Надежность работы котлов сверхкритического давления

4.5. Надежность работы котлов сверхкритического давления

На надежность работы энергетического оборудования в зависимости от обстоятельств влияют следующие факто­ры: конструкция оборудования; материалы, из которых из­готовлены элементы оборудования; водно–химический ре­жим; характер эксплуатации оборудования (отсутствие шлакования топки, загрязнение конвективных поверхностей и др.). Конструкция котла определяет уровень механиче­ских и термических напряжений в металле, плотность теп­лового потока на поверхностях нагрева, степень неравно­мерности их обогрева, температуры наружной и внутренней поверхности металла трубы, наличие ударов факела о по­верхность нагрева, скорость движения рабочей среды и др.

Выбор конструктивных материалов для труб и элемен­тов оборудования определяет чувствительность их к раз­личным видам коррозионных повреждений (коррозионное растрескивание под напряжением, язвенная или общая кор­розия, эрозия и т. п.), чувствительность к отдельным хими­ческим примесям в теплоносителе (щелочь, кислород), к коррозионной усталости и т. п.

Водно–химический режим энергоблока должен обеспечи­вать практическое отсутствие коррозии металла и нерас­творимых образований, что также определяет надежность оборудования в период эксплуатации.

Основным условием, определяющим надежную работу поверхностей нагрева прямоточного котла, является тем­пературный режим труб. Максимальная температура тру­бы не должна превышать допустимую для стали данной марки температуру исходя из условия длительной прочно­сти. Если же имеют место кратковременные выбеги темпе­ратуры металла трубы, то следует знать величину этих выбегов и их длительность. Температура трубы является по­казателем, суммирующим влияние, ряда факторов: условий обогрева, состояния среды, состояния наружной и внутрен­ней поверхностей нагрева, а также режимных условий (подъем и сброс нагрузки, работа на скользящем давле­нии) и т. д.

При наладке котла следует выявить влияние как каж­дого фактора в отдельности, так и их совокупности с целью определения условий безопасности с точки зрения надеж­ности температурного режима труб, эксплуатации поверхно­стей нагрева.

Значительное влияние на надежность эксплуатации ока­зывает режим работы оборудования: постоянная или пере­менная нагрузка, число и продолжительность простоев, ус­ловия консервации неработающего оборудования, режим горения топлива и т. д.

Серьезным препятствием повышения надежности рабо­ты котлов сверхкритического давления являются повреж­дения труб нижней радиационной части (НРЧ) экранов то­почной камеры.

По данным анализа повреждаемости поверхностей на­грева котлов ТПП–110 и ТПП–210, в которых сжигается ан­трацитовый штыб с жидким шлакоудалением, около 50 % повреждений НРЧ происходит из–за перегрева труб и 40 % – из–за наружной высокотемпературной коррозии. На долю НРЧ приходится 30 % общего числа повреждений котлов для блоков мощностью 300 МВт.

Рекомендуемые материалы

В настоящее время считают, что надежность радиацион­ных поверхностей нагрева котлов сверхкритического давле­ния в значительной мере определяется скоростью роста тем­пературы труб из–за постепенного накопления в них слоя железнооксидных образований.

Указанные образования препятствуют передаче тепло­ты, в результате этого температурный, режим труб ухуд­шается.

Появление оксидов железа на внутренних поверхностях котлов обусловлено, во–первых, процессами коррозии метал­ла, протекающими непрерывно и в зависимости от изменя­ющихся условий с различной скоростью, а во–вторых – про­цессами накипеобразования – осаждением на обогревае­мых поверхностях тел оксидов железа, которые находились в котловой воде. К типичным железнооксидным накипям относят отложения, содержащие 70–90 % оксидов железа. Это обычно смесь двух кристаллических  фаз – магнетита

Fе₃O₄ и гематита α·Fе₂O₃ с сопутствующими примесями, состав которых у прямоточных и барабанных котлов раз­ных давлений различен. В барабанных котлах в железн–оксидных, накипях содержатся до 5 % металлической меди, до 10 % фосфатов и силикатов кальция, следы магния.

В прямоточных котлах высокого давления при отсутст­вии или частичном обессоливании турбинного конденсата в железооксидных отложениях обнаруживаются металли­ческая медь, сульфат кальция и гидрооксида и силикаты кальция и магния.

В котлах сверхкритического давления при 100%–ной конденсатоочистке железооксидные отложения содержат в основном магнетит (до 96–98 %) и в небольшом количе­стве – металлическую медь, соединения кальция и магния, а также оксиды марганца, хрома, никеля и ванадия. Высказано предположение, что выделение коллоидных и микроскопических частиц дисперсных примесей на по­верхности обогреваемых труб и их закрепление на ней свя­зано с наличием разноименных электрических зарядов, а также магнитного поля парогенерирующих труб.

Исследования, проведенные ВТИ, показали, что железо–оксидное накипеобразование протекает при любых тепло­вых нагрузках, однако скорость этого процесса резко воз­растает с увеличением тепловой нагрузки.

Для определения скорости железооксидного накипеобразования Н. Н. Манькиной (ВТИ) предложена расчетная формула:

,

где – скорость образования железооксидных отложе­ний, мг/(см²·ч);. – суммарная концентрация железа в воде, мг/кг;  – тепловая нагрузка, кВт/м².

Опыт эксплуатации отечественных и зарубежных совре­менных тепловых электростанций показывает, что даже при жестком нормировании качества питательной воды не уда­ется предотвратить рост образований продуктов коррозии в трубе поверхностей нагрева паровых котлов.

Повреждения экранных труб в связи с железооксидным отложением барабанных котлов происходят на участках, имеющих наибольшие местные тепловые нагрузки (об­ласть горелок выше и ниже зажигательного пояса).

В котлах со ступенчатым испарением повреждаются, как правило, экранные трубы второй и третьей ступеней испа­рения, где имеется повышенная концентрация оксидов железа. В котлах сверхкритического давления при больших тепловых напряжениях в топочной камере наблюдаются разрывы труб из–за образования железнооксидных отложе­ний. При сжигании газа тепловые потоки в топках достига­ют 350–300 кВт/м², а при сжигании мазута – 640 кВт/м².

При этом максимум отложений приходится на НРЧ, где пои больших тепловых потоках энтальпия среды составля­ет 1700—2200 кДж/кг, а температура 360–385 ºС.

Накопление 15–25 мг/см² отложений приводило к раз­рывам труб выходных экранов НРЧ. Металлографическим анализом установлено, что температура наружных стенок труб в местах их разрывов повышалась до 620–650 ºС.

Железофоефатные накипи встречаются в барабанных котлах при нарушении режимов фосфатирования котловой воды. Их обнаруживают в основном в контурах второй и третьей ступеней испарения.

В указывается, что образование железофосфатных отложений начинается при 250 ºС и прогрессирует с ростом температуры и увеличением избытка фосфатов в котловой воде. Объяснение "хайд–аута" находят в превышении тем­пературы среды у парообразующей поверхности над температурой насыщения либо в подавлении обратной диффузии от этой поверхности при наличии на ней рыхлых пористых отложений.

Фосфатирование по данным может способствовать коррозии только при наличии отложений, а по данным не вызывает коррозию ни при загрязненной испарительной поверхности, ни в условиях пленочного кипения. Рекомен­дуется для предупреждения "каустической хрупкости" и ще­лочной коррозии применять режим чисто фосфатной ще­лочности.

По данным Эдисоновского института в 76 % случаев кот­лы подвергаются химической очистке по временному графи­ку. Главное энергоуправление Англии ориентируется на ко­личество отложений, вносимых в котел питательной водой, количество образующегося "на месте" магнетита, присосы в конденсаторах и др.

Одним из критериев надежности является межпромы­вочный период работы (под межпромывочным периодом понимается продолжительность срока эксплуатации котла между двумя его очередными эксплуатаци­онными химическими очистками), определяемый как  время работы, необходимое  для   формирования   образований   на   чистой внутренней поверхности труб, вызывающих увеличение тем­пературы стенки трубы до предельно допустимого значения. Установление длительности межпромывочного периода экс­плуатации котла до настоящего времени осуществляется эмпирическим путем.

Японские специалисты рекомендуют следующую класси­фикацию интенсивности загрязнения экранных труб (пер­вая цифра – мощность котла, вторая – количество отложе­ний за 7000 ч работы); класс 1–до 125 МВт, 42 г/м²; класс 2 – 156–220 МВт, 100 г/м²; класс 3 – 230–375 МВт, более 140 г/м².

Целесообразными считаются следующие интервалы очистки котлов: каждые 5–6 лет для котлов класса 1; 3–4 года для котлов класса 2; каждые 2 года для котлов клас­са 3.             

Допустимый прирост отложений согласно для оте­чественных барабанных котлов давлением 11–15,5 МПа при сжигании жидкого топлива составляет 200–250 г/м² за 6000–7000 ч работы, а нормируемый межпромывочный период – 3–3,5 года.

На электростанциях производят вырезку труб согласно рекомендациям фирм–поставщиков оборудования с целью оценки количества отложений на их внутренней поверхно­сти с обогреваемой стороны; Котлостроительные фирмы ре­комендуют установку термоэлектрических преобразовате­лей (термопар) на трубах. Однако это вызывает серьезное затруднение определения мест их установки, особенно на котлах новой конструкции, из–за отсутствия метода расчет­ного определения областей максимальных температур ме­талла труб.

При эксплуатации отечественных котлов СКД установ­лено, что метод оценки массы накопленных внутренних об­разований путем вырезки образцов экранных труб не при­годна при раннем их обнаружении. Этот метод применялся в основном, после появления разрывов труб котла. Для повышения надежности котлов СКД с целью исключения воз­можности работы их поверхностей при температурах ме­талла, превосходящих предельно допустимые значения, требуется еще на стадии проектирования расчетная мето­дика определения времени, необходимого для достижения предельно допустимой температуры металла трубы в ре­зультате формирования внутритрубных железнооксидных образований.

Необходимое условие надежной работы современного котла – рациональная организация водоподготовки, водно­го режима и химического контроля качества воды.

При выборе графика контроля питательной воды учи­тываются тип котла, параметры, мощность и тепловые схе­мы (блочная, секционированная).

Требования к качеству воды непрерывно повышаются в связи с переходом на сверхкритические параметры пара, а также с увеличением единичной мощности блоков.

Повышение надежности работы мощных энергоблоков обусловливает усиление контроля за водным режимом.

С целью уменьшения влияния водно-химического режи­ма на коррозионно–усталостные процессы в период растолок и опрессовок барабанных котлов необходимо:

1) заполнение котлов производить конденсатом турбин или обессоленной водой;

2) опрессовку котлов конденсатом турбин или обессолен­ной водой производить при показателе рН не менее 8,5. При необходимости показатель рН поддерживать вводом ам­миака;

"13 Вещества, регулирующие консистенцию и формирование текстуры" - тут тоже много полезного для Вас.

3) перед растопкой котла производить обработку воды гид­разином и аммиаком или едким натром. Обеспечить концен­трацию гидразина в котловой воде на уровне 2,5–3 мг/кг, рН – на уровне 9,0–9,2 (за счет ввода аммиака, а при не­обходимости – едкого натра);

4) после заполнения котла водой дозировку аммиака и гид­разина производить согласно требованиям правил техниче­ской эксплуатации.

Основными параметрами, отражающими надежность проектируемой конструкции котла, являются:

1) параметр потока отказов – число аварий (отказов) на 1000 ч работы котла;

2) наработка на отказ – среднее число часов работы котла между двумя вынужденными остановками;

3) коэффициент готовности – относительное время рабо­тоспособного состояния котла.