автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Исследование теплообмена и разработка технологии комплексной защиты поверхностей нагрева котельных установок

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА КОТЕЛЬНЫХ

УСТАНОВОК

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец - 2005 г.

Работа выполнена в Череповецком государственном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Синицын Николай Нниколаевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

Игонин Владимир Иванович

- кандидат технических наук

Белоусов Андрей Владимирович

Ведущее предприятие - МУП "Теплоэнергия",

г. Череповец

Защита диссертации состоится «16» декабря 2005 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.297.01 в Череповецком государственном университете по адресу: 162600, г. Череповец Вологодской обл., пр. Луначарского, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Череповецкого государственного университета.

Автореферат разослан «14» ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Никонова Е.Л.

ЯЬ32,/Ь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В процессе работы теплотехнического оборудования при использовании жесткой воды на поверхностях нагрева образуются твердые отложения, которые принято называть накипью. Накипь обладает высокими механическими свойствами и низкой теплопроводящей способностью и поэтому является причиной ряда технических сложностей и дополнительных затрат при эксплуатации теплового хозяйства предприятий:

- накипь и отложения приводят к значительному перерасходу топлива и соответственно снижению коэффициента полезного действия котлов. Так, при наличии накипи толщиной 1мм котел перерасходует в среднем 2-3 % топлива, а 4-5 мм - 8-10 %. С ростом потребления топлива увеличивается и количество вредных выбросов в атмосферу;

- при остановке котла требуется выполнить трудоемкую и дорогостоящую очистку котлов и теплообменной аппаратуры от накопившихся накипи и отложений. В период между чистками накипь и отложения образуются вновь;

- низкая теплоотдача накипи и отложений приводит к сильному перегреву металлических поверхностей нагрева, из-за чего в трубах появляются трещины, вздутия и деформации. Это является причинами аварий, сокращением межремонтных сроков и увеличением затрат на ремонт и обслуживание;

- накипь и отложения уменьшают сечение труб, увеличивая их гидросопротивление, что приводит к дополнительным потерям электроэнергии в насосном оборудовании на перекачку воды.

- перегрев металла, несвоевременная и некачественная очистка неизбежно приводят к сокращению срока службы котлов в 2+3 раза, к неоправданным затратам на приобретение и монтаж новых котлов взамен вышедших из строя.

Если не принимать каких-либо специальных мер, за год может образоваться 200-2000 кг накипи в котлоагрегате, вырабатывающем 100 т пара в час.

Таким образом, предотвращение накипеобразования и защита от коррозии являются одной из актуальных проблем, связанных с эксплуатацией теплотехнического оборудования.

Цель работы

Исследование воздействия реагентов (фосфанола в комплексе с нейтрализующим амином - морфолином) на теплопередающие поверхности котельных установок и разработка мероприятий по защите поверхности нагрева от коррозии, накипи и отложений.

Научная новизна

Разработана математическая модель теплообмена с учетом толщины слоя и состава отложений на внутренней поверхности труб. Проведено исследование влияния толщины и состава отложений на тепловое состояние труб. Получены зависимости для оценки и прогноза ресурса работы труб в условиях образования отложений на их внутренней поверхности.

Исследовано влияние фосфатного реагента отечественного производства - фосфанола в комплексе с нейтрализующим амином -морфолином на процесс образования защитной пленки на поверхностях пароводяного тракта котельных установок. Установлена оптимальная массовая концентрация морфолина и фосфанола в питательной воде, способствующая устойчивому образованию пленки для котлов разного давления. Исследовано термическое сопротивление защитной пленки на экспериментальной установке, а также влияние образующейся защитной пленки на коэффициент теплопередачи.

Установлено, что термическое сопротивление защитной пленки, образующейся при применении новых реагентов, в три с половиной раза меньше, а коэффициент теплопередачи в семь с половиной раз выше аналогичных параметров при применении традиционных схем (схемы амминирования и фосфатирования).

Практическая значимость

Установлено, что для снижения температуры поверхности труб, увеличивающейся в результате образования отложений, необходимо своевременно повысить интенсивность теплообмена. При достижении определенной толщины слоя отложений, соответствующей критическому значению перепада температур по толщине трубы, их необходимо выводить из эксплуатации. Предложена методика определения температурного ресурса работы труб в условиях накипеобразования.

В результате проведенных исследований представлена последовательность операций по приготовлению растворов морфолина и фосфанола, разработаны правила работы с этими реагентами на основе существующих по проекту схем амминирования и фосфатирования питательной воды котлов.

На основе использования методов расчета произведен анализ и даны рекомендации по применению реагентов на котлах различной мощности, установленных на промышленных предприятиях.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли проверку в промышленных условиях и рекомендованы к внедрению в технологиях водоподготовки не только на котлах средней мощности, но и на других видах теплотехнического оборудования.

Практическая ценность и перспективность разработок подтверждены протоколами совещаний специалистов ОАО

"Череповецкий "Азот".

Методы исследований

Работа выполнена на основе комплексных лабораторных, промышленных и теоретических исследований с использованием ЭВМ.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена результатами проведенных экспериментов, опытными данными других авторов и промышленными испытаниями.

Апробация работы и публикации

Настоящее диссертационное исследование проводилось автором на кафедре "Промышленная теплоэнергетика" Череповецкого государственного университета, а также на ОАО "Череповецкий "Азот" в цехе пароводогазоснабжения и центральной лаборатории объединения.

Основные разделы работы были представлены на Международной научно-технической конференции "Повышение эффективности теплообменных процессов и систем" (Вологда, 1998г), XIII межвузовской военно-научной конференции (Череповец, 1999г), II Международной научно-технической конференции "Повышение эффективности теплообменных процессов и систем " (Вологда, 2000г), IV межвузовской конференции молодых ученых (Череповец, 2003г), I общероссийской научно-технической конференции "Вузовская наука - региону" (Вологда, 2003г), а также на совещаниях специалистов ОАО "Череповецкий "Азот".

По результатам диссертационной работы опубликовано семь печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения и четырех глав, заключения с основными выводами, списка литературы и приложений. Она изложена на 167 страницах, содержит 132 страницы основного текста, 42 рисунка, 99 наименований литературы и два приложения на 35 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулировано научное содержание проблемы защиты от коррозии и накипеобразований поверхностей нагрева котельных установок; изложены основные задачи исследования.

Первая глава посвящена анализу способов защиты поверхностей нагрева от накипи и защиты их от коррозии.

Очистка теплообменных поверхностей от накипи и отложений в настоящее время проводится по двум направлениям: механическая очистка и химическая очистка.

Механическая очистка заключается в высверливании из труб накипи и отложений. Этот процесс трудоемок, дорог и к тому же применим не для всех котлов. Кроме того, механический способ очистки не дает полной очистки поверхностей труб. Химическая очистка -растворение накипи растворами сильных минеральных кислот (соляной, серной, плавиковой, фосфорной), реже растворами органических кислот и комплексонами (ЭДТА, трилон Б, ОЭДФ, НТФ, дифалон и др.). Растворы минеральных кислот достаточно токсичны, неудобны в обращении, требуют индивидуальных средств защиты, а также способов нейтрализации и обезвреживания, большинство из них агрессивны к конструкционным материалам. В последнее время для проведения химической очистки предлагается применять технические моющие средства (ТМС) на основе сульфамалеинового ангидрида. Этот способ пригоден для очистки поверхностей котлов при загрязненности не более 2000 г/м2; концентрированный раствор ТМС сильно дымит и имеет резкий запах -необходимо соблюдать требования техники безопасности.

Оба эти способа очистки котлов проводят при их остановке, т.е. являются эксплутационно-ремонтными мероприятиями, не предусматривают защиту от коррозии и накипь между чистками образуется вновь.

Следовательно, чтобы котельные агрегаты работали надежно и экономично, необходимо стремиться к безнакипьному режиму работы испарительных элементов котла, защитить их от коррозии. Этого можно достичь при проведении ряда мероприятий, включая в первую очередь обработку питательной воды.

Обычно прибегают к четырем способам уменьшения образования накипи на поверхностях, омываемых котловой водой:

- подготовка питательной воды. Примеси из воды удаляются в два этапа: предварительная водоподготовка, включая умягчение известкованием, коагуляцию и фильтрацию, что позволяет удалить из воды взвешенные вещества и большую часть солей жесткости;

дальнейшее обессоливание с помощью ионообменных установок, что позволяет удалить из воды оставшиеся соли в соответствии с требованиями, предъявляемыми к питательной воде;

- продувка котлоагрегата для удаления избыточных солей;

- внутрикотловая обработка воды; в дополнении подготовке питательной воды, на данном этапе вводятся химикаты, препятствующие образованию накипи;

- в случае котлов высокого давления, когда требуется вода высокого качества, некоторые системы включают в себя дополнительную деминерализацию конденсата (фильтр смешанного действия).

Исходным фактором в организации водного режима паровых котлов является качество питательной воды. Для исследования в диссертационной работе выбрана котельная установка среднего давления цеха пароводогазоснабжения ГМ-50-1 ОАО "Череповецкий "Азот"

По проекту для поддержания в котловой воде рН=9,5-11,0 и связывания ионов кальция применяют амминирование и фосфатирование питательной воды.

Аммиачная обработка проводится путем дозирования аммиака либо в обессоленную, либо в питательную воду.

Фосфатирование имеет целью создать в котловой воде условия, при которых накипеобразователи выделялись бы в форме неприкипающего шлама.

Из новых способов защиты котла от накипи и коррозии следует отметить:

- физические (безреагентные), ультразвуковой и обработку магнитным полем. Ультразвуковой метод заключается в воздействии механических колебаний ультразвуковой частоты на процессы накипеобразования, протекающие в теплотехническом оборудовании при его работе. При этом соли жесткости начинают кристаллизоваться в толще воды, образуя при этом мелкодисперсный шлам, а колебания поверхностей нагрева препятствуют осаждению шлама на стенках труб и при продувках удаляются. Эти безреагентные способы малоэффективны, пригодны для борьбы только с карбонатной накипью, требуют специального обучения персонала, эффективны при тонкой стенке труб.

- удапители кислорода. Удаление кислорода (деаэрация) обычно производится как механически, так и химически. Поскольку даже малейшие концентрации кислорода приводят к коррозии, деаэрация дополняется химическим обескислороживанием с помощью специального реагента. Механическая деаэрация снижает концентрацию кислорода до очень низкого уровня: 0,040 - 0,007 мг в зависимости от эффективности деаэратора. Остальное количество кислорода должно удаляться химическим способом. Применяются

следующие реагенты для обескислороживания: катализированный сернистокислый натрий, гидразин, СУР-ГАРД, ЭЛИМИН-ОКС.

- применение нейтрализующих и пленкообразующих аминов. Пленкообразующие амины и удалители кислорода применяются для защиты металлических поверхностей паро- и конденсатопроводов от кислородной коррозии. Удалители кислорода вступают в прямую реакцию с кислородом и способствуют пассивации металлических поверхностей в конденсатной системе. Нейтрализующая способность пленкообразующих аминов минимальна. Во многих случаях используются совмещенные нейтрализующие пленкообразующие реагенты для оптимальной защиты. Нейтрализующие амины вступают в реакцию с углекислотой и тем

самым нейтрализуют ее. Нейтрализация углекислоты предотвращает коррозию металлических поверхностей.

Пленкообразующие амины образуют мономолекулярную пленку, способствующую защите конденсатопровода и парового оборудования от кислородной и углекислотной коррозии. К двум наиболее широко применяемым пленкообразющим аминам относятся октадециламин (ОДА) и реагенты фирмы НАЛКО.

Исходя из выше изложенного, были поставлены основные задачи исследования:

- Разработать математическую модель теплообмена в зависимости от толщины слоя и состава отложений на внутренней поверхности труб.

- Провести лабораторные исследования процесса покрытия пленкой поверхностей нагрева на основе применения фосфатного реагента отечественного производства - фосфанола в комплексе с нейтрализующим амином - морфолином.

- Провести промышленные исследования процесса покрытия пленкой поверхностей нагрева с применением новых веществ.

- Разработать методику расчета процесса покрытия пленкой поверхностей нагрева.

- Разработать опытно-промышленную установку для покрытия пленкой поверхностей нагрева и изучения теплопередающей способности образовавшейся пленки.

- Разработать мероприятия по применению новых реагентов на существующих котлах.

Вторая глава посвящена моделированию и исследованию влияния отложений и накипи на термическое состояние труб.

В процессе работы котельных установок при использовании жесткой воды на поверхности труб образуются отложения, обладающие высокими механическими свойствами и имеющие низкий коэффициент

теплопроводности. Возникшие отложения вызывают перегрев труб, что неизбежно приводит к сокращению срока их службы.

При расчёте теплового состояния труб, обычно термическое сопротивление отложений принимается постоянным (чаще равным нулю), при этом не принимается во внимание тот факт, что в начальный момент времени поверхности чистые и работают в условиях, резко отличающихся от условий конечного периода эксплуатации. Поэтому для определения срока службы труб важно уметь оценивать их термическое состояние с учетом толщины слоя и состава отложений.

Для определения коэффициента эквивалентной теплопроводности А.эм> для труб с отложениями (рис. 1) использована формула 1 (труба с отложениями рассматривается как многослойная цилиндрическая стенка):

1 - труба, 2 - слой отложений

Рис. 1 Труба со слоем отложений

На рис.2 показана зависимость коэффициента эквивалентной теплопроводности трубы от толщины слоя и величины коэффициента теплопроводности отложений.

Из рисунка 2 видно что, с увеличением толщины слоя отложений величина коэффициента эквивалентной теплопроводности уменьшается. Уменьшение коэффициента теплопроводности отложений вызывает дополнительное снижение коэффициента эквивалентной теплопроводности.

Тепловой поток, воспринимаемый трубами, практически не зависит от температуры их наружных поверхностей и определяется в основном конструктивным исполнением установки, условиями контактирования фаз и другими факторами, не зависящими от состояния их внутренних поверхностей. Следовательно, тепловой поток, воспринимаемый трубами будет практически одинаковым как для чистой трубы, так и для трубы, содержащей накипь. Поэтому и количество тепла, переданного через поверхность труб, в обоих случаях будет одинаково; изменится лишь величина температурного напора Для чистой трубы эта величина будет существенно меньше, чем для трубы, содержащей накипь.

Плотность теплового потока я в зависимости от коэффициента теплопроводности Хзкв и температурного напора А1 между наружной и

внутренней поверхностями трубы с отложениями может быть определена по формуле:

Я = ■

2^кв • А1

(¡2 ■ 1п-

(2)

5 Н

О

§ 60 -г

а.

с 50

?

« 40

§

Ё 1) □ 30 -

2 20

н

X ¥ 10 -

я

•е-

* 0 4

ы

Вт/(мК)

- - А.отл =2 Вт/(м К) ••• -Хотл=4Вт/(м-К) ----А™ =6 Вт/(м-К)

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1 2 1,4 1,6 1,8 2

Толщина слоя отложений 5ОТЛ, ММ

Рис.2 Зависимость коэффициента эквивалентной теплопроводности от толщины слоя отложений.

При неизменном наружном диаметре трубы Аг и малоизменяющемся

отношении

'1

постоянство величины теплового потока

и2

сохраняется при постоянной величине произведения А.ЭКВ А1. Учитывая это обстоятельство, легко определить, насколько изменится температура между наружной и внутренней поверхностями при увеличении толщины слоя отложений:

<1-,

Л2.\п

At =

2 • А.,

Ч-

(3)

На рис. 3 представлена зависимость температурного перепада Л1 от тепловой нагрузки и коэффициента эквивалентной теплопроводности. Из рисунка видно, что с увеличением толщины слоя отложений и уменьшением коэффициента их теплопроводности перепад температур по толщине стенки трубы увеличивается. Увеличение тепловой нагрузки на наружную поверхность трубы также приводит к увеличению перепада температур по толщине стенки трубы.

Рис. 3 Зависимость перепада температур по сечению трубы от коэффициента эквивалентной теплопроводности.

На рис.4 показано влияние толщины слоя отложений на перепад температур по толщине стенки трубы. Из рисунка 4 видно, что с увеличением толщины слоя отложений перепад температур по толщине

стенки трубы возрастает. Например, при толщине слоя отложений 5отл = 2

мм, перепад температур по толщине стенки трубы более, чем в два раза превышает первоначальный. Поэтому для увеличения температуры внутренней поверхности трубы, уменьшающейся в результате образования отложений, необходимо своевременно увеличивать интенсивность теплообмена, а при достижении перепада температур по толщине стенки трубы некоторого критического значения, выводить их из эксплуатации.

A At,°c

- - q = 6,6 • 104 Вт/м2

- q = 10 • 104 Bt/m2 --- - q = 15 • 104 Bt/m2 = 6 Вт/(м-К)

0,6 0,8 1 1.2 Толщина слоя отложений

Рис. 4. Зависимость перепада температуры по сечению трубы от толщины

слоя отложений.

С учетом соотношений (1), (3) получена зависимость продолжительности работы труб тт до очистки внутренней поверхности от слоя отложений:

1,929 103 d.

Тт =-!•

а

где а - интенсивность накипеобразования, b - const, зависящая от теплофизических свойств отложений, материала труб и перепада температуры по толщине стенки трубы.

Полученное расчетное соотношение использовано для определения срока службы труб котла до чистки их внутренней поверхности от слоя отложений. В результате вычислений по соотношению (4) получены зависимости продолжительности срока службы труб котла от вида интенсивности накипеобразования и допустимого перепада температур по толщине стенок труб.

На рис. 5 показана зависимость продолжительности работы труб до очистки внутренней поверхности от интенсивности накипеобразования. Из рисунка видно, что с увеличением интенсивности накипеобразования, срок службы труб до очистки уменьшается. Для проведения расчетов были приняты следующие значения параметров: d2 = 0,06м; di = 0,054 м; X = 50 Вт/(м-К); Ь = 0,01; 0,025 и 0,05; 1,929-103 - переводной множитель.

1-

о

4d2/

(4)

А тт, мес

90 -

80

2 70

а. 60

л

^ 50 -

3

£ 40 -

30

¿1 8. 20

с

10

П •

\

N 3

\

\

\

2 *

--Ь = 0,010

......Ь = 0,025

.....Ь = 0,050

0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5

Интенсивность накипеобразования

1,75 2 а, г/(м2ч)

Рис. 5. Зависимость продолжительности работы труб от интенсивности

накипеобразования.

Расчеты выполнены для трех значений превышения перепада температур по толщине стенки трубы конечного периода эксплуатации относительно перепада температур по толщине стенки трубы в начальный период: 20% (кривая 1), 50% (кривая 2) и 100% (кривая 3).

При выборе допустимого перепада температур по толщине стенки трубы следует учитывать процесс накипеобразования внутри труб.

Для описания способов исследования был выбран метод регулярного теплового режима первого рода, который отличается простотой расчетных зависимостей, измерительной аппаратуры и проведения опытов. При его использовании основной измеряемой величиной является темп охлаждения т.

Темп охлаждения характеризует относительную скорость изменения температуры тела во времени.

Расчетная зависимость для опытного определения темпа охлаждения получена при использовании теоремы Г.М. Кондратьева:

ш =

1п9, - 1пЭ2

(5)

где 9 - избыточная температура, т - текущее время.

Для определения термического сопротивления пленки использована формула:

Р 1

-(6)

С'т а

Я, =

лпл

где т - темп охлаждения исследуемого образца, - площадь поверхности образца-свидетеля, С = Ср О - теплоемкость образца-свидетеля (Ср = 486 Дж/(кг К) - средняя удельная теполемкость углеродистой стали), О - масса образца, а = (С1 т')/^- коэффициент теплоотдачи образца-свидетеля, т' -темп охлаждения образца-свидетеля.

Коэффициент теплопередачи пленки рассчитан по формуле:

1

(7)

Чпл

В третьей главе проведено экспериментальное исследование влияния режима водоподготовки питательной воды на теплопередающие поверхности нагрева котла.

Экспериментальная установка для исследования термического сопротивления (рис. 6) состоит из муфельной печи МП-2УМ, переносного потенциометра ГТП-63, штатива и двух термопар (ХА). Образцы-свидетели представляют собой металлические пластинки различных размеров с пазами для заделки термопар.

_!_ а

О 1

1 - штатив; 2 - образец; 3 - потенциометр ПП-63,4 - муфельная печь

Рис. 6. Экспериментальная установка Испытания проводились на двадцати образцах, девять из которых прошли обработку новыми растворами, а остальные образцы взяты из исходной системы.

Термопары закрепляются в образцах, которые затем помещаются в муфельную печь и нагреваются до 200 °С. После этого образцы вынимаются и подвешиваются на штативе для охлаждения на воздухе. Через одну минуту снимаются показания с потенциометра.

По экспериментальным данным построены графики зависимости 1пЭ = ^т) для каждого образца (рис. 7).

1пЭ

5»

и

1 2 3 4 5 8 7 в 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

X. мин

без обработки реагентами

1пд

123456789 101112131415*1718192021222324

т. мин

с обработкой реагентами

Рис. 7 Сводные графики зависимости 1пЭ = ^т) исследуемых образцов

Темп охлаждения т определяем по формуле (5), затем рассчитываем термическое сопротивление Ях и коэффициент теплопередачи к™ по формулам (6, 7).

Для расчета, предварительно, путём измерений, определяются площади Р и вычисляются объёмы V всех образцов.

Для обеих серий опыта за темп охлаждения ядра т' принимается темп охлаждения одного образца-свидетеля, который зачищен от продуктов коррозии.

Для сравнения полученных данных необходимо рассчитать среднее значение коэффициента теплопередачи и термического сопротивления пленки для образцов, прошедших обработку растворами морфолина и фосфанола, и образцов без обработки.

2 2

ИХпл = 0,0052(м • К)/Вт;кпл = 435Вт/(м ■ К) - с обработкой;

=0,018(м2 • К) / Вт; =58,26Вт/(м2 К). - без обработки.

Из полученных данных видно, что темп охлаждения образцов, обработанных новыми растворами, выше, чем у необработанных. При этом термическое сопротивление защитной пленки, образовавшейся на образцах-свидетелях, в три с половиной раза меньше термического сопротивления слоя накипи на образцах без обработки реагентами, а также средний коэффициент теплопередачи с применением новых добавок увеличился в семь с половиной раз.

При проведении экспериментального исследования на промышленной установке объектом исследования по обработке питательной воды фосфанолом и морфолином был выбран котел ГМ-50-1 с давлением 4,0 МПа, установленный в цехе пароводогазоснабжения ОАО "Череповецкий "Азот". Исследования проводились в три этапа: без обработки питательной воды, с применением фосфанола в комплексе с морфолином и с применением тринатрийфосфата.

Дггя проведения испытания были подготовлены образцы-свидетели из стали 20, которые тщательно взвешивались (с точностью до шестого знака) и измерялась их площадь. Образцы маркировались и были помещены в барабан котла. Место установки образцов было определенно на трех уровнях - паровая фаза, граница раздела фаз и котловая вода. После испытания образцы взвешивались (определялась потеря массы), определялась скорость коррозии и проводились металлографические исследования на базе лаборатории коррозии Центральной лаборатории объединения ОАО "Череповецкий "Азот".

Результаты испытаний сведены в таблицу 1.

Результаты металлографических исследований показали следующее:

- после проведения испытаний в паровой фазе без реагента поверхность образца покрыта пятнами язвенной коррозии, следы которой хорошо видны на рис. 8

- после испытания в паровой фазе с реагентом поверхность образца имеет темно-серый (почти черный) цвет. Следы коррозии отсутствуют (рис. 9).

Был проведен визуальный осмотр котла ГМ-50-1 в период очередных остановок. После обработки по регламенту котловой воды тринатрийфосфатом при осмотре обнаружено, что на внутренней поверхности имеются язвы в нижней части барабана и на опускных трубах.

Таблица 1 - Скорость коррозии в зависимости от обработки реагентами. __

Вид обработки Время выдержки образцов, ч Скорость коррозии, мм/год

Паровая фаза Граница раздела Котловая вода

Тринатрийфос-фат 2472 0,0567 0,107 0,066

Фосфанол 2150 0,0036 0,0031 0,01

Без обработки 2428 0,15 0,122 0,08

¡. 1т? Ж

г.

Рис. 8. Внутренняя поверхность трубы при проведении эксперимента в паровой фазе без обработки питательной воды.

»•г:;* 'V*-*- „.Ч. Г- -А Т

Рис. 9. Поверхность внутренней кромки трубы при проведении эксперимента в паровой фазе с реагентом (продольный разрез).

Вся поверхность покрыта слоем рыхлого осадка рыжего цвета, который легко удаляется с поверхности. Аналогичные явления наблюдались и при осмотре котла после работы без обработки котловой воды.

После введения в питательную воду в течение шести месяцев фосфатного реагента: фосфанола в комплексе с морфолином при осмотре котла (в период очередной остановки) обнаружено, что поверхность его покрыта черной пленкой, которая при попытке удалить ее скальпелем трудно очищается. Защитной пленкой частично покрыт и паровой тракт. Ранее образовавшиеся язвы "залечились". Отсутствуют отложения на стенках котла.

Затем, реагентная обработка питательной воды не проводилась в течение пяти месяцев, и в период остановки также был визуально осмотрен котел. Обнаружено, что образовавшаяся ранее черная защитная пленка разрушилась, внутренняя поверхность котла покрыта слоем рыхлой ржавчины рыжего цвета.

В главе приведены инженерные расчеты термического сопротивления защитной пленкии термического сопротивления слоя отложений.

В четвертой главе приведена общая характеристика котельных установок, применяемых в промышленности, принцип их работы. Рассмотрены мероприятия, предотвращающие накипь и защиту от коррозии. Предложены рекомендации по использованию реагентов морфолина и фосфанола на промышленных котлах.

Для определения доз морфолина и фосфанола при использовании в промышленных котельных установках различного типа основополагающим фактором были:

-для определения массовой концентрации морфолина - содержание

растворенного кислорода в питательной воде в пересчете на

основное вещество, которое для каждого типа котла

регламентировано;

-для определения массовой концентрации фосфанола - общая

3 _

жесткость питательной воды в пересчете на РО

4

Для простоты расчета дозировки реагентов для промышленных котлов с давлением до 10 МПа полученные результаты представлены в виде графиков зависимостей общей жесткости и содержания растворенного кислорода в питательной воде котлов от рабочего давления пара; массовых концентраций морфолина и фосфанола от содержаний растворенного кислорода и жесткости питательной воды; массы подаваемых реагентов в питательную воду котла за один час от производительности котлов.

Приведен пример расчета дозировки реагентов для котла ДЕ 25/13 паропроизводительностью 25 т/ч на давление 1,28 МПа.

После определения массы подаваемых в питательную воду котла реагентов за один час, исходя из типа технологического оборудования котельной установки, производится приготовление растворов реагентов по методике, предложенной в данной главе.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

По результатам практических и экспериментальных исследований разработана технология снижения образования накипи и защиты от коррозии на поверхностях теплонагрева в котельном оборудовании с помощью применения реагентов отечественного производства - фосфанола в комплексе с нейтрализующим амином - морфолином. Изучено влияние образующейся пленки на теплопередающие поверхности котла.

1. Разработана математическая модель теплообмена в зависимости от толщины слоя и состава отложений на внутренней поверхности труб. Проведено исследование влияния толщины слоя и состава отложений на тепловое состояние труб. Установлено, что для снижения температуры поверхности труб, увеличивающейся в результате образования отложений, необходимо своевременно увеличивать интенсивность теплообмена. Получены зависимости для определения температурного ресурса работы труб в условиях появления отложений на внутренних поверхностях труб.

2. Исследовано термическое сопротивление защитной пленки методом регулярного теплового режима первого рода, который отличается простотой расчетных зависимостей, измерительной аппаратуры и проведения опыта. При его использовании основной измеряемой величиной является темп охлаждения.

3. На базе лаборатории кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Череповецкого государственного университета изготовлена экспериментальная установка для определения термического сопротивления образцов-свидетелей без обработки реагентами и после обработки реагентами.

4. Проведены инженерные расчеты по определению термического сопротивления защитной пленкии термического сопротивления слоя отложений. Установлено, что термическое сопротивление защитной пленки в три с половиной раза меньше термического сопротивления слоя накипи, а средний коэффициент теплопередачи с применением новых добавок увеличился в семь с половиной раз.

5. На основании лабораторных исследований проведен расчет доз

реагентов фосфанола в пересчете на РО3 и морфолина в пересчете на

4

основное вещество. Разработана последовательность операций по приготовлению растворов фосфанола и морфолина, даны рекомендации по работе с этими реагентами на основе существующих по проекту схем амминирования и фосфатирования питательной воды.

6. Экспериментально установлено, что после введения в питательную воду котла (ГМ-50-1) новых реагентов, поверхности нагрева покрыты защитной пленкой, ранее образовавшиеся язвы «залечились», отсутствуют отложения на стенках котла. Защитной пленкой частично покрыт и паровой тракт.

7. Даны рекомендации по использованию реагентов на котлах различной мощности, применяемых на промышленных предприятиях.

Внедрение технологий обеспечит:

- надежную защиту поверхностей нагрева, благодаря созданию прочных защитных пленок;

- возможность отключения установок умягчения или декарбонизации подпиточной воды и питания котельных установок водой с высокой жесткостью и щелочностью;

- снижение перерасхода топлива и, как следствие, увеличение кпд котельных установок, уменьшение выбросов продуктов сгорания в атмосферу;

- увеличение межремонтного цикла котельных агрегатов и снижение затрат на ремонт (очистка труб от отложений трудоемка и дорога);

- консервацию оборудования в период его простоя;

- отсутствие переноса продуктов коррозии по пароводяному тракту;

- возможность ускоренного ввода мощности в эксплуатацию;

- увеличение надежности эксплуатации оборудования.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Дорошенко И.В. Исследование технологии обработки питательной воды котла ГМ-50-1 №1 ОАО «Череповецкий «Азот» / И.В.Дорошенко, Н.Г.Жаворонкова, Н.Н.Синицын//Повышение эффективности теплообменных процессов и систем: Материалы II Международной научно-технической конференции / Вологда: ВоГПИ,1998.-С.55-58.

2. Дорошенко И.В. Экспериментальное исследование теплового сопротивления пленки, образующейся при обработке котловой воды различными добавками / И.В. Дорошенко, Н.И.Шестаков, Н.Н.Синицын // Повышение эффективности теплообменных процессов и систем: Материалы II Международной научно-технической конференции / Вологда:ВоГТУ,2000.-С. 238-239.

3. Дорошенко И.В. Экспериментальное исследование коррозии металла в котельном агрегате / Н.Н.Синицын, И.В. Дорошенко, Н.Г.Жаворонкова //Материалы XIII межвузовской военно-научной конференции. Тезисы докладов и сообщений.Часть 2 / Череповец: ЧВИИРЭ,1999.-С. 177-179.

4. Дорошенко И.В.Исследование технологии обработки питательной воды котлов / И.В. Дорошенко // Сборник трудов участников IV

межвузовской конференции молодых ученых / Череповец: ЧГУ,2003,-С.161-162.

5. Дорошенко И.В.Определение теплового сопротивления тонких покрытий / И.В.Дорошенко// Вузовская наука - региону: Материалы I общероссийской научно-технической конференции / Вологда: ВоГТУ,2003 .-С.73-75.

6. Дорошенко И.В. Разработка схемы подбора механического оборудования системы пылеприготовления котельных агрегатов ТПЕ-208 / A.B. Клинов, Н.Н Синицын, И.В.Дорошенко//Вестник Череповецкого государственного университета:Научный журнал, 2005,-№2.-С. 108-110.

7. Дорошенко И.В. Применение пленкообразующих аминов для защиты парового оборудования / И.В. Дорошенко, В.В. Ермилов, H.H. Синицын //Вестник Череповецкого государственного университета: Научный журнал,2005.-№2.-С. 104-107.

t

i

4

\

!

i

i 6

I

i !

I

I

i

t

i

H

I

t

4

4

I

I

i

I» 22 9 3 4

РНБ Русский фонд

2006-4 26986

Подписано к печати_

Заказ № . Объем 1 п. л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в РИО Череповецкого государственного университета 162600, г. Череповец, пр. Луначарского, 5

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Описание объекта исследования.

1.2 Способы защиты поверхностей нагрева от накипи и защита их от коррозии.

1.3 Описание существующего способа защиты поверхностей котла.

1.4 Новые способы защиты котла от накипи и коррозии.

1.5 Выводы по главе.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ И НАКИПИ НА ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ ТРУБ.

2.1 Моделирование процесса теплообмена на поверхностях нагрева.

2.2 Исследование влияния отложений и накипи на тепловое состояние труб.

2.3 Экспериментальные исследования покрытия пленкой поверхности нагрева.

2.3.1 Исследования термического сопротивления.

2.3.2 Разработка опытной установки.

2.3.3 Определение коэффициентов температуропроводности плохих проводников тепла.

2.3.4 Определение теплового сопротивления тонких покрытий.

2.3.5 Определение коэффициентов теплопередачи.

2.4 Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМА ВОДОПОДГОТОВКИ ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ НА ТЕПЛОПЕРЕ

ДАЮЩИЕ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА КОТЛА.

3.1 Лабораторные исследования.

3.1.1 Разработка экспериментальной установки.

3.1.2 Расчет термического сопротивления.

3.1.3 Оценка погрешности измерений.

3.2 Экспериментальные исследования на промышленном объекте.

3.3 Выводы по главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ НАКИПИ.

4.1 Расчет количества реагентов для приготовления растворов.

4.1.1 Расчет количества фосфанола.

4.1.2 Расчет количества морфолина.

4.2 Последовательность операций для приготовления растворов.

4.2.1 Раствор фосфанола.

4.2.2 Раствор морфолина.

4.3 Приготовление и подача растворов в питательный тракт котельной установки.

4.3.1 Приготовление раствора морфолина.

4.3.2 Приготовление раствора фосфанола.

4.4 Разработка опытно - промышленной установки.

4.4.1 Общая характеристика котельных установок, применяемых в промышленности.

4.4.2 Принцип работы котельной установки.

4.4.3 Мероприятия, предотвращающие образование накипи и защита от коррозии.

4.4.4 Рекомендации по использованию реагентов морфолина и фосфанола на промышленных котлах.

4.5 Выводы по главе.

Во многих отраслях промышленности пар используется в качестве движущей силы компрессоров и насосов, а также для производства электроэнергии или тепла, необходимого для технологических процессов. Пар вырабатывается котельным агрегатом, в котором вода нагревается за счёт сжигания топлива до тех пор, пака она не перейдет в паровую фазу.

Вода всегда содержит примеси. В процессе получения пара растворённые соли теоретически остаются в водяной фазе, так что котловая вода содержит соли в повышенной концентрации по сравнению с питательной водой. На самом же деле примеси в виде растворённых в воде газов, и некоторые соли попадают в пар. В результате этого возникает целый ряд проблем в работе систем, основными из них являются образование накипи и отложения железа.

В условиях повышенных температур соли откладываются на трубках котельного агрегата и создают барьер, ухудшающий теплопередачу сквозь стенку трубки. Это приводит к снижению КПД котлоагрегата и, в конечном счете, к выходу трубок из строя.

Возникающее в результате этого ухудшение экономических показателей предприятия обычно нельзя восстановить. В большинстве случаев производственные потери вследствие снижения паропроизводи-тельности обходятся гораздо дороже, чем ремонт и обслуживание с прекращением работы котлоагрегага.

Образование накипи вызывается в основном присутствием в питательной воде взвешенных веществ и растворимых примесей. Большинство котельных агрегатов работает на питательной воде хорошего качества с подпиточной водой, умягченной, по крайней мере, цеолитом, и 30 - 70% возвращенного конденсата. На входе в систему питательная вода содержит, как правило, 0,002 - 0,02 мг-экв/л солей жесткости и 0,03

0,3 мг/л взвешенных окислов железа [76]. Но ни использование подпиточной воды, умягченной цеолитом, ни более глубокая очистка воды путем обессоливания не обеспечивает полное отсутствие накипи. Если не принимать каких-либо специальных мер, за год может образоваться 2002000 кг накипи в котлоагрегате, вырабатывающем 100т пара в час [10]. Поэтому совершенно очевидно, что поддержание максимального эксплуатационного КПД требует проведения соответствующих мероприятий по внутрикотловой обработке воды.

Причиной коррозии является химическое или электрохимическое взаимодействие со средой. Коррозионный процесс протекает на границе двух фаз металл - окружающая среда, т.е. является гетерогенным процессом взаимодействия жидкой среды с металлом. Безвозвратные потери металла от коррозии за срок службы металлических конструкций принимаются равными в России 8% от начальной массы металла, что составляет за год 1,6 млн. т, а безвозвратные потери металла в процессе металлообработки от кислотного травления металла, окисления металлических отходов и неполного сбора окалины составляют 1 млн. т [35]. Таким образом, значительная часть производственной мощности металлургической промышленности идет на компенсацию коррозионных потерь металла. К косвенным убыткам можно отнести отказ в работе, простой оборудования, стоимость ремонта, увеличение расхода металла.

Надежная и экономичная работа котла и паровой турбины возможна при обеспечении отсутствия внутренних отложений на поверхностях нагрева, снижении до возможного минимума коррозии конструкционных материалов и получении в котле пара высокой чистоты. Эти задачи решаются организацией рационального водного режима, включающего в себя надлежащую обработку питательной воды в сочетании с определенными конструктивными мероприятиями и соответствующую очистку питательной и добавочной воды от имеющихся в них газообразных и твердых примесей. Последние могут находиться как в растворенном, так и во взвешенном состоянии. Вместе с питательной водой в котлы поступают различные минеральные примеси, в том числе соединения кальция и магния, оксида железа, алюминия, меди и др.

Накапливаясь в котле по мере испарения воды, эти примеси после наступления состояния насыщения начинают из нее выпадать. Прежде всего состояние насыщения наступает для солей жесткости Са(НС03)2, Mg(HC03)2, CaC02, MgC02 , и они начинают выпадать из воды в виде кристаллов. Центрами кристаллизации служат шероховатости на поверхностях нагрева, а так же взвешенные и коллоидные частицы, находящиеся в воде котла. Вещества, кристаллизующиеся на поверхности нагрева, образуют плотные и прочные отложения - накипь. Вещества, кристаллизующиеся в объеме воды, образуют взвешенные в ней частицы -шлам.

Образование накипи на поверхности нагрева объясняется процессами взаимодействия между противоположно заряженными частицами накипеобразователей и металлической стенкой. Выделение твердой фазы на поверхности может происходить так же в процессе парообразования, до того как будет достигнуто состояние перенасыщения накипеобразователей в объеме воды вследствие выпаривания водяной оболочки пузырьков пара, образующихся на поверхности нагрева. Образовавшаяся первичная накипь является основой для отложения вторичных видов накипи - прикипевшего шлама, отложений продуктов коррозии металла [24].

Наиболее распространены кальциевая и магниевая первичные накипи, в составе которых преобладают CaS04, CaSi02, CaO, Si02H20, CaC02, Mg(OH)2. Накипь, как правило, имеет низкую теплопроводность, составляющую 0,1-0,2 Вт/(м-к). Поэтому даже малый слой накипи приводит к резкому ухудшению условий охлаждения металла поверхностей нагрева и вследствие этого к повышению его температуры. При этом у поверхностей нагрева, расположенных в области высоких температур экраны, фестоны, первые ряды труб конвективного пучка), температура металла может превысить предельную по условиям прочности, после чего начинается образование отдулин с утонением стенки трубы. Затем проявляется свищ - отверстие вдоль образующей трубы, через который с большой скоростью вытекает струя воды, и котел приходится останавливать. Накипь недопустима и в поверхностях нагрева, расположенных в зоне более низких температур, так как приводит к снижению КПД котла в результате уменьшения коэффициента теплопередачи и связанного с этим повышения температуры уходящих газов.

На режим работы котла вредное влияние оказывает также повышенная щелочность воды; увеличенная щелочность может привести к вспениванию воды в барабане и в предельном случае - к заполнению вспененной водой всего парового объема барабана. Вспениванию воды способствует содержание в ней органических соединений и аммиака. В этих условиях сепарационные устройства не обеспечивают отделение капель воды от пара, и вода из барабана, содержащая различные примеси, может поступить в пароперегреватель и затем в турбину, создавая опасность их загрязнения и нарушения нормальных условий работы. Повышенная щелочность является причиной появления щелочной коррозии металла, а также возникновения трещин в местах вальцовки труб в коллекторах и барабане.

В связи с указанными вредными влияниями на работу котла различных примесей их предельно-допустимое содержание в питательной воде нормируется.

Исходным фактором в организации водного режима паровых котлов является качество питательной воды.

Из этого следует вывод: коррозия и накипь - два "врага" теплоэнергетики.

Вопросам технологии водоподготовки и защиты теплотехнического оборудования от коррозии и накипеобразования посвящено значительное количество монографий и научных статей. Наиболее полно указанные вопросы рассмотрены в трудах А.П. Акользина, Н.Н. Манькина, Н.М. Дятловой, Н.В. Ивановой JI.C. Петрова и др. [4, 33, 39, 57, 58, 73]

В течение нескольких лет кафедра "Промышленной теплоэнергетики" и ОАО "Череповецкий "Азот" ведут работы по изысканию путей снижения и исключения образования накипи на поверхностях теплообмена и защиты от коррозии.

Актуальность работы

В процессе работы теплотехнического оборудования при использовании жесткой воды на поверхностях нагрева образуются твердые отложения, которые принято называть накипью. Накипь обладает высокими механическими свойствами и низкой теплопроводящей способностью и поэтому является причиной ряда технических сложностей и дополнительных затрат при эксплуатации теплового хозяйства предприятий:

- накипь и отложения приводят к значительному перерасходу топлива и, соответственно, снижению коэффициента полезного действия котлов. Так, при наличии накипи толщиной 1мм котел перерасходует в среднем 2-3 % топлива, а 4-5 мм - 8-10 % [62]. С ростом потребления топлива увеличивается и количество вредных выбросов в атмосферу;

- при остановке котла требуется выполнить трудоемкую и дорогостоящую очистку котлов и теплообменной аппаратуры от накопившихся накипи и отложений. В период между чистками накипь и отложения образуются вновь;

- низкая теплоотдача накипи и отложений приводит к сильному перегреву металлических поверхностей нагрева, из-за чего в трубах появляются трещины, вздутия и деформации. Это является причинами аварий, сокращением межремонтных сроков и увеличением затрат на ремонт и обслуживание;

- накипь и отложения уменьшают сечение труб, увеличивая их гидросопротивление, что приводит к дополнительным потерям электроэнергии в насосном оборудовании на перекачку воды;

- перегрев металла, несвоевременная и некачественная очистка неизбежно приводят к сокращению срока службы котлов в 2^3 раза [62]; к неоправданным затратам на приобретение и монтаж новых котлов, взамен вышедших из строя.

Если не принимать каких-либо специальных мер, за год может образоваться 200-2000 кг накипи в котлоагрегате, вырабатывающем 100 т пара в час [62].

Таким образом, предотвращение накипеобразования и защита от коррозии являются одной из актуальных проблем, связанных с эксплуатацией теплотехнического оборудования.

Целью работы является исследование взаимодействия реагентов (фосфанола в комплексе с нейтрализующим амином - морфолином) на теплопередающие поверхности котельных установок и разработка мероприятий по защите поверхности нагрева от коррозии, накипи и отложений.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель теплообмена с учетом толщины слоя и состава отложений на внутренней поверхности труб. Проведено исследование влияния толщины и состава отложений на тепловое состояние труб. Получены зависимости для оценки и прогноза ресурса работы труб в условиях образования отложений на их внутренней поверхности.

2. Исследовано влияние фосфатного реагента отечественного производства - фосфанола в комплексе с нейтрализующим амином морфолином на процесс образования защитной пленки на поверхностях пароводяного тракта котельных установок.

3. Установлена оптимальная массовая концентрация морфолина и фосфанола в питательной воде, способствующая устойчивому образованию пленки для котлов разного давления. Исследовано термическое сопротивление защитной пленки на экспериментальной установке, а также влияние образующейся защитной пленки на коэффициент теплопередачи.

4. Установлено, что термическое сопротивление защитной пленки, образующейся при применении новых реагентов, в три с половиной раза меньше, а коэффициент теплопередачи в семь с половоиной раз выше аналогичных параметров при применении традиционных схем обработки питательной воды (схемы амминирования и фосфатирования).

Достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами проведенных экспериментов, опытными данными других авторов и промышленными испытаниями.

Практическая значимость работы:

1. Установлено, что для снижения температуры поверхности труб, увеличивающейся в результате образования отложений, необходимо своевременно увеличивать интенсивность теплообмена. При достижении определенной толщины слоя отложений, соответствующей критическому значению перепада температур по толщине трубы, их необходимо выводить из эксплуатации. Предложена методика определения температурного ресурса работы труб в условиях накипеобразования.

2. Разработана последовательность операций по приготовлению растворов морфолина и фосфанола, правила работы с этими реагентами на основе существующих по проекту схем амминирования и фосфатирования питательной воды котлов.

3. На основе использования методов расчета произведен анализ и даны рекомендации по применению реагентов на котлах различной мощности, применяемых на промышленных предприятиях.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли проверку в промышленных условиях и рекомендованы к внедрению в технологиях водоподготовки не только на котлах средней мощности, но и на других видах теплотехнического оборудования.

Практическая ценность и перспективность разработок подтверждены протоколами совещаний специалистов ОАО "Череповецкий "Азот".

Апробация работы, публикации. Настоящее диссертационное исследование проводилось автором на ОАО "Череповецкий "Азот" в цехе пароводогазоснабжения и центральной лаборатории объединения; на кафедре "Промышленная теплоэнергетика" Череповецкого государственного университета.

Основные разделы работы были представлены на Международной научно-технической конференции "Повышение эффективности теплообменных процессов и систем" (Вологда, 1998г), XIII межвузовской военно-научной конференции (Череповец, 1999г), II Международной научно-технической конференции "Повышение эффективности теплообмена процессов и систем" (Вологда, 2000г), IV межвузовской конференции молодых ученых (Череповец, 2003г), I общероссийской научно-технической конференции "Вузовская наука - региону" (Вологда, 2003 г), а также на совещаниях специалистов ОАО "Череповецкий "Азот".

По результатам диссертационной работы опубликовано семь печатных работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения и четырех глав, заключения с основными выводами, списка литературы и приложений. Она изложена на 167 страницах, содержит 132 страницы основного текста,

4.5 Выводы по главе

1. Получены расчетные значения доз реагентов фосфанола в пересчете на POl~ и морфолина в пересчете на основное вещество.

2. Разработана последовательность операций и правила работы для приготовления, хранения и подачи рабочего водного раствора морфолина и фосфанола.

3. Для непрерывной подачи фосфанола в питательную воду предложено применить существующее оборудование установки амминирования, а непрерывной подачи морфолина - существующее оборудование установки фосфатирования.

4. Дана общая характеристика котельных установок, применяемых в промышленности и характеристика основных видов коррозии металла в котельных агрегатах, на основании чего представлены требования к качеству питательной воды паровых котлов в виде графических зависимостей от рабочего давления пара.

5. Разработаны рекомендации по дозировке реагентов морфолина и фосфанола на промышленных котлах, которые также представлены в виде графических зависимостей двух видов:

- зависимости от содержания растворенного кислорода и общей жесткости питательной воды котлов;

- зависимости от объема подаваемой воды в котел (производительности котла).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам практических и экспериментальных исследований разработана технология снижения и образования накипи и защита от коррозии на поверхностях теплонагрева в котельном оборудовании с помощью применения реагентов отечественного производства - фосфанола в комплексе с нейтрализующим амином - морфолином. Изучено влияние образующейся пленки на теплопередающие поверхности котла.

1. Разработана математическая модель теплообмена в зависимости от толщины слоя и состава отложений на внутренней поверхности труб. Проведено исследование влияния толщины слоя и состава отложений на тепловое состояние труб. Установлено, что для снижения температуры поверхности труб, увеличивающейся в результате образования отложений, необходимо своевременно увеличивать интенсивность теплообмена. Получены зависимости для определения температурного ресурса работы труб в условиях появления отложений на внутренних поверхностях труб.

2. Исследовано термическое сопротивление защитной пленки методом регулярного теплового режима первого рода, который отличается простотой расчетных зависимостей, измерительной аппаратуры и проведения опыта. При его использовании основной измеряемой величиной является темп охлаждения.

3. На базе лаборатории кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Череповецкого государственного университета изготовлена экспериментальная установка для определения термического сопротивления образцов-свидетелей без обработки реагентами и после обработки реагентами.

4. Проведены инженерные расчеты по определению термического сопротивления защитной пленки и термического сопротивления слоя отложений. У становлено, что термическое сопротивление защитной пленки в три с половиной раза меньше термического сопротивления слоя накипи, а средний коэффициент теплопередачи с применением новых добавок увеличился в семь с половиной раз.

5. На основании лабораторных исследований проведен расчет доз реагентов фосфанола в пересчете на Р()1~ и морфолина в пересчете на основное вещество. Разработана последовательность операций по приготовлению растворов фосфанола и морфолина, даны рекомендации по работе с этими реагентами на основе существующих по проекту схем амминирования и фосфатирования питательной воды.

6. Экпериментально установлено, что после введения в питательную воду котла (ГМ-50-1) новых реагентов, поверхности нагрева покрыты защитной пленкой, ранее образовавшиеся язвы «залечились», отсутствуют отложения на стенках котла. Защитной пленкой частично покрыт и паровой тракт.

7. Даны рекомендации по использованию реагентов на котлах различной мощности, применяемых на промышленных предприятиях.

Внедрение технологий обеспечит:

- надежную защиту поверхностей нагрева, благодаря созданию прочных защитных пленок;

- возможность отключения установок умягчения или декарбонизации подпиточной воды и питать котельные установки водой с высокой жесткостью и щелочностью;

- снижение перерасхода топлива и, как следствие, увеличение кпд котельных установок, уменьшение выбросов продуктов сгорания в атмосферу;

- увеличение межремонтного цикла котельных агрегатов и снижение затрат на ремонт (очистка труб от отложений трудоемка и дорога);

- консервацию оборудования в период его простоя;

- отсутствие переноса продуктов коррозии по пароводяному тракту;

- возможность ускоренного ввода мощности в эксплуатацию;

- увеличение надежности эксплуатации оборудования.

1. Dooley R.B.Значение защитной оксидной пленки для предотвращения повреждений котельных труб на тепловых электростанциях/ Автореферат диссертации д.т.н.-М.:МЭИ,1996.

2. Абрамов О.В. Ультразвуковая обработка материалов / О.В. Абрамов , И.Т .Хорбенко, Ш. Швегла.- М. : Машиностроение, 1984.-82с.

3. Акользин А.П. Удаление накипи с поверхностей нагрева теплоэнергетического оборудования с помощью суперфосфата / А.П. Акользин, Р.П.Исьемин, Абдельсалям Адбельма-тид//Промышленная энергетика.-1990.-№ 1 .-С.20-22.

4. Акользин А.П. Предупреждение коррозии металла паровых котлов / А.П. Акользин,- М.:Энергия,1995.-296с.

5. Александров В.Г. Паровые котлы средней и малой мощности / В.Г.Александров .-М.:Высшая школа, 1972.-518с.

6. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника / Г.Н.Алексеев.- М.:Высшая школа, 1980.-612с.

7. Андреев А.Г. Об экономической эффективностиакустических противонакипных устройств в системах ГВС/ А.Г. Андреев , П.А.Панфиль, А.С. Паньшин //Новости теплоснабжения.-2004.-№6.-С.51-53.

8. Архаров A.M. Теплотехника / А.М.Архаров, И.С.Исаев, Н.А.Кожинов , В.И.Кутузов., Под ред. В.И.Кутузова;-М.:Машинострое-ние,1986.-432с.

9. Бабенко Ю.И. Тепломассообмен, методы расчета тепловых диффузионных потоков / Ю.И. Бабенко.- Л.:Химия, 1986.-144с.

10. Ю.Бакластов A.M. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник / A.M. Бакластов, В.М.Бродянский, В.П.Голубев, В.А.Григорьев, В.М.Зорин.-М.:Энергоатомиздат, 1983.-552с.

11. П.Баскаков А.П. Котлы и топки с кипящим слоем / А.П. Баскаков, В.В.Мацнев, И.В. Распопов;Под ред. А.П. Баскакова. М.: Энергоатомиздат, 1996. - 352 с.

12. Баскаков А.П. Теплотехника / А.П.Баскаков, Б.В. Берг, O.K. Витт; Под ред. А.П.Баскакова.-М.:Энергоиздат, 1981 .-224с.

13. Богачев А.Ф. О технологиях подготовки воды и воднохимических режимах ТЭС / А.Ф. Богачев, Б.С.Федосеев, Б.Н. Ходырев // Теплоэнергетика.-1996.-№7.-С.62-63.

14. Бондарев В.А. Теплотехника / В.А. Бондарев, А.Е. Процкий, Р.П. Гринкевич; Под ред. В.А.Бондарева.-Минск.:Наука, 1976.-381с.

15. Боришан В.М.Достижения в области Исследования теплообмена и гидравлики двухфазных потоков в элементах энергооборудования / В.М.Боришан.-Л.:Наука,-1973.-291 с.

16. Бузенков Е.Ф. Пароводогрейные котлы для электростанций и котельных / Е.Ф. Бузенков, А.А. Верес, В.Б Грибов; Под ред. Е.Ф.Бузенкова.-М.:Энергоиздат, 1989.-208с.

17. Василенко Г.В. Ингибиторы коррозии для химической очистки котлов / Г.В.Василенко , М.А. Мурзин //Электрические станции.-2000.-№7.-С.25-26.

18. Васильев А.В. Сравнительный анализ эффективности паровых и водогрейных котлов для промышленных и отопительных котельных / А.В.Васильев, Г.В.Антропов, А.А.Сизоненко // Промышленная энергетика.-2003.-№9.-С. 18-23.

19. Воронов В.Н. Термолиз и комплексообразование гидразина в парогенерирующих установках электростанций / В.Н. Воронов, П.Н.Назаренко, И.К.Чубукова //Теплоэнергетика.-1996.-№8.-С.43-46.

20. Геращенко О.А. Метрологические основы теплотехнических измерений / О.А.Геращенко.- М.:Издательство стандартов,-1972.-187с.

21. Григорьев В.А. Теплоэнергетика и теплотехника.Общие вопросы. Справочник / В.А.Григорьев ,В.М. Зорин.- М.: Энергоатомиздат, 1987.-456с.

22. Гуревич С.М. Справочник химика-энергетика. Том 1. Водопод-готовка и водный режим парогенераторов/ С.М.Гуревич.-М.:Энергия, 1972.-456с.

23. Гутер Р.С. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта / Р.С.Гутер, Б.В.Овчинский.-М.:Наука , 1970. 432 с.

24. Доброхотов В.И. К вопросу об эффективности удаления отложений,санации и защиты от коррозии поверхностей пароводяных трактов оборудования ТЭС / В.И.Доброхотов, В.А.Рыженков, В.Е.Кулов, В.И.Шанко, В.М.Гвоздев //Теплоэнергетика.-2002.-№1.-С.29-32.

25. Дорошенко И.В.Исследование технологии обработки питательной воды котлов / И.В. Дорошенко // Сборник трудов участников IV межвузовской конференции молодых ученых / Череповец: ЧГУ,2003 .-С. 161 -162.

26. Дорошенко И.В.Определение теплового сопротивления тонких покрытий / И.В.Дорошенко// Вузовская наука региону: Материа-лы I общероссийской научно-технической конференции / Вологда: ВоГТУ,2003.-С.73-75.

27. Дорошенко И.В. Применение пленкообразующих аминов для защиты парового оборудования / И.В. Дорошенко, В.В. Ермилов, Н.Н. Синицын //Вестник Череповецкого государственного университета:Научный журнал,2005.-№2.-С. 144-148.

28. Дрикер Б.Н. О механизме ингибироваия минеральных отложений органическими фосфанатами / Б.Н Дрикер, С.В.Смирнов //Энергоснабжение и водоподготовка.-2003.-№1.-С.18-20.

29. Дятлова Н.М. Комплексоны и комплексонаты металлов / Н.М. Дятлова, В.А.Темкина, К.И Попов.-М.:Химия,1988.-217с.

30. Еремин Л.М. Развитие электроэнергетики России и повышение ее экологической эффективности / Л.М.Еремин//Новое в Российской электроэнергетике.- 1998.- № 2.-С. 3 14.

31. Жук Н.П.Курс теории коррозии и защиты металлов / Н.П. Жук.-М.: Металлургия,-1976.-472с.

32. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках / А.А. Жукаускас .-М: Наука,-1982.-472с.

33. Журкин В.Г. Пособие для изучающих правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов в вопросах и ответах / В.Г. Журкин, А. М. Грингауз. М.:НПООБТ, - 2001.-97с.

34. Зайчик Л.И. Влияние диоксида углерода,аммиака и гидразина на коррозию стали в обессоленной воде при повышенных температурах / Зайчик Л.И., Б.И. Нигматуллин, В.А. Першуков, Н.В. Иванов // Теплоэнергетика. 1996. - №9. - С.63-65.

35. Зыков А.К. Паровые и водогрейные котлы.Справочное пособие / А.К. Зыков М.:Энергоатоиздат, - 1987. - 124с.

36. Иванова Н.В. Сравнение эффективности пассивации углеродистой стали в расстворах гидразина и кислородосодержащей воде / Н.В. Иванова, В.И. Латунин, А.Ф. Абдуллаев, О.В. Шатерникова //Теплоэнергетика. 2001. -№ 12. - С.31-32.

37. Информация ВТИ. Применение антинакипинов в системах теплоснабжения и оборотных системах охлаждения / Промышленная теплоэнергетика. 2004. - №7. - С.60-63.

38. Исаченко В.В. Теплопередача / В.В. Исаченко,В.А. Осипова,А.С. Сукомел .-М.: Энергоатомиздат,-1981 .-416с.

39. Исаев И.С. Теория тепломассообмена / И.С. Исаев, И.С. Кожинов, В.И. Кофанов, И.С. Леонтьев. М.-.МГТУ имени Н.Э. Баумана, - 1997. - 683с.

40. Калиткин Н.Н. Численные методы. Учеб. пособие для вузов / Н.Н. Калиткин; Под. ред. А.А. Самарского. М.: Наука, 1978. - 512 с.

41. Ковальчук А.П. Результаты применения ингибитора накипеобразования и коррозии в системе теплоснабжения Ростовской ТЭЦ-2 / А.П. Ковальчук // Промышленная теплоэнергетика. 2004. - №11. - С. 34-36.

42. Копылов А.С. Водоподготовка в энергетике / А.С. Копылов, В.М. Лавигин, В.Ф. Очков. М.:Издательство МАИ, - 2003. - 3 Юс.

43. Костерин Ю.В.Повышение эффективности использования теплоты парового конденсата в промышленности / Ю.В. Костерин М.:Энергоатоиздат, 1984. - 56с.

44. Кривцов В.В. Анализ методов индикации противонакипного действия магнитного поля на водные системы / В.В. Кривцов, В.З. Кочмарский // Промышленная энергетика. 1987. - №10. - С.20.

45. Кружилин Г.Н. Теория подобия и тепловое моделирование / Г.Н. Кружилин М.: Наука, - 1987. - 164с.

46. Кузнецов Н.В. Тепловой расчет котельных агрегатов .Нормативный метод / Н.В. Кузнецов, В.В. Митор, И.Е. Дубовский. М.:Энергия, - 1973.- 296с.

47. Купреев П.Ф. Опыт химической очистки котлов от накипи в агропромышленном комплексе Белоруссии / П.Ф. Купреев, В. А. Короткевич // Промышленная энергетика. 1990. - №5. - С. 16-17.

48. Лапотышкина Н.П. Водоподготовка и водно-химический режим тепловых сетей / Н.П. Лапотышкина, Р.П. Сазонов. М.:Энергоиздат, - 1982. - 387с.

49. Лариков Н.Н.Общая теплотехника / Н.Н. Лариков М.:Стройиздат, - 1975.- 559с.

50. Луканин В.Н. Теплотехника / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер, С.Г. Нечаев, И.Е. Иванов, Л.М. Матюхин, К.А. Морозов. М.:Высшая школа, - 2002. - 671с.

51. Мамет В.А. Процессы «Хайд-аут»(местного концентрирования) примесей котловой воды парогенераторов АЭС и их влияние на надежность работы оборудования / В.А. Мамет, О.И. Мартынова // Теплоэнергетика. 1993. -№7. - С.27-30.

52. Манькина Н.Н. Паро- водо- кислородная очистка и пассивация внутренних поверхностей нагрева / Н.Н. Манькина, А.С. Коньков, Л.С. Журавлев, А.В. Кириллина//Теплоэнергетика. 2000. - №7. - С.23-25.

53. Манькина Н.Н. Обобщение промышленного опыта внедрения паро- водо-кислородной очистки и пассивации / Н.Н. Манькина, В.К. Паули, Л.С. Журавлев // Теплоэнергетика. 1996. - №10. - С.45-48.

54. Маргулова Т.Х. Химические очистки теплоэнергетического оборудования /Т.Х. Маргулова- М.:Энергия, 1969. - 317с.

55. Мартынова Н.К. Исследование взаимодействия расстворов фосфатов скарбонатной накипью / Н.К. Мартынова, П.А. Акользин, М.Х. Ибрагимов, И.В. Авдонкин // Теплоэнергетика. 1990. - №2. - С.72-74.

56. Матвиевский А.А. Накипи-труба! / А.А. Матвиевский // Новости теплоснабжения. 2004. - №1. - С.32-33.

57. Осипова В.А. Универсальная установка для определения теплофизических свойств твердых тел в интервале температур 100-1800°С / В.А. Осипова, А.В. Елисеев, В.А. Андрианова // Труды МЭИ, вып. 235 / М.:МЭИ. 1975. -С.51-56.

58. Осипова М.Н. Комплексное определение температурной зависимости теплофизических свойств / М.Н. Осипова, В.А. Осипова // Теплоэнергетика. 1971. - №6. - С.84-85.

59. Осипова С.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена / С.А. Осипова М.гЭнергия, - 1979. - 318с.67.0хотин B.C. Основы теплотехники / B.C. Охотин, В.Ф. Жидких, В.М. Лавыгин. М.:Мир, - 1987. - 270с.

60. Панин В.И. Котельны установки малой и средней мощности / В.И. Панин М.:Стройиздат, - 1975. - 381с.

61. Пат. №2069295 Р.Ф. Способ очистки и пассивации внутренней поверхности стальных теплообменник труб./ Н.В. Иванова, Л.С. Мидлер, М.Е. Шлицман, Б.И. Нигматуллин. Изобретения, 1996. - Бюл. №32.

62. Пат. №2185335 Р.Ф. Магнитная установка электромагнитного волнового аппарата. Прибор «Максмир». / А.А. Матвиевский. Изобретения, 2003. -Бюл. №17.

63. Пат. №2167728 Р.Ф. Способ защиты и очистки поверхности ферромагнитных материалов от отложений. / А.В. Моисеичев, В.К. Пронских. Изобретения, 2003. - Бюл. №2.

64. Петров В.А. Определение расчетной минимальной температуры металла стенок труб воздухоподогревателей / В.А. Петров, М.М. Кулагина // Теплоэнергетика. 1990. - №5. - С.63-66.

65. Петров J1.C. Коррозионно-механическое разрушение металлов и сплавов / Л.С. Петров, Н.Г. Сопрунюк. Киев: Наукова думка, - 1991. - 212с.

66. Подоляк В.Е. Опыт применения ультразвука для уменьшения накипеобразования в водогрейных котлах ВК-31 / В.Е. Подоляк, Е.В. Безвесильный, В.Н. Рыхлюк, B.C. Старовойтов, О.Р. Михновский // Промышленная энергетика. 1986. - №8. - С.30-34.

67. Похилько С.В. О некоторых проблемах эксплуатации котлов в малой энергетике / С.В. Похилько, Н.Н. Зубко // Промышленная энергетика. -2001.-№2.-С. 14-15.

68. Правило устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. С.П.: Госгортехнадзор России, - 2000. - 223с.

69. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы / В.П. Преображенский М.:Энергия, - 1978. - 704с.

70. Резник Я.С. Оптимизация ионообменной технологии водоподготовки: фильтрование с противоточной генерацией / Я.С. Резник // Новости теплоснабжения. 2003. - №12. - С.47-49.

71. Резников М.И. Паровые котлы тепловых электростанций / М.И. Резников, Ю.М. Липов. М.:Энергоиздат, - 1981. - 412с.

72. Соколов Е.Я. Методы расчета основных энергетических показателей паротурбинных, газотурбинных и парогазовых теплофикационных установок / Е.Я. Соколов, В.А. Мартынов. М.Издательство МЭИ, - 1996.- 486с.

73. Справочник по объектам котлонадзора. Под общ. ред. И.А. Молчанова. -М.: Энергия, 1974. - 440с.

74. Сутоцкий Г.П. Предупреждение накипеобразования и коррозии в водогрейных котлах малой мощности / Г.П. Сутоцкий, Н.С. Рассудов,

75. B.М. Евтушенко, В.Ю. Петров // Промышленная энергетика. 1986. - №4.- С.42-43.

76. Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках / Е.Ф. Тебенихин М.:Энергия, - 1977. - 189с.

77. Телин Н.В. Оценка влияния накипеобразования на тепловое состояниероликов металлургических машин / Н.В. Телин // Материалы IV международной технической конференции / Вологда: ВоГТУ, 2004.1. C.223-226.

78. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). 3-е издание. С-Пб.:НПО ЦКТИ,1998.- 198с.

79. Тищенко Г.П. Опыт комплексной противокоррозийной защиты теплоэнергетического оборудования / Г.П. Тищенко, И.Г. Тищенко, В.В. Орленко, В.И. Шакалов // Промышленная энергетика. 1990. - №7. - С.16-18.

80. Хазен М.М. Теплотехника / М.М. Хазен, Г.А. Матвеев, М.Е. Грицевский, Ф.П. Казакевич; Под ред. М.М. Хазен. М.:Высшая школа, 1981. - 480с.

81. Харламов А.Г. Измерение теплопроводности твердых тел / А.Г. Харламов- М.:Атомиздат, 1973. - 468с.

82. Цанев С.В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций / С.В. Цанев, В.Д. Буров, А.Н. Релизов. М.Издательство МАИ, - 2002. - 574с.

83. Шашков А.Г. Методы определения теплопроводности температуропроводности / А.Г. Шашков, Г.М. Волохов, Т.Н. Абраменко, А.В. Лыков. М.:Энергия, - 1973. - 336с.

84. Шестаков Н.И. Тепловые процессы в технологических системах / Н.И. Шестаков, В.Р. Аншелес, Э.А. Гарбер // Сборник научных трудов. Выпуск 1: Научный журнал / Череповец: ЧГИИ, 1995. 96с.

85. Щавелева Г.А. Защита паровых котлов среднего и низкого давления от стояночной коррозии методом «выварки» в известковом расстворе / Г.А. Щавелева // Промышленная энергетика. 1989. - №9. - с.21.

86. Щеголев М.И. Котельные установки / М.И. Щеголев, Ю.Л. Гусев, М.С. Иванова М.:Стройиздат, - 1966. - 424с.

87. Юренев В.Н. Теплотехнический справочник. Том 1 / В.Н. Юренев, П.Д. Лебедев М.:Энергия, 1975. - 744с.

88. Юренев В.Н. Теплотехнический справочник. Том 2 / В.Н. Юренев, П.Д.Лебедев М.:Энергия, 1976. - 896с.