Техника - молодёжи 1998-05, страница 38

Вячеслав ГОРБУРОВ, профессор Московского энергетического института, главный инженер Центра комплексной автоматизации

Нас окружают десятки, сотни сложных машин, которых мы, как правило, не замечаем — до тех пор, пока они работают. Но как только они работать перестают, мы ощущаем это сразу, ибо без них наша жизнь зачастую уже невозможна. Львиная доля энергии в России, как и в мире, вырабатывается на тепловых электростанциях. А если учесть, что атомные, солнечные, геотермальные энергоблоки тоже, по сути, тепловые, то становится понятным, что даже минимальные улучшения в конструкции таких агрегатов имеют колоссальное значение.

В основном, энергоустановки паровые: тепло от сжигания топлива или иного источника испаряет в котле теплоноситель (за редчайшим исключением — воду), который, уже в газообразном состоянии, поступает в цилиндры паровой машины или — гораздо чаще — на лопатки паровой турбины. Потом, в специальном теплообменнике (холодильнике, конденсаторе) пар охлаждается, снова превращается в воду, которая возвращается в котел, - и цикл повторяется.

Все части установки необходимы, но если о совершенствовании паровых машин и турбин написаны тома увлекательной литературы, то о котлах неспециалистам известно значительно меньше. Между тем, их конструкция за прошедшие два столетия изменилась едва ли не больше всего: от первых чугунных посудин, вмазанных в кирпичные печи, к современным водотрубным агрегатам, по отточенности и совершенству конструкции сравнимым с авиационными двигателями. Но... нет предела совершенству. Тем более, что есть в котлостроении проблемы, которые каждый раз приходится решать заново!

«ВЕННАЯ» ПРОБЛЕМА. Одной из них является накипь. Теоретически вода в котле и замкнутом контуре «котел-машина-конденсатор» должна быть максимально чистой, без примесей. Но в реальной жизни такого не бывает. Соли, оседая из испаряющегося раствора, порождают массу проблем. Во-первых, минеральный налет увеличивает тепловое сопротивление стенок котла, соответственно, уменьшая теплопередачу от топки к воде, а значит, — уменьшая эффективность агрегата.

Во-вторых, сокращается сечение труб, в которых нагревается вода. Это, естественно, тормозит ее ток, вызывая динамические нагрузки на конструкцию, А кроме того (вместе с упомянутым ростом теплоизоляции), уменьшает отвод тепла от стенок труб, что может привести к их прогару. Или к кипению не там где положено — результаты все видели в Чернобыле.

В третьих, какая-то часть солей все-таки испаряется и попадает на турбины. Им это тоже, мягко говоря, не полезно, Конечно, будь вода дистиллированной... Но, прежде всего, она очень дорога. В первом контуре ядерного реактора ее еще можно иметь — учитывая культуру производства, которая на атомных объектах значительно выше среднего. А на сотнях ГРЭС? И еще, примеси все равно появятся даже в дистилляте непосредственно из стенок труб, в процессе эксплуатации.

Итак, неидеальная вода в паровом котле электростанции — печальная неизбежность. А что же, все-таки, делать с накипью?

ЭНЕРГЕТИКА

КТОСКАЗАЛ,

ЧТО ВЕЛОСИПЕД ИЗОБРЕТЕН?

НЕИЗВЕСТНОЕ ОБ ИЗВЕСТНОМ. Подавляющее большинство паровых котлов во всем мире водотрубные, барабанного типа. Вода в них поступает сначала в большой горизонтально расположенный над топкой цилиндр — барабан, из которого по опускным трубам подается в нижнюю часть агрегата, и в который возвращается по трубам экранным (они как экраном окружают топку, и в них-то и производится нагрев) уже в смеси с паром. За один проход испаряется примерно 1/5 воды (по массе).

В батарее циклонов, установленной в том же барабане, пар отделяется от жидкой фазы, затем промывается, дабы удалить из него особенно вредные для турбинных лопаток соли кремния, и поступает дальше. Вода же — уже с подпиткой — идет на следующий цикл.

Очевидно, что при испарении воды концентрация солей в ней увеличивается. На каком-то этапе в трубы ее уже подавать нежелательно, и насыщенный солевой раствор из барабана удаляют. Эта операция называется продувкой.

Теперь внимание! Допустим, мы подаем в котел 100 т питательной воды с концентрацией солей 0,5%. Для обеспечения солевого баланса надо удалять, допустим, 1 т - но с концентрацией уже 50%... С таким раствором работать уже нельзя.

Более полувека назад возможное решение — так называемую теорию ступенчатой продувки — предложил профессор Э.Ромм (брат известного кинорежиссера): разделить барабан на несколько отсеков разного размера, а питательную, наиболее чистую, воду подавать только в один из них - самый большой. Тогда, при тех же начальных 100 тоннах и 0,5%, из большей части барабана продувается, допустим, десять тонн, с концентрацией, соответственно, 5%. Эта вода поступает в меньшее отделение, которое, в свою очередь, продувается традиционно - 1 т и 50%, но здесь такую нагрузку испытывает только небольшое число труб. Остальные же работают в значительно более щадящих условиях!

Сегодня ступенчатая продувка применяется на всех без исключения барабанных котлах, установленных на территории Советского Союза и в тех странах, куда мы поставляли энергетическое оборудование. Результат: процент остановок котлов по прогару экранных труб из-за накипи в нашей стране, и в США, Англии, где на несколько порядков лучше организована подготовка питательной воды, но не применяется схема Ромма, одинаков! Однако прогары все-таки случаются...

БЕДА, КОТОРОЙ НЕ ЖДАЛИ. Теория Ромма основана на постулате, который долгое время не ставился под сомнение: концентрация солей в воде, находящейся в барабане и удаляемой из него, равна, причем в барабане она постоянна по всей его длине. Так думали до тех пор, пока на парогенераторах атомных энергоблоков (конст

руктивно это тот же барабан, только большого диаметра, в котором проложены трубы с теплоносителем первого контура) не померили реальное распределение солей по длине. Увиденное потрясло: даже среднее значение концентрации могло быть выше, чем у продуваемой воды, а пиковые величины превышали предельно-допустимые! Удивительно то, что этого не предполагали с самого начала. Действительно, если питательная вода поступает равномерно по длине барабана, равномерно же забирается на опускные трубы и возвращается по экранным, а продувка производится с торцов, причем малым объемом и самотеком, — движение воды будет хаотическим. Если же принять во внимание неизбежные температурные неравномерности в топке, а значит, и неодинаковую интенсивность испарения в разных петлях, то очевидно, что в зоне более интенсивного испарения концентрация солей будет повышаться. И более того—туда будет стекаться грязная вода из соседних областей барабана!

УДАЧНЫЙ ВЫСТРЕЛ ПО ДВУМ ЗАЙЦАМ. Первый вариант был очевиден: принудительно организовать движение воды в барабане! Подавать ее не равномерно по всей длине, а с одного торца, продувать, соответственно, с противоположно-

Так устроен паровой котел современной теплоэлектростанции. Вода (1) после подогрева в теплообменнике (2) поступает в барабан (3), откуда по опускным трубам (4) подается в нижнюю часть топки (6). По экранным трубам (5) в барабан возвращается уже пароводяная смесь; из него пар через пароперегреватель (7) уходит на турбину. Необходимый для горения воздух, подогретый в змеевике на дымоходе (11), по воздуховоду (9) подается к форсунке, где смешивается с топливом (В). Твердые продукты сгорания, не унесенные с дымом, собираются в бункере (10).

го. Не всю, так как около половины должно использоваться для промывки пара, но и этого достаточно. Тогда график концентрации солей по длине будет плавной кривой, повышающейся до максимума в точке продувки.

На атомных энергоблоках так и сделали, а вот у обычных котлов возникла еще одна проблема, которой не ждали. Помехой стали сами барабаны!

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 5 9 8

И1