Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение коррекционной обработки при организации водно-химического режима на ТЭС с барабанными котлами среднего давления

Л.Г. Васина

В настоящее время на тепловых электростанциях с барабанными котлами основным водно-химическим режимом (ВХР) является режим с дозированием аммиака в конденсатно-питательный тракт и фосфатированием котловой воды. Однако для неблочных электростанций с поперечными связями в тепловых схемах, разнородными конструкционными материалами и большими расходами пара, направляемого промышленным потребителям, такой режим в ряде случаев не является оптимальным. Опасность аммиачной коррозии медных сплавов конденсатного тракта и агрессивность возвратного конденсата значительно усложняют организацию ВХР. Дополнительная сложность возникает на станциях с барабанными котлами среднего давления, где добавочная вода, обрабатываемая по схеме коагуляция - двухступенчатое Na-катионирование, также обладает высокой агрессивностью. Примером такой станции может служить Закамская ТЭЦ-5, где высокая агрессивность воды по всему тракту водоподготовительной установки (ВПУ) приводила к интенсивной коррозии оборудования, осаждению продуктов коррозии на стенках трубопроводов и последующему их выносу в пароводяной тракт, особенно при переключениях в схемах химцеха и КТЦ.

Анализ водно-химического режима станции

Закамская ТЭЦ-5 оснащена четырьмя турбогенераторами (ПТ-25/30-2,9/1,2; Р-15-29/7; ПТ-29/35-2,9/1,0; Р-14-29/10) и шестью котлами (№ 1-4 - ЛМЗ, производительностью по 200 т/ч; № 5 - ТПК-3, производительностью 180 т/ч; № 6 - ТО-3, производительностью 200 т/ч). Станция имеет два производственных отбора: 1 и 0,6 МПа. До последнего времени в балансе питательной воды конденсат турбин составлял 25-30%, конденсат бойлеров - 1819%, конденсат потребителей - 14-18% и химочищенная вода (ХОВ) - 30-35%. тепловой электростанция водный аммиак

В качестве исходной воды на ТЭЦ используется вода р. Кама, которая характеризуется относительно небольшим солесодержанием и низкой, особенно в паводковые периоды, щелочностью. Поэтому вполне оправдана существующая схема водоподготовки: коагуляция сернокислым алюминием - осветление на механических фильтрах - декарбонизация - двухступенчатое Na-катионирование. Максимальная производительность ВПУ составляет примерно 570 т/ч. В период паводков (обычно с мая по сентябрь) при щелочности исходной воды меньше 1 мг-экв/л для повышения щелочного резерва в трубопровод исходной воды подается щелочь (едкий натр). Режим коагуляции обычно поддерживается по остаточной щелочности на уровне 0,3-1 мг-экв/л. Аминирование химочищенной воды производится как перед баками ХОВ, так и после них с подачей раствора аммиака в магистральные трубопроводы ХОВ.

Существующая технология водоподготовки, обеспечивая в целом требуемое качество добавочной воды, характеризуется повышенной коррозионной агрессивностью воды на всех стадиях ее обработки. Согласно общим представлениям [1, 2], коррозионная агрессивность воды определяется в основном тремя показателями: содержанием растворенного кислорода, значением pH и содержанием углекислоты (или индексом стабильности), а также суммарным содержанием хлоридов и сульфатов. При прочих равных условиях на величину окислительно-восстановительного потенциала кислорода, как следует из его определения, существенное влияние оказывает pH воды (пропорционально четвертой степени активности водорода). В этой связи снижение pH и увеличение концентрации свободной углекислоты в процессе коагуляции воды приводит к значительному увеличению ее агрессивности. Последующая декарбонизация, снижая концентрацию углекислоты до ~3,5-8 мг/л и повышая pH с ~6,5 до ~7-7,5, несколько уменьшает агрессивность воды. Однако умягчение (удаление ионов жесткости) вновь приводит к существенному увеличению агрессивности воды вплоть до точки ввода аммиака.

Изменение коррозионной агрессивности воды по стадиям обработки качественно можно характеризовать изменением индекса стабильности 1_ст или индекса Ланжелье, который определяется соотношением:

где pH₀ - измеренное значение pH исследуемой воды; pH_S - значение pH, соответствующее состоянию насыщения воды карбонатом кальция.

Как следует из результатов расчета, значения 1_ст на всех этапах обработки остаются отрицательными на уровне ниже -0,5, что по существующей классификации соответствует сильноагрессивной воде. Более того, даже после коррекционной обработки ХОВ аммиаком вода остается коррозионно-агрессивной. Согласно данным работы [3] при указанных значениях индекса стабильности скорость коррозии стали может достигать 0,5-1 мм/год, что и являлось причиной наблюдавшегося на Закамской ТЭЦ-5 заноса трубопроводов ВПУ продуктами коррозии. Высокое содержание продуктов коррозии в ХОВ и неудовлетворительное качество возвратного конденсата приводило к значительному превышению норм по концентрации железа в питательной воде станции (до 150-200 мкг/л и выше), несмотря на соблюдение норм качества питательной воды по остальным показателям (pH, кислород и др.).

В соответствии с электрокинетической теорией образования отложений продуктов коррозии [4, 5] интенсивность процесса J (г/м².ч) определяется концентрацией продуктов коррозии, электрофоретической подвижностью частиц и плотностью теплового потока. Изменение pH оказывает влияние, прежде всего, на электрофоретическую подвижность частиц продуктов коррозии железа, которая при прочих равных условиях минимальна в интервале значений pH от 6 до 9. Увеличение pH в котловой воде в результате фосфатирования и высокие концентрации железа в питательной воде в свою очередь приводят к недопустимо высокой интенсивности железоокисных отложений на теплообменных поверхностях котлов. На Закамской ТЭЦ-5 особенно значительные отложения наблюдались на входных участках водяных экономайзеров котлов.

Как видно из представленных данных, отложения состоят в основном из оксидов железа. Небольшой привес при прокаливании (вместо потерь) свидетельствует о том, что окислы железа находятся в основном в форме Fe₂O₃ с примесью Fe₃O₄. Значительная разница в удельной загрязненности между входом в водяной экономайзер и выходом также подтверждают вывод о том, что основной причиной заноса экономайзера отложениями является высокая концентрация железа в питательной воде.

Анализ причин неудовлетворительного состояния ВХР станции указывает на необходимость снижения агрессивности воды по тракту ВПУ Поскольку обрабатываемая вода агрессивна по всему тракту ВПУ, желательна ее коррекционная обработка уже сразу после осветлителей. Однако дозирование щелочи в воду после коагуляции, во-первых, вызовет переход выносимых из осветлителя взвешенных и коллоидных примесей в растворимые формы, увеличивая концентрацию в воде алюминия и железа, а во-вторых, потребует значительного расхода щелочи на нейтрализацию свободной углекислоты. Аналогично этому, и при обработке осветленной воды после механических фильтров расход щелочи на нейтрализацию СО₂ будет значительным (до 40 мг/л и более, в зависимости от режима коагуляции). В этой связи наиболее подходящим вариантом ввода едкого натра NaOH является его дозирование в декарбонизованную воду. Для доведения рН декарбонизо- ванной воды до требуемых значений (1_ст~0), необходимо практически полностью нейтрализовать остаточную углекислоту, содержание которой изменяется в достаточно широких пределах (от 3,5 до 9 мг/л). При этом значение pH, соответствующее насыщению pH_S, зависит и от щелочности декарбонизованной воды, т.е. необходимые дозы щелочи определяются как режимом работы декарбонизатора, так и режимом коагуляции (и щелочностью исходной воды).

На рисунке приведены расчетные зависимости pH от дозы щелочи для различного остаточного содержания углекислоты и щелочности декарбонизованной воды.

Приведенные зависимости показывают, что для достижения необходимых значений pH декарбонизованной воды (7,9-8) при различных значениях щелочности и содержания СО₂ дозы NaOH могут изменяться более чем в 2-3 раза. Учитывая, что изменение расхода декарбонизованной воды также требует изменения подачи щелочи, была разработана и реализована автоматическая система дозирования щелочи.

В соответствии с этой схемой управление подачей щелочи осуществляется частотным преобразователем с программируемым контроллером по двум аналоговым сигналам (4-20 мА). Первый, основной, сигнал формируется в контроллере как соотношение расхода щелочи и расхода воды (по данным расходомера, установленного до точки ввода щелочи); второй, корректирующий, поступает от pH-метра, установленного после точки ввода щелочи. Система управления насосами-дозаторами поддерживает заданное соотношение расхода щелочи к расходу воды с коррекцией этого соотношения в зависимости от pH обработанной воды (или отклонения pH от заданного значения).

Последующие пуско-наладочные испытания и эксплуатация узла подщелачивания в целом подтвердили устойчивость поддержания pH декарбонизованной воды на заданном уровне: отклонения не превышали ±(0,1-0,15), хотя при значительных колебаниях расхода наблюдалась естественная при пропорциональном регулировании инерционность системы.

В целом, подщелачивание декарбонизованной воды позволило снизить интенсивность коррозионных процессов по тракту ВПУ, стабилизировать подачу аммиака для коррекционной обработки и добиться некоторого снижения концентрации продуктов коррозии в питательной воде. Тем не менее, коррозия как трубопроводов ХОВ (от химцеха до КТЦ), так и питательного тракта станции не позволила снизить содержание железа в питательной воде до нормируемого уровня (не более100 мкг/л).

При низких значениях концентрации кислорода в питательной воде и устойчивом поддержании pH на нормируемом уровне повышенную интенсивность коррозии углеродистой стали можно объяснить отсутствием плотной защитной пленки магнетита на поверхности металла или ее разрушением под слоем рыхлых отложений [2]. Кроме того, из-за высокого коэффициента распределения аммиака между паром и водой (~13), а, следовательно, его пониженной концентрации в конденсатах, для повышения pH конденсатов на станции было предусмотрено дополнительное аминирование непосредственно потоков отборного пара. Исключить необходимость дополнительного аминирования можно за счет применения взамен аммиака менее летучих аминов, например, морфолина. Морфолин характеризуется коэффициентом распределения, равным примерно 0,4, т.е. при испарении воды или конденсации пара большая его часть остается в водной фазе (или переходит в нее). Однако необходимое для коррекционной обработки воды количество морфолина значительно превышают количество аммиака [6]. С учетом его более высокой стоимости на некоторых станциях реализуется так называемый морфолино-аммиачный водный режим. Применение такого режима в условиях Закамской ТЭЦ, где в качестве добавочной используется умягченная вода, и поэтому требуются более высокие дозы щелочных реагентов, экономически нецелесообразно. Кроме того, потребуются и дополнительные, довольно продолжительные, исследования его эффективности.

Внедрение коррекционной обработки

Последнее время за рубежом все большее распространение находят водно-химические режимы с применением для защиты от коррозии пленкообразующих аминов различного состава, выпускаемых под общей маркой «Хеламин» [7]. Образуя защитную гидрофобную пленку на поверхности металла, хеламин существенно снижает скорость коррозии. Однако эффективность использования этого реагента зависит от многих факторов (качества питательной воды, режима работы оборудования, состояния теплообменной поверхности, наличия на ней отложений и др.), и в каждом конкретном случае требуется специальная проработка вопроса. Использование хеламина, кроме того, значительно увеличивает эксплуатационные расходы. В этой связи в качестве корректирующего реагента было решено использовать значительно более дешевый отечественный реагент Аминат ПК-2, представляющий собой водный раствор смеси летучих аминов: диметиламиноэтанола, циклогексиламина и морфолина.

Циклогексиламин, как и аммиак, может использоваться для коррекции pH, являясь при этом более сильным основанием, а его коэффициент распределения составляет примерно 13,5. Совместное применение морфолина и циклогексиламина позволяет варьировать по необходимости коэффициент распределения, изменяя их соотношение в дозируемом реагенте. При этом увеличение доли морфолина приводит к повышению эффективности подщелачивания конденсатов. Диметила- миноэтанол также является летучим амином, однако из входящих в Аминат ПК-2 компонентов, по-видимому, только он может проявлять сколько-нибудь заметную склонность к сорбции на теплообменной поверхности. Имея в своем составе, наряду с катионоактивной N^-группой, группу -OH, диметиламиноэтанол может сорбироваться на поверхности металла за счет образования координационных поверхностных соединений [8]. Кроме того, это соединение может обладать и определенными стабилизирующими свойствами по отношению к продуктам коррозии железа, препятствуя их осаждению на поверхности металла. Следует также отметить, что применение данного отечественного реагента вряд ли может оказать сколько- нибудь заметное влияние на скорость коррозии медьсодержащих сплавов конденсатного тракта станции. При аммиачном водном режиме станции и наблюдаемых низких концентрациях кислорода в конденсатном тракте (~10-20 мкг/л) не было отмечено интенсивной коррозии латуни: содержание меди в конденсатах турбин, бойлеров и паре производственных отборов находилась в основном на уровне 5-15 мкг/л. И, хотя в литературе нет данных о константах устойчивости комплексов меди с компонентами Амината-ПК2, вряд ли они выше, чем с аммиаком.

Первый опыт применения рассматриваемого реагента на котлах низкого и среднего давления взамен аммиака позволил существенно снизить скорость коррозии. Однако для достижения эффекта на этих котлах потребовалось дозировать реагент в количестве от 20 до 30 мг/л. Повышенные дозы, по нашему мнению, были связаны, прежде всего, с необходимостью поддержания pH на уровне 9. Для этого, как уже отмечалось, необходимы большие, чем при аммиачном режиме, концентрации реагента в питательной воде. Для снижения расхода реагента, т.е. для повышения экономичности технологии, было решено организовать совместное дозирование аммиака и Амината ПК-2 с использованием имеющегося на ТЭЦ оборудования для дозирования аммиака.

Приготовление рабочего раствора аммиака и реагента осуществлялось в баках-мерниках аммиака. Ввиду того, что от точности их дозирования зависит стабильность ВХР станции, управление работой насосов-дозаторов также было автоматизировано с использованием частотного преобразователя и программируемого контроллера по двум аналоговым сигналам - от pH- метра и расходомера. Для снижения инерционности системы регулирования, в отличие от схемы подщелачивания декарбонизованной воды, в контроллере было запрограммировано управление с ПИД-регулированием. При этом аналоговые сигналы 4-20 мА поступали на модуль аналоговых входов контроллера от преобразователей pH-метра и расходомера, установленных на трубопроводах подачи добавочной воды в КТЦ.

Пуско-наладочные испытания технологии коррекционной обработки проводились в ноябре - декабре 2007 г. В ходе испытаний наряду с уточнением параметров регулирования систем автоматического дозирования реагентов, осуществлялся контроль ВХР станции. На первом этапе испытаний определялась оптимальное соотношение аммиака и реагента в дозируемом в ХОВ рабочем растворе. Первоначально приготавливался рабочий раствор с повышенной концентрацией Амината-ПК2, равной 4,5-5% и концентрацией аммиака 0,5-0,8%. Затем, по мере повышения содержания реагента в питательной воде (и снижения концентрации железа), концентрация реагента в рабочем растворе уменьшалась до 2,5-3% при одновременной коррекции концентрации аммиака. На протяжении всех испытаний химический контроль водного режима проводился в объеме, предусмотренном действующими нормативами, за исключением более частого контроля концентрации железа во всех потоках и дополнительного контроля концентрации Амината-ПК2 в питательной воде котлов и в конденсатах. Для оценки скорости коррозии и интенсивности отложений продуктов коррозии перед началом испытаний в коллекторах водяного экономайзера были установлены индикаторы коррозии и сделаны контрольные врезки на входных участках.

После насыщения всего питательного тракта реагентом и стабилизации ВХР станции в начале декабря концентрация железа по всему питательному тракту стабилизировалась на уровне 7080 мкг/л, что ниже нормы (100 мкг/л). Значение pH химочищенной воды устойчиво поддерживалось на задаваемом регулятором уровне (отклонения pH от заданных значений не превышали ±0,05 ед. и стабилизировались в течение нескольких минут). В этот период концентрация аммиака в питательной воде составляла ~1-2 мг/л, реагента - от 5 до 8 мг/л. Следует отметить, что прекращение подачи реагента достаточно быстро приводило к увеличению концентрации железа в питательном тракте. Этот факт свидетельствует скорее об адсорбционном механизме действия Амината-ПК2, чем об образовании сколько- нибудь устойчивой защитной пленки.

Последующая эксплуатация станции с коррекционной обработкой питательной воды рассматриваемым реагентом подтвердила надежность и устойчивость ВХР. Все основные показатели ВХР находились в нормируемых пределах, а концентрация железа в питательной воде не превышала 70-80 мкг/л. Значительно улучшилось и качество возвратного конденсата.

Результаты коррозионных испытаний показали, что скорость коррозии труб водяного экономайзера (ВЭК) не превышает 0,02 - 0,035 мм/год, а интенсивность железоокисных отложений на входных участках ВЭК и коллекторах уменьшилась в несколько раз и составила около 200-250 г/(м².год). Содержание меди в конденсатном тракте, как и ожидалось, практически не изменилось и находилось на уровне ~3-11 мкг/л. Следует также отметить, что в результате улучшения качества возвратного конденсата доля добавочной воды в балансе станции снизилась с 30-35% до 17-18%. Снижение расхода добавочной воды позволило не только полностью компенсировать увеличение затрат на коррекционную обработку питательной воды Аминатом ПК-2, но и получить экономию затрат за счет сокращения расхода соли на регенерацию фильтров в размере более 2 млн руб. в год.

Литература

1. Акользин П.А. Коррозия и защита металла теплоэнергетического оборудования. М.: Энергоиздат, 1982.

2. Стырикович М.А., Мартынова О.И., Миропольский З.Л. Процессы генерации пара на электростанциях. М.: Энергия, 1969.

3. Лапотышкина Н.П., Сазонов Р.П. Водоподготовка и водно-химический режим тепловых сетей. М.: Энергоато- миздат, 1982.

4. Манькина Н.Н. Физико-химические процессы в пароводяном цикле электростанций. М.: Энергия, 1977.

5. Протопопов В.С., Меньшикова В.Л., Макарова Л.В. Расчет количества отложений, образующихся на теплопередающей поверхности при конвективном теплообмене // Труды Моск. энерг. ин-та. 1988. вып. 166.

6. Hcmig H.E. Metall und Wasser. BRD, Essen, 1964.

7. Петрова Т.И., Фурунджиева А.В. Использованиехелами- на на тепловых электростанциях с барабанными котлами // Энергосбережение и водоподготовка. 2004. № 1.

8. Долматов Ю.Д., Салашенко О.Г., Гронский Р.К. и др. Взаимодействие в системе оксид железа - вода - полиэлектролит при обработке питательной воды парогенераторов сверхвысоких давлений //Химия и технология воды. 1983. Т. 5. № 4.

Размещено на Allbest.ru