Предохранение внутренних поверхностей пароперегревателя, паропроводов и теплоиспользующих аппаратов от образования отложений возможно только при получении в парогенераторе пара, содержащего минимальное количество примесей, входящих в состав твердых отложений. В насыщенный пар примеси попадают вместе с капельками котловой воды, содержащей соли, а также вследствие физико-химического процесса растворения некоторых примесей в паре.
Для уменьшения поступления в насыщенный пар примесей с капельками котловой воды необходимо прежде всего снижать влажность пара. Поступление капель котловой воды в паровое пространство барабана происходит двумя путями. Первый путь обусловлен тем, что пузыри пара проходят границу раздела между паровым и водяным объемом в барабане котла. Второй путь обусловлен дроблением водяных и пароводяных струй при ударе о стенки барабана и другие механические препятствия, расположенные в барабане парогенератора.
Крупные капли поднимаются на большую высоту, чем мелкие. При малой высоте подъема капель они будут выпадать в водяной объем, а при большой высоте могут достигать пароприемных устройств и уноситься с паром. Очевидно, что при определенных размерах парового пространства барабана унос капель возрастает при повышении нагрузки парогенератора вследствие увеличения скорости пара. На влажность пара оказывает также влияние высота парового пространства барабана и состав примесей котловой воды. При постоянных давлении, нагрузке, высоте парового пространства барабана увеличение содержания примесей в котловой воде практически не сказывается на влажности пара. Однако после достижения определенного содержания солей в котловой воде, называемого критическим, наблюдается резкое увеличение влажности пара.
Пароводяная смесь поступает в барабан котла по подъемным трубам, расположенным по длине и сечению барабана неравномерно. Кроме того, подъемные трубы вводятся как в паровое, так и в водяное пространство барабана в направлении продольной оси.
Пароводяная эмульсия движется по трубам со скоростью 0,3-0,8 м/с, в результате чего на поверхности зеркала испарения возникают выбросы, гребни и даже фонтаны. При их столкновении и разрушении в паровое пространство барабана поступает огромное число всплесков и брызг, распределенных неравномерно. Это приводит к неравномерному распределению влаги в паровом пространстве барабана. Паровой объем барабана при указанных условиях представляет собой осадительную камеру для попавших в него капелек влаги. Рост давления и нагрузки зеркала испарения в современных котлах привели к тому, что паровое пространство их барабана не способно отсепарировать капельки влаги. Поэтому для современных котлов потребовались специальные устройства, способные отделить капельки влаги от образовавшегося пара.
Для эффективного осаждения капелек влаги в паровом пространстве котла необходимо обеспечить равномерное поступление пара в паровой объем по всей длине и сечению барабана.
Устройства, обеспечивающие равномерное поступление пара в паровое пространство барабана для снижения влажности пара, называются сепарационными.
Сепарационные устройства прежде всего должны погасить кинетическую энергию струй пароводяной смеси, поступающей в барабан, а затем отделить основную массу воды от пара, возвратив ее в водяной объем.
В промышленных котлах применяются довольно простые схемы сепарационных устройств: с погружным дырчатым щитом, с внутрибарабанными или выносными циклонами.
На рис. 6-5, а показана схема сепарационного устройства с погружным дырчатым щитом. Эта схема применяется при обоих вариантах ввода пароводяной смеси в барабан: выше и ниже уровня воды в нем. Ввод 4 пароводяной эмульсии в барабан перекрывается глухим щитом 5, который направляет ее под уровень воды в барабане котла. Это обеспечивает гашение кинетической энергии струй пароводяной смеси, выходящей из подъемных труб. На 50-75 мм ниже уровня воды в барабане расположен дырчатый щит 6, который не пропускает отдельных струй к зеркалу испарения, препятствуя их воздействию на поверхность, непосредственно контактирующую с паровым объемом. Суммарная площадь отверстий дырчатого щита составляет примерно 10 %, что обеспечивает равномерное поступление пара в паровое пространство с минимальной для данного сечения барабана скоростью. Питательная вода, подаваемая по трубе 1, подается по всей длине барабана через имеющиеся в трубе отверстия. Пароотводящие трубы 2 перекрыты дырчатым щитом 3, приваренным к стенкам барабана. Это обеспечивает равномерное распределение пара по паровому объему барабана. Дырчатый щит 3, называемый пароприемным потолком, применяют практически во всех схемах современных сепарационных устройств.
Сепарационные устройства с погружным дырчатым щитом в парогенераторах с давлением до 4 МПа обеспечивают поддерживание солесодержания в котловой воде до 2000 мг/кг без ухудшения качества выдаваемого пара.
На рис. 6-5, б показана схема сепарации с циклонами, расположенными внутри барабана котла. В этой схеме весь пар, образующийся в подъемных трубах 4, поступает в циклоны 8, а из них — в паровое пространство. Для направления пара в циклоны подъемные трубы ограждены сплошным щитом 7. Пароводяная эмульсия, выходящая из подъемных труб, направляется в циклоны 8, где происходит отделение воды от пара. Вода стекает по стенке циклона в водяное пространство, а пар через дырчатую крышку циклона направляется в паровое пространство барабана.
Циклон представляет собой цилиндр с тангенциально расположенным входным патрубком. В нижней части циклона установлено донышко, перекрывающее только центральную часть сечения. В результате этого между стенкой циклона и нижним донышком образуется кольцевой зазор, в котором установлены направляющие лопасти. Верхняя крышка циклона имеет отверстия для выхода из него пара. Циклоны имеют диаметр 300-400 мм и высоту 500-700 мм. По длине барабана обычно устанавливают два ряда циклонов, как показано на рис. 6-5,б. По высоте циклоны располагают так, чтобы высший уровень воды в барабане не превышал середины входного патрубка.
Отделение воды от пара в циклоне происходит за счет центробежного эффекта. Пароводяная смесь с большой скоростью входит в циклон тангенциально и вследствие этого под действием центробежных сил отжимается к его стенке. При этом вода под действием силы тяжести по стенке циклона стекает вниз, а пар по центральной части циклона поднимается вверх и через дырчатое донышко поступает в паровое пространство.
В циклоне вследствие вращательного движения пароводяной смеси образуется водяная воронка. Спокойное поступление воды из циклона в водяное пространство барабана обеспечивают лопасти, установленные в кольцевом зазоре. Они разрушают вращательное движение воды. Как и в предыдущей схеме, пароотводящие трубы ограждены дырчатым щитом.
Схема сепарации с внутрибарабанными циклонами может применяться для отделения воды от пара и при высоком солесодержании котловой воды, например для осушения пара солевых отсеков при ступенчатом испарении.