Совершенствование теплового и водно-химического режима парогенерирующего оборудования ТЭС И АЭС при использовании плёнкообразующих аминов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО И ВОДНО-ХИМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПАРОГЕНЕРИРУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЭС И АЭС ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПЛЁНКООБРАЗУЮЩИХ АМИНОВ

Специальности: 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты;

05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

Симановский Александр Александрович

Иваново - 2008

Работа выполнена в ФГУП Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт атомного энергетического машиностроения (ФГУП ВНИИАМ).

Научный руководитель:

доктор технических наук Кукушкин Александр Николаевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Горбуров Вячеслав Иванович;

кандидат технических наук Виноградов Владимир Николаевич.

Ведущая организация ОАО "Фирма ОРГРЭС".

Защита состоится " 11 " апреля 2008 года в 11⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.064.01 при Ивановском государственном энергетическом университете по адресу: 153003, Иваново, Рабфаковская, 34, корпус "Б", аудитория 237.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 153003, Иваново, Рабфаковская, 34, Ученый совет ИГЭУ. Тел.: (4932) 38-57-12, факс: (4932) 38-57-01. Е-mail: uch_sovet@ispu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного энергетического университета.

Автореферат разослан " ___ " ___________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор А.В. Мошкарин.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из путей повышения экономичности и надежности теплоэнергетического оборудования является введение в пароводяной контур установок поверхностно-активных аминов (ПАА), которые за счет изменения физико-химических свойств рабочего тела и состояния внутренних поверхностей оборудования воздействуют на структуру двухфазных потоков, их гидродинамические и кавитационные характеристики, интенсивность тепломассообмена, повышают коррозионно-эрозионные защитные свойства металла, очищают загрязненные поверхности от отложений.

Эффективность работы парогенерирующей установки, а, следовательно, и энергетического блока в целом непосредственно зависит от характера процесса парообразования. Изучению этого вопроса уделяется повышенное внимание, однако в указанной области исследований в качестве среды обычно использовался традиционный теплоноситель - глубокообессоленная (чистая) вода, в то же время, как даже микродобавки ПАА способны изменить поверхностное натяжение двухфазных систем и повлиять на процессы теплообмена.

В этой связи представляется актуальным проведение комплекса исследований по влиянию микродобавок поверхностно-активного амина (в частности, октадециламина - ОДА) на процесс кипения и динамику парообразования в широком диапазоне давлений и относительно небольших тепловых потоков, характерных для водо-водяных теплообменных аппаратов ТЭС и АЭС, а также котлов-утилизаторов парогазовых установок (ПГУ). Представляет интерес определение концентрационных границ эффективного использования ПАА как для улучшения теплообмена, так и для эффективного ингибирования поверхностей нагрева от коррозии.

Цель работы состоит в разработке перспективных способов регулирования физико-химических свойств теплоносителя и состояния поверхностей нагрева энергоблоков ТЭС и АЭС для интенсификации процесса кипения и защиты поверхностей от коррозии путем микродозировки пленкообразующих аминов.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Создание экспериментальных установок для исследования физических особенностей процессов кипения и защитного пленкообразования в присутствии малых добавок ПАА в широком диапазоне давлений и тепловых нагрузок.

2. Разработка методик экспериментальных исследований и способов измерений, оценка достоверности результатов.

3. Проведение комплексных исследований процессов кипения и образования защитной пленки в водных растворах ПАА в лабораторных условиях, на модели парогенератора и на промышленных объектах тепловой и атомной энергетики.

4. Разработка рекомендаций по технологии микродобавок ПАА в пароводяной контур энергетических установок для повышения надежности, эффективности и ресурса теплоэнергетического оборудования.

Степень достоверности и практическая ценность результатов, полученных автором работы.

Достоверность научных результатов обеспечена применением стандартизованных и классических методов контроля состояния теплоносителя и поверхности конструкционных материалов в условиях пароводяного тракта энергоблока; проведением экспериментальных исследований на нескольких лабораторных и полупромышленных стендах при подтверждении основных результатов и выводов; совпадением отдельных результатов с результатами других исследователей.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработан и испытан комплексный метод физического эксперимента процессов кипения, динамики генерации пара и пленкообразования на теплопередающих поверхностях парогенератора при малых дозировках в водный теплоноситель поверхностно-активного амина (ПАА) от 0 до 20 мг/л в области давлений 0,01-6,0 МПа и тепловых потоков от 40 до 500 кВт/м², позволяющий оценивать суммарный эффект от применения микродозировок ПАА.

2. Экспериментально подтверждена способность ПАА к разрыхлению и смыву ранее образованных твердых отложений и к созданию защитной пленки на поверхностях теплообмена парогенератора при малых дозировках октадециламина (ОДА) от 1 до 5 мг/л, в отличие от Хеламина эффективные концентрации которого на порядок выше.

3. Получены новые данные по положительному влиянию микродозировок ОДА на процессы парообразования водного теплоносителя на лабораторном стенде и в разных режимах работы парогенерирующего оборудования энергоустановок и позволяющие определить диапазоны эффективных концентраций ОДА от 2 до 10 мг/л, что соответствует также эффективному пленкообразованию и защите от коррозии поверхностей нагрева.

Практическая ценность работы:

1. Подтверждена возможность использования корректирующей добавки ПАА в теплоноситель для повышения надежности теплообменного оборудования ТЭС и второго контура АЭС с ВВЭР-440. Показана возможность увеличения паропроизводительности установки на 10-15 % при С_ОДА=2-10 мг/л.

2. Даны рекомендации по технологии применения ОДА для малых дозировок в пароводяной тракт энергоблоков ТЭС и вторых контуров АЭС с парогенераторами ВВЭР-440.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований использованы при разработке методических указаний (РД № 34-20.591-97) и руководящего документа (РД ЭО 0408-02).

Личный вклад автора в работу. Лично автором выполнено: постановка задач, проектирование, изготовление экспериментальных установок, проведение экспериментов в лабораторных и испытаний в промышленных условиях, обработка и анализ полученных данных.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунков, 17 таблиц. Список использованной литературы включает 96 наименований.

Апробация работы. Основные материалы и результаты работы докладывались и обсуждались на пятой российской научно-технической конференции "Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности" (г. Ульяновск, 20-21 апреля 2006 года), научно-технических семинарах ВНИИАМ (2000-2004 гг.), ИГЭУ (2008 г.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, изложены научная новизна, цели, задачи, практическая значимость работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор литературных данных по теории влияния различных поверхностно-активных веществ и органических соединений на процесс теплообмена при кипении, а также рассмотрены особенности парообразования в теплообменном оборудовании ТЭС и вторых контурах АЭС с ВВЭР.

Подробно рассмотрены физико-химические свойства одного из ПАА - октадециламина (ОДА) - С ₁₈Н ₃₇NН ₂.

Адсорбируясь на загрязненных металлических поверхностях, ОДА создает хорошо гидратированный адсорбционный слой, что обусловливает возникновение расклинивающего давления и отрыв частиц отложений от поверхности. теплоноситель коррозия пленкообразующий амин

В конце прошлого века на Кольской АЭС, Балаковской АЭС, а также на ряде объектов тепловой энергетики при активном участии МЭИ и ВНИИ АМ были проведены испытания по кондиционированию питательной воды парогенераторов дозировками ОДА и консерваций энергоблоков с использованием ПАА. За 10 лет в России и за рубежом было законсервировано более двухсот крупных энергетических агрегатов. Однако, наряду с положительными результатами отмечались негативные явления, что приостановило продвижение ПАА в теплоэнергетику. В последние годы появились новые поверхностно-активные амины, среди которых выделяются ODACON (получен на основе ОДА) и Хеламин, относящийся к полиаминам. Новые энергоблоки ТЭС с ПГУ (Калининградская ТЭЦ, Сочинская ТЭС, Ивановские ПГУ) ориентированы на микродозировки ПАА, в частности Хеламина, в питательную воду котлов-утилизаторов при обогреве котельных труб продуктами сгорания с выхлопа газовых турбин.

Первые годы эксплуатации выявили ряд проблем, включая повышенные концентрации в пароводяном контуре железа и меди, а также повышенный расход дорогостоящего Хеламина.

Во второй главе представлена методика выполнения работы и результаты лабораторных исследований по влиянию малых добавок ОДА на процессы пленкообразования, парообразования и теплообмена при кипении в большом объеме в широкой области давлений и тепловых нагрузок.

Эксперименты в области давлений р 100 кПа проводились на опытной установке, схема которой представлена на рис. 1. В качестве нагревательного элемента использовалась медная горизонтальная трубка d = 3,410^-2 м, l = 0,12 м с размещенным внутри нее электрическим нагревателем. Динамика парообразования изучалась с помощью скоростной киносъемки в двух проекциях. Диапазон исследуемых параметров: тепловой поток q = 40-120 кВт/м ²; концентрация ОДА С = 0,3-70 мг/кг. Опыты показали, что при добавках ОДА в кипящую воду перепад температур стенка - жидкость Т уменьшается, что можно определить с ростом теплоотдачи от поверхности к среде. Интенсивность теплоотдачи зависит как от теплового потока - q так и концентрация ОДА (С, мг/кг) (рис. 2). Из графика (рис. 2) следует, что существует некоторая оптимальная концентрация ОДА - С_опт, которой соответствует максимальный прирост теплоотдачи. Значение С_опт определяется тепловым потоком и располагается для исследованных условий в диапазоне С 3-10 мг/кг. При добавке ОДА изменяется динамика парообразования - происходит уменьшение отрывного диаметра пузырей (D_о) и увеличение их общего числа (f) (рис. 3).

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки

Рис. 2. Влияние концентрации OДA на теплоотдачу, при р = 100 кПа: 1-3 - q соответственно равно 40, 80 и 120 кВт/м²; Т_дист - температурный напор при кипении чистого дистиллята

Боковые стенки сосуда, в котором происходило кипение, были выполнены из оптического стекла, что давало возможность визуально исследовать изменение динамики парообразования при различных концентрациях ПАА в объеме жидкости. Анализ кинограмм позволял определить среднюю скорость роста пузыря dR/dt; максимальный размер пузыря R_макс; время роста пузыря t_p; время задержки t_з (когда пузырь отсутствует на поверхности) и частоту генерации пузырей f.

Рис. 3. Влияние концентрации ОДА на отрывные размеры (а) и относительную частоту генерации паровых пузырей (б) (р = 100 кПа; q = 40 кВт/м²)

На рис. 4 представлены данные по кинетике роста пузырей при кипении водных растворов ОДА различной концентрации. Видно, что с ростом концентрации ОДА уменьшается максимальный размер генерируемых пузырей R_макс. Одновременно происходит уменьшение времени роста пузырей t_p, а время задержки t_з снижается практически до нуля. Частота отрыва пузырей

=(t_p+t_з)-¹

существенно увеличивается с ростом концентрации ОДА в растворе.

Максимум частоты отрыва пузырей соответствует концентрации, при которой раствор ОДА переходит в мицеллярную фазу.

Анализ кинокадров позволяет сделать еще один важный вывод: при кипении чистой воды генерируемые теплообменной поверхностью пузыри вытянуты в горизонтальном направлении (R_x/R_y 2), в то время как в присутствии ОДА пузыри имеют сферическую форму.

Рис. 4. Кинетика кипения водных растворов OДA. Время роста (а), задержки (б) и максимальный размер (в) пузырей при кипении водных растворов OДA (р = 100 кПа, q = 240 Вт/м ²): 1 - максимальный радиус пузыря R_max; 2 - частота генерации пузырей f

На второй установке было исследовано влияние добавок ОДА на интенсивность теплообмена и критические тепловые потоки при кипении в диапазоне давлений р=0,07-0,5 МПа. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема выпарной части опытной установки: 1 - выпарной сосуд; 2 - токоподвод; 3 - поверхность нагрева; 4 - плавнорегулируемая система нагрева; 5 - экспериментальный участок; 6, 7 - термопары; 8-10 - вакуумная система; 11, 12, 16 - манометры; 13-15 - регулирующие вентили

Опытные данные представлены в виде зависимости

= Сqⁿ = ()

на рис. 6, где - коэффициент теплоотдачи (Вт/(м ²с)), q - плотность теплового потока (кВт/м²), С и n - константы. Дозирование ОДА производилось периодически.

Рис. 6. Результат исследования влияния дозировки ОДА на теплообмен при кипении (р=70 кПа)

Анализ результатов позволяет сделать следующие заключения. При однократной дозировке ОДА, вследствие повышения его концентрации в растворе, происходит резкое повышение коэффициента теплоотдачи . Далее часть молекул ОДА адсорбируется на поверхностях, и концентрация ОДА в растворе уменьшается. Последнее обстоятельство приводит к снижению до определенного значения (но все-таки это значение остается выше, чем для случая кипения чистой воды). Периодическое дозирование ОДА приводит к постепенному насыщению поверхности теплообмена молекулами ОДА и увеличению его концентрации в объеме жидкости. При достижении оптимальной концентрации, зависящей от давления, теплового потока, материала и состояния поверхности, может быть достигнуто повышение уровня теплоотдачи приблизительно на 50 % (рис. 6,е). Передозировка ОДА может привести к образованию двойных или полислоев молекул ОДА на поверхности теплообмена, что влечет за собой кратковременное понижение . Устойчивость этого слоя сравнительно невелика, и он при тепловой нагрузке быстро разрушается (рис. 6, f).

Важным фактом является то, что при длительной эксплуатации парогенерирующей поверхности в условиях кипения с добавками ОДА устанавливается некоторое "предельное" покрытие этой поверхности, при которой теплоотдача стабилизируется.

Эксперименты по способности малых добавок ОДА в теплоносиетль к смыву ранее образованных твердых отложений, к образованию защитной пленки на поверхностях конструкционных металлов проводились с использованием описанных лабораторных установок, на стенде ОКБ "Гидропресс", полномасштабной модели парогенератора (ТЭЦ-9 ОАО "Мосэнерго"), а также в промышленных условиях работы оборудования Ульяновской ТЭЦ-1 и Кольской АЭС с использованием проточной камеры, предназначенной для коррозионных испытаний опытных образцов, обтекаемых питательной водой.

В третьей главе представлены результаты опытного исследования по эффективности защиты металла парогенерирующих поверхностей нагрева от коррозии микродозировками ПАА в водный теплоноситель.

Исследования по смыву ранее образованных твердых отложений микродозировками ОДА проводились в лабораторных условиях и на стенде ОКБ "Гидропресс" при рабочих параметрах теплоносителя (р=7,0 МПа, t_п.в=180 °С, t_п=286 °С). Концентрация ОДА в питательной воде (п.в.) на входе в модель парогенератора поддерживается на уровне 1,0-1,5 мг/л. В период отмывки один раз в сутки осуществлялся отбор проб пара, питательной и котловой воды для химических анализов.

В табл. 1 приведены результаты анализа количества отложений и их химический состав до и после отмывки. Приведённые данные позволяют заключить, что состав отложений в обоих случаях практически не изменился, заметно уменьшилось лишь удельное содержание меди в отложениях. Существенно отличается эффективность отмывки трубных досок, изготовленных из углеродистой и нержавеющей стали. Это свидетельствует о значительно меньшей адгезии железоокисных отложений к нержавеющей стали по сравнению с адгезией к углеродистой стали.

Таблица 1. Результаты отмывки с использованием ОДА поверхностей нагрева опытного парогенератора

Место отбора отложений	Количество отложений, г/м2	Состав отложений*, %
	до отмывки	после отмывки	Fe2O3	CuO	SiO2	ZnO	CaO
Трубчатка № 1	45,7	22,3	65,6/69,1	32,7/14,0	1,4/4,2	1,8/0,8	2,7/1,9
Трубчатка № 2	50,0	12,0	63,7/69,1	32,6/14,0	1,7/4,2	1,8/0,8	2,8/1,9
Трубная доска (углеродистая сталь)	78,9	64,0	80,2/84,7	10,1/2,0	1,6/1,5	2,0/1,7	1,2/0,7
Трубная доска (нержавеющая сталь)	53,0	6,9	39,7/	54,7/	1,4/	1,9/	0,9/

*до отмывки/после отмывки.

В целом результаты дозировки ОДА показали, что в таком режиме эксплуатации не только не происходит осаждение примесей на поверхности, но наблюдается заметное удаление ранее образовавшихся отложений и их разрыхление, что даёт основание считать октадециламиновый водный режим безнакипным.

Экспериментальные исследования пленкообразующих свойств микродозировок ПАА в теплоноситель изучались первоначально на опытных образцах. Опыты проводились как в лабораторных условиях при атмосферном давлении, так и в реальных условиях пароводяного тракта энергоблоков ТЭС и АЭС. Сравнивались: поверхностно-активный моноамин (ОДА или его аналог ODACON) и используемые в энергетике смеси полиаминов, например, Хеламин. Эффективной концентрацией ингибитора является его минимальное значение, при котором обеспечивается полное ингибирование поверхности. Приведённые данные показывают, что эффективный диапазон концентраций ODACON соответствует уровню микродозировок ПАА в питательную воду до 5 мг/л - уровню, дающему улучшение теплообмена при кипении, тогда как эффективные концентрации Хеламина существенно превышают этот уровень. Эффективность микродозировок ОДА для защиты от коррозии оборудования питательного тракта была подтверждена опытами на Кольской АЭС, где в потоке питательной воды через коррозионную камеру длительному испытанию были подвержены образцы углеродистой стали 20 и легированной стали 08Х 14МФ (рис. 7). Результаты свидетельствуют о высоких коррозионно-защитных свойствах плёнки, сформированной на поверхности металла как в период эксплуатации энергоблока с микродозировками ОДА, так и в период останова блока на плановый ремонт (ППР).

а) б)

Рис. 7. Зависимость удельной коррозионной потери массы стали 20 (а) и стали 08Х 14МФ (б) от продолжительности испытаний:

- экспериментальные значения в период работы на мощности;

- экспериментальное значение после ППР

Часто ПАА используется непосредственно для консервации основного теплоэнергетического оборудования на период останова в резерв или ремонт. В рамках данной работы автором выполнено сравнение показателей консервации перед остановом энергоблока ТЭЦ-23 ОАО "Мосэнерго" (с турбиной Т-250-240) и энергоблока №1 Заинской ГРЭС. В первом случае, консервация проводилась композицией (соединением) аминов СА-1 с концентрацией до 100-120 мг/л, во втором - микродозировками ODAСON в три этапа с максимальной концентрацией 5 мг/л. При примерно одинаковом вымывании железа и меди по паро-водяному тракту и качественным показателям консервации поверхностей оборудования удельная адсорбция ОДА на поверхностях блока №1 Заинской ГРЭС (табл. 2) не менее минимально допустимой (0,3 мкг/см ²) и получена при существенно меньших расходах дорогостоящего реагента.

Усовершенствованная технология консервации основного теплоэнергетического оборудования проводилась с участием автора на Ульяновской ТЭЦ-1.

Автором разработана и приведена в диссертации методика и результаты расчёта технико-экономической эффективности применения ОДА-технологии консервации на примере водогрейных котлов Ульяновской ТЭЦ-1. Показано, что суммарный экономический эффект на типовой водогрейной котельной Ульяновской ТЭЦ-1 за период с 1993 г. по 2001 г. составил 11 млн. 562 тыс. рублей в ценах 2001 года.

Таблица 2. Адсорбция ОДА на поверхности оборудования блока №1 Заинской ГРЭС

Место отбора пробы	Удельная адсорбция ОДА, мкг/см2	Гидрофобность
Деаэратор 1А, водная часть	0,30	хорошая
Деаэратор 1А, паровая часть	0,81	хорошая
Патрубок ЦСД	0,31	хорошая
ЦНД, 24-я ступень	0,33	хорошая
ЦСД, 23-я ступень	0,38	хорошая
Конденсатор 1Б, люк	0,91	хорошая
КПП-1А	0,30	слабая
ВЭ-1Б	0,42	отличная
ВЭ-1А	0,52	отличная
ВРЧ II-1А	0,29	слабая
СРЧ-1А	0,32	удовлетворительная
НРЧ-1Б	0,41	отличная

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования влияния микродобавок ОДА на теплопередачу и гидродинамику двухфазного рабочего тела в полномасштабной модели парогенератора (ПГ).

Модель ПГ (общая площадь поверхности теплообмена 2 м²) была подключена к двухконтурному экспериментальному стенду разомкнутого типа. Греющей средой первого контура являлась питательная вода при давлении р=12,5 МПа на ТЭЦ-9 ОАО "Мосэнерго", температура которой регулировалась с помощью паровых подогревателей. В межтрубное пространство модели подавалась питательная вода второго контура с микродобавками ОДА при р=3-5 МПа и температуре, близкой к температуре насыщения.

В соответствии с методикой проведения опытов концентрация ОДА в котловой воде в процессе каждого отдельного опыта поддерживалась постоянной. Для этого осуществлялось непрерывное дозирование ОДА путем впрыска из термостата во входной коллектор второго контура модели водного раствора ОДА с постоянной концентрацией и неизменным расходом с помощью насоса-дозатора НД 100/250. В течение 3-4 ч с момента начала дозирования концентрация ОДА в котловой воде стабилизировалась, после чего проводились теплофизические измерения. Общая продолжительность единичного эксперимента составляла 8-10 ч.

В опытах измерялись среднемассовые значения температуры входа и выхода, давления и расхода теплоносителя по первому и второму контурам. Для определения паросодержания в паровом пространстве модели использовалось 10 кондуктометрических датчиков. Концентрация ОДА в котловой воде и паре определялась по результатам химического анализа (экстракционный колометрический метод) проб, взятых в трех точках по высоте водяного объема модели и в трех точках по высоте парового пространства. Эксперименты проводились при давлении в корпусе модели 3, 4 и 5 МПа при тепловой нагрузке q=70-140 кВт/м². Концентрация С_ОДА в котловой воде изменялась от 0 до 50 мг/кг.

Исследовалась интенсивность теплоотдачи при введении в теплоноситель ОДА. Показано, что при С_ОДА=2-10 мг/кг теплоотдача улучшается на 10-15 %, а при С_ОДА15 мг/кг интенсивность теплоотдачи резко снижается. Характер полученной зависимости качественно согласуется с ранее полученными представлениями о влиянии микродобавок ОДА на механизм процесса парообразования. Малая концентрация ОДА не оказывает существенного влияния на динамику парообразования. С увеличением количества ОДА в котловой воде изменение физико-химических свойств теплоносителя и, в первую очередь, значительное снижение поверхностного натяжения приводит к уменьшению отрывных диаметров пузырей и росту частоты их отрыва, следствием чего является улучшение теплоотдачи. При определенной концентрации ОДА в растворе (С_ОДА 15 мг/кг), по-видимому, достигается предельная адсорбция молекул ОДА на поверхности теплообмена, и дальнейшее увеличение С_ОДА приводит к образованию устойчивых полислоев молекул ОДА на поверхности парогенерирующих трубок с соответственным ростом термического сопротивления пристенной области и резким ухудшением теплопередачи.

Важной характеристикой процесса генерации пара, непосредственно связанной с теплопередачей, является паропроизводительность установки. Опытные данные по паропроизводительности модели парогенератора в зависимости от входной энтальпии греющей воды при неизменном ее расходе по первому контуру и при различных концентрациях ОДА в котловой воде приведены на рис. 8. Следует отметить, что в этих опытах паросодержание на выходе из модели, измеренное с помощью кондуктометрических датчиков, было близко к единице и, следовательно, влияние влажности пара на паропроизводительность исключается.

Анализ данных показал, что при С_ОДА = 2-10 мг/кг и прочих равных условиях паропроизводительность может быть повышена на 10-15 %, при С_ОДА 15 мг/кг она значительно снижается.

Рис. 8. Влияние микродобавок ОДА на паропроизводительность модели ПГ (q = 130 кВт/м²)

С помощью набора кондуктометрических датчиков паросодержания, расположенных в паровом пространстве модели котла, были получены данные по влиянию ОДА на гидродинамику барботажного слоя. Процессы, протекающие в этом слое, оказывают существенное влияние на унос влаги, что в реальных условиях во многом определяет надежную работу турбоустановки.

Согласно современным представлениям парораспределение в барботажной колонке характеризуется двумя зонами: динамическим двухфазным слоем с постоянным паросодержанием по высоте и переходным участком от этого слоя к парокапельному потоку, характеристики которого определяются в основном приведенной скоростью пара и давлением.

На рис. 9 представлены результаты исследования влияния последовательного увеличения концентрации ОДА (С_ОДА 10 мг/кг) на паросодержание в динамическом двухфазном слое и протяженность переходного участка. Анализ результатов показал, что и в той, и в другой области отклонения для различных концентраций ОДА лежат в пределах погрешности определения паросодержания, которая составляет приблизительно 20 %. Из этого следует, что при С_ОДА 10 мг/кг и q = 130 кВт/м ² добавки ОДА не оказывают существенного влияния на характеристики указанных областей. Повышение концентрации ОДА до 20-30 мг/кг, как показывают результаты экспериментов, приводит к вспениванию потока и увеличению на 20-25 % паросодержания в динамическом двухфазном слое. Это сопровождается существенным повышением выноса влаги из парогенератора.

Рис. 9. Паросодержание в модели для расхода пара от 0,123 до 0,177 кг/с при р = 4,0 МПа и q = 130 кВт/м ² в зависимости от концентрации ОДА: 1 - СОДА=0,02 мг/кг, 2 - СОДА=0,75 мг/кг, 3 - СОДА=2,8 мг/кг, 4 - СОДА=14,7 мг/кг, 5 - без ОДА, 6 - расчетные значения

На основании исследований можно сделать следующие выводы: оптимальным, с точки зрения теплоотдачи и повышения паропроизводительности энергоустановки, является концентрация ОДА

2-10 мг/дм ³, превышение С_ОДА15 мг/кг нежелательно, так как приводит к значительному ухудшению теплоотдачи; при С_ОДА10 мг/кг микродобавки ОДА не оказывают существенного влияния на характеристики двухфазного слоя и, следовательно, не могут привести к нарушению режима работы турбоустановки.

Пятая глава посвящена промышленным испытаниям эффективности работы парогенерирующего оборудования энергоустановок при дозировании в теплоноситель ОДА, анализу использования ОДА и Хеламина для защиты поверхностей нагрева от коррозии и разработке рекомендаций по использованию ПАА в теплоэнергетике.

Теплогидравлические испытания парогенератора осуществлялись посредством регистрации параметров с помощью штатных приборов. По этим данным рассчитывается эксплуатационный коэффициент теплопередачи:

;

Q = G_пв(h"- h_пв) - G_прод(h"- h_s);

,

где Q - тепловая мощность ПГ; S_ф - фактическая поверхность нагрева ПГ; Т - логарифмический температурный напор.

Измерение весового уровня в парогенераторе осуществлялось с помощью штатных измерительных средств. Влажность пара при проведении испытаний определялась по коэффициенту уноса натрия (по отношению его концентрации в конденсате пара и в котловой воде).

Для получения исходных базовых данных были определены до начала дозирования ОДА влажность пара в паровом объеме и на выходе из парогенератора, а также значение коэффициента теплопередачи. Измерения проводились при паропроизводительности парогенератора G=380-420 т/ч и температуре питательной воды t_п.в=160 °С (при отключенных подогревателях питательной воды). При этих условиях влажность пара на выходе из парогенератора не превышала значения y=0,02 %, а в зоне пробоотборников, находящихся на уровне 300 мм над верхом трубного пучка, изменялась в зависимости от положения весового уровня в пределах у=0,07-0,6 %.

Результаты опытов по влиянию ОДА на влажность пара в паровом пространстве парогенератора свидетельствует о том, что наличие ОДА в котловой воде в концентрации до С=70 мкг/кг практически не влияет на влажность пара в сопоставимых условиях.

Эксплуатационный коэффициент теплопередачи ПГ в период дозирования ОДА также практически находился на исходном уровне.

Проведенное исследование показало возможность использования малых дозировок ОДА (ODACON) и Хеламина для создания защитной пленки на поверхностях теплообмена. При этом требуемый уровень дозировки ODACON в теплоноситель существенно ниже, чем Хеламина.

Анализ результатов исследований германских специалистов подтвердил, что в условиях дозировки ODACON наблюдается существенно более быстрое протекание процессов адсорбции ПАА на поверхности, чем при дозировках Хеламина.

В результате обработки данных исследований на Кольской АЭС автором совместно с научным руководителем выдвинуто предположение о влиянии ОДА на кинетику образования железоокисных отложений на поверхностях нагрева в парогенераторе по механизму электромиграции.

Эксперименты были проведены на энергоблоках Кольской АЭС при эксплуатации их на мощности в стационарном режиме. Энергоблок № 1 эксплуатировался в ОДА-гидразионном водно-химическом режиме второго контура, энергоблок № 2 - в штатном гидразионном водно-химическом режиме. Были проанализированы электромиграционные свойства частиц железооксидных соединений, находящихся в котловой воде.

Анализ полученных данных показывает, что в теплоносителе (продувочной воде парогенератора) присутствуют разнозаряженные мелкодисперсные продукты коррозии железа.

При этом в ОДА-гидразинном ВХР отмечено существенно меньшее суммарное количество заряженных частиц продуктов коррозии.

Данный эффект был экспериментально подтверждён при ОДА-гидразинном ВХР второго контура энергоблока № 1 Кольской АЭС в течение одной эксплуатационной кампании (примерно 7 тыс. ч.).

Данное обстоятельство позволяет более эффективно удалять продукты коррозии с продувочной водой и при дренировании парогенератора.

На основании выполненных исследований даны рекомендации по использованию ОДА-технологии обработки водного теплоносителя на теплоэнергетическом оборудовании.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для обоснования новых технологий использования поверхностно-активных аминов в тепловой и атомной энергетике, обеспечивающих защиту поверхностей нагрева от коррозии, создан комплекс экспериментальных стендов и разработаны методики для исследования процессов генерации пара, теплообмена и пленкообразующих свойств ПАА.

2. На основании комплекса исследований в области р6 МПа и q500 кВт/м ² установлено влияние ОДА на теплообмен и динамику парообразования при кипении в большом объеме. Определены оптимальные концентрации ОДА (от 2 до 10 мг/л), при которых за счет уменьшения отрывного размера пузырей и увеличения частоты их генерации реализуются режимы с повышенной теплоотдачей (до 30 %).

3. Экспериментально подтверждена способность микродозировок ОДА в теплоноситель к разрыхлению и сносу твердых отложений с поверхностей нагрева парогенератора. Показано, что ODAСON (на основе ОДА) способен образовывать защитную плёнку на поверхности металла при концентрациях ОДА в теплоносителе до 5 мг/л, тогда как эффективная концентрация Хеламина, определённая на основе изотерм адсорбции, составляет около 100 мг/л. Отмеченное свойство ODAСON реализовано как для эксплуатационного режима, так и для режима консервации теплоэнергетического оборудования ряда энергоблоков, когда при максимальной концентрации ОДА 5 мг/л на поверхностях нагрева получена гидрофобная плёнка с величиной удельной адсорбции 0,3 мкг/см ² и более.

4. Предложена методика и выполнен расчёт экономической эффективности применения ОДА-технологий консерваций на примере работы водогрейных котлов Ульяновской ТЭЦ-1. Показано, что суммарный экономический эффект на типовой водогрейной котельной за период с 1993 года по 2001 год составил 11 млн. 562 тыс. рублей в ценах 2001 года.

5. На полномасштабной модели парогенератора исследовано влияние ПАА на паросодержание в динамическом двухфазном слое и протяженность переходного участка от двухфазного слоя к парокапельному потоку, а также влажность пара в паровом объеме. При концентрациях ОДА в котловой воде С=1-10 мг/кг возможно увеличение паропроизводительности установки на 10-15 %. Дальнейший рост концентрации ОДА С15 мг/кг приводит к вспениванию, что сопровождается повышенных выносом влаги. В этих режимах зафиксировано снижение теплопередачи.

6. Промышленные испытания влияния ОДА на эффективность работы парогенератора ПГВ-440 Кольской АЭС позволили сделать вывод, что в практических условиях при концентрации ОДА в котловой воде на уровне С100 мкг/кг не происходит ухудшения теплообмена, сепарационных характеристиках и влажности пара в паровом объеме.

7. Полученные результаты использованы в атомной и тепловой энергетике при обосновании применения микродобавок ОДА для коррекции водного режима пароводяного контура, а также при консервации оборудования по ОДА-технологии.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Кукушкин А.Н., Симановский А.А. Кипение жидкостей, содержащих микродобавки поверхностно-активных веществ /Энергосбережение и водоподготовка. 2007. №4. С. 52-54.

2. Кукушкин А.Н., Михайлов В.А., Симановский А.А. Оценка защитных эрозионно-коррозионных свойств морфолина и октадециламина / Энергосбережение и водоподготовка. 2007. №4. С. 55-56.

3. Технико-экономические аспекты внедрения консервации оборудования Ульяновской ТЭЦ-1 пленкообразующими аминами // А.А. Симановский, А.Н. Кукушкин, В.А. Михайлов и др. /Вестник МЭИ. №2. 2004. С. 27-30.

Публикации в других изданиях:

4. Консервация на енегиен блок №3 на ТЕЦ "Варна" с исползуване на филмиообразуващ амин / А. Кукушкин, Р. Балаян, А. Симановский и др. // Енергетака. 1999. № 6. С. 7-11.

5. Влияние добавок октадециламина на теплогидравлические характеристики парогенерирующего оборудования / А.Н. Кукушкин, В.В. Новиков, А.А. Симановский и др. // Новое в российской энергетике. 2005. № 10. С. 31-35.

6. Обобщение опыта защиты от атмосферной коррозии энергооборудования АЭС и ТЭС путем его консервации по ОДА (ODACON)-технологии / Г.А. Филиппов, А.Н. Кукушкин, А.А. Симановский и др.// Новое в российской энергетике. 2005. №8. С. 15-26.

7. Исследование свойств водных эмульсий октадециламина в турбулентном режиме течения / Г.А. Филиппов, А.Н. Кукушкин, А.А. Симановский и др. // Новое в российской энергетике. 2006. №5. С. 54-57.

8. Влияние микродобавок октадециламина на частичное удаление ранее сформировавшихся на поверхностях теплообмена отложений в эксплуатационных режимах / А.Н. Кукушкин, С.И. Брыков, А.А. Симановский и др. // Новое в российской энергетике. №10. 2006. С. 36-38.

9. Симановский А.А. Внедрение ОДА-технологии на Ульяновской ТЭЦ-1. Опыт применения и расчёт экономического эффекта / Сб. тез. на пятой российской науч.-техн. конф. "Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности" г. Ульяновск. 2006 г. Том 2. С. 374-380.

10. Исследование электромиграционных характеристик продуктов коррозии в котловой воде парогенераторов ПГВ-440 при различных водно-химических режимах / Н. Кукушкин, Л.Ф. Бармин, А.А. Симановский и др. // Новое в российской энергетике. 2007. № 2. С. 29-31.

Размещено на Allbest.ru