Повышение эффективности эксплуатации систем оборотного водоснабжения ТЭС на основе удаления и предотвращения образования термобарьерных отложений на трубных поверхностях конденсаторов

Актуальность темы

Одной из актуальных задач современной энергетики является повышение экономичности уже действующих энергоблоков. Известно, что экономичность работы паротурбинных установок в значительной степени определяется значением величины давления в конденсаторе, которая зависит прежде всего от эффективности эксплуатации системы технического водоснабжения ТЭС.

Основной причиной «ухудшения» вакуума в конденсаторе являться процесс образования термобарьерных отложений на внутренних трубных поверхностях конденсаторов паровых турбин, обусловленный применением минерализованной воды в системах технического водоснабжения. Увеличение давления в конденсаторе на 1 кПа приводит к снижению мощности турбоустановок в конденсационном режиме на 0,8^-1,5%, а турбоустановок низкого и среднего давления — на 1,5-^-2%. При прочих равных условиях энергоблок с турбиной К-300−23,5 теряет более 3 МВт установленной мощности, а с турбиной К-500−6,45/3000 до 8 МВт.

На фоне постоянного роста потребления электроэнергии центральными становятся вопросы надежности и продления срока службы энергоблоков, в значительной мере определяемым ресурсом основного оборудования. Срок службы конденсатора должен по меньшей мере соответствовать сроку службы турбины, т. е. быть не менее 30 лет. Анализ нарушений в работе конденсационных установок показывает, что основной причиной повреждения трубок является коррозия (до 70%). Накопление отложений на внутренних поверхностях трубных систем конденсаторов сопряжено с интенсификацией коррозионных процессов на поверхности основного металла. Проблема накопления отложений вносит существенный вклад в снижение экономичности, надежности и ресурса работы не только конденсатора, но и всей турбоустановки в целом .

Цель работы — повышение эффективности эксплуатации систем оборотного водоснабжения ТЭС на основе снижения скорости накопления термобарьерных отложений на внутренних трубных поверхностях конденсаторов паровых турбин.

Основные задачи работы:

• Анализ эффективности эксплуатации действующих систем оборотного водоснабжения ТЭС. Анализ применения существующих методов борьбы с образованием отложений на внутренних трубных поверхностях конденсаторов паровых турбин.

• Анализ существующих способов удаления отложений с трубных поверхностей конденсаторов. Выбор оптимальной моющей композиции для растворения отложений на поверхностях трубок конденсаторов.

• Разработка методики и экспериментального стенда для проведения исследований процессов накопления на внутренних трубных поверхностях отложений применительно к условиям эксплуатации конденсаторов паровых турбин электрических станций.

• Определение влияния температуры и скорости течения рабочей среды на процесс накопления отложений на внутренних поверхностях латунных трубок конднесаторов.

• Определение влияния сформированных молекулярных слоев ПАВ на внутренних трубных поверхностях конденсаторов паровых турбин на процесс накопления отложений при различных температурах и скоростях течения рабочей среды.

• Разработка способа и технологии его реализации по удалению накопившихся термобарьерных отложений и модификации трубных поверхностей конденсаторов паровых турбин с использованием ПАВ в едином технологическом цикле.

Научная новизна:

• Разработана методика исследований процессов накопления на внутренних трубных поверхностях отложений применительно к условиям эксплуатации конденсаторов паровых турбин электрических станций.

• Показана предпочтительность применения отечественного реагента Дифалона для растворения накопившихся в процессе эксплуатации отложений на внутренних поверхностях латунных трубок конденсаторов паровых турбин.

• Установлено влияние модификации внутренних поверхностей латунных труб посредством упорядоченного расположения молекул ПАВ на скорость накопления отложений в широком диапазоне температур и скоростей течения охлаждающей воды.

• Определено влияние скорости течения и температуры рабочей среды на интенсивность накопления термобарьерных отложений на внутренних поверхностях латунных трубок конденсаторов паровых турбин.

• Определено влияние эксплуатационных параметров систем оборотного водоснабжения на устойчивость сформированных на внутренних трубных поверхностях конденсаторов молекулярных слоев ПАВ.

Практическая значимость работы.

Разработан экспериментальный стенд для проведения исследований процессов накопления на внутренних трубных поверхностях отложений применительно к условиям эксплуатации конденсаторов паровых турбин электрических станций. Разработан способ и технологические основы его реализации по удалению и снижению скорости накопления отложений на внутренних трубных поверхностях конденсаторов паровых турбин в едином технологическом цикле.

Достоверность.

Достоверность полученных результатов определяется их корреляцией с результатами исследований других авторов, многократной повторяемостью экспериментальных результатов, использованием высокоточных средств измерений, определением погрешности измерений.

Апробация работы.

Результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических советах научного центра «Повышение износостойкости энергетического оборудования электростанций» МЭИ (ТУ), 2007;2008 гна Национальной конференции по теплоэнергетике НКТЭ-2006, г. Казаньзаседаниях кафедры «Тепловые электрические станции» МЭИ (ТУ), 2007 и 2008 гX, XIII и XIV международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 2005, 2007,2008 г.

Автор защищает:

• Методику проведения исследований и экспериментальный стенд для изучения процессов накопления отложений на внутренних трубных поверхностях конденсаторов паровых турбин.

• Результаты экспериментальных исследований влияния сформированных молекулярных слоев ПАВ на внутренних поверхностях трубок конденсаторов паровых турбин на процесс накопления отложений.

• Результаты экспериментальных исследований влияния эксплуатационных параметров рабочей среды систем оборотного водоснабжения на процесс десорбции молекулярных слоев ПАВ с внутренних поверхностей труб конденсатора.

• Методику проведения и результаты исследований по выбору оптимальной моющей композиции для растворения накопленных в процессе эксплуатации отложений на внутренних трубных поверхностях конденсаторов паровых турбин.

• Способ повышения эффективности эксплуатации систем оборотного водоснабжения ТЭС на основе удаления и предотвращения образования термобарьерных отложений на трубных поверхностях конденсаторов и технологические основы его реализации.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 6 публикациях.

1.5 Выводы и постановка задачи.

Результаты анализа показывают, что по-прежнему одним из существенных факторов, влияющих на эффективность и надежность работы конденсаторов паровых турбин, является состояние поверхности их трубных систем.

В процессе эксплуатации конденсаторов, происходит ухудшение состояния внутренних поверхностей труб, связанное, прежде всего, с образованием на них отложений и сопутствующих коррозионных процессов, и как следствие снижение эффективности работы энергоблока (см. рис 1.12).

Рис 1.12 Негативные факторы, связанные с образованием отложении на внутренних трубных поверхностях конденсаторов паровых турбин.

Среди ряда причин, снижающих эффективность работы турбоустановки, центральное место занимает «ухудшение» вакуума в конденсаторе, которое в значительной степени зависит от количества (толщины) накопленных отложений.

Одним из путей повышения надежности, долговечности и эффективности работы конденсаторов паровых турбин является проведение мероприятий по снижению скорости накопления отложений. На сегодняшний момент существуют как регламентированные ПТЭ, так и альтернативные способы снижения скорости накопления отложений, однако почти все они заключаются в непосредственной обработке используемой воды (магнитным или электрическим полем, ультразвуком, химическими реагентами), что с учетом больших масштабов систем технического водоснабжения ТЭС и АЭС часто оказывается либо очень дорого, либо малоэффективно.

Принципиально другим направлением борьбы с накоплением отложений, следует считать изменение свойств поверхности теплообмена. Анализ результатов различных исследований показывают, что на процесс накопления отложений существенно влияют параметры, характеризующие состояние трубных поверхностей, в первую очередь её изопотенциал, шероховатость. Чем нейтральней поверхность, тем меньше скорость образования и накопления на ней отложений. Так, например, энергия адгезии кристаллов карбонатных отложений в диапазоне изменения изопотенциала поверхности[-500мВ ч- -50мВ] меняется более чем в 4 раза.

Известно, что одним из способов модифицирования поверхностей является использование способности молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) сорбироваться из водной среды на металлических поверхностях и образовывать плотноупакованные строго упорядоченные слои.

Однако отсутствие данных о влиянии сформированных молекулярных слоев ПАВ на процесс накопления отложений затрудняет разработку технологических основ реализации предложенного направления борьбы с накоплением отложений.

В рамках решения обозначенной выше проблемы поставлены следующие задачи исследований:

1. Обобщения процесса образования и накопления отложений на трубных поверхностях конденсаторов паровых турбин.

2. Исследование влияния сорбированных на поверхности медьсодержащих сплавов молекулярных слоев ПАВ на кинетику процесса накопления отложений.

3. Исследования по устойчивость сформированных на трубных поверхностях молекулярных слоев ПАВ при эксплуатационных параметрах рабочей среды системы оборотного водоснабжения.

4. Разработка способа удаления накопившихся отложений и формирования молекулярных слоев ПАВ на трубных поверхностях конденсаторов в едином технологическом цикле.

5. Технико-экономическая оценка технологической реализации способа повышения эффективности эксплуатации систем оборотного водоснабжения ТЭС на основе удаления и предотвращения накопления отложений на трубных поверхностях конденсаторов.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ, ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

2.1 Обоснование выбора метода решения поставленной задачи.

Основной задачей исследований, проводимых в рамках данной работы, является получение объективных знаний о влиянии сформированных на поверхностях теплообмена молекулярных слоев ПАВ на процесс накопления отложений. Очевидно, что достоверные данные такого рода могут быть получены лишь в ходе натурных экспериментальных исследований, поскольку любое математическое моделирование процессов накопления отложений крайне затруднительно, в связи с очень сложной физикой самого процесса, а так же значительного обилия факторов, влияющих на этот процесс. На данный момент не существует каких-либо математических инструментов, позволяющих в полной мере учесть физико-химические характеристики этого процесса.

Проведение экспериментальных исследований на реально действующем оборудовании тепловых электростанций так же не даст требуемых результатов, поскольку не позволит охватить весь широкий диапазон возможных режимных параметров, в силу жесткой взаимосвязанности работы элементов ТЭС и влияние каждого из них на эффективность энергоблока в целом.

Таким образом, для решения поставленной задачи необходимо проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях, то есть разработка и создание экспериментального стенда, позволяющего моделировать тепло-гидравлические параметры течения жидкости в конденсаторе и получать отложений на внутренних поверхностях латунных трубок.

При разработке методики проведения экспериментальных исследований необходимо максимально полно учитывать реальные эксплуатационные параметры работы систем оборотного водоснабжения ТЭС (скорость течения, температура, состав циркуляционной воды и т. д.), поскольку в противном случае перенос полученных данных применительно к действующим системам будет значительно затруднен.

2.2 Описание стендового экспериментального оборудования 2.2.1 Экспериментальный стенд для исследования процессов образования и накопления отложений на внутренних трубных поверхностях.

Для определения влияния сорбированных на поверхности молекулярных слоев ПАВ на процесс накопления отложений был создан экспериментальный стенд, позволяющий моделировать условия течения охлаждающей воды в трубках конденсатора в достаточно широком диапазоне температурных и гидравлических параметров работы контуров циркуляции, и достаточно быстро образовывать отложения одновременно на поверхностях экспериментальных образцов с и без молекулярных слоев ПАВ. Принципиальная схема стенда представлена на рис 2.1.

Стенд состоит из 2-х идентичных контуров, в каждом из которых присутствует емкость (4,5) с минерализованной водой, насос (6,7), две трубные системы (2,3) в «Нагревателе» (1) и «Холодильнике"(13) соответственно и измерительного оборудования. «Нагреватель» представляет собой бак с обессоленной водой объемом 130л, с вмонтированным в него термоэлектрическим нагревателем (ТЭН'ом -12) мощностью 5кВт для нагрева и поддержания заданной температуры воды в нем в диапазоне 30−90°С. Измерение температуры воды в нагревателе с использованием термосопротивления и управление работой ТЭН’а осуществляется с помощью прибора ОВЕН. Внутри бака, в его водяном пространстве размещены и закреплены исследуемые образцы в виде U-образной трубной системы, соединенные между собой гибкими шлангами.

Сшб.

Рис 2.1 Принципиальная схема экспериментального стенда для исследования процессов образования и накопления отложений на внутренних трубных поверхностях.

1 — 'нагреватель" - 2 — трубная система контура в «охладителе» — 3 — трубная система контура из экспериментальных образцов- 4,5 — бак с минерализованной водой- 6,7 — насосы- 8,9 — клапаны для регулирования расхода- 10,11 — расходомеры- 12 — ТЭН- 13 — «охладитель» — 14 — клапан системы охлажденияt1, t1t2, t2' - термометры.

Задачей «Нагревателя» служит нагрев рабочей среды в экспериментальных образцах. «Охладитель» представляет собой емкость, заполненную холодной водой, внутри которой расположены трубные системы охлаждения обоих контуров. Расход рабочей среды устанавливается с помощью вентилей 8 и 9 для каждого контура, соответственно, и контролируется с помощью водосчетчиков (10,11), установленных после вентилей.

Внутри «Нагревателя», в его водном пространстве, размещены и закреплены исследуемые образцы в виде U-образной трубной системы, как показано на рис 2.2, соединенные между собой гибкими шлангами. L.

Рис. 2.2 Схема трубной системы из образцов.

Трубная система специально сделана разборной, поскольку это позволяет проводить более точные измерения веса образцов, а также исследование микроструктуры поверхности.

Схема электрических соединений, включающая силовые цепи и цепи управления представлена на рис 2.3.

Рис 2.3 Схема электрических соединений экспериментального стенда для исследования процессов образования и накопления отложений на внутренних трубных поверхностях.

Электропитание всех устройств стенда осуществляется при замыкание контактов выключателя К1 (Imax=40A), при этом на силовом электрощите загорается сигнальная лампа (НЫ) и на приборы автоматики (регулятор температуры 2ТРМ1 и устройства контроля уровня САУ-М7Е) подается питание. Регулятор температуры 2ТРМ1 получает сигнал с подключенного к нему термосопротивления, преобразуя при этом его в температуру, и сравнивает с контрольной установленной температурой. При разности температур более чем 0.5 С, происходит срабатывание управляющего реле, и подается сигнал на катушку силового реле (КМ). Одновременно с контролем температуры, работает прибор контроля уровня жидкости в баке САУ-М7Е. Если уровень жидкости выше датчика уровня, установленного в баке, то в соответствии с запрограммированной логикой, управляющий сигнал с 2ТРМ1 подается на катушку силового реле. Если же уровень жидкости ниже датчика уровня, то дальнейшей коммутации сигнала не происходит и на катушку силового реле не подается напряжения. При наличии напряжения на катушке силового реле (КМ) происходит его срабатывание и коммутация тока на нагрузку Ю (ТЭН), выключатель K2(Imax=25A) при этом должен быть замкнут — система поддержания температуры находиться в рабочем состоянии.

Если в процессе работы системы подержания температуры (К1,К2 замкнуты) происходит снижение уровня жидкости ниже датчика уровня, происходит аварийное отключение питания нагрузки R1(T3H), и при этом срабатывает звуковая и световая сигнализация (HA, HL2).

За включение питание насосов (нагрузки R2, R3) отвечают выключатели КЗ и К4 соответственно.

2.2.2 Установка для определения стойкости молекулярных слоев ПАВ.

Для определения устойчивости сформированных молекулярных слоев ПАВ на трубных поверхностях образцов был создан экспериментальный стенд, принципиальная схема которого представлена на рис 2.4 молекулярных слоев ПАВ.

1 — Емкость с минерализованной водой, 2 — циркуляционный насос, 3 — расходомер, 4 -шаровой кран, 5 — группа регулировочных игольчатых вентилей, 6 — группа расходомеров, 7 — группа образов.

Основной задачей установки является обеспечение требуемых скоростей течения рабочей среды через исследуемые образцы (7). Стенд состоит из емкости с минерализованной водой (1), насоса (2) запорно-регулирующей арматуры (4,5) и приборов контроля (3,6).

В процессе циркуляции посредством открытия-закрытия вентилей (5) с одновременным контролем расхода на каждом участке с помощью расходомеров (б) задается требуемая скорость течения рабочей среды через исследуемые образцы (от 0.1 до 2,5 м/с), которая определяется по уравнению неразрывности. Температура рабочей среды контролируется с помощь термометра tl.

2.2.3 Экспериментальная установка для формирования молекулярных слоев ПАВ на внутренних трубных поверхностях.

Для формирование молекулярных слоев ПАВ на контрольных поверхностях образцов был разработан и смонтирован специальный экспериментальный стенд. Стенд состоит из: основного технологического контура, электрощита с системой автоматики и системы очистки (фильтрации).

Стенд для формирования молекулярных слоев ПАВ на металлических поверхностях представляет собой установку, состоящую из отдельного контура, включающего в себя технологическую емкость, циркуляционный насос и узел эжектирования, состоящий из отдельной емкости для дозирования реагента, запорно-регулирующей арматуры, соединительных трубопроводов и эжектора. Принципиальная схема установки для формирования молекулярных слоев ПАВ на металлических поверхностях показана на рисунке 2.5. Фотография стенда представлена на рисунке 2.6.

Стенд обеспечивает приготовление, циркуляцию, нагрев и поддержания заданной температуры эмульсии или раствора в процессе всего необходимого времени формирования молекулярных слоев на контрольных поверхностях.

Значение температуры эмульсии поддерживается в заданных границах с помощью установленных в основной емкости ТЭНов, управляемых через измерительно-регулирующий комплекс типа АРМ-ц, установленный в собственном электрощите установки.

Для измерения расхода эмульсии циркулирующей через обрабатываемые образцы при формировании слоев из молекул ПАВ производится расходомером типа MTW. Для регулирования расхода служит запорный вентильный кран.

В установке используется центробежный насос высокого давления фирмы «GRUNDFOS» (СШ 4−60). Насос предназначен для обеспечения интенсивного перемешивания рабочего раствора в стадии приготовления ш приготобгения Эмульсии ПАВ.

Т.

8. А> .9,.

Росюйзчер

Фипьтр танкой Датчик HJ Очистки.

От ХВС.

Узел утилизации.

— л ii 0.

Рашйамер

Фил>рт-сегкграпор Лto либ.

2.5 Схема установки для формирования молекулярных слоев ПАВ на внутренних трубных поверхностях эмульсии и циркуляции полученной эмульсии на стадии формировании молекулярных слоев.

Узел для приготовления эмульсии состоит из инжектора (эмульгатора), предназначенного для перемешивания расплава реагента и рабочей жидкости, а также емкости, служащей для приготовления расплава и дозирования реагента в инжектор. Плавление твердого реагента в емкости происходит за счет подвода к нему теплоты рабочей среды через водяную рубашку. Дозирование расплава реагента осуществляется с помощью винта дозирования, установленного в емкости.

Узел фильтрации представляет собой угольный фильтр, предназначенный для нейтрализации остатков реагента в рабочей среде при дренировании.

Щит электропитания включает в себя: автоматический регулятор мощности электронагревательных приборов промышленного и бытового назначения цифровой (АРМ-ц), тип ПИК-ЗМ, который обеспечивает работу ТЭНовобщий трехфазный включательоднофазный включатель для включения/выключения насоса.

Рис 2.6 Фотография стенда для формировании молекулярных слоев ПАВ.

2.3 Описание методик проведения исследований.

2.3.1 Методика формирования молекулярных слоев ПАВ.

В качестве реагента для модификации поверхностей теплообмена было выбрано поверхностно-активное вещество из класса алифатических аминовоктадецил амин (0 ДА).

Октадециламин C18H37NH2 (стеариламин, 1-амино-октадекан) воскоподобное вещество белого цвета с температурой плавления 325,6 К. Он имеет ярко выраженное дифильное строение CH3-(CH2)i7-NH2. Его высокая молекулярная масса (М=269,52) придает ему некоторые характерные свойства: температура кипения ОДА выше температуры кипения аминов с более короткими алкильными цепочками.

Октадециламин плохо растворяется в воде, однако хорошо эмульгируется в ней. С этим связана трудность определения растворимости ОДА в воде. При взаимодействии с водой в результате накоплений на ее поверхности молекул ОДА, слабо взаимодействующих между собой, межмолекулярное взаимодействие в поверхностном слое раздела фаз водной среды уменьшается, вследствие чего поверхностное натяжение воды снижается.

Октадециламин при комнатной температуре хорошо эмульгируется в концентрированной уксусной кислоте. При взаимодействии ОДА с уксусной кислотой образуются два стабильных ацетата: моноацетат с температурой плавления 357,55 К и диацетат с температурой плавления 333,95 К. Известно, что в интервале рН=(2−8) ацетаты аминов находятся преимущественно в виде При рН=(8−10) образуется RNH3OH, распадающийся на RNH2 и Н20. При рН > 10 в растворе в основном находятся молекулы аминов.

Октадециламин растворяется в некоторых органических растворителяхпри повышении температуры его растворимость возрастает. Данные по растворимости ОДА в органических растворителях приведены в таблице 2.1.

Заключение

.

На основании проведенных исследований в рамках настоящей работы, анализа и обобщения результатов других исследований сделаны следующие выводы:

• Основной причиной снижения эффективности эксплуатации систем оборотного водоснабжения электрических станций является накопление на внутренних трубных поверхностях конденсаторов паровых турбин термобарьерных отложений, оказывающих комплексное негативное влияние на эффективность работы энергоблока в целомвыражающееся в снижении вырабатываемой мощности, увеличении энергозатрат на преодоление дополнительного гидравлического сопротивления при циркуляции охлаждающей воды и интенсификации протекания коррозионных процессов на трубных поверхностях.

• Интенсивность накопления отложений на внутренних поверхностях латунных трубок конденсаторов паровых турбин в значительной мере определяется температурой и скоростью течения охлаждающей воды. При изменении температуры рабочей среды с 25 °C до 50 °C скорость накопления отложений увеличивается в 3−3,5 раза, при увеличении скорости течения рабочей среды с 0,1 до 1,2 м/с скорость накопления отложений уменьшается в 2,5−3 раза.

• Для растворения накопившихся в процессе эксплуатации отложений наиболее предпочтительным является применение отечественного реагента Дифалона, как наиболее эффективного и безопасного применительно к травмированию поверхностей латунных трубок конденсаторов паровых турбин.

Модифицирование внутренних поверхностей латунных трубок конденсаторов паровых турбин посредством упорядоченного расположения молекул ПАВ позволяет многократно (в 6−8 раз) снизить скорость накопления термобарьерных отложений в процессе эксплуатации в широком диапазоне температур и скоростей течения охлаждающей воды.

Сформированные молекулярные слои ПАВ на внутренних трубных поверхностях конденсаторов обладают высокой устойчивостью и сохраняют своё функциональное назначение в широком диапазоне эксплуатационных параметров систем оборотного водоснабжения ТЭС в течение не менее 3-х лет работы конденсатора.

Разработанный способ и технология его реализации по удалению накопившихся термобарьерных отложений и модификации трубных поверхностей с использованием ПАВ позволяют приводить трубные поверхности конденсаторов паровых турбин в исходное состояние и обеспечивать многократное снижение скорости накопления новых отложений.

Технико-экономическая оценка технологии реализации разработанного способа показывает его высокую эффективность применительно как для нового, так и для оборудования уже находящегося в эксплуатации. Внедрение технологии реализации способа в практику эксплуатации ТЭС позволит снизить ежегодные затраты на компенсацию недовыработанной мощности не менее чем в 5−6 раз.