Принципы регулирования уровня воды в котле. Питательные системы паровых котлов

Питательная система котла предназначена для непрерывной подачи в котел питательной воды заданной температуры в количестве, обеспечивающем поддержание уровня воды в паровом коллекторе в допустимых пределах.

Поддержание заданного уровня воды в паровом коллекторе является одной из главнейших задач, обеспечивающих надежную работу котла. При высоком уровне воды в котле возможны забросы котловой воды в пароперегреватель и, как следствие, разрушение его конструкций от гидравлических ударов. Интенсифицируется также вредное явление уноса в пароперегреватель влажного пара вместе с содержащимися в нем солями. Отложения солей, в свою очередь, вызывают:

- в пароперегревателях – пережог труб из-за недопустимо высоких температурных режимов;

- в паропроводах и путевой арматуре – выход их из строя, а также являются центрами межкристаллитной коррозии;

- в проточной части турбин – снижение КПД ГТЗА, уменьшение проходного сечения межлопаточных каналов. Эти явления приводят к возникновению значительных осевых сил, действующих на ротор турбины, которые могут вызвать выплавление упорного подшипника турбины и привести к аварии ГТЗА.

Слишком низкий уровень воды в паровом коллекторе котла может привести:

- к срыву естественной циркуляции из-за захвата пара в опускные трубы;

- к упуску воды из котла и оголению парообразующих труб что, в свою очередь, приводит к нарушению режима охлаждения парообразующих труб и, как следствие, к неизбежному пережогу трубной системы котла.

Уровень воды в паровом коллекторе регулируется с помощью регулятора питания котла, воздействующего на степень открытия питательного клапана. В простейших и вспомогательных котлах, не подвергающихся частым и глубоким изменениям нагрузки, а также в котлах с большим относительным водосодержанием могут использоваться простейшие поплавковые (Рис. 70) или термогидравлические регуляторы уровня. Однако в судовых котельных установках такие простейшие регуляторы применяются крайне редко. Чаще в качестве регуляторов уровня используются одноимпульсные и двухимпульсные гидравлические регуляторы питания.

В основу действия гидравлических регуляторов питания положен принцип сравнения уровня воды в паровом коллекторе с «эталонным» уровнем воды в конденсационном сосуде, размещаемым над паровым коллектором котла (Рис. 71).

Полость конденсационного сосуда соединена с паровым пространством котла трубкой. Пар при работе котла конденсируется на стенках конденсационного сосуда, конденсат заполняет конденсационный сосуд по верхний срез трубки, а излишек конденсата стекает обратно в паровой коллектор. За счет этого обеспечивается постоянный (эталонный) уровень жидкости в конденсационном сосуде, не зависящий от режима работы котла и внешних воздействий (качка судна, крен, дифферент и т.д.). Роль чувствительного элемента регулятора выполняет мембрана, разделяющая полость регулятора на два объема. Сигнал по текущему уровню в паровом коллекторе (давление столба жидкости) поступает в верхнюю полость над мембраной, а сигнал эталонного уровня в конденсационном сосуде – в нижнюю полость под мембраной. В результате на мембране формируется сигнал D h который, сравниваясь с заданным значением D h, преобразуется чувствительным элементом регулятора в линейное перемещение мембраны. Перемещение мембраны усиливается струйным усилительным реле (на схеме не показано) и поступает на сервопривод управления питательным клапаном котла. При повышении уровня воды в паровом коллекторе давление жидкости в полости над мембраной увеличивается, вызывая прогиб мембраны вниз. Перемещение мембраны через усилительное реле передается на сервопривод, прикрывающий питательный клапан и уменьшающий расход питательной воды в котел. При снижении уровня воды в паровом коллекторе давление жидкости в нижней полости прогибает мембрану вверх, обеспечивая перемещение тарелки питательного клапана на открытие и увеличивая подачу питательной воды в котел.

 

Рис. 71. Схема одноимпульсного гидравлического регулятора питания котла.

В системах питания главных котлов, подвергающихся частым и глубоким изменениям нагрузок, одноимпульсные регуляторы питания применять невозможно из-за неправильной их работы в переходных режимах (Рис. 72). При увеличении отбора пара из котла на турбину давление в паровом коллекторе котла начинает падать, котловая вода становится перегретой относительно нового установившегося давления и, в первоначальный момент времени (до отработки регулятора давления пара), происходит бурное кипение воды, приводящее к набуханию уровня в паровом коллекторе. ОРП реагирует на временное набухание уровня прикрытием питательного клапана и уменьшает подачу питательной воды в котел. В результате, после отработки РДП и восстановления им заданного давления пара, уровень воды в котле проседает и может стать недопустимо низким, приведя к оголению труб поверхностей нагрева. При уменьшении отбора пара происходит обратная картина: до отработки РДП давление пара в паровом коллекторе повышается, часть паровых пузырьков конденсируется и уровень в котле в первоначальный момент проседает. ОРП, реагируя на снижение уровня, приоткрывает питательный клапан, увеличивая подачу воды в котел. После восстановления РДП заданного давления пара в котле, паровой коллектор оказывается перепитанным.

Рис 72. Работа одноимпульсного регулятора питания котла в динамических режимах при изменении расхода пара.

В системах питания главных котлов целесообразно применять двухимпульсные регуляторы питания – ДРП, которые используют для коррекции своей работы в переходных режимах дополнительный импульс по изменению расхода пара, отбираемого из котла (Рис. 73). В чувствительном элементе ДРП используются две мембраны, делящие полость регулятора на три объема. Сигнал по эталонному уровню в конденсационном сосуде h_КС поступает в полость под нижней мембраной, сигнал по фактическому уровню воды в паровом коллекторе h_ПК – в среднюю полость между мембранами, а сигнал по изменению расхода пара b D_ПЕ – в полость над верхней мембраной. В стационарных режимах работы котла (без изменения расхода пара) ДРП работает как обычный одноимпульсный регулятор питания, т.е. в работе находится только нижняя мембрана, реагирующая на изменение уровня воды в паровом коллекторе котла. В переходных режимах работы доминирующим сигналом становится импульс по изменению расхода пара, который сдерживает воздействие нижней мембраны на сервопривод питательного клапана до окончания переходного процесса и стабилизации нового установившегося значения расхода пара.

Рис. 73. Схема двухимпульсного гидравлического регулятора питания котла.

Для того, чтобы питательный клапан имел линейную характеристику, при которой расход питательной воды через клапан пропорционален степени его открытия, на нем должен поддерживаться постоянный перепаддавления. Линейность характеристики питательного клапана

обеспечивает регулятор перепада давления (РПД). Сигнал по перепаду давления на питательном клапане – D p сравнивается с заданным значением перепада. Рассогласование этих сигналов, усиленное струйным усилительным реле – УР, поступает на сервопривод регулирующего клапана подачи пара к турбоприводу питательного насоса – РК_ТПН. При снижении перепада давления на питательном клапане РПД приоткрывает регулирующий клапан, увеличивается расход пара на турбопривод ТПН, увеличиваются обороты питательного насоса, приводя к восстановлению заданного перепада давления. При увеличении перепада давления на питательном клапане РПД снижает обороты ТПН, восстанавливая заданный перепад давления на питательном клапане.

В питательных системах паровых котлов, в зависимости от используемой тепловой схемы КТЭУ, возможно применение подогревателей питательной воды поверхностного или смесительного типов. Водоподогреватель поверхностного типа представляет собой обычный рекуперативный теплообменник, в котором теплота греющего пара передается нагреваемой воде через трубную поверхность нагрева. В качестве водоподогревателей смесительного типа используются деаэраторы, в которых подогрев воды осуществляется путем смешивания греющего пара с мелко распыленной водой. Одновременно с подогревом воды в деаэраторе происходит удаление растворенных в ней газов.

В питательных системах котлов с водоподогревателем поверхностного типа (Рис. 74. а), водоподогреватель устанавливается на напорном трубопроводе питательного насоса. Питательная вода с напора основного питательного насоса (как правило, это насос с турбоприводом – ТПН) подается в водоподогреватель. Подогретая питательная вода через регулятор питания – ДРП и питательный клапан поступает в экономайзер котла. В целях резервирования механизмов, на случай выхода из строя основного питательного насоса, параллельно с ним в систему включается резервный питательный насос (обычно с электроприводом – ЭПН). В случае выхода из строя основного питательного насоса, водоподогревателя или регулятора питания котла, схема предусматривает использование резервной питательной ветки и перемычек, обеспечивающих питание котла без задействования вышедшего из строя оборудования.

В питательных системах котлов с водоподогревателем смесительного типа (деаэратором), водоподогреватель устанавливается после конденсатного насоса перед питательным (Рис. 74. б). Конденсатный насос подает воду в деаэратор, где происходит ее распыливание и смешивание с греющим паром. Подогретая питательная вода скапливается в нижней части деаэратора и забирается бустерным насосом, создающим подпор для работы питательного насоса. Бустерный насос в схеме питательной системы может отсутствовать при возможности установки деаэратора на достаточной высоте над всасывающими патрубками питательных насосов и обеспечении необходимого подпора для работы питательных насосов за счет напора столба жидкости. Питательный насос, через регулятор питания и питательный клапан, подает воду в паровой котел. Параллельно с основным питательным насосом обычно включается резервный питательный насос, работающий в режимах пуска/остановки котла, или пускающийся автоматически при выходе из строя основного питательного насоса. В таких питательных системах отсутствует резервная ветка питания котла помимо водоподогревателя и регулятора питания, так как питание котла водой с неисправным деаэратором категорически запрещается.

Рис. 74. Питательные системы паровых котлов:

а) с водоподогревателем поверхностного типа;

б) с водоподогревателем смесительного типа (деаэратором)

КН – конденсатный насос; ЭПН – электропитательный насос; БН – бустерный насос; ТПН – турбопитательный насос; Сл.К – слив конденсата греющего пара; Др – деаэратор; ДРП – двухимпульсный регулятор питания; ВПП – водоподогреватель поверхностного типа.