой отсек | Эффект разделения |
|---|---|---|---|
| Объем, % от общего | 70-80 | 20-30 | Основное парообразование в чистом отсеке |
| Солесодержание, мг/л | 1500-2500 | 8000-15000 | Концентрирование солей в малом объеме |
| Продувка, % от паропроизводительности | 0 | 1-3 | Снижение общих потерь |
| Качество пара | Высокое | - | Минимальный унос солей с паром |
Типы продувки и их назначение
Современные системы продувки котлов включают два основных типа: непрерывную и периодическую продувку. Каждый тип имеет свое специфическое назначение и выполняет определенные функции в поддержании водно-химического режима котла.
Непрерывная продувка
Непрерывная продувка осуществляется постоянно во время работы котла и предназначена для поддержания заданного солесодержания и щелочности котловой воды. Отбор воды производится из верхней части барабана, где концентрируется наибольшее количество растворенных солей.
| Параметр | Характеристика | Нормативные значения |
|---|---|---|
| Величина продувки | 0,5-5% от паропроизводительности | Определяется качеством питательной воды |
| Место отбора | Верхний барабан, выносные циклоны | Зона максимального солесодержания |
| Режим работы | Непрерывный | Во время работы котла |
| Регулирование | Автоматическое по солесодержанию | Поддержание заданных параметров |
Периодическая продувка
Периодическая продувка проводится через определенные интервалы времени и предназначена для удаления шлама из нижних точек котла. Этот тип продувки характеризуется кратковременным, но интенсивным сбросом большого количества воды.
Периодичность и продолжительность:
• Нижние коллекторы: каждые 8-12 часов, продолжительность 10-30 секунд
• Нижний барабан: каждые 4-8 часов, продолжительность до 1 минуты
• Выносные циклоны: каждые 2-4 часа, продолжительность 15-45 секунд
Методы расчета продувки
Точный расчет величины продувки является ключевым элементом эффективной эксплуатации котельного оборудования. Существует несколько методов расчета, каждый из которых имеет свои особенности и область применения.
Расчет по солесодержанию
Классическая формула расчета продувки:
P = 100 × (Sп - Sпара) / (Sк - Sп)
где:
P - величина продувки, % от паропроизводительности
Sп - солесодержание питательной воды, мг/л
Sпара - солесодержание пара, мг/л (часто пренебрегается)
Sк - допустимое солесодержание котловой воды, мг/л
Расчет по щелочности
Для повышения точности расчетов рекомендуется использовать метод расчета по щелочности, который исключает погрешности, связанные с определением солесодержания через электропроводность.
Формула расчета по щелочности:
P = 100 × (Щп - Щпара) / (Щк - Щп)
где:
Щп - щелочность питательной воды, мг-экв/л
Щк - допустимая щелочность котловой воды, мг-экв/л
Щпара - щелочность пара, мг-экв/л
| Давление пара, МПа | Солесодержание питательной воды, мг/л | Допустимое солесодержание котловой воды, мг/л | Расчетная продувка, % |
|---|---|---|---|
| 1,4 | 20 | 3500 | 0,57 |
| 2,4 | 30 | 3000 | 1,01 |
| 4,0 | 50 | 2000 | 2,56 |
| 9,8 | 10 | 300 | 3,45 |
Нормы качества котловой воды
Нормы качества котловой воды установлены федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности и регламентируются приказом Ростехнадзора. Эти нормы дифференцированы в зависимости от типа котла, рабочего давления и других технических характеристик.
Нормы для паровых котлов по давлению
| Параметр | До 1,4 МПа | 1,4-4,0 МПа | 4,0-10,0 МПа | Свыше 10 МПа |
|---|---|---|---|---|
| Общая жесткость питательной воды, мкг-экв/кг | 20 | 5 | 2 | 0,5 |
| Содержание кислорода, мкг/кг | 50 | 30 | 20 | 10 |
| Соединения железа, мкг/кг | 300 | 200 | 100 | 50 |
| Солесодержание котловой воды, мг/кг | До 5000 | До 3500 | До 3000 | Не нормируется* |
| pH питательной воды (при 25°C) | 8,5-9,2 | 8,8-9,2 | 8,8-9,2 | 8,8-9,2 |
Современные нормативы согласно ФНП 2020 года
Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности "Правила промышленной безопасности при использовании оборудования, работающего под избыточным давлением", утвержденные Приказом Ростехнадзора № 536 от 15.12.2020, устанавливают актуальные требования к качеству котловой воды для различных типов котлов.
Техническая реализация систем продувки
Современные системы продувки котлов представляют собой сложные технические комплексы, включающие различные устройства для отбора, охлаждения и утилизации продувочной воды. Правильная организация этих систем обеспечивает не только эффективное удаление загрязнений, но и максимальную утилизацию тепловой энергии.
Оборудование непрерывной продувки
Система непрерывной продувки включает продувочную линию с регулирующей арматурой, сепаратор непрерывной продувки и охладитель продувочной воды. Сепаратор позволяет извлечь часть тепла продувочной воды в виде вторичного пара, который направляется в деаэратор или используется для других технологических нужд.
| Элемент системы | Назначение | Технические характеристики |
|---|---|---|
| Продувочная труба в барабане | Равномерный отбор воды | Диаметр 80-150 мм, перфорация 8-12 мм |
| Регулирующий клапан | Дозирование расхода | Автоматическое управление по кондуктометру |
| Сепаратор продувки | Утилизация тепла | Давление 0,12-0,6 МПа, КПД 60-85% |
| Охладитель продувки | Снижение температуры до 40°C | Поверхностный или смешивающего типа |
Автоматизация процессов продувки
Современные системы автоматизации обеспечивают поддержание оптимальных параметров водно-химического режима без постоянного участия оператора. Автоматическое регулирование осуществляется по показаниям кондуктометров, pH-метров и других контрольно-измерительных приборов.
Экономические аспекты продувки
Экономическая эффективность системы продувки определяется балансом между затратами на утилизацию тепла и химподготовку воды с одной стороны, и предотвращением ущерба от накипеобразования и коррозии с другой стороны.
Расчет тепловых потерь с продувкой
Формула расчета тепловых потерь:
Qпот = Gпр × (hпр - hпв) × 10⁻³
где:
Qпот - тепловые потери, МВт
Gпр - расход продувочной воды, т/ч
hпр - энтальпия продувочной воды, кДж/кг
hпв - энтальпия питательной воды, кДж/кг
Экономический расчет для котла 20 т/ч:
При продувке 2% и использовании сепаратора:
• Экономия тепла: 85 МВт·ч/год
• Экономия топлива: 11 т у.т./год
• Экономия затрат: 180 тыс. руб./год
• Окупаемость установки сепаратора: 2,5 года
