Совершенствование технологии обработки водного теплоносителя на тепловых и атомных электростанциях на основе использования перспективных ионитов

АВТОРЕФЕРАТ

Гостьков Владимир Васильевич

Таблица 2. Усредненные изменения характеристик ионитов

В среднем входные характеристики отечественных ионитов близки к таковым для импортных ионитов, заметно уступая в показателях: осмотическая стабильность и механическая прочность. Требования в полном объеме к качеству вновь загружаемых ионитов (входной контроль) составлены ВНИИ АЭС с участием автора и вошли в стандарт предприятия. С участием автора составлены объем и требования к эксплуатационному контролю ионитов, который должен проводиться:

· по истечению ориентировочного срока службы ионита;

· один раз в год после истечения ориентировочного срока службы ионита, в случае продления его эксплуатации;

· при возникновении нарушений качества обрабатываемой воды или нарушений в работе ионообменных установок.

Объем эксплуатационного контроля сокращен по сравнению с входным контролем и подчинен основным задачам эксплуатации ионитов в фильтрах ХВО и БОУ (КО) тепловых электростанций по обеспечению требуемого качества теплоносителя. На основании множественных испытаний ионитов с участием автора разработаны допустимые изменения качества гранульных ионитов (табл. 3) оформленные в виде требований стандарта предприятия.

Таблица 3. Требования стандарта предприятия (объём обязательного эксплуатационного контроля) - допустимые изменения показателей качества гранульных ионитов по истечении ориентировочного срока службы

Примечание: ROH - анионитные фильтры; HR - катионитные фильтры; в строках 2 и 3 в скобках приведены соответствующие значения допустимых изменений ДОЕ и «доли целых гранул», рекомендуемые для ХВО ТЭС

Если изменения показателей качества ионообменных смол, загруженных в фильтры данной установки, находятся в допустимых пределах, то они подлежат дальнейшей эксплуатации. Если изменение хотя бы одного показателя качества ионита выходит за допустимые пределы - ионит подлежит замене. Как видно из табл. 3 требования стандарта организации для химводоочисток (ХВО) и блочных обессоливающих установок (БОУ) ТЭС, существенно слабее, по крайней мере, по нормируемым показателям «динамическая обменная ёмкость» и «доля целых гранул», по сравнению с требованиями на качество ионитов для АЭС. При этом, наиболее жёсткие требования предъявляются к ионитам, работающим в фильтрах смешанного действия (ФСД) установок очистки конденсата (КО, БОУ) паровых турбин энергоблоков, как последней ступени очистки водного теплоносителя перед парогенератором, от железа, органических и минеральных примесей.

Как видно из рис. 2 ежегодный эксплуатационный контроль ионитов фирмы «Purolite» показывает, что в первые 2-3 года эксплуатации в фильтрах смешанного действия БОУ (КО) энергоблоков САЭС основные показатели качества (ПСОЕ и ОС) ионитов SGC 100*10 (катионит) и SGА 550 (анионит) не ухудшаются, а улучшаются. Это можно отнести на счёт отмывки от некачественных включений. В дальнейшем наступает стабилизация и возможно снижение значений отдельных показателей. При длительной работе ионитов в ФСД БОУ (КО) особое внимание уделяется таким показателям, как механическая прочность, осмотическая стабильность (ОС) и длительность отмывки после регенерации. Исследования показали, что наиболее полно этим показателям отвечают смолы Purolite класса «Супергель»: SGC 100*10 и SGА 550 (рис. 2).

На рис. 3 приведены в графическом виде показатели отмывки ионитов от продуктов регенерации в условиях промышленной эксплуатации смол. Откуда видно, что для отмывки катионита из ФСД от кислых продуктов регенерации требуется 100 м³ конденсата, или не более 30 м³/м³ загрузки, а для отмывки анионита от щелочных продуктов - не менее 50 м³/м³ загрузки.

а)

б)

Рис. 2. Результаты входного и эксплуатационного контроля для катионита SGC100*10 (а) и аниониты SGA550 (б) фирмы «Purolite» для работы в фильтрах ФСД БОУ (КО): 1 - ПСОЕ; 2 - ОС

Рис. 3. График зависимости показателей отмывки после регенерации катионита Purolite SGС 650 от объёма промывочной воды: 1 - кислотность; 2 - удельная электропроводность

Измерение электропроводности эффективно контролирует отмывку ионитов. Результаты эксплуатационного контроля ионитов оформляются протоколом по установленной форме, часть которого представлена в табл. 4.

Таблица 4. Результат эксплуатационного контроля катионита Purolite SGC 650 (протокол №85/07)

Для химводоочисток тепловых электростанций, использующих природную воду с повышенным содержанием органических примесей, стоит проблема подбора слабоосновного анионита для загрузки в анионитный фильтр первой ступени (А_I). Отечественный анионит АН-31, обладая высокой обменной ёмкостью по анионам сильных кислот, слабо сорбирует органические примеси и часто не отвечает требованиям по механической прочности. Для замены отработавшего анионита АН-31 в данной работе исследовались аниониты Purolite А-845 и Purolite А-847. Сравнительные результаты входного контроля этих анионитов показаны в табл. 5. Сравнение технологических показателей этих анионитов в условиях работы в фильтрах А_I химводоочистки Смоленской АЭС дало следующее: через 2 года эксплуатации анионита АН-31 его обменная ёмкость снизилась на 40% (в год в среднем на 20%), а механическая прочность стала ниже 300 г/гранулу, тогда как через 3года эксплуатации анионита А-845 показатель ОС не опустился ниже 98% от исходного, механическая прочность - ниже 650г/гранулу при сохранении на одном уровне ПСОЕ.

Таблица 5. Сравнительные характеристики слабоосновных анионитов

Часто на зарубежных, иногда на отечественных установках очистки турбинного конденсата и конденсата, возвращаемого с производства, встречаются намывные патронные фильтры. Основное их назначение - очистка конденсата от продуктов коррозии и от нефтепродуктов, относящихся, как и природная органика, к потенциально кислым веществам. В рамках данной работы проведено исследование в лабораторных условиях ионообменного порошкообразного сорбента Microionex МВ 210 В (фирмы «Rohm and Haas») для намыва на патроны механического фильтра. При концентрации нефтепродуктов в поступающей воде 1,35 мг/л - в фильтрате содержание «следовых» концентраций нефтепродуктов составляло 130-150 мкг/л, что соответствовало эффективности очистки воды сорбентом фильтрперлитом.

В четвёртой главе представлены результаты лабораторных и промышленных испытаний по удалению из природных вод железа, органических соединений и минеральных солей на установках химического обессоливания воды.

При различном качестве исходной природной воды на химводоочистках ТЭС и АЭС должна быть получена практически одинаково глубоко обессоленная вода. При высоком содержании железо-органических примесей в исходной воде значительная их часть должна быть удалена на стадии предочистки. Автором проведён анализ работы предочисток на установках ХВО ряда электростанций, в том числе Киришской ГРЭС, Конаковской ГРЭС, ТЭЦ-ЭВС-2 ОАО «Северсталь» и Смоленской АЭС. При очень высоком содержании органических веществ в исходной воде (до 40-50 мгО/л и выше) на ХВО Киришской ГРЭС степень удаления органики на предочистке составляет в среднем 70-80% и обеспечивается рациональной организацией технологии коагуляции в осветлителях. При высоком содержании органики в волжской воде (до 15 мгО/л и выше) на ХВО Конаковской ГРЭС высокий эффект снижения окисляемости воды в осветлителях (до 3-5 мгО/л) достигается автоматизацией дозирования реагентов и химконтроля процессов осветления, а также реконструкцией осветлителей ВТИ. Однако, при меньшей окисляемости исходной воды (р.Шексна, ПО=8-15 мгО/л) на ХВО ТЭЦ-ЭВС-2 ОАО «Северсталь» и такой же - на ХВО Смоленской АЭС не удавалось получить высокого эффекта снижения концентрации органических примесей и особенно железа в отрабатываемой воде (рис.4). В связи с этим, автором проведено исследование по повышению степени очистки воды от железоорганических соединений на стадии предочистки путём совмещения коагуляции и сорбции на твёрдом порошкообразном сорбенте - фильтрперлите. Было получено снижение содержания железа до 50 % от исходного для воды с исходной концентрацией железа 400 мкг/л и выше. Однако, при исходных концентрациях железа 150-200 мкг/л эффект удаления из воды соединений железа резко снижается.

В подобных случаях удаление железо-органических примесей из воды осуществляется на ионитных фильтрах ХВО. В июле 1998 года в один из анионитных фильтров I ступени (A_I) ХВО Смоленской АЭС была сделана пробная загрузка слабоосновного анионита Purolite А-845 (вместо отработавшего АН-31). Наблюдение за работой опытного фильтра проводилось при использовании исходной воды (р. Десна) без предварительной очистки в осветлителе, а только прошедшей фильтрацию на механических фильтрах. При объёме загрузки анионита А-845 равной 7 м³ количество NaOH на одну регенерацию составило 450-700 кг. Время регенерации - 1 час 10 минут. Фильтроцикл в среднем 5300м³. Снижение окисляемости воды составило 99% - в начале фильтрации и 86% - в конце. Был сделан вывод о возможности использования анионита Purolite А-845 взамен АН-31 в фильтрах А_I при обработке природной воды без предварительной её обработки в осветлителях.

Рис. 4. Содержание соединений железа в исходной (1) и коагулированной воде (2) (р.Шексна 2002-2003 г.г.)

С 1998 по 2004 год на САЭС последовательно все ОН_анионитные фильтры I ступени были загружены слабоосновными анионитами Purolite А_845 (или его аналогом Purolite А_847). В течение всего времени эксперимента шло сравнение технологических характеристик этих анионитов с анионитом АН-31. Результаты показаны на рис.5-8.

Рис. 5. Глубина удаления органических примесей воды (_ов, %) на анионитных фильтрах I ступени ХВО САЭС (2002-2004 г.г.): Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

- смола АН-Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

31; Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

- Purolite А845; - Purolite А847

В результате перехода на аниониты Purolite А-845 и Purolite А-847 в фильтрах А_I получено:

· фильтроциклы фильтров А_I возросли до 5500 м³;

· возросла степень очистки воды от органических соединений (рис.5);

· в 4 раза сократилось общее количество регенераций фильтров А_I (рис. 6);

· в 4 раза сократился общий расход щелочи на регенерации фильтров А_I (рис. 7);

· в 4,5 раза сократился объём сбросных вод ХВО (рис.8).

Рис. 6. Количество регенераций в год (Nгод) анионитных фильтров I ступени на ХВО САЭС

Рис. 7. Годовой расход технической щелочи (GNaOH, м3/год) на регенерацию анионитных фильтров I ступени ХВО САЭС

На рис. 9 приведено изменение перманганатной окисляемости по ступеням обработки воды на ХВО САЭС в течение года, откуда следует высокая и устойчивая сорбция органики из природной воды на ОН_анионитных фильтрах I ступени, загруженных анионитами Purolite А_845 и Purolite А-847.

Рис. 8. Изменение объема сбросных вод ХВО

Рис. 9. Средне годовые (2006-2007 г.г.) значения окисляемости воды по стадиям химобессоливания на ХВО Смоленской АЭС при работе без осветлителей и с загрузкой в фильтр A_I анионитов Purolite A-845 и А-847

Автором проведен анализ использования анионитов Purolite А-845 и Purolite А-847 в сравнении с анионитом Amberlite IRA-67 на химводоочистках Киришской ГРЭС, ТЭЦ-12 ОАО «Мосэнерго», Кольской АЭС и др. Результаты подтвердили данные автора на ХВО САЭС.

В пятой главе приводятся обобщённые результаты работы в виде рекомендаций по совершенствованию технологии ионного обмена действующих ХВО тепловых электростанций.

Так, рекомендуется использование методики и техники входного и эксплуатационного контроля ионитов. Пробное использование методики было выполнено автором для анализа ионитов ХВО и БОУ ряда ТЭС. Результаты эксплуатационного контроля сильноосновного анионита АВ-17-8 из ФСД БОУ и ХВО Конаковской ГРЭС приведены в табл. 6.

По данным табл. 6 сделано следующее заключение:

1) Сильноосновный анионит АВ-17-8 из ФСД №2 БОУ-5 не соответствует установленным требованиям по показателям «Доля целых гранул» и «Время оседания гранул»;

2) Сильноосновный анионит АВ-17-8 из ФСД №2 БОУ-3 не соответствует установленным требованиям по показателю «Доля целых гранул», кроме того, отмечается высокое содержание железа, требуется отмывка;

3) Сильноосновный анионит АВ-17-8 из ФСД ХВО не соответствует установленным требованиям по показателю «Время оседания гранул» (при использовании совместно с катионитом КУ-2-8, время оседания которого по результатам входного контроля соответствует 5,25ч6 сек).

В качестве другого примера можно привести результаты входного контроля партии китайских ионитов. В табл. 7 представлены некоторые результаты входного контроля в сравнении с данными сертификата.

Таблица 6. Результаты эксплуатационного контроля сильноосновного анионита АВ-17-8 из ФСД БОУ и ХВО Конаковской ГРЭС (отбор 03.09.07г.)

Из данных табл. 7 видно, что иониты не отвечают характеристикам сертификата по отдельным показателям. Особое опасение вызывает низкая осмотическая стабильность ионита 201х7 - 79,6 % против 95% заявленных в сертификате. Такой анионит быстро потеряет сорбционную способность, внося продукты деструкции в обрабатываемую воду. Ионит не может использоваться в анионитных фильтрах ФСД БОУ и ХВО.

Таблица 7. Результаты входного контроля партии ионитов (2006 г., Китай)

Подобная экспертиза качества ионитов была проведена автором для ХВО Владимирской ТЭЦ и ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго». Результаты переданы персоналу электростанций.

Одним из основных результатов данной работы является длительный промышленный эксперимент по работе на ХВО без предочистки природной воды в осветлителях, но с использованием органоёмких анионитов Purolite А-845 и Purolite А-847. Химводоочистка Смоленской АЭС устойчиво работает в таком режиме по настоящее время. Особую ценность такой опыт имеет для химводоочисток ТЭС, работающих со сниженной нагрузкой.

Подтверждением эффективности работы ФСД в составе установок очистки турбинного конденсата энергоблоков при загрузке исследованными ионитами является автоматическая запись качества конденсата турбины №4 (блок №2) САЭС (рис. 10) до (ОК-41) и после (ОК-42) ФСД по показаниям кондуктометра.

Из рис. 10 видно, что конденсат после ФСД приближается по качеству к абсолютно чистой воде.

В заключительной части работы приведены результаты использования современных методов автоматического химконтроля для оценки качества теплоносителя.

Рис. 10. Работа конденсатоочистки ТГ-4 (загрузка ФСД - иониты фирмы «Purolite»)

электростанция вода ионит теплоноситель

Основные выводы и результаты

1. Выполнен анализ состояния технологии обессоливания природных вод и конденсатов паровых турбин энергоблоков ТЭС. Показано, что для природных вод невысокой минерализации со средним и повышенным содержанием органических примесей перспективным остаётся метод химического обессоливания воды на ионитах. Отмечено, что в условиях свободного рынка необходим качественный входной контроль ионитов, а при обилии форм и типов ионитов - правильный выбор ионитов для тех или иных установок на базе эффективного эксплуатационного контроля их качества.

2. Разработана комплексная методика контроля качества ионитов, включающая входной и эксплуатационный контроль. Методика составлена на базе ГОСТов по определению отдельных свойств производимых ионитов с учётом специфики их использования для очистки теплоносителя энергоблоков электростанций в установках обессоливания природных вод и конденсатов паровых турбин. Методика эксплуатационного контроля качества ионитов прямо связана с требованиями стандарта предприятия как к качеству водного теплоносителя, так и к качеству самих ионитов. Выполнена метрологическая оценка достоверности и точности каждой методики определения свойств ионитов. Укомплектована и аттестована лаборатория анализа ионитов. Составлена и реализована программа входного и эксплуатационного контроля каждого поступающего типа ионита на весь период его эксплуатации.

3. Сравнение свойств импортных ионитов фирм «Purolite» и «Dowex» с отечественными аналогами позволили рекомендовать перспективные иониты Purolite А-845 и А-847 для замены отработавшего отечественного анионита АН-31 в фильтрах первой ступени обессоливающих установок, а также иониты класса «супергель» SGC-100-10 и SGC-550 - для загрузки в фильтры смешанного действия установок очистки турбинного конденсата.

Результаты эксплуатационного контроля качества ионитов, выполненные после 2-4 лет работы их в фильтрах I ступени химводоочистки показали: осмотическая стабильность (ОС) анионитов А-845 и А-847 не опускалась ниже 98%, механическая прочность - ниже 650 г/гранулу (при норме - 90% и 300г/гранулу соответственно). Полная статическая обменная ёмкость (ПСОЕ) осталась на одном уровне.

Отмечено устойчивое высокое качество катионитов Purolite (NRB-100 R) и Dowex (650 C) по показателям ПСОЕ, ОС, механическая прочность для загрузки в фильтры установок очистки конденсата.

Входной контроль и лабораторные испытания порошкообразного ионита Mikroionexs МВ-210 F (фирмы «Rohm and Haas») показали, что он сопоставим с отечественным фильтрперлитом по степени очистки вод типа конденсата от нефтепродуктов, но даёт меньше собственных примесей в обрабатываемую воду.

4. Лабораторные исследования и промышленные испытания установок химобессоливания по удалению из природных вод железа, органических соединений и минеральных солей показали, что присутствие в природной воде техногенной органики снижает эффект очистки воды от железоорганических соединений, а при невысоких (менее 200 мкг/л) концентрациях железа в исходной воде не даёт желаемого эффекта и добавление к коагуляции в осветлителе порошкообразных твёрдых сорбентов. При этом высокий эффект очистки природной воды от железоорганических соединений получен на анионитах Purolite А-845 и А-847. Собственные исследования и анализ опыта промышленных испытаний импортных анионитов на Киришской ГРЭС, ТЭЦ-26 ОАО «Мосэнерго», Кольской АЭС позволяет рекомендовать пару анионитов: Purolite А-845 (А-847) - Purolite А-500(600), наряду с парой анионитов Amberlite IRA-67 - Amberlite IRA-900 для загрузки в анионитные фильтры I и II ступеней установок химобессоливания при обработке вод с повышенным содержанием органических примесей.

5. Проведённые исследования позволяют рекомендовать к широкому применению в теплоэнергетике разработанную методику контроля качества ионитов. Анализы проб ионитов из фильтров обессоливающих установок Конаковской ГРЭС, Владимирской ТЭЦ, ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго» обеспечили своевременную рекомендацию о качестве ионитов и возможности их использования в фильтрах ХВО и БОУ. Промышленные испытания свойств анионитов Purolite А-845 и А-847 в фильтрах I ступени анионирования позволили отказаться от предочистки природной воды (р.Десна) в осветлителях на ХВО Смоленской АЭС, что является ценным практическим опытом в условиях работы ХВО ТЭС и АЭС при сниженных нагрузках. Применение отобранных на базе входного и эксплуатационного контроля ионитов для фильтров установки очистки турбинного конденсата дало высокое качество питательной воды энергоблока.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Гостьков В.В., Ларин Б.М. Контроль и восстановление свойств ионитов блочной обессоливающей установки // Вестник ИГЭУ. 2006. Вып. 6. С.12-16.

2. Анализ ведения водно-химических режимов АЭС с РБМК-1000 и основные направления их совершенствования / В.В. Гостьков, В.Г. Крицкий, В.Ф. Тяпков и др. // Теплоэнергетика. 2005. №7. С. 26-35.

3. Гостьков В.В., Ларин Б.М. Входной контроль ионитов // Вестник ИГЭУ. 2003. Вып. 6. С.12-16.

4. Гостьков В.В., Ларин Б.М. Обоснование испытания ионообменных смол // Вестник ИГЭУ. 2003. Вып. 6. С. 9-11.

Публикации в других изданиях

5. Гостьков В.В. Эксплуатация и контроль импортных ионитов на электростанциях // Сб. тезисов междунар. науч.-техн. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии». Иваново. ИГЭУ. 2007. С.209.

6. Повышение эксплуатационной надежности и радиационной безопасности АЭС средствами ВХР / Б.М. Ларин, В.В. Гостьков, В.С. Щебнев и т.д. // Иваново. ИГЭУ. 2005. 192 с.

7. Гостьков В.В., Ларин Б.М. Опыт эксплуатации импортных ионитов на ХВО и БОУ / Сб. тезисов 7-го междунар. совещания «Водно-химический режим АЭС». М.: ВНИИ АЭС. 2006. С.37-38.

8. Анализ ведения водно-химического режима АЭС с РБМК и основные направления совершенствования ВХР / В.В. Гостьков, Т.М. Егорова, В.Ф. Тяпков и др. // Сб. тезисов 7-го междунар. совещ., посвященного памяти В.А. Мамета. М.: ВНИИ АЭС. М.: 2003. С.7-10.

9. Гостьков В.В. Режимы и нормы эксплуатации оборудования по химико-радиационному цеху АЭС. Учебное пособие // Иваново, 1999. 258 с.

Размещено на Allbest.ru