Влияние режимов эксплуатации теплоэнергетического оборудования на надежность его работы
8. Влияние режимов эксплуатации теплоэнергетического оборудования на надежность его работы
Отличительной особенностью условий работы металла паровых и водогрейных котлов, трубопроводов пара и горячей воды и сосудов, работающих под давлением, является весьма длительное воздействие напряжений, вызываемых внутренним давлением. В ряде случаев металл работает при высоких температурах, когда неизбежно развиваются процессы ползучести и коррозии. В металле могут возникнуть термические напряжения, вызванные как действием высокой температуры (например, температурой пара до 570°С и топочных газов), так и колебаниями температуры до 100°С, происходящими при эксплуатации.
Механические нагрузки обусловлены давлением рабочей среды на выходе из котла до 25,5 МПа и действием таких внешних сил, как масса конструкции, тепловые перемещения, внутренние напряжения (например, в сварных соединениях). Действие термических и механических нагрузок разделяется на стационарное и нестационарное (переходное). Стационарный режим характеризуется длительной работой металла при расчетных нагрузках. Переходный режим характеризуется относительно кратковременной работой металла в периоды пусков и остановов.
Условия работы трубопроводов пара характеризуются действием высоких температур, напряжений от давления среды, компенсационных напряжений от тепловых перемещений паропровода и весовых нагрузок, термических напряжений от перепада температур по трассе трубопровода и по толщине стенки. Кроме того следует учитывать коррозионные воздействия пара. Условия работы труб поверхностей нагрева котлов характеризуются высокими температурами пара и воды изнутри труб и топочных газов снаружи. Механические воздействия от внутреннего давления сопровождаются постоянными и циклическими изгибающими нагрузками. Воздействие среды вызывает высокотемпературную газовую коррозию в окислительной и восстановительной атмосфере топочных газов, пароводяную коррозию внутренней поверхности. При отсутствие консервации протекает стояночная коррозия. Наблюдается сернистая коррозия хвостовых частей поверхностей нагрева. Механическое воздействие потока среды, а также абразивное действие твёрдых фракций топочных газов вызывают в ряде случаев существенный эрозионный износ трубных систем.
Барабаны и коллекторы котлов и ряд сосудов, работающих под давлением, эксплуатируются в условиях действия высокого уровня стационарных и циклических термических и механических нагрузок. Высокое поле термических циклических напряжений особенно характерно для периодов пуска и останова. Кроме того, коррозийное действие среды создаёт дополнительные условия для ускорения усталостных процессов. При этом опасность разрушения тем выше, чем резче изменяются режимы эксплуатации.
Проведение растопки котла с повышением на нем нагрузки до номинальных параметров пара или горячей воды является одним из ответственных процессов в эксплуатации котла, от качества выполнения которого во многом зависят надежность и экономичность его дальнейшей работы.
Для каждого типа котла порядок подготовки к растопке определяется его конструкцией и содержится в инструкции завода - изготовителя, на основе которой составляется подробная инструкция по эксплуатации применительно к конкретным условиям установки котла. Последовательность операций и время их выполнения устанавливаются инструкцией завода – изготовителя котла, а также режимной картой составленной специализированной организацией, проводящей первичную наладку котла,
Во время растопки котла необходимо следить за ростом давления в котле, регулируя его количеством подаваемого топлива и воздуха в соответствии с режимной картой. С появлением в котле избыточного давления необходимо проверить герметичность люков, лазов и фланцевых соединений.
На котлах среднего давления с толстостенным барабаном необходимо следить за скоростью изменения температуры металла барабана (по температуре насыщения), не допуская её значения более 3°С /мин, между верхом и низом барабана выше 50°С.
Рекомендуемые материалы
При прогреве паропровода необходимо следить за его равномерным перемещением, а также за исправностью подвесок, компенсаторов и опор. В случае возникновения вибрации или резких ударов прогрев паропровода следует прекратить до устранения этих явлений. Включение котла в общий паропровод должно производитъся или при давлении в котле на 0,05 МПа ниже, чем в паропроводе, или при равных давлениях.
Набор нагрузки на котле производится в соответствии с режимной картой, составленной с учётом конструктивных особенностей котла и вида сжигаемого топлива.
Для значительного количества котлов промышленной энергетики используют в качестве топлива мазут, а также природный, коксовый, доменный и генераторный газы, сжигание которых имеет свои специфические особенности. В основном сжигание жидкого и газообразного топлива проводится раздельно, а совместное сжигание допускается только при подаче этих топлив через отдельные горелки.
Горение жидкого и газообразного топлива происходит в виде диффузионного факела, характерными особенностями которого являются наличие высокотемпературной области, где реагируют основная масса горючего вещества и существует направленное движение потоков с достаточно чётко обозначенными пограничными зонами, в которых завершаются химические реакции.
Основное влияние на горение топлива оказывают процессы теплообмена, испарения, термического разложения, смешения, воспламенения и химического соединения топлива с окислителем. Интенсивность этих процессов на начальном участке факела определяется конструкцией горелочных устройств и их компоновкой в топочной камере. При этом конструкция горелочного устройства и параметры факела одной горелки оказывают определяющее влияние на экономичность и устойчивость сжигания топлива практически независимо от компоновки горелок в топочной камере котла.
На длину факела также оказывают влияние марка сжигаемого мазута и дисперсность его распыливания мазутной форсункой, так как время испарения капли мазута в топке пропорционально квадрату её диаметра.
Для получения качественного сжигания мазута необходимо соблюдать следующие положения:
- обеспечить подогрев мазута до температуры, при которой его вязкость во время распыла в механических или паромеханических форсунках составляла бы не более 3°ВУ, а во время распыла в ротационных форсунках – не более 6°ВУ;
- обеспечить качественный распыл мазута с диаметром капель не более 400 мкм и оптимальную дисперсность распыла для каждого типа мазутной форсунки, установленной на котле;
- поддерживать оптимальный избыток воздуха в топочной камере и равномерное распределение воздуха по отдельным горелкам;
- не допускать наброса факела на стены топочной камеры и затягивания его в конвективный газоход.
Сжигание в котлах газообразного топлива также требует обеспечения его надёжного перемешивания с воздухом на выходе из горелок, что достигается за счёт выбора их типа и производительности в зависимости от мощности котла, а также их расположения в топочной камере. При правильно организованном процессе сжигания природного газа факел должен быть прозрачным, достаточно коротким, голубовато – синего цвета, хорошо заполняющим топочную камеру. При работе горелок с недостатком воздуха факел резко удлиняется и синий цвет пламени, характеризующий наличие большого количества оксидов углерода, может распространиться на всю высоту топочной камеры, вплоть до конвективного газохода. Такая работа топки не допускается и обслуживающему персоналу следует незамедлительно восстановить нормальную работу горелок с обеспечением полного сгорания топлива в пределах топочной камеры, исключая горение газа в газоходах котла.
Надёжность и экономичность работы котла в значительной степени определяются состоянием поверхностей нагрева.
Поступающие из топки газы несут в потоке частицы расплавленной золы, которая налипает на трубы конвективных поверхностей, ухудшает условия теплообмена и способствует их дальнейшему загрязнению, вплоть до зашлаковки отдельных групп змеевиков и образования золовых заносов в отдельных частях газохода.
При этом возникают значительные неравномерности температур и скоростей газов по сечению конвективного газохода, вызывающие соответствующую неравномерность теплообмена по параллельно включенным трубам с выходом температуры отдельных труб за пределы допустимых значений. Дальнейшая эксплуатация котла в таком состоянии приводит к перегреву металла, разрыву труб и аварийному отключению котла.
При длительной эксплуатации котла с зашлакованными конвективными поверхностями нагрева происходит перераспределение скоростей газа в газоходе со значительным их увеличением на свободных от золовых заносов участках и появлением ускоренного эрозионного износа металла труб при сжигании углей с абразивными свойствами минеральной части топлива.
Сжигание на котлах энергетических мазутов, несмотря на малое содержание в них золы, также может привести к интенсивному шлакованию ширм и конвективных поверхностей нагрева, имеющих высокую температуру наружной поверхности труб. Шлакование связано с особыми свойствами золы жидкого топлива – образовывать легкоплавкие компоненты, которые испаряются в среде топочных газов, а затем конденсируются на относительно холодных поверхностях нагрева, образуя липкие отложения.
В дальнейшем на них осаждаются части золы, кокса и сажи, которые, взаимодействуя между собой, а также с металлом труб и первичными отложениями, образуют слой шлаковых наростов. Значительную роль в этом процессе играют возникающие при сжигании мазута оксиды ванадия V2О5 и сульфаты щелочных металлов, которые образуют на поверхностях нагрева легкоплавкие эвтектики и способствуют налипанию на них золовых частиц и сажи. При температуре на поверхности труб, равной 600 - 650ºС, основными загрязнителями являются оксиды ванадия, а при более низкой температуре – сульфаты натрия. Эти свойства золы жидкого топлива определяют и состав отложений по газовому тракту котла, которые, в свою очередь, имеют различное влияние на металл поверхностей нагрева.
При длительной эксплуатации котла с нарушениями топочного режима отложения золы сернистых мазутов на трубах пароперегревателя могут достичь значительного размера и отрицательно влиять на технико-экономические показатели и надежность работы котла. В ряде случаев золовыми плотными отложениями практически перекрывалось все межтрубное пространство газохода, оставались лишь небольшие проходы для дымовых газов, и поэтому котел вынужденно останавливался для проведения чистки и ремонта.
Снижение тепловосприятия конвективного пароперегревателя или первого по ходу газов пучка испарительных труб влечёт за собой повышение температуры газов в зоне расположения последующих поверхностей нагрева (вплоть до воздухоподогревателя) и нарушение их нормальной работы. При значительном превышении температуры газов выше расчётного значения наблюдается шлакование водяного экономайзера с последующим заносом его и воздухоподогревателя золовыми отложениями. В связи с этим в отдельных змеевиках водяного экономайзера появляется парообразование, которое при достижении критического значения образует паровые пробки, приводящие при дальнейшей эксплуатации к перегреву металла и повреждению труб. Паровые пробки в водяных экономайзерах вызывает также гидравлические удары, которые могут привести к разрушению водяного экономайзера, особенно выполненного из чугуна.
В процессе эксплуатации котла содержащиеся в нагреваемой среде и испаряемой воде различные примеси могут выделяться в твердую фазу и отлагаться на внутренних поверхностях нагрева, особенно на трубах экранов и конвективных испарительных пучков нагрева. Образование указанных отложений влечет за собой ухудшение теплопередачи и, как следствие, перегрев металла, появление на трубах отдулин в области наибольших тепловых потоков, свищей и аварийных разрывов труб.
Отложения на внутренних поверхностях нагрева по своему химическому составу, структуре, плотности и теплопроводности весьма разнообразны и зависят от целого ряда факторов.
По химическому составу отложения подразделяются на три основные группы: щелочноземельные, железные и медные. В первую группу входят кальциевые и магниевые (карбонатные, сульфатные, силикатные и фосфатные) накипи; во вторую – ферраты, железофосфатные и железосиликатные накипи; в третью – отложения металлической меди и оксидов меди.
Карбонатная накипь (СаСО3) обычно откладывается в форме плотных кристаллических отложений на внутренней поверхности труб водяных экономайзеров, подогревателей воды и других теплообменников, где отсутствует кипение воды и имеется щелочная среда. В условиях кипения щелочной среды СаСо3 выпадает в виде шлама и выносится из котла с продувочной водой.
"30 Схемы установки и размыкания маршрутов в ЭЦ-2" - тут тоже много полезного для Вас.
Силикатные накипи имеют сложный минеральный состав, так как кремниевая кислота образует накипи не только с катионами кальция, но и с катионами железа, натрия и алюминия. В составе сложных силикатных накипей обычно содержится до 50% кремниевой кислоты, 25-30% оксидов железа, меди и алюминия и 5-10% оксида натрия.
В процессе эксплуатации котлов при повышенном содержании фосфатов и железа в котловой воде на парообразующих трубах могут откладываться рыхлые железофосфатные накипи, которые при резком изменении нагрузки отваливаются от стенки трубы и уносятся с потоком воды. В зонах высоких тепловых потоков могут образовываться ферритные накипи в форме магнезита. В большинстве случаев накипи имеют смешанный характер с преобладанием в ряде случаев оксидов железа, меди, фосфатов кальция, железосиликатов и других компонентов.
Медные накипи в котлах образуются при наличии в питательной воде продуктов коррозии латунных труб различных теплообменников и являются следствием электрохимического процесса восстановления меди в условиях разрушения защитной оксидной плёнки. Первичные и вторичные отложения в трубах в значительной мере влияют на теплообмен поверхностей нагрева и в ряде случаев являются причиной аварийных повреждений труб при повышении температуры металла выше допустимого значения.
Теплоизолирующие свойства отложений зависят от их структуры, теплопроводности, толщины и силы сцепления с металлом. Значения теплопроводностей отложений зависят от их структуры и химического состава. Плотно прикипевшие к поверхности трубы отложения менее опасны, чем неплотно прилегающие, поскольку зазор между трубой и накипью резко увеличивает тепловое сопротивление и приводит к местному перегреву металла трубы топочными газами.
Образующиеся на внутренней поверхности труб отложения солей, помимо нарушения теплообмена и перегрева металла, вызывают также коррозию и разрушение труб в процессе эксплуатации котла. В целях определения правильности организации водного режима котельной установки и предупреждения развития коррозионных процессов поверхностей нагрева и других узлов пароводяного тракта котла необходимо систематически получать данные о наличии солевых отложений на поверхностях нагрева, размере и месте расположения коррозионных повреждений, а также расследовать все аварии котлов, связанные с нарушением водного режима.
В свете сказанного выше большое значение для надежности работы котлов имеет своевременная очистка внутренних и наружных поверхностей нагрева от отложений.
