Обращение воды в рабочих циклах конденсационных тепловых электростанций

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время вода широко используется в различных областях промышленности в качестве теплоносителя, чему способствует широкое распространение воды в природе и её особые термодинамические свойства, связанные со строением молекул. Полярность молекул воды, характеризуемая дипольным моментом определяет большую энергию взаимного притяжения молекул воды при температуре 10-30 єС и соответственно большую теплоту фазового перехода при парообразовании, высокие теплоёмкость и теплопроводность. Значение диэлектрической постоянной воды так же зависит от дипольного момента, определяет своеобразие свойств воды как растворителя.

Вода является исходным сырьем, которое после надлежащей обработки (очистки) используется для следующих целей:

а) в качестве исходного вещества для получения пара в котлах, парогенераторах, ядерных реакторах кипящего типа, испарителях, паропреобразователях;

б) для конденсации отработавшего в паровых турбинах пара;

в) для охлаждения различных аппаратов и агрегатов ТЭС и АЭС;

г) в качестве теплоносителя в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения и др.

Согласно Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей (ПТЭ) режим эксплуатации водоподготовительных установок и водно-химический режим должны обеспечить работу электростанций и предприятий тепловых сетей без повреждений и снижения экономичности, вызываемых коррозией внутренних поверхностей водоподготовительного, теплоэнергетического и сетевого оборудования, а также без образования накипи и отложений на теплопередающих поверхностях, отложений в проточной части турбин, шлама в оборудовании и трубопроводах электростанций и тепловых сетей.

Приведенные положения определяются следующим. Оборудование современных ТЭС и АЭС эксплуатируется при высоких тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения толщины отложений на поверхностях нагрева по условиям температурного режима их металла в течение рабочей кампании. Такие отложения образуются из примесей, поступающих в циклы электростанций, в том числе и с добавочной водой, поэтому обеспечение высокого качества водных теплоносителей ТЭС и АЭС является важнейшей задачей. Использование водного теплоносителя высокого качества упрощает также решение задач получения чистого пара, минимизации скоростей коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и оборудования конденсатно-питательного тракта.

ТИПИЧНЫЕ СХЕМЫ ОБРАЩЕНИЯ ВОДЫ В ЦИКЛАХ ТЭС

Типичные схемы обращения воды в рабочих циклах конденсационных тепловых электростанций (КЭС) и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) приведены на рис. В.1 и В.2. Следует отметить, что принципиальные схемы водопаровых трактов одноконтурной АЭС с РБМК и второго контура АЭС с ВВЭР во многом аналогичны схеме КЭС.

Природная (техническая) вода СО_ИСХ) используется в качестве исходного сырья на водоподготовительной установке, а также для других целей на ТЭС и АЭС.

Добавочная вода (D_дв) направляется в контур для восполнения потерь пара и конденсата после обработки с применением физико-химических методов очистки.

Турбинный конденсат (D_тк), содержащий незначительное количество растворенных и взвешенных примесей, -- основная составляющая питательной воды.

Возвратный конденсат (D_BK) от внешних потребителей пара используется после очистки от внесенных загрязнений. Он является составной частью питательной воды.

Питательная вода (D_ПВ), подаваемая в котлы, парогенераторы или реакторы для замещения испарившейся воды в этих агрегатах, представляет собой главным образом смесь турбинного и возвратного конденсата, добавочной воды, а также конденсата регенеративных подогревателей.

Котловая вода, вода парогенератора, реактора (D_KВ) -- вода, находящаяся в элементах указанных агрегатов.

Продувочная вода (D_np) -- выводимая из котла, парогенератора или реактора вода на очистку или в дренаж для поддержания в испаряемой (котловой) воде заданной концентрации примесей. Состав и концентрация примесей в котловой и продувочной водах одинаковы.

Охлаждающая или циркуляционная вода (D_ОВ) используется в конденсаторах паровых турбин для конденсации отработавшего пара.

Подпиточная вода (D_BП) подается в тепловые сети для восполнения потерь циркулирующей в них воды.

При эксплуатации ТЭС возникают внутристанционные потери пара и конденсата: а) в котлах при непрерывной и периодической продувке, при открытии предохранительных клапанов, при обмывке водой или обдувке паром наружных поверхностей нагрева от золы и шлака, на распыливание жидкого топлива в форсунках, на привод вспомогательных механизмов; б) в турбогенераторах через лабиринтные уплотнения и паровоздушные эжекторы; в) в пробоотборных точках; г) в баках, насосах, трубопроводах при переливе, испарении горячей воды, просачивании через сальники, фланцы и т.п. Обычно внутристанционные потери пара и конденсата, восполняемые добавочной питательной водой, не превышают в различные периоды эксплуатации на ТЭС 2--3 %, на АЭС 0,5--1 % их общей паропроизводительности.

На промышленных ТЭЦ, отпускающих пар на различные технологические нужды предприятий, существуют также внешние потери пара и конденсата, поэтому количество добавочной воды для таких ТЭЦ может достигать 10--50 % количества генерируемого пара.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТРАКТАХ ТЭС

Существуют несколько источников загрязнений теплоносителя в пароводяных трактах ТЭС: примеси добавочной воды, вводимой в цикл для покрытия внутренних и внешних потерь пара и конденсата; присосы в конденсат пара охлаждающей воды в конденсаторах или сетевой воды в теплообменниках; примеси загрязненного конденсата, возвращаемого от внешних потребителей пара на ТЭЦ; примеси, искусственно вводимые в пароводяной тракт для коррекции водного режима (фосфаты, гидразин, аммиак и другие разнообразные добавки); продукты коррозии конструкционных материалов, переходящие в теплоноситель.

В зависимости от типа основного теплоэнергетического оборудования и условий работы вклад и влияние каждого из перечисленных источников (табл. 1) в суммарное загрязнение водного теплоносителя ТЭС и АЭС могут значительно варьироваться.

Природная вода

Природная вода разделяемая условно на атмосферную (дождь, туман, снег), поверхностную (реки, озера), подземную (артезианские скважины) и морскую, всегда содержит различные примеси.

Вода, занимающая около 70 % поверхности земли, испаряясь, поступает в атмосферу, а после конденсации водяных паров в верхних слоях атмосферы возвращается на поверхность Земли в виде осадков, образуя поверхностные и подземные стоки и водоемы. Подземные стоки создаются при просачивании атмосферной воды в более или менее глубокие слои почвы, где вода собирается над водонепроницаемыми пластами, стекает по ним и выходит вновь на поверхность Земли в местах выхода этих пластов.

Наряду с производственным существует прозводственно-бытовой круговорот воды, создаваемый в результате потребления ее для различных целей (охлаждение, коммунальное водоснабжение).

При конденсации влаги в атмосфере растворяются кислород, азот. СО₂ - углекислый газ, в соответствии с их парциальным давлением, а в промышленных районах - также значительное количество оксидов серы и других продуктов, содержащихся в дымовых газах. Суммарное солесодержание атмосферных осадков составляет в среднем 10 мг/кг.

Образующиеся в подпочвенных водах кислоты взаимодействуют с широко распространенными в природе известняками - карбонатами кальция, железа, доломитами СаМg(СО₃)₂ и другими породами, что приводить к поступлению в воду хорошо растворимых бикарбонатов Са, Мg, Fе, например:

СаСО₃+Н₃СО?Са²⁺+2HСО₃^-

2СаМg(СО₃)₂+2Н₂SO₄?2Са²⁺+2Мg²⁺+4НСО₃^-+2SO₄^2-

FeСО₃+Н₂СО₃?Fе²⁺+2HCO₃^-

Большое влияние на солесодержание имеет место нахождения поверхностных вод и время года. Северные реки (Нева, Печора, Вятка) стекающие в районах сильно вымытых или скальных грунтов характеризуются малой минерализованностью (около 50 мг/кг). Воды рек южных районов (Амударья, Миус), протекающие по сильно засоленным почвам, содержат до 1000 мг/кг растворимых примесей.

Изменения характеристик грунтов и почв в направлении с севера на юг европейской части России определяется эмпирическим правилом повышения солесодержания рек в указанном направлении.

Изменение солесодержания по временам года

В весенний паводковый период, после вскрытия льда, воды содержат минимальное количество растворенных солей, однако характеризуются максимальным количеством взвешенных веществ, увлекаемых с поверхности почвы быстрыми потоками талых вод. В зимний период в результате питания поверхностного водотока подземными водами его солесодержание достигает максимума при минимуме взвешенных частиц, т. е. Максимальное и минимальное солесодержание и взвешенных частиц не совпадают.

Природные воды классифицируются по ряду признаков:

- по содержанию:

а. Пресная (солесодержание до 1 г/кг);

б. Солоноватая (солесодержание до 1-10 г/кг);

в. Соленая (солесодержание более 10 г/кг), (в океанской воде для сравнения 5-35 г/кг).

Большое распространение получила предложенная О.А. Алекиным система, в которой воды различаются по преобладающему в них аниону; гидрокарбонатный класс вод с преобладающим анионом НСО₃^- или суммой анионов НСО₃^- и СО, сульфатные воды (S), хлоридные воды (Cl). По преобладающему катиону классы делятся на три группы: кальциевую (Са), магниевую (Мg) и натриевую (Nа). Группы в свою очередь подразделяются на типы, учитывающие соотношения между ионами, мг-экв/кг.

Реки средней полосы России и Сибири в основном относятся к гидрокарбонатному классу кальциевой группы (С^Ca).

Примеси природных вод по степени дисперсности (крупности) подразделяют;

а. На истинно-растворимые (ионно- или молекулярно-дисперсные), распределенные в воде в виде отдельных ионов, молекул;

б. Коллоидно-дисперсные с размером частиц от 1 до 100 нм (1 м - 10⁹ нм);

в. грубодисперсные с размером частиц более 100 нм (0,1 мкм).

Грубодисперсные примеси (так называемые взвешенные вещества) имеют столь большую массу, что практически не способные к диффузии; с течением времени они выпадают в осадок, либо всплывают.

Коллоидные частицы не выделяются из воды под действием силы тяжести, не задерживаются обычными фильтрирующими материалами. В природных водах в коллоидно-дисперсионном соотношении находятся различные производные кремниевой кислоты, железа, органические вещества - продукты распада растительных и животных организмов.

Характеристика ионизированных примесей

Важнейшие ионы природной воды.

Группа	Катион	Анион	Концентрация мг/кг
I	Na+, K+, Ce+, Mg+	HCO3-, Cl-, SO42-	От нескольких единиц до десятков тысяч
II	NH4+, Fe2+, Mn2+	HsiO3-, F-, NO3-, CO32-	От десятых долей до единицы
III	Ca2+, Zn2+, Ni2+, Al3+	HS-, J-, NO2-, H2PO4-	Менее десятых долей

Ионы натрия и калия с анионами природных вод не образуют трудно растворимых простых солей, практически не подвергаются гидролизу, поэтому их относят к группе устойчивых примесей. Концентрация Nа⁺ и К⁺ изменяется только в результате испарения или разбавления природной воды, при анализе ее часто выражают суммарно.

Ионы кальция и магния относятся к числу важнейших примесей воды и во многом определяют возможность ее использования для различных народно-хозяйственных целей, т.к. эти ионы образуют трудно растворимые соединения с некоторыми находящимися в воде анионами.

При упаривании и снижении растворимости с ростом температуры, происходит выделение трудно растворимых солей кальция и магния на теплопередающих поверхностях в виде твердой фазы.

Ионы железа характеризуются ионовалентностью и могут находится в различных формах. В подземных водах железо обычно находится в ионной форме в виде двухвалентного железа Fе(НСО₃)₂, которое при условии удаления растворенной углекислоты (выдерживание в открытом сосуде) легко гидролизуется, а при наличии в воде растворенного кислорода окисляется с образованием красно-коричневой твердой фазы гидроксида железа Fе(ОН)₃

4 Fе²⁺+8НСО₃^-+О₂+2H₂О> 4 Fе(ОН)₃+8СO₂

Гидрокарбонат-ионы (НСО₃^-) - важнейшая часть солевых компонентов воды. В природных водах кроме полу связанной углекислоты (ионы НСО₃^- называют также бикарбонатами), а в некоторых случаях «связанной» углекислоты (ионы СО₃^2-) содержится так называемая «свободная» углекислота, находящаяся в виде растворенного в воде газа СО₂, его гидрата-молскул Н₂СО₃.

Хлорид-ионы (Сl^-) с катионами, находящимися обычно в природных водах труднорастворимых солей не образуют, при t=25 °С гидролизу не подвергаются.

Сульфат-ионы (SO₄^2-) в поверхностных водах, не загрязненных органическими веществами, достаточно устойчивы, как анионы сильной кислоты они не подвергаются гидролизу и образуют относительно труднорастворимую соль только с одним из катионов природных вод - Са²⁺. Однако растворимость сульфата кальция при обычной температуре достаточно высока (около 1 г/кг) и в природных водах выделения СаSO₄ не происходит.

Сульфат-ионы (SO₄^2-) в поверхностных водах, не загрязненных органическими веществами, достаточно устойчивы, как анионы сильной кислоты они не подвергаются гидролизу и образуют относительно труднорастворимую соль только с одним из катионов природных вод - Са²⁺. Однако растворимость сульфата кальция при обычной температуре достаточно высока (около 1 г/кг) и в природных водах выделения СаSO₄ не происходит.

ЛЕКЦИЯ 2 Физико-химические показатели качества воды

Водородный показатель

Молекулу воды, как и многие другие вещества диссоциируют на ионы

Н₂O?Н⁺+ОН^-

При данной температуре произведение концентрации этих ионов (г-ион/л) является величиной постоянной, которая называется ионным произведением воды.

К_в=С_он-С_н+ при t=298 °С К_в=10^-14

Реакция среда считается нейтральной, если С_он-=С_н+==10^-7

В кислой среде С_н+>С_он-, а в щелочной наоборот.

Оперировать числами с отрицательными показателями неудобно, поэтому условились вместо концентрации ионов Н⁺ и ОН^- применять их отрицательные логарифмы. Отрицательный логарифм концентрации иона водорода называется водородным показателем (рН), т.е. -lg С_н+= рН.

Выражение рОН=-lgOН - называется гидроксальным показателем.

lgК_в=lgС_он-С_н=lgС_он-+lgС_н+

или рК_в=рОН+рН=14 (t=298 °С)

Значение рН водных растворов выражает интенсивность диссоциации содержащихся в них слабых кислот или оснований. С понижением рН, т.е. с повышением активности (или концентрации) ионов Н⁺, процентное содержание недиссоциированных молекул слабых кислот повышается, а содержание их анионов понижается, для катионов слабых оснований наблюдается обратное соотношение.

Таблица 2

вещество	рН
	4	7	8,5	10,5
Н2СО3	99,6	18,9	0,7	-
Н4ОН	-	0,6	15	94,6

Соотношение диссоциации, %, слабых оснований и кислот раствора различных рН и t=25°С.

2.2 Удельная электрическая проводимость

Удельная электрическая проводимость растворов, Ж, характеризуемая электрической проводимостью (см³/1 л³) жидкости и выражаемая в см/см, является вычисным показателем качества природной и обработанной воды, не содержащей примесей при t=25 °С составляет 0,063 мксм/см и определяется переносом в электрическое поле только ионов Н⁺ и ОH^-. Удельная проводимость водных растворов, т.е. проводимость второго рода, зависит от температуры, концентрации и типа электролита, степени его диссоциации и скорости движения ионов.

2.3 Технологические показатели качества воды

а. Сухой остаток определяют, упаривая 1 л профильтрованной воды, подсушивая остаток при 105 °С и взвешивая его ОН^-. Оценивается в мг/кг.

Следовательно, в понятие «сухой остаток» не входит растворенные в воде газы, а также летучие (например NH₃) и взвешенные вещества.

Помимо сухого различают просаленный, минеральный и сульфатный остатки. Бели сухой остаток прокалить в течение нескольких минут при Т=1073 К (800 °С), то его масса уменьшится и получится прокаленный остаток. Уменьшение массы происходит за счет сгорания органических веществ, улетучивания остатков влаги.

Величина, полученная суммированием всех найденных в воде анионов, катионов, а также Al₂О₃, Fe₂О₃, SiО₂ называется минеральным остатком. Если его обработать серной кислотой, то все катионы переходят в сернокислые соединения (сульфаты), общая масса которых и дает сульфатный остаток.

б. Щелочность.

Общей щелочностью воды (Щ_о), мг-экв/л, называют сумму миллинормальных концентраций всех анионов слабых кислот и гидроксильных ионов за вычетом концентрации ионов воздуха

Щ_о = ?С_ан^с.к.+С_он-+С_н+=Щ_б+Щ_к+Щ_с+Щ_ф + Щ_г

Щ_б = (НСО₃^-)

Щ_к = (СО₃^2-)

Щ_с = (НSiO₃^-, SiO₃^2-)

Щ_ф= (Н₂РО₃^-, НРО₄^2-, РО₄^3-)

Щ_г=(ОН^-)

в. Жесткость

Ж_о=Ж_Са++Ж_Mg+=Ж_н+Ж_нк

г. Окисляемость в некоторой мере характеризует загрязненность воды органическими веществами. Она обычно выражается количеством (мг/кг) О₂, потребных для окисления 1 кг органических веществ.

д. Прозрачность выражается в сантиметрах высоты столба воды, налитой в стеклянный цилиндр, сквозь который еще возможно чтение нечетного шрифта.

Существующее между различными формами угольной кислоты равновесие суммарно выражается уравнением:

2НСО₂^-?СО₃^2-+СО₂+Н₂О

Рис. 3

При содержании СО₂, больше ее равновесной концентрации, избыток ее способен вызывать растворение СаСО₃, поэтому такую воду называют агрессивной. При недостатке СО₂ будет наблюдаться распад части бикарбонатных ионов с выделением из воды в виде твердой фазы.

Са²⁺СО₃^2-?СаСО₃(т).

Лекция № 3

3.1 Состав, свойства и количество отложений

В результате взаимодействия тепла и реагента, а также вследствие упаривания, в котловой воде протекают различные физико-химические процессы, обуславливающие разрушение одних соединений и образование других.

Накипью называют достаточно плотные отложения, возникающие на поверхности нагрева или охлаждения и способные нарушать нормальную работу котлоагрегата или теплообменника. Рыхлые отложения, получающиеся в результате оседания, скопления и уплотнения взвешенных веществ, образовавшихся в воде, называются шламом.

Химический состав накипей, образовавшихся в паровых котлоагрегатах весьма разнообразен. Они могут быть разделены на следующие 4 группы:

1. Щелочноземельные накипи: СаСО₃, СаSO₄, СаSiO₃, Са(РO₄)₂, Мg(ОН)₂, Мg₃(РО₄)₂. Соответственно различают карбонатные, сульфатные, силикатные, фосфатные и другие накипи.

2. Железно-окисные накипи, состоящие в основном из соединений железа.

3. Медные накипи.

Силикатные накипи, которые характеризуются низкой теплопроводностью.

3.2 Образование отложений

а. Образование щелочноземельных отложений.

Если в воде присутствуют катионы Са²⁺ и анионы ОН^-, СО₃^2-, SO₄^2-, SiO₃^2-, РО₄^3-, то при некоторых условиях возможно выпадение этих соединений в осадок. Таким образом, условием является неравенство.

С _к ^µЧ С _А ^µ ? ПР,

где ПР - постоянная величина, для каждого соединения при определенной температуре;

С_к и C_а - концентрация соответственно катиона и аниона труднорастворяемого соединения (г-ион/кг).

Из формулы следует, что осадок может появиться и при малой концентрации, например С_Ca2+ если C_CO32- будет высокой.

Для примерных расчетов можно принять, что при t=270ч310 °С для СаСО₃, СаSO₄ ПР составляет ?10^-8

б. Образование железно-окисных отложений.

Наиболее часто железно-окисные отложения образуются в экранных трубах солевых отсеков, на терморегуляционных участках труб (в зоне горелок). Отложения концентрируются преимущественно на полупериметре трубы обращенным в топку. Общей причиной образования рассматриваемых отложений является поступление в котельный агрегат железа с питательной водой, в которую оно попадает в результате коррозионных процессов, протекающих в водо-конденсатном тракте.

Скорость образования железно-окисных отложений, мг/см·час, сильно зависящая от теплонапряжения поверхности нагрева может быть определена из выражения

А₁=5,7·10^-14·С_к.в.^Fe·q²

в. Накипи с содержанием в них более 20% меди называют медными. В них содержатся также окислы железа и соединения кальция и магния. Также как и для железно-окисных отложений для медных характерно: поступление меди из водо-конденсатного тракта с питательной водой и зависимость скорости отложений от тсплонапряжений.

3.3 Методы борьбы с отложениями

Для предотвращения накипи в барабанных котлах используются следующие меры:

а. Глубокое умягчение добавляемой в питательную подпиточной воды.

б. Предотвращение загрязнений питательной воды и ее составляющих продуктами коррозии конструкционных материалов.

в. Устранение присосов охлаждающей воды в конденсаторах турбин.

г. Организация внутрикотловой (коррекционной) обработки воды и поддержание рационального химического режима котловой воды.

д. Устранение высоких местных тепловых нагрузок парогенерирующих труб.

Методы умягчения воды и предотвращения обогащения питательной воды продуктами коррозии водо-конденсатного тракта будут рассмотрены в последующих лекциях.

Внутрикотловая или коррекционная обработка воды имеет целью обезвредить попавшие в котельный агрегат накипеобразователи, не дать им отложиться в виде накипи. Для этого проводят фосфатирование, трилонирование и щелочение.

- Фосфатирование имеет целью создать в котловой воде условия, при которых накипеобразователи выделились бы в виде неприкипающего шлама. Оно является предупреждением только кальциевой накипи, а не накипи вообще. Применяются два режима фосфатирования - фосфатно-щелочной; режим чисто фосфатной щелочности. Первый состоит в том, что в котловой воде создается и поддерживается определенная концентрация ионов РО₄^3- и «свободных» ионов ОН^- (т.е. не связанных с РО₄^3-). Такое условие достигается при наличии в воде одного тринатрийфосфата (Nа₃РО₄).

РО₄^{3 -}+Н₂О?НРО₄^{2 -}+ОН ^-

Вода при фосфатировании является щелочной при рН?8,5.

Трилонирование. В отличии от фосфатирования обработка котловой воды комплексонами может обеспечить и безнеклинный и бесшламовый режимы котловой воды, а в некоторых случаях - и бескоррозионный. Существует класс веществ, которые называются комплексонами, например ЭДТА (этилендиатминтетрауксусная кислота), соль которой получила название трилен Б. Процесс трилонирования состоит в том, что в питательную воду на всас питательных насосов вводят раствор (1,5 % и менее) трилона Б, предварительно подщелоченного NаОН до рН=8,5. Катионы накипеобразователей при этом связываются в прочное хорошо растворимое соединение (комплексонат).

Щелочение может применяться для котлов с рабочим давлением до 1,6 МПа. Это объясняется тем, что устойчивость карбонатного иона СО₃^2- зависит от температуры, с повышением которой происходит разложение соды. В результате эффективность щелочного режима снижается, а пар загрязняется углекислотой.

При щелочении, так же как и при фосфатировании используется то обстоятельство, что в условиях щелочной котловой воды карбонат кальция выпадает в форме неприкипающего шлама.

Лекция № 4

4. Загрязнение пара и способы борьбы с ним

Качество вырабатываемого котельными агрегатами пара определяется количеством содержащихся в нем различных веществ - нелетучих и газообразных, которые рассматриваются как загрязнения. Качество пара характеризуется общим солесодержанием в мг/кг пара, либо количеством Na, SiO₂ и СО₂. Явление перехода котловой воды в пар веществ, присутствующих в котловой воде называют распределением их между жидкой и паровой фазами, либо уносом. Различают унос капельный и избирательный. Капельным унос называют тогда, когда загрязнения поступают в пар преимущественно с капельками котловой воды, уносимой им из барабана котла. При капельном уносе количество содержащихся в паре различных веществ пропорционально их концентрации в котловой воде.

Капельки влаги возникают в барабане котла главным образом в результате двух процессов: дробление воды и разрушения паровых пузырей. Дробление воды обычно происходит при ударе поступающих в паровой объем барабана струй пароводяной смеси о различного рода щитки и перегородки внутрибарабанных устройств, которые ставятся на пути движения струи с целью гашения их кинетической энергии. Мелкие капельки уносятся при этом паром из барабана котла. Поэтому процессы дробления при проектировании барабанных устройств должны по возможности уменьшаться.

Второй источник образования капель - разрыв оболочек паровых пузырей - приобретает существенное значение при вводе пароводяной смеси в барабан под уровень котловой воды. При разрушении паровых пузырей образуются мелкие капли, выбрасываемые в различных направлениях в паровой объем. Если начальная кинетическая энергия капли достаточно велика, то она будет выброшена на большую высоту и достигнет пароотборных устройств. Чем больше высота парового пространства, тем меньше вероятность выноса таких капель.

Избирательным унос называют тогда, когда какое-либо вещество или группа веществ переходит в пар преимущественно перед другим, т.е. в большем количестве. Избирательный унос (обуславливаемый растворимостью веществ в паре) становится заметным при давлении 7 МПа и более. Склонность к избирательному уносу при больших давлениях обнаруживают Н₂SiO₃, NaCl, Na₂SO₄, CaCl₂.

Как видно из рисунка, на котором представлена зависимость коэффициента выноса разных солей от давления пара, наибольшей растворимостью в паре обладает кремниевая кислота, наименьшей - сульфат натрия.

Из изложенного можно сделать вывод, что источником загрязнения пара является:

а) Для котлов высокого и сверхвысокого давлений - в основном избирательный унос;

б) Для котлов низкого и среднего давлений - капельный унос.

Соответственно для предотвращения загрязнения пара используют следующие меры:

для котлов низкого и среднего давлений - конструктивные и режимные мероприятия;

для котлов высокого и сверхвысокого давлений дополнительно к перечисленным - более полную очистку от примесей питательной воды (обессоливание) и удаление из котла части «соленой» воды продувками.

Важнейшими факторами, определяемыми конструкцией котла, является удельная нагрузка парового объема барабана R_б и зеркала испарения R_з.

где D_n - нагрузка котла, т/ч;

vⁿ - удельный объем пара, м³/кг;

V_nk - паровой объем котла, м³.

Эти величины должны быть оптимальными, т.к. при увеличении R_б увеличивается скорость пара и, соответственно, капельный унос. При вводе пароводяной смеси под уровень воды, унос влаги паром определяется R_з и действительной высотой парового объема. Это вызвано тем, что при небольшой скорости движения пара увеличивается время прохождения его через слой жидкости, что ведет к насыщению воды паром, уменьшению плотности пароводяной смеси по сравнению с плотностью с' воды (на линии насыщения) и, в результате, объем воды и уровень ее в барабане увеличиваются, а паровой объем уменьшается и увеличивается возможность выноса воды из барабана. Такое явление называется набуханием. Поэтому необходимо, либо уменьшить R_з, либо увеличить h_g.

Как видно из рис. 6 загрязнение пара увеличивается с ростом нагрузки, где точка а - предельно-допустимое солесодержание насыщенного пара. Нагрузка котла в точке а называется критической. В качестве эксплуатационной принимается допустимая нагрузка Д_д=(0,7ч0,8)Д_кр.

Для получения нормального качества пара, кроме нагрузки, влажным является характер ее изменения. Резкое увеличение нагрузки может вызвать падение давления пара в барабане и вскипание котловой воды. Последнее сопровождается набуханием ее и, соответственно, увеличением солесодержания пара.

4.2 Сепарационное устройство продувки котельных агрегатов

В современных барабанных котлах имеются различные устройства, имеющие целью обеспечение чистоты насыщенного пара; они предназначены для гашения кинетической энергии входящих в барабан потоков пароводяной смеси, отделения пара от воды и осушения пара. Сепарация (отделение) основана на разности насыщенного пара с" и воды с; чем она больше, тем лучше и легче отделяется влага.

Основным элементом всех сепараторных схем является большой свободный паровой объем, обеспечивающий осадительную сепарацию. Сепарационные устройства не могут удалить вещества, растворенные в паре. Поэтому обычные схемы сепараторных устройств дополняются промывкой пара питательной водой или конденсатом. Промывка пара осуществляется путем барботажа через слой промывочной воды, после чего он поступает на сепарационное устройство для удаления влаги.

Продувкой называют вывод из котла части котловой воды и замену ее питательной. Это делается для того, чтобы предотвратить чрезмерное увеличение концентрации веществ в котловой воде. Различают продувку непрерывную и периодическую. Непрерывная предназначена для поддержания определенного солесодержания котловой воды, а периодическая - для вывода шлама из котла. Для уменьшения сброса котловой воды при непрерывной продувке применяют ступенчатое испарение.

Лекция № 5

5.1 Коррозия теплосилового оборудования и борьба с ней

Коррозией металлов называется разрушение их под воздействием окружающей среды (в энергетике - воды, пара, топочных газов) в результате химических и электрохимических процессов, протекающих на поверхности металлов. Разрушение поверхности металла, вызванное действием механических процессов (трением, ударом) называется эрозией.

Различают коррозию равномерную и неравномерную (местную). Неравномерная коррозия подразделяется на коррозию пятнами, язвенную, точками, избирательную и межкристаллическую. При местной коррозии разрушения сильно развиты в глубину. Это наиболее нежелательный вид коррозии, т.к. незначительная потеря металла может привести к выходу оборудования металла из строя. Избирательная коррозия отличается тем, что разрушается какая-то одна составляющая сплава: например, в сплаве меди с цинком (латунь) растворяется цинк. Это вид коррозии наиболее часто встречается в конденсаторах турбин. Латунь, лишенная цинка делается хрупкой.

Качественно коррозию можно разделить на химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия обуславливается чисто химическими процессами и наблюдается при непосредственном взаимодействии металла с окружающей средой. Отличительной особенностью химической коррозии является то, что продукты коррозии образуются непосредственно на участках поверхности, вступающих в реакцию.

Электрохимическая коррозия наиболее часто встречается в практике эксплуатации электростанций. Она возникает при воздействии на металл растворов электролитов и характеризуется протеканием электрического тока от одной части металла к другой. Сущность электрохимической коррозии поясняется рисунком.

Пластинки цинка и меди погружены в раствор, соответственно ZnSO₄ и CuSO₄. Разрушению (коррозии) подвергается цинковая пластинка. Цинк переходит в раствор в виде иона, оставляя свободные электроны в пластинке, - анодный процесс:

Zn-2?=Zn²⁺

Если соединить металлическим проводником обе пластинки (электроды), то свободные электроны перейдут на медную пластинку (катод). Медь будет восстанавливаться, и выделять на медной пластинке

Cu²⁺+2?=Cu

Zn+Cu²⁺?Zn²⁺+Cu

Чем больше ионов цинка переходит в раствор, тем больше электронов переходит на катод, растет ток:

J=U/R=(V_K-V_A)/R,

где V_K, V_A - потенциалы катода и анода.

Уменьшение разности потенциалов электродов, приводящее к уменьшению коррозии, называется ионаризацией.

Электродный процесс, увеличивающий коррозию, называется деполяризацией. Вещества, способствующие деполяризации называются деполяризаторами.

Таким образом, для возникновения и протекания электрохимической коррозии необходимо наличие трех основных условий: гальванической пары, т.е. двух участков металла с разными потенциалами; электролита, находящегося в контакте с электродами пары и деполяризаторов. Устранение одного из этих условий делает электрохимическую коррозию невозможной, что широко используется на практике.

В металле стальной трубы, образование гальванических пар обуславливается электрохимической неоднородностью различных участков поверхности. В условиях водного режима электростанций роль деполяризатора катодных участков чаще всего выполняют растворенный в воде кислород (кислородная деполяризация), соединения железа Fe₂О₃ и нитриты, т.е. соли азотной кислоты NaNО₂.

Защита металла от коррозии сводится к поддержанию в сохранности защитной окисной пленки, которая всегда образуется на его поверхности.

5.2 Основные внешние факторы коррозии

Результатом коррозии железа с участием кислорода (деполяризация) является образование вначале гидрата двухвалентного железа

2Fe+O₂+2H₂O>2Fe(OH)₂

Вторым важным фактором, влияющим на процесс коррозии, является наличие в воде угольной кислоты. Двуокись углерода СО₂ при растворении в воде образует углекислоту Н₂СО₃, которая диссоциирует с образованием ионов водорода:

СО₂+Н₂О?Н₂СО₃?Н⁺+НСО₃^-.

Появляющиеся ионы Н⁺ подкисляют воду, а это ведет к возникновению коррозии с водородной деполяризации.

Ионы НСО₃^- связываются ионами Fe²⁺, возникающими в процессе коррозии стали.

Методы борьбы с коррозией питательного и паро-конденсатного тракта основываются на удалении из питательной воды и конденсата агрессивных газов - кислорода и углекислоты. Удаление из воды О₂ производится в деаэраторах. Углекислотная коррозия может быть устранена путем проведения следующих мероприятий:

уменьшения количества свободной углекислоты в паре, что достигается применением соответствующих способов обработки добавляемой воды;

правильного отвода конденсата греющего пара из подогревателей;

полного отвода неконденсирующихся газов из парового пространства подогревателей;

обработкой питательной воды аммиаком или пара пленкообразующими аминами:

NН₄ОН+СО₂=NН₄НСО₃

Применительно к паровым котельным агрегатам различают:

а. кислородную коррозию (зависит от давления и поражает экономайзеры, барабаны и опускные трубы трубной решетки);

б. стояночная коррозия (совместное действие кислородной коррозии);

в. межкристаллитная коррозия;

г. пароводяная коррозия (при Т?673 К)

3Fe+4Н₂О>Fe₃О₂+4Н₂;

д. подшламовая коррозия

Fe+4Fe₂О₃>3Fe₃О₄

Процесс электрохимической коррозии с кислородной деполяризацией может быть представлен следующими реакциями:

2Fe+О₂+2Н₂О>2Fe(ОН)₂

2Fe(ОН)₂+1/2О₂+Н₂О>2Fe(ОН)₃

Эти реакции можно заменить результирующей:

4Fe+3О₂+6Н₂О>4Fe(ОН)₃

Fe+2Н⁺>Fe²⁺+Н₂

Лекция № 6 Обработка природных вод и конденсатов методом ионного обмена

6.1 Общие положения

Обработка воды методом ионного обмена основана на способности некоторых практически нерастворимых в воде веществ, называемых ионнообменными материалами, или ионитами, изменять в желаемом направлении ионный состав воды. Для этого обрабатываемая вода пропускается через фильтры, загруженные ионитами.

Если в результате обработки воды методом ионного обмена происходит обмен катионов, то такой процесс называется катионированием; если же при этом происходит обмен анионов, то такой процесс называется анионированием. Как катионирование, так и анионирование получили широкое применение на ТЭС для умягчения, обессоливания и обескремнивания добавочной питательной воды котлов и подпиточной воды тепловых сетей.

В качестве ионитов в России используются сульфоуголь и синтетические смолы, относящиеся к разряду пластических масс (полимеров). Отличительной особенностью синтетических смол являются размеры и структура их молекул, состоящих из тысяч, а иногда и десятков тысяч прочно связанных атомов. Вещества, состоящие из таких молекул-гигантов, получили название высокомолекулярных веществ.

При погружении в воду все иониты в большей или меньшей степени разбухают с увеличением объема.

Отношение объемов одной и той же массы ионита в набухшем и воздушно-сухом состояниях называется коэффициентом набухания.

К=с_с/с_н=V_н/V_с,

где с_с, с_н - соответственно насыпная плотность ионита в воздушно-сухом и набухшем состояниях.

Способность ионитов к ионному обмену объясняется их специфической структурой, состоящей из твердой нерастворимой в воде молекулярной сетки, к отдельным местам которой на поверхности и внутри ее массы присоединены химически активные функциональные группы атомов ионита. В результате электрохимической диссоциации ионита вокруг нерастворимого в воде ядра образуется ионная атмосфера, представляющая собой ограниченное вокруг молекулы ионита пространство, в котором находятся подвижные и способные к обмену ионы.

В зависимости от характера активных групп ионита его подвижные, способные к обмену ионы могут иметь положительные заряды (такой ионит называют катионитом) или отрицательный (такой ионит называют анионитом).

6.2 Характеристика и свойства ионитовых материалов

а. Катиониты.

Катиониты содержат следующие функциональные химически активные группы, водород которых способен замещаться другими катионами: сульфогруппу SO₃Н, одновалентную карбоксильную группу СООН и одновалентную фенольную группу ОН. Группа SO₃Н обладает сильнокислотными, а группы СООН и ОН - слабокислотными свойствами. Соответственно катиониты делятся на сильнокислотные группы и слабокислотные. Первые способны к обмену катионов в щелочной, нейтральной и кислой средах, вторые - только в щелочной среде.

Свойства, применяемых в технике катионитов таковы, что в их состав могут быть введены разные обменные катионы, однако для практики водоподготовки на ТЭС важным являются три катиона: натрий (Nа⁺), водород (Н⁺), в последнее время добавилось аммоний катионирование NН₄. В зависимости от того, какой катион является обменным, различают натрий-катионит (Nа-катионит, Nа⁺R^-) и водород-катионит (Н-катионит, Н⁺R^-), где символом R^- обозначен нерастворимый в воде сложный радикал катионита, играющий условно роль одновалентного аниона.

Процессы обработки воды, перечисленными катионами соответственно называются Nа-катионированием, Н-катионированием и NН₄-катионированием.

Основной технологической характеристикой ионита является рабочая обменная емкость. Она характеризуется количеством ионов, которое может быть поглощено ионитом при полной замене всех обменных ионов и выражается в г-экв/м³.

К другим показателям относятся: фракционный состав, механическая прочность, химическая и термическая стойкость.

В СССР в качестве катионитов широко применяется:

сульфоуголь, получаемый путем обработки коксующегося каменного угля дымящейся серной кислотой;

катионит марки КУ-2, являющийся синтетической смолой.

Обменные емкости сульфоугля и КУ-2, составляют, соответственно, ?500 и 1700 г-экв/м³.

б. Аниониты.

Аниониты разделяются на слабоосновные и мелкоосновные. Аниониты в кислой среде применяются в схемах обессоливания, в нейтральной - с целью удаления ионов НСО₃^- из Nа-катионированной воды путем Сl-анирования и в щелочной среде с целью удаления ионов ОН^- и СО₃^2- (пониженная щелочность), также путем Сl-анирования.

Мы будем в основном рассматривать процессы катионирования.

При катионировании существенное влияние на значение обменной емкости катионита оказывает природа поглощаемых катионов. Любой катион может поглощаться катионитом полностью, однако рабочая емкость будет зависеть при этом от природы катиона.

В ряду Na⁺<NH₄⁺<Mg²⁺<Ca²⁺ каждый последующий катион поглощается более интенсивно, чем предыдущий.

Справедливо «обратное»: каждый предыдущий катион будет вытесняться из катионита последующим, если они отсутствуют в растворе в сопоставляемых концентрациях.

6.3 Na-катионирование

При Na-катионирование обменным катионом является Na. При фильтровании жесткой воды через слой натрий-катионита происходит обмен катионов Na на Сa и Mg, что может быть представлено следующими реакциями:

Ca²⁺+2Na⁺R^->Ca²⁺R₂^-+2Na⁺

Mg²⁺+2Na⁺R^->Mg²⁺R₂^-+2Na⁺

Здесь символом Na⁺R^- обозначен натрий-катионит, а R^- - сложный радикал катионита, нерастворимый в воде и выполняющий роль многовалентного анионита.

Как следует из реакций, при Na-катионите изменяется только катионный состав обрабатываемой воды. Следовательно, щелочность обрабатываемой воды не уменьшается, что относится к недостатку Na-катионитного процесса.

Жесткость исходной воды снижается до 10-15 мкг-экв/кг v ниже, а сухой остаток несколько возрастает (спросить почему возрастает? Что связано с заменой в растворе атом Са⁺ на 2Na⁺).

После замены всех обменных катионов Na⁺ катионами Сa и Mg катионы истощаются, т.е. теряет способность умягчать воду.

Для восстановления рабочей обменной емкости необходимо удержанные катионированием катионы удалить из него и заменить обменным катионом Na. Этот процесс называется регенерацией (восстановлением обменной емкости) катионита. Он производится фильтрованием раствора NaСl через слой истощенного катионита.

CaR₂+2n_cNaCl>2NaR+CаCl+2 (n_c-1)NaCl

MgR₂+2n_cNaCl>2MgR+MgCl+2 (n_c-1)NaCl

где n_с - количество грамм-эквивалентов NaCl, приходящееся на 1 г-экв вытесняемых катионов.

Стехиометрически должно быть n_с=1/58,5 г/г-экв. Практически численное значение n_с большей частью находится в пределах 2,5ч3,5.

6.4 Водород-катионирование

Обменным катионом является катион водорода.

Na⁺+Н⁺R^->Na⁺R^-+Н⁺

Mg²⁺+2Н⁺R^->Mg²⁺R₂^-+2Н⁺

Ca²⁺+2Н⁺R^->Ca²⁺R₂^-+2Н⁺

НСО₃^-+Н⁺>Н₂О+СО₂^

Из реакций следует, что при Н-катионировании щелочность обрабатываемой воды полностью удаляется. Жесткость также снижается до 10ч15 мкг-экв/кг и ниже.

Следовательно, Н-катионирование изменяет и катионный и анионный состав обрабатываемой воды. Соль кальция, магния, натрия и других катионов переходят в свободные кислоты, поскольку все катионы заменяются катионом водорода. Общая кислотность катионированной воды будет равна сумме присутствующих в исходной воде анионов минеральных кислот Cl^-, SO₄^2-, NO₃^-. Таким образом Н-катионированная вода является кислой с непригодной для питания ею паровых котельных агрегатов без дополнительной обработки.

Процесс Н-катионирования применяется всегда в сочетании с Nа-котионированием или другими процессами. Достоинством Н-катионирования является то, что оно позволяет снижать щелочность исходной воды.

Регенерация истощенного катионита состоит в фильтровании через него 1-1,5 %-ного раствора серной кислоты.

CaR₂+2n_кН₂SO₄>2НR+CаSO₄+2(n_к-1)Н₂SO₄

MgR₂+2n_кН₂SO₄>2НR+MgSO₄+2(n_к-1)Н₂SO₄

где n_к - количество серной кислоты, затраченное на 1 г-экв вытесняемых катионов.

Практическое значение n_к находится в пределах 1,6ч2,0.

6.5 Аммоний-катионирование

NН₄-катионирование нашло применение при обработке воды для промышленных котельных. Оно состоит в том, что все катионы присутствующие в обрабатываемой воде, заменяются катионитом аммония NН₄.

Na⁺+2NН₄⁺R^->Na⁺R^-+2NН₄⁺

Mg²⁺+2NН₄⁺R^->Mg²⁺R₂^-+2NН₄⁺

Ca²⁺+2NН₄⁺R^->Ca²⁺R₂^-+2NН₄⁺

Таким образом, в умягченной воде присутствуют в основном соли аммония, и жесткость полученной воды становится незначительной.

Практическая ценность рассматриваемого процесса основывается на особенности поведения солей аммония в катионированной и котловой водах. Умягченная вода, содержащая соли аммония, не обладает кислой реакцией, и, следственно, не требует противокоррозионной защиты аппаратуры и трубопроводов. В котле же происходит термический распад этих солей с образованием аммиака и кислот.

NH₄Cl>NH₃^+HCl

NH₄HCO₃>NH₃^+CO₂+H₂O

Которые должны нейтрализоваться щелочными соединениями, например:

HCl+NаОН>NаCl+Н₂О

Следовательно, NН₄-катионированная вода является потенциально кислой и непригодной для питания ей котлов без дополнительной обработки.

Регенерация истощенного NН₄-катионитного фильтра производится сульфатом аммония (NН₄)₂SO₄.

Анионирование.

Анионирование производится с целью обмена анионов. На слабоонитные анионитные фильтры вода поступает после Н-катионитных фильтров, поэтому кислотность воды перед анионированием равна сумме концентраций анионов сильных кислот SO₄^2-, Cl^-, NО₃^-. В качестве обменных ионов используются такие, которые с катионом водорода образуют воду или свободную углекислоту, удаляемую из воды путем декарбонизации или термической деаэрации. К таким анионам относятся ОН^-, СО₃^2-, НСО₃^-.

Анионы слабых кислот (HSiO₃^-, НСО₃^- и другие) не вступают в обменные реакции со слабоосновными анионитами. Сильноосновные аниониты способны извлекать из воды все содержащиеся в ней анионы как сильных, так и слабых кислот. Однако сильноосновные аниониты значительно дороже слабоосновных; поэтому они применяются главным образом для поглощения анионов кремниевой кислоты в установках для полного химического обессоливания и обескремнивания воды.