Физические методы защиты тепловых сетей от внутренней коррозии

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

коррозия деаэрация теплоснабжение сет

Физические методы защиты тепловых сетей от внутренней коррозии

Общая характеристика проблемы

Надежность и экономичность работы тепловых сетей в значительной мере определяется эффективностью защиты оборудования и трубопроводов от внутренней коррозии. В большинстве случаев эта коррозия обусловлена присутствием в воде, используемой в качестве греющего или нагреваемого теплоносителя, растворенных коррозионно-агрессивных газов и, прежде всего, - кислорода О2 и диоксида углерода СО2.

В отечественной и зарубежной теплоэнергетике основным средством противокоррозионной обработки воды являются методы физической десорбции газов при нагреве и диспергировании обрабатываемой воды: термическая деаэрация и декарбонизация. Подпиточная вода для систем теплоснабжения, как правило, обрабатывается в вакуумных деаэраторах. Эти аппараты позволяют осуществить деаэрацию в водогрейных котельных, не имеющих источников пара, исключить потери конденсата греющего пара с подпиточной водой на ТЭЦ и в промышленных котельных и существенно повысить экономичность ТЭЦ за счет нагрева потоков деаэрируемой воды паром низкопотенциальных отборов теплофикационных турбин. В большинстве случаев для эффективной работы вакуумных деаэраторов необходимо предварительное удаление из воды диоксида углерода - декарбонизация. В закрытых системах теплоснабжения с небольшими величинами подпитки применяются атмосферные деаэраторы.

Исследование и совершенствование технологий деаэрации и декарбонизации воды для систем теплоснабжения является одним из основных направлений деятельности научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» (НИЛ ТЭСУ) Ульяновского государственного технического университета. Основные итоги этих работ отражены в монографиях [1, 2, 3, 4].

В последние годы в связи с освоением отечественной промышленностью выпуска достаточно надежных автоматических кислородомеров открылись новые возможности по совершенствованию процессов деаэрации воды на теплоисточниках. Значительная часть экспериментальных и наладочных работ проводится НИЛ ТЭСУ с использованием анализаторов растворенного кислорода серии «МАРК», выпускаемых нижегородским предприятием «ВЗОР» [5]. Особо выделим следующие работы.

1. Экспериментальное доказательство возможности надежной работы современных конструкций термических деаэраторов с весьма низким остаточным содержанием растворенного кислорода в деаэрированной воде (на уровне 3-5 мкг/дм3).

2. Экспериментальное доказательство возможности высокоэффективной работы термических деаэраторов с удельным расходом выпара, близким к теоретически необходимому.

3. Разработка нового подхода к управлению процессами термической деаэрации и реализация его в серии технологий регулирования деаэрационных установок.

4. Получение динамических характеристик термического деаэратора как объекта регулирования.

5. Определение источников вторичного насыщения подпиточной и сетевой воды кислородом при хранении на ТЭЦ и транспортировании по тепловым сетям.

Кратко рассмотрим основные результаты этих работ.

Оценка возможности работы термических деаэраторов с предельно низким остаточным содержанием растворенного кислорода

Государственным стандартом [6] регламентированы максимальные концентрации остаточного содержания растворенного кислорода за деаэраторами повышенного давления (10 мкг/дм3), атмосферными (30 мкг/дм3) и вакуумными (50 мкг/дм3) деаэраторами. Однако нередко на практике эти величины рассматриваются не как предельно допустимые, а как предельно достижимые для перечисленных типов деаэраторов. При испытании деаэраторов, в том числе аппаратов новых конструкций, как правило, оценивается лишь соответствие аппарата требованиям стандарта, поэтому в литературе отсутствуют сведения о предельно достижимой глубине десорбции растворенного кислорода из воды при термической деаэрации.

В проведенном под руководством авторов экспериментальном исследовании струйно-барботажного атмосферного деаэратора ДА-25 в качестве одной из основных была поставлена задача достижения минимального остаточного содержания растворенного кислорода, а также определения режимов деаэрации, в которых оно обеспечивается. В таблице приведена выборка опытов, характеризующих работу деаэратора.

Данные таблицы получены при нагрузке деаэратора 60-70% от номинальной и начальном содержании растворенного кислорода в химически очищенной воде 12-13 мг/дм3. Измерения остаточного и начального содержания кислорода в воде проводились портативными анализаторами МАРК-301Т, а также дублировались химическими методами для примерной оценки интервалов концентраций кислорода, которые измеряются кислородомерами.

Из таблицы видно, что деаэратор в достаточно большом диапазоне рабочих режимов работает с весьма низкой остаточной концентрацией кислорода 3-5 мкг/дм3. Отметим, что получение данных об остаточной концентрации растворенного кислорода с дискретностью измерений 1 мкг/дм3 стало возможным только благодаря использованию современных кислородомеров.

Отметим, что глубокое удаление растворенного кислорода достигается и при рациональной организации работы вакуумных деаэраторов [7].

Оценка возможности работы термических деаэраторов с минимальным удельным расходом выпара

Стандарт [6] устанавливает величины удельных расходов выпара для вакуумных деаэраторов, деаэраторов атмосферного и повышенного давления соответственно в 5,0; 2,0 и 1,5 кг на тонну деаэрированной воды. Эти нормативы, установленные много десятилетий назад по практике эксплуатации далеко не самых совершенных конструкций деаэраторов, не имеют достаточного экспериментального и какого-либо теоретического обоснования. О величине потерь с выпаром говорит такой факт: для соблюдения стандарта в режимах работы деаэраторов с минимальными нагрузками с выпаром необходимо удалять из деаэратора до 35-40% греющего пара. Реальный расход выпара на электростанциях, как правило, значительно больше.

В работах [2, 8] нами показано, что теоретически необходимый удельный расход выпара термических деаэраторов, соответствующий минимальным энергетическим затратам на деаэрацию, в десятки раз меньше регламентированных стандартом [6]значений.

В рассмотренном выше экспериментальном исследовании деаэратора ДА-25 мы попытались оценить минимальные технологически необходимые для эффективной деаэрации удельные расходы выпара. Для решения этой задачи чрезвычайно важны точность и непрерывность

измерений остаточного содержания кислорода, которые можно обеспечить только с применением автоматических кислородомеров.

Результаты эксперимента (табл.) показывают, что в оптимальных температурных режимах высокоэффективная деаэрация с остаточным содержанием кислорода 10 мкг/дм3 и менее обеспечивается при удельном расходе выпара 0,06ч0,20 кг/т д.в., т.е. при весьма существенном приближении к теоретически необходимой величине выпара.

Анализ результатов исследования позволяет сделать вывод, что для деаэраторов современных конструкций нормативные удельные расходы выпара даже при достаточно большом коэффициенте запаса должны быть установлены как минимум в два-три раза ниже величин, указанных в стандарте [6].

Разработка технологий управления процессом термической деаэрации

При проектировании и эксплуатации деаэрационных установок в качестве основного регулируемого параметра технологического процесса обычно принимается величина давления (разрежения) в деаэраторе или соответствующей ему температуры деаэрированной воды. Подразумевается, что принятый за оптимальный фиксированный уровень регулируемого параметра обеспечивает требуемое качество деаэрации воды. Поддержание рабочего давления или температуры деаэрированной воды в заданных пределах осуществляется путем изменения регулирующего параметра - расхода греющего агента, подаваемого в деаэратор. Традиционная технология регулирования термических деаэраторов в значительной степени была обусловлена простотой измерения давления и температуры, принятых в качестве регулируемых параметров.

Однако анализ эксплуатации деаэраторов показывает, что при традиционной технологии управления процессом термической деаэрации, с одной стороны, во многих случаях не гарантируется достижение требуемого качества обработки воды, а с другой, - нередко деаэрация проводится с повышенными энергетическими затратами [2].

Появление достаточно надежных и точных приборов для оценки качества деаэрированной воды, прежде всего, - кислородомеров, позволило реализовать новый подход к управлению деаэраторами, по которому регулируемыми параметрами служат заданные конечные показатели эффективности деаэрации: остаточные концентрации растворенных кислорода и диоксида углерода [2, 9,10]. На рис. 1 показана одна из схем [9,10], в которой реализуется новый подход к управлению термическими деаэраторами.

В соответствии с этой схемой регулирование расхода греющего агента производят по величине заданного остаточного содержания растворенного кислорода или показателя рН деаэрированной подпиточной воды с помощью регулятора 5, регулирующего органа 6 и датчиков 7. Это позволяет гарантированно обеспечить заданное качество воды при минимально необходимых и достаточных энергетических затратах на деаэрацию.

В рамках нового подхода создана серия технологий управления процессами деаэрации, отмеченных медалью Российской Академии наук и золотой медалью Всемирного салона изобретений в Брюсселе.

Экспериментальное построение динамических характеристик деаэраторов

Для практической реализации новых технологий управления необходимо знание динамических характеристик термических деаэраторов как объектов регулирования. Динамическая характеристика отражает реакцию объекта управления во времени на регулирующее воздействие. Для деаэратора такие характеристики могут быть представлены динамикой изменения во времени t регулируемого параметра (остаточной концентрации кислорода) при изменении какого-либо регулирующего параметра (расхода выпара или греющего агента, температуры воды, подаваемой на деаэрацию).

Очевидно, что построение динамических характеристик деаэраторов методами периодически проводимого ручного химического анализа содержания кислорода практически невозможно. Необходимым условием для получения этих характеристик является непрерывный мониторинг остаточной концентрации кислорода, который стал возможен с появлением на электростанциях и в исследовательских организациях кислородомеров.

На рис. 2 приведены графические зависимости скорости изменения остаточного содержания кислорода в деаэрированной воде при снижении величины удельного расхода выпара с 0,07 кг/т до 0,03 кг/т и неизменной величине температуры исходной воды tхов=52,50 ОС (деаэратор ДА-25).

Эмпирические зависимости (линии 2), описывающие приведенную на рис. 2 динамическую характеристику (линия 1), аппроксимированы в виде формул:

Исследование факторов насыщения подпиточной и сетевой воды кислородом при хранении на ТЭЦ и транспортировании по тепловым сетям

Обследование состояния систем теплоснабжения показывает, что во многих городах интенсивные коррозионные повреждения тепловых сетей наблюдаются при вполне удовлетворительной противокоррозионной обработке подпиточной воды на теплоисточниках. Основной причиной интенсивной внутренней коррозии является вторичное насыщение подпиточной и сетевой воды газами при хранении на ТЭЦ и транспортировании к потребителям. Основными местами вторичной аэрации воды являются баки-аккумуляторы ТЭЦ, уплотнения насосов, работающих с разрежением во всасывающем патрубке, абонентские системы отопления и горячего водоснабжения при неблагоприятном гидравлическом режиме теплосети, подогреватели горячей воды в закрытых системах теплоснабжения. В ряде городов до 90% повреждений от внутренней коррозии обусловлено именно вторичной аэрацией теплоносителя.

Сотрудниками НИЛ ТЭСУ выполнен комплекс исследований факторов, способствующих вторичной аэрации воды в системах теплоснабжения, и разработаны решения по ее предотвращению [4]. С использованием современных кислородомеров проведен оперативный мониторинг концентрации растворенного кислорода в городской системе теплоснабжения, позволивший выявить характерные места подсосов воздуха в систему, а также исследованы факторы, влияющие на аэрацию воды в баках-аккумуляторах подпиточной воды. С помощью корреляционного анализа установлена степень зависимости величины насыщения воды кислородом и такими факторами как величина падения уровня, падение уровня, отнесенное ко времени снижения уровня (скорость падения уровня), падение уровня, отнесенное к уровню воды на момент замера. На рис. 3 и 4 в качестве примеров представлены корреляционные зависимости насыщения подпиточной воды кислородом от различных условий работы бака-аккумулятора емкостью 3000 м3.

Совершенствование технологий декарбонизации подпиточной воды

Экспериментально доказано, что надежное удаление диоксида углерода из подпиточной воды теплосети обеспечивается при его начальном содержании перед вакуумными деаэраторами не более 3 мг/дм3 [1-3]. Для достижения такого начального содержания СО2 во многих случаях необходима эффективная декарбонизация обрабатываемой воды.

Установка декарбонизаторов перед вакуумными деаэраторами необходима при противо-накипной обработке подпиточной воды методами водород-катионирования с голодной регенерацией, подкисления, а также при использовании исходных вод с пониженной щелочностью. Комплекс исследований и разработок, выполненных в НИЛ ТЭСУ по этой тематике, включает в себя анализ эффективности различных типов декарбонизаторов, экспериментальное получение многофакторных математических зависимостей эффективности декарбонизации от основных режимных факторов, исследование аэрогидродинамики насадочных декарбонизаторов, разработку способов управления декарбонизаторами.

Сравнение декарбонизаторов по массообменной и энергетической эффективности показало, что наиболее эффективны широко распространенные насадочные аппараты. Практически единственный недостаток этих декарбонизаторов - большой вес и относительная недолговечность насадки из керамических колец Рашига - в настоящее время легко устраним путем использования современных типов насадки.

Исследование аэрогидродинамики насадочных декарбонизаторов позволило установить, что основной проблемой в эксплуатации этих аппаратов является неправильный подбор вентиляторов при проектировании водоподготовительных установок. Разработана более совершенная методика, позволяющая подобрать вентиляторы, обеспечивающие оптимальную эффективность декарбонизации [3]. Кроме того, разработан ряд энергосберегающих технологий регулирования декарбонизаторов с использованием в качестве регулируемых факторов расхода исходной воды и заданного остаточного содержания СО2 [3].

О новых конструкциях деаэраторов

В установках для подготовки подпиточной воды систем теплоснабжения наиболее распространены и относительно освоены струйно-барботажные вакуумные деаэраторы горизонтального и вертикального типов, разработанные НПО ЦКТИ и серийно выпускаемые Саратовским заводом энергетического машиностроения (СЗЭМ). Наряду с этими аппаратами, на ТЭЦ и в котельных имеются десятки разнообразных конструкций вакуумных деаэраторов, изготовленных по проектам различных организаций местными ремонтными и монтажными службами. В последние годы широко рекламируются как последнее чудо техники струйные аппараты «КВАРК» и «АВАКС», не прошедшие сколько-нибудь серьезной экспериментальной проверки. Более того, даже из рекламных материалов видно, что эти деаэраторы по многим характеристикам уступают серийным аппаратам традиционных конструкций, прошедшим длительный эволюционный отбор.

Анализ массообменной и энергетической эффективности вакуумных деаэраторов показал, что из применяемых в настоящее время конструкций лучшие показатели имеют серийные аппараты горизонтального типа ЦКТИ-СЗЭМ [2]. Многолетняя эксплуатация горизонтальных вакуумных деаэраторов ЦКТИ-СЗЭМ позволила накопить значительный опыт совершенствования технологий водоподготовки и схем теплофикационных установок с их применением. На ТЭЦ и котельных с высоким уровнем культуры эксплуатации эти аппараты работают экономично и обеспечивают нормативное качество деаэрации [1, 11].

В то же время на многих ТЭЦ и котельных в случае проектных недоработок и недостаточной подготовки инженерно-технического персонала эксплуатация вакуумных деаэраторов вызывает большие трудности. Не разобравшись в большом числе факторов, от которых зависит качество вакуумной деаэрации, специалисты этих предприятий, а также ряда исследовательских и наладочных организаций, как правило, пытаются решить проблемы противокоррозионной обработки изменением конструкции вакуумных деаэраторов.

Весьма показателен в этом отношении пример Набережночелнинской ТЭЦ, которая стала своеобразным полигоном для испытания неудачных конструкций вакуумных деаэраторов. На этой станции семь вакуумных деаэраторов ДВ-800 из восьми установленных подверглись дорогостоящей реконструкции по проектам УралВТИ и других организаций. Однако все восемь деаэраторов работали крайне неудовлетворительно, потому что не были созданы условия их эффективной эксплуатации: отсутствовали рациональные схемы подогрева теплоносителей водоподготовительной установки, не выдерживался температурный режим вакуумной деаэрации, не обеспечивались плотность вакуумных систем и работа газоотводящих аппаратов, не выдерживалось качество обработки воды до вакуумных деаэраторов. При осмотрах выявлены многочисленные повреждения внутренних элементов, показавшие, что надежность реконструированных аппаратов значительно ниже, чем серийных вакуумных деаэраторов. Более того, большинство новых конструкций обладает крайне низкой ремонтопригодностью.

Наш опыт показывает, что эффективность работы вакуумных деаэраторов зависит не столько от их конструкции, сколько от условий эксплуатации. Организация эффективной работы вакуумных деаэраторов возможна лишь при высоком качестве проектирования теплофикационных установок и достаточной квалификации наладочного и эксплуатационного персонала. Тепловые схемы ТЭЦ и котельных должны обеспечивать стабильное поддержание технологически необходимых режимов вакуумной деаэрации, которые определяются типом применяемых деаэраторов, качеством исходной воды и методами ее додеаэрационной обработки. При эксплуатации вакуумных деаэрационных установок должен осуществляться комплекс эффективных мер по поддержанию герметичности их вакуумной системы, обеспечению отвода выпара из деаэраторов, режима работы сливных трубопроводов и баков-аккумуляторов, регулированию процесса деаэрации [1,2, 11].

Литература

1. Шарапов В. И. Подготовка подпиточной воды систем теплоснабжения с применением вакуумных деаэраторов. М.: Энергоатомиздат. 1996. 176 с.

2. Шарапов В.И., ЦюраД.В. Термические деаэраторы. Ульяновск: УлГТУ. 2003. 560 с.

3. Шарапов В.И., Сивухина (Ротова) М.А. Декарбонизато-ры водоподготовительных установок систем теплоснабжения. М.: Изд-воАСВ. 2002. 200 с.

4. Шарапов В.И., Ямлеева Э.У. Защита воды в системах теплоснабжения от вторичного насыщения коррозионно-агрессивными газами. Ульяновск: УлГТУ. 2004. 188 с.

5. http://www.vzor.nnov.ru/

6. ГОСТ 16860-88. Термические деаэраторы. М.: Изд-во стандартов. 1989.

7. Шарапов В.И., Балабан-Ирменин Ю.В., Цюра Д.В. О нормах содержания растворенного кислорода в подпиточной воде систем теплоснабжения // Теплоэнергетика. 2002. № 1, с. 69-71.

8. Шарапов В. И., Малинина О. В., Цюра Д.В. О предельной массообменной и энергетической эффективности термических деаэраторов //Энергосбережение и водоподготовка. 2003. № 2. С. 61-64.

9. Патент № 2144508 (RU). МПК6 С 02 F 1/20. Способ термической деаэрации воды/ В.И. Шарапов, Д.В. Цюра // Бюллетень изобретений. 2000. № 2.

10. Патент № 2144509(RU). МПК6 С 02 F 1/20. Способ термической деаэрации воды/ В.И. Шарапов, Д.В. Цюра // Бюллетень изобретений. 2000. № 2.

11. Шарапов В. И. О реконструкции вакуумных деаэраторов // Промышленная энергетика. 1999. №5. С. 17-20.

Размещено на Allbest.ru/