автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Повышение надежности функционирования системы ТЭС - открытая теплосеть

На правах рукописи

005017314

ГИНИЯТУЛЛИН БУЛАТ АНВАРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЭС - ОТКРЫТАЯ ТЕПЛОСЕТЬ

05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г ';"" 7.012

Казань - 2012

005017314

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет».

Научный руководитель: Чичиров Андрей Александрович

доктор химических наук, профессор

Официальные оппоненты: Москаленко Николай Иванович

доктор физико-математических наук, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический

университет», профессор кафедры «Котельные установки и

парогенераторы»

Шарапов Владимир Иванович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический

университет», заведующий кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Инженерный центр ЕЭС»

Защита состоится «31» мая 2012 года в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» по адресу: 420066, Казань, Красносельская, 51, зал заседаний ученого совета (Д-223).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет».

Автореферат разослан » апреля 2012г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.082.02 канд. хим. наук, профессор

Э.Р. Зверева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В Российской Федерации во многих крупных городах сохраняется централизованное теплоснабжение от тепловой электрической станции (ТЭС) с открытой тепловой сетью. Системы с открытой тепловой сетью обладают некоторыми преимуществами по сравнению с закрытыми теплосетями, в числе которых удешевление теплопунктов, более полная утилизация сбросной теплоты ТЭС, снижение давления теплофикационного отбора. Основной недостаток систем с открытой теплосетью - повышенные затраты на химводоочистку — в последнее время теряет остроту в связи с применением на ТЭС реагентной стабилизационной обработки подпиточной воды. В качестве реагентов хорошо зарекомендовали себя органофосфонаты, поликарбоксилаты, бензотриазолы и др. Между тем, по-прежнему не решена проблема повышенной повреждаемости открытой теплосети в результате внутренней коррозии: Коррозионные разрушения магистральных трубопроводов теплосети - одна из главных причин снижения надежности систем теплоснабжения. В среднем по России примерно 25 % этих повреждений образуется из-за внутренней коррозии труб. Однако, есть системы, где она является причиной до 90 % всех повреждений, вызванных локальной язвенной коррозией.

Для систем с открытыми тепловыми сетями характерна и другая проблема, связанная с интенсивным накипеобразованием на поверхностях нагрева теплоэнергетического оборудования, зарастанием и «заклиниванием» трубной системы различными отложениями, присутствующими в сетевой воде, и продуктами коррозии.

В то же время для условий работы системы с открытой теплосетью механизм локализации коррозии недостаточно изучен. Недостаточно данных по состоянию внутренних поверхностей, составу и структуре продуктов коррозии. Не разработана модель по влиянию структуры потока сетевой воды на негативные процессы в системе. Количественно не учитывается вероятность присосов воздуха и недеаэрированной воды. Поэтому по прежнему остро стоит проблема повышения надежности работы системы ТЭС-открытая тепловая сеть.

Цель и задачи исследования. Целью работы является исследование процессов внутренней коррозии и образования отложений, выработка рекомендаций по повышению надежности работы системы ТЭС — открытая тепловая сеть.

Непосредственными задачами работы являются: Анализ состояния внутренних поверхностей, контактирующих с сетевой водой

в системе ТЭС - открытая теплосеть на примере филиала ОАО «Генерирующая компания» Набережночелнинская ТЭЦ (НчТЭЦ) - открытая теплосеть г. Набережные Челны.

Разработка методики расчета материальных потоков в системе системы ТЭС -открытая теплосеть, скорости коррозии, образования отложений, оценки их состава и месторасположения.

Анализ динамики потоков и перемещения продуктов коррозии и фрагментов отложений в системе ТЭС - открытая теплосеть.

Исследование механизма локальной коррозии и формирования отложений на внутренних поверхностях.

Разработка рекомендаций по повышению надежности работы системы: снижению коррозионных процессов, сокращению отложений и расходу реагентов.

Научная новизна работы. На основании систематических исследований по составу и структуре отложений на внутренних поверхностях, контактирующих с сетевой водой, для системы ТЭС - открытая теплосеть представлена модель коррозионных процессов, включающая механизмы образования первичных и вторичных отложений. Разработана методика расчета водокомпонентного баланса системы ТЭС - открытая теплосеть по схеме реактор вытеснения с рециркуляцией, со структурой потока, близкой к идеальному вытеснению, и нестационарным режимом работы.

Достоверность основных результатов работы обеспечивается использованием современных методов экспериментальных и теоретических исследований.

Практическая ценность работы. Получены результаты систематического обследования состояния внутренних поверхностей, контактирующих с сетевой водой, для системы НчТЭЦ - открытая теплосеть. Разработан комплекс мероприятий для оптимизации работы системы, обеспечивающих снижение коррозионных повреждений и формирования отложений на внутренних поверхностях.

Реализация результатов работы. Разработана и реализована программа проведения диагностики состояния внутренних поверхностей, контактирующих с сетевой водой, для системы НчТЭЦ - открытая теплосеть. В г. Набережные Челны разработан и используется комплекс доступных мероприятий по повышению надежности работы системы, обеспечивающих снижение коррозионных повреждений и отложений на внутренних поверхностях для системы НчТЭЦ - открытая теплосеть г. Набережные Челны.

Апробация работы. Результаты работы докладывались: на XIV международной научно-технической конференции студентов и аспирантов

«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2008 г., на IX международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение», Казань, 2008 г., на IV молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения», Казань, КГЭУ, 2009 г., на V открытой молодежной научно-практической конференции «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы», Казань, КГЭУ, 2011 г.

Личный вклад автора. Основные результаты получены автором лично под руководством д-р хим. наук проф. Чичирова A.A.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, включающих 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, включая 43 рисунка, 22 таблицы. Список литературы содержит 138 наименований. На защиту выносятся:

1. Результаты обследования состояния внутренних поверхностей, контактирующих с сетевой водой, в системе ТЭС - открытая теплосеть на примере НчТЭЦ - открытая теплосеть г. Набережные Челны. Данные по химическому составу и структуре отложений.

2. Математическая модель расчета водокомпонентного баланса системы ТЭС - открытая теплосеть и методика расчета материальных потоков в системе, скоростей образования отложений, оценки их состава и месторасположения при нестационарном режиме работы.

3. Данные по динамике потоков и перемещения продуктов коррозии и фрагментов отложений в системе ТЭС - открытая тепловая сеть.

4. Результаты исследований механизма коррозии и формирования отложений на внутренних поверхностях теплообменного оборудования и трубопроводов.

5. Рекомендации по снижению коррозионных процессов, сокращению отложений и расходу реагентов в системе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи, изложены научная новизна и практическая ценность работы, результаты, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор литературы в области описания процессов, протекающих в теплообменном оборудовании и трубопроводах

сетевой воды и проводимых в системах ТЭС — тепловая сеть различных водно-химических мероприятий, обеспечивающих надежную, экономичную, безопасную работу системы ТЭС — тепловая сеть.

Физико-химические процессы, протекающие в системах ТЭС - открытая тепловая сеть, неизбежно приводят к образованию труднорастворимых отложений на теплообменных поверхностях энергетического оборудования и в трубопроводах, особенно в зонах высоких температур, а также к коррозионным повреждениям оборудования. Это объясняется тем, что в водных системах присутствуют естественные примеси, состав и содержание которых определяется качеством исходной воды и принятым способом водоподготовки, а также продукты коррозии конструкционных материалов водяных и пароводяных контуров. В главе рассмотрены основные методы организации водно-химического режима в системах ТЭС - тепловая сеть. Определены условия применимости того или иного способа подготовки подпиточной и сетевой воды на ТЭС.

Рассмотрены физические и физико-химические способы противокоррозионной обработки подпиточной и сетевой воды в системе. Описаны различные факторы, влияющие на коррозию в системе ТЭС -открытая теплосеть.

На основе анализа литературных данных сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведены описание, характеристики оборудования станции - НчТЭЦ и открытой части теплосети г. Набережные Челны, результаты исследования которых приведены в настоящей работе. Установленная электрическая мощность станции 1180 МВт. Тепловая мощность 4092 Гкал/ч. Основное энергетическое оборудование НчТЭЦ представлено 11 турбоагрегатами типа ПТ, Р, Т, 14 энергетическими и 14 пиковыми водогрейными котлами. Система теплоснабжения г. Набережные Челны смешанная: в Северо-Восточной части города - открытая, в Юго-Западной части - закрытая. Протяженность теплосети Северо-Восточной части («Новый город») г. Набережные Челны - 206 км. Проектная пропускная способность тепловодов НчТЭЦ — Новый город — 1429 Гкал/час при температурном графике 150/70 °С. Объём теплосети - 46 478 м3. В системе ТЭС — открытая теплосеть имеет место значительное сезонное колебание величины расхода и подпитки системы. Основным способом подготовки воды для подпитки теплосети является реагенты ая обработка хозпитьевой воды ингибиторами отложений минеральных солей (ИОМС-1) и Акварезалт - 1040 с предварительным подкислением, декарбонизацией, последующим подщелачиванием и деаэрацией. В законсервированном состоянии находится

также установка Ыа-катионитных и буферных фильтров.

Третья глава посвящена разработке математической модели системы ТЭС - открытая тепловая сеть и методикам расчета профилей концентраций и материальных потоков. Проведено теоретическое рассмотрение проточных систем, в которых протекают физико-химические процессы.

Для рассматриваемой открытой теплосети (с непосредственным водоразбором на нужды горячего водоснабжения - ГВС) наиболее характерным представляется смешанный тип химического реактора. Базовое уравнение материального баланса проточного химического реактора по веществу у для элементарного объема dV и времени dr.

- U ■ grade, + DV1cJ - Wj = ^f-, (1)

~ ди ди duv

где u - вектор скоростей движения потока жидкости, —-+—-н—- = divu;

dz дх ду

grade,. - градиент концентрации вещества j; D - коэффициент диффузии; V2c; -Лапласиан, vic = а'с/ , а*с/ э'с/; к> - скорость химической реакции,

' дг1 дх2 ду1

1 dN

Wj = — — - накопление вещества j в элементарном объеме dV.

Уравнение (1) достаточно полно описывает процессы в любом химическом реакторе. Однако, оно слишком сложно для решения. Введем некоторые допущения: 1. Изменение концентрации является непрерывной функцией расстояния (координаты); 2. Концентрация в данном сечении постоянна - однопараметрическая диффузионная модель; 3. Объёмная скорость потока и коэффициент его продольного перемешивания (Д.) не изменяется по длине и сечению потока.

Выразим переменную продольного перемещения через I = , а

среднее время реакции f = > тогда уравнение однопараметрической

диффузионной модели:

1 d2С/ dci , _ , ,„.

Для химической реакции первого порядка и граничных условий Данквертса Ov.o ~ ci) - j; ' (^)i=o+o = о, 1-0 = 0 решение уравнения (2) будет:

г =_Чо-4-аехрф

где а = Vl+4-fc.-Pe-f , число Пекле Ре = д • L/SDl,

cj.o> cix" начальные и конечные концентрации j-oro компонента,

& - объемные ПОТОКИ, Уд- водяной объем системы ТЭС - теплосеть, к -константа скорости реакции первого порядка, Ь - длина трубной системы.

Реальная система ТЭС - теплосеть включает возврат часта сетевой воды. Представим систему ТЭС - открытая теплосеть в виде аппарата идеального вытеснения с рециклом (рис. 1).

Апп ИВ

и„

г>о

Рис. 1. Структура потоков для системы реактора идеального вытеснения с рециклом

_ (І-сгХ^ріЗо-І-с^оС—) кг^а)

Ъ* л, Є ,

Уравнение для профиля концентраций в сетевой воде по схеме на рис. 1:

(4)

1/0

где доля рецикла а = д ^ .

Решение уравнения (4) с помощью пакета прикладных программ позволяет оценить форму концентрационных

кривых в трубной системе и рассчитать материальные потоки в системе ТЭС - открытая теплосеть. На рис. 2 приведен профиль концентраций в трубной системе в зависимости от доли рециркуляции сетевой воды(а).

В Четвертой главе представлены результаты исследований образцов внутренних отложений и вырезок трубопроводов системы ТЭС - открытая тепловая сеть и проведено сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными.

Из различных участков открытой теплосети «Нового города» Набережных Челнов были взяты образцы вырезок труб и отложений. Места отбора охватывали все вероятные особенности теплосети: на магистральных трубопроводах — подающем и обратном, в городской теплосети и на раздаче. У отобранных

РнсЛ. Концентрационные кривые для схемы аппарата вытеснения с рециклом по рис. 1.

образцов определены химический состав (элементный состав), химическая структура, внешний вид и физические характеристики, потери при прокаливании, толщина и равномерность распределения на поверхности. В таблице 1 представлен состав отложений.

Анализ структуры твердых исследуемых осадков и отложений проведен методом ИК -спектроскопии. Инфракрасные спектры пропускания изучаемых образцов получены на Фурье спектрометре Vector 22 фирмы Bruker. Спектры регистрировались в диапазоне 400 - 4000 см"1 с разрешением 4 см"1. Накопление - 16 сканов. Программное обеспечение - OPUS фирмы Broker. Химический анализ проводился по стандартным методикам.

Полученные спектры имели сложную структуру, что отражает комплексный состав отложений. Все отобранные образцы отложений имеют сложный состав, включающий продукты коррозии конструкционных материалов и компоненты сетевой воды (Рис. 3).

Рис. 3. Инфракрасные спектры отложений на внутренней поверхности трубопровода на раздаче в теплосети г. Наб. Челны.

Основными компонентами, присутствующими во всех отложениях являются:

1. Различные оксиды и гидроксиды железа: а - Ре^ (гематит), РеООН (ферромагаетиг), Рез04 (магнетит), а - РеО(ОН) (падрогётат), и другие.

2. Различные малорастворимые соединения ионов жесткости (Са2+ и М^. В основном, СаСОз в форме кальцита и арагонита. Карбонат кальция всегда содержит некоторое количество М^Оз-ЗНгО (до 5%). По ИК-спектрам видно, что карбонат иногда сопровождается известью Са(ОН)г и гипсом Са804-1,5Н20. Карбонатные отложения (по основному компоненту) или солевые отложения.

3. Различные силикатные отложения, содержащие БЮгхНгО: кремниевая кислота и жидкое стекло, различные глины, содержащие кроме 8Ю2,

дополнительно СаО, Ыа20, М§0, Р&гОз, А120з и др, кварц - 8Ю2-пН20. Отдельный анализ силикатов - очень трудоемкий процесс, зачастую невозможен. По ИК-спектрам силикаты видны по основному компоненту - 8Ю4- тетраэдрический.

4. Органические вещества. По данным ИК-спектроскопии - это многофункциональные соединения, содержащие органический углерод (СН2), спиртовые группы (С-ОН), окисленные труппы (ОО), ненасыщенные связи (-С=С-\ ароматические фрагменты (С=С). В эту категорию попадают природные вещества - гумаггы, фуматы, ил, торф и т.д.

5. Вместе с природными органическими веществами (гуминовые кислоты, гуматы, фуматы, ил, торф) из воды поверхностного водоисточника практически всегда оседают глины и песок. Илисто-глинистые отложения.

Таблица 1

Структура и состав отложений в системе ТЭЦ - теплосеть г. Набережные

Челны, 2010 г.

Компонент Содержание компонентов, масс. %

Рег03Н20 50-60 40 30 10 5 40 10 30 20 8

(гематит)

Реэ04(магнетят) 20 30 30 20 20 30 30 10- 10 2

20

СаСО,(+М^О,) 2 5-10 5-10 -5 20-25 5-10 -15-20 10 25 35

Са(ОН)г - 1 - 1 2-5 - 2 1 - 5

Са50„1,5Н20 - - 1 2 2-3 1 1 1 2 5

Силикаты и глит

2 5 -3-5 -30 -15 -5 5-10 5-10 23-30 25

Органические 10 10-15 10-15 -10-15 До 5 10-15 -10 lo- До 5 <5

остатки is

Другие 6 5 5 5-10 5 5 5 5 -15

5-10

Потеря при 8,45 8,23 6,61 8,18 3,70 7,37 6,79 6,67 8,59 17,78

прокаливании, %

Тип отложений Железо Железо Жел- силика Солевы Железо- Железо Желе Желез Сопев

-окиси окисн окисн. тн, е окисное - 30- 0- карбон

органич орган. железо (карбон окисно окис окисно атно-

(вгори окиси, агао- е, ное е, силика

ч) органи силикат солевы силика •гаые.и

ч нХ е тн. листо-

жел-ок (карбо солевы гаинис

нат) е тые

место вырезок и подача подача подач. обрат. подача раздата раздача разда разда к дому

отбора образцов 0900 01000 0700 0150 0270 0100 0100 ча ча 0100

отложений 0100 0270

Кроме того, отмечается наличие углеводных остатков - вероятно, это продукты жизнедеятельности анаэробных бактерий, которые живут и

размножаются в теплофикационной воде.

В целом, отложения с внутренней поверхности трубопроводной системы теплосети - железо-оксидные с включением нерастворимых и малорастворимых компонентов воды. Другой значительный компонент отложений в магистральных трубопроводах - органические остатки природного происхождения. Вероятно, это результат оседания коллоидных илистых остатков, а также продуктов жизнедеятельности анаэробных бактерий. Солеотложение из воды выражено слабо. Илисто-глинистые примеси к основному железооксидному слою образуются за счет протекающего параллельно оседания коллоидных частиц из сетевой воды.

На магистральных трубопроводах подачи и обратки с большой скоростью течения воды (80-100 м/мин) преобладают железо-оксидные отложения -продукты коррозии стали. Толщина отложений - от 1 до 4 см соответствует 20000 г/м2. При этом карбонатных отложений мало. По обратному трубопроводу по сравнению с подачей относительное содержание илисто-глинистой фракции меньше, но увеличивается доля железо-оксидных отложений. В самой дальней точке трубопроводной системы состав отложений на подаче и обрагке примерно одинаков. Из сравнения данных по составу отложений можно сделать вывод, что осаждение из воды илисто-глинистых отложений происходит, главным образом, на подаче по механизму оседания.

На участках трубопроводов с относительно медленным течением воды отмечается большое содержание солевых отложений - карбонатов, сульфатов, гидроксидов, ионов жесткости, которые становятся преобладающими. Удельное количество отложений становится больше — толщина до нескольких см. Механизм образования — выделение малорастворимых солей из воды под действием высокой температуры при небольшой скорости движения воды. Судя по интенсивности карбонатных отложений и их виду (прочные, твердые, хорошо сцепленные), вводимые на ТЭС ингибиторы отложений - фосфонаты «не работают». На некоторых участках трубопроводной системы отмечены значительные отложения силикатов, образующих твердые блестящие покрытия. Вероятно, это результат добавки жидкого стекла в воду теплосети. Однако видно, что введенные силикаты осаждаются в трубной системе крайне неравномерно и, к тому же, не спасают от коррозии. Под слоем силикатов преобладает коррозия железа с водородной деполяризацией.

По образцам вырезок труб отмечены сильные коррозионные повреждения вплоть до сквозных отверстий. Вид коррозии - смешанный, главным образом, язвенная коррозия. Теоретически основным источником поступления кислорода является подпиточная вода. Подпитка составляет в среднем зимой - 2500 т/ч, летом - 1500 т/ч. Скорость коррозии железа при

мкг/л 10,4

10,2 10 9,8 9,6 9,* 9.2 9 8.8 8,6

Кислород в воде ТС НЧ в ыае 2010 г

содержании кислорода в подпилочной воде 50 мкг/л с учетом того, что до уровня 10 мкг/л кислород за один проход в теплосети полностью расходуется на коррозию железа, составит: зимой 233 г/ч или 168 кг/месяц; летом -140 г/ч или 100 кг/месяц. Этого недостаточно для объяснения наблюдаемой скорости коррозии, которая больше в 10 - 100 раз. Основными причинами

поступления кислорода в сетевую воду являются аварийные подпитки теплосети «сырой» водой, невыдерживание

нормируемой величины

кислорода при вакуумной деаэрации, присосы воздуха или необработанной «сырой» воды в воду теплосети в местах, где давление сетевой воды может быть меньше атмосферного. К

i

t ■ прямая ■ ■ — обратна*

Г4^

таким местам относятся трубопроводы «обратной» воды и участки трубопроводов,

расположенных до всаса

Рис. 4. Содержание кислорода в прямой и

обратной воде в точке ДП -1 (диспетчерский пункт 1) теплосети нового города

подкачивающих насосов. На рис. 4 представлены данные по содержанию кислорода в сетевой воде. Пик кислорода неоднократно сначала появляется в обратной сетевой воде, уходит на станцию и возвращается в ослабленном виде.

Еще одна причина интенсивного протекания

коррозионных процессов -антикоррозионный реагент и режим его дозирования.

На рис 5. приведены данные по содержанию ИОМС в подпиточной, прямой и обратной сетевой воде теплосети по данным НчТЭЦ. В летние месяцы (с мая по август включительно) содержание ИОМС в

подпиточной (ХОВ), на горячее водоснабжение (НГВС), прямой и обратной сетевой воде практически совпадают и

Рис. 5. Содержание корректирующего реагента (ИОМС-1) в питательной (НГВС и ХОВ), прямой и обратной сетевой воде

находятся на нормированном уровне - 1-2 мг/л. В зимние месяцы с октября по апрель появляется значительная разница по содержанию ИОМС в различных водных потоках. В сетевой воде содержание ИОМС становится в 1,5-2 раза меньше, чем в подпиточной воде, а в «обратной» воде его содержание ниже, чем в «прямой». Вероятно, это падение связано с работой пиковых водогрейных котлов (ПВК). По схеме подпитки теплосети, подпилочная вода в зимние месяцы подается в «обратную» сетевую воду до ПВК. Далее, вода после подогрева направляется в теплосеть. Определенные недостатки конструкции приводят к сильному местному перегреву воды в котле, которые в совокупности с медленным движением воды приводят к «дезактивации» ИОМС. Это может быть как непосредственно термический распад, так и образование нерастворимых комплексов с ионами жесткости, присутствующими в сетевой воде. В теплосети «дезактивированные» продукты осаждаются и концентрация ИОМС в «обратной» воде понижается. Эффект «дезактивации» объясняет низкую эффективность реагентных добавок, которые не предотвращают процессы отложения и коррозию в теплосети.

Характер, состав и структура отложений также свидетельствует о наличии коррозии железа с водородной деполяризацией.

В пятой главе приведено обсуждение полученных результатов и рассмотрены различные пути по повышению надежности работы системы ТЭС - открытая теплосеть.

Проведенные исследования позволили определить основные механизмы коррозии. Первичным продуктом коррозии железа является гидрооксид железа (II), который неустойчив и под действием растворенного кислорода окисляется до Ее203*Н20 или до РеО(ОН) (а и у - модификации). При ограниченном доступе кислорода у поверхности металла под слоем продуктов коррозии образуется ферромагнитная у - модификация от черного

Рыхлые продукты коррозии: гематит (Ре203),

Рис. 6. Структура и химический состав язвы

до темно-зеленого цвета. Со временем (через 3-4 месяца) темноокрашенные коррозионные продукты превращаются в черный (твердый, блестящий) стабильный магнетит (Ре3С>4). Под слоем продуктов коррозии растворение металла протекает, в основном, по механизму коррозии с водородной деполяризацией (уравнения 5,6,7,8). Выделяющийся при этом водород образует пустоты внутри каверны (Рис. 6).

Механизм коррозии с кислородной и водородной деполяризацией:

Те+02+Н20 —* Ре(ОН)2 (5)

(белая ржавчина)

-Н20

Ре(ОН)2 + 02 Ре20з*Н20 -> Ре2Оз (6)

(рьгжая ржавчина)

ЗРе + 4Н20 = Ре304+4Н2Т (7)

Ре203+Ре + Н20 = Ре304+Н2Т (8)

По результатам исследований разработаны следующие рекомендации для защигы от коррозии трубопроводов и оборудования в системе ТЭС - теплосеть.

Непосредственно теплосеть, система подогрева сетевой воды и подпитки теплосети на ТЭС образуют единую замкнутую систему, все элементы которой взаимосвязаны. Поэтому, мероприятия по борьбе с внутренней коррозией как наиболее опасной, должны быть согласованы между ТЭС и теплосетевой компанией.

На ТЭС необходимо принять меры по оптимизации подготовки подпилочной воды и обработки сетевой воды:

1. Оптимизировать добавку антикоррозионного реагента. В настоящий момент ввод антикоррозионного реагента производится таким образом, чтобы обеспечил, защиту оборудования станции, а не теплосеть. Возможные меры:

- изменить место ввода, методику ввода;

- предусмотреть дополнительный ввод реагента непосредственно в сетевую воду после водогрейных котлов;

- повысить концентрацию реагента в сетевой воде.

2. Рассмотреть возможность применения других ингибиторов коррозии, допустимых в питьевой воде, более термостойких и более эффективных.

3. Оптимизировать работу пиковых водогрейных котлов с целью снижения внутренних перегревов сетевой воды.

4. Добиться снижения концентрации кислорода в подпиточной воде до уровня 8 мкг/л.

В теплосетевой компании возможны следующие мероприятия по защите от коррозии:

1. Проработка вариантов защиты подающего магистрального трубопровода, как наиболее подверженного коррозии с помощью электрохимической защиты. Для подземных участков — анодная (протекторная). Для надземных участков и участков

труб с пенополиуретановой тепловой изоляцией - катодная защита.

2. Замена конструкционного материала магистральных труб. Опыт других теплосетей показывает, что замена стали 20 и 10 на сталь 17Г1С позволяет избежать язвенной коррозии.

3. Поиск и ликвидация присосов воздуха и необработанной воды в теплосеть.

4. Поиск и ликвидация мест контакта трубопроводов теплосети с железобетонными конструкциями, как наиболее вероятных источников развития локальной коррозии.

Основные результаты и выводы:

1. Проведена классификация систем ТЭС - открытая тепловая сеть как материальных термодинамических систем.

2. Разработана методика расчета водокомпонентного баланса системы ТЭС -открытая теплосеть по схеме реактор вытеснения с рециркуляцией, со структурой потока, близкой к идеальному вытеснению, и нестационарным режимом работы.

3. Определен круг значимых химических реакций и физико-химических процессов, протекающих в воде системы ТЭС — открытая теплосеть.

4. Проведено обследование состояния внутренних поверхностей трубопроводной системы открытой часта теплосети г. Набережные Челны.

5. Проведена оценка количества отложений, их химического состава и структуры. Для определения структуры и состава отложений разработана методика, основанная на методах химического анализа и ИК-спектроскопии.

6. Установлено, что отложения в трубопроводной системе распределены неравномерно и их состав и структура меняется в зависимости от месторасположения и гидродинамической обстановки в месте отбора.

7. Определена причина большого количества карбонатных отложений -неэффективная «работа» стабилизирующих добавок типа фосфонатов к сетевой воде. Отмечено неравномерное распределение по системе добавленных к воде силикатов (типа жидкого стекла). Силикатные покрытия не защищают от коррозии железа с водородной деполяризацией.

8. Разработаны рекомендации, направленные на повышение надежности работы системы ТЭС - открытая теплосеть: снижение коррозионных процессов и образования отложений и сокращение расхода реагентов в системе. Рекомендации приняты к внедрению в ОАО «Набережночелнинская теплосетевая компания» (ОАО «НЧТК») и НчТЭЦ.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях: 1. Ляпин А.И. К вопросу количественного определения материальных

потоков системы ТЭС — открытая тепловая сеть / А.И. Ляпин, Б.А. Гиниятуллин, Н.Д. Чичирова // Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. - М., МЭИ (ТУ), 2008. - Т.З. - С. 131-132.

2. Чичирова НД. Определение структуры и состава отложений в системе оборотного охлаждения ТЭС методами химического анализа и инфракрасной спектроскопии / Н.Д. Чичирова, A.A. Чичиров, AJO. Смирнов, А.И. Муртазин, Б А. Гиниятуллин // Труды IX международного симпозиума «Энергоресурсоэффекшвность и энергосбережение», Казань: АртПечатъСервис, 2008. -42. -С. 143-149.

3. Чичирова Н.Д. К вопросу снижения количества образующихся отложений в системах ТЭС - закрытая тепловая сеть / Н.Д. Чичирова, A.A. Чичиров, А.И. Ляпин, Б.А. Гиниятуллин // Труды Академэнерго. - 2008. - № 2. — С. 59-68.

4. Смирнов А.Ю. Исследование процессов осаждения на лабораторной установке / А.Ю. Смирнов, АЛ. Муртазин, БА. Гиниятуллин // Материалы докладов IV молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения». Казань, КГЭУ, 2009. - Т.2. - С. 173-174.

5. Чичирова НД. Анализ состояния трубопроводов открытой теплосети в системе ТЭС-теплосеть на примере Набережно-Челнинская теплосетевая компания - Набережно-Челнинская ТЭЦ / НД. Чичирова, АА. Чичиров, А.Ю. Смирнов, Б А. Гиниятуллин, // Труды Академэнерго. - 2011. - №1. -С. 41-54.

6. Чичирова НД. Обследование состояния внутренней поверхности трубопроводов теплосети города Набережные Челны / НД. Чичирова, А А. Чичиров, А.Ю.Смирнов, Б А. Гиниятуллин // Материалы докладов V открытой молодежной научно-практической конференции (Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы». Казань, КГЭУ, 2011. - Т.1. -С. 29-32.

7. Чичирова Н.Д. Исследование состава и структуры отложений с внутренней поверхности трубопроводов теплосети города Набережные Челны / НД. Чичирова, АА. Чичиров, AJO. Смирнов, БА. Гиниятуллин, Д.Ю. Матвеев // Проблемы энергетики. Известия вузов. — 2011. - № 3-4. - С. 60-65.

Подписано к печати 16.03.2012г. Формат 60x84/16. Гарнитура «Times». Вид печати РОМ. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2.12. Уч.-изд. л. 2.25.Тираж 100 экз. Заказ № Типография КГЭУ. 420066, Казань, Красносельская, 51.

61 12-5/3179

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ФУНКИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ

ТЭС - ОТКРЫТАЯ ТЕПЛОСЕТЬ

Гиниятуллин Булат Анварович

05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

д-р. хим. наук, профессор Чичиров А.А.

Казань - 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

ГЛАВА 1. Литературный обзор В

1.1. Водно-химические режимы систем теплоснабжения, требования ^ правил технической эксплуатации электрических станций и сетей

1.1.1. Способы обработки сетевой и подпиточной воды в системах ^ теплоснабжения

1.2. Применение различных химических реагентов для обработки ^ ^ подпиточной и сетевой воды

1.3. Противокоррозионная обработка подпиточной воды на ТЭС и ^ защита оборудования от коррозии

1.3.1. Коррозия оборудования подпиточного и сетевого трактов 21

1.3.2. Термодинамика процесса коррозии 24

1.3.2.1 Коррозия с водородной деполяризацией 24

1.3.2.2 Коррозия с кислородной с деполяризацией 26 1.3.3 Предотвращение коррозии деаэрацией и декарбонизацией 30

1.3.4. Влияние различных факторов на коррозию в тепловых сетях 33

1.3.5. Способы противокоррозионной обработки воды 38

ГЛАВА 2. Описание системы ТЭС-теплосеть и подготовки подпиточной ^ воды теплосети в г. Набережные Челны

2.1 Подготовка сетевой и подпиточной воды для системы ТЭС-теплосеть ^ г. Наб. Челны

2.1.1 Принципиальная схема подпитки теплосети 5 0

2.1.2 Краткая характеристика оборудования станции 5 2

2.1.3 Нормы качества сетевой и подпиточной воды 54

2.1.4 Организация химического контроля 5 6

2.1.5 Химическая очистка внутренних поверхностей нагрева котлов 57

2.1.6 Оценка интенсивности процессов внутренней коррозии тепловых сетей 5 7

2.1.7 Водно-химический режим с применением комплексона ИОМС-1 59

2.1.8 Технологический регламент при ведении ВХР с комплексоном 60

2.1.9 Технологический и химический контроль при ведении ВХР с ^ ингибитором

2.1.10 Контроль за дозированием ингибитора 62

2.2 Краткая характеристика теплосети 63

ГЛАВА 3. Математическое моделирование материальных потоков и

физико-химических процессов в системе ТЭС - открытая 73 теплосеть

3.1 Математическая модель процессов в системе ТЭС - открытая ^ теплосеть

3.2 Методика расчета концентрационных кривых в трубной системе 76

ГЛАВА 4. Обследование состояния внутренних поверхностей в системе g^ ТЭС- теплосеть

4.1 Методика анализа отложений и продуктов коррозии на внутренних g^ поверхностях открытой теплосети

4.2 Описание образцов вырезок труб и отложений, взятых из открытой g^ теплосети г. Набережные Челны 2010 года

4.3 Общая характеристика химического состава и структуры отложений 89

4.4 Расшифровка структуры образцов отложений и их вероятное происхождение

ГЛАВА 5 Исследование коррозионных процессов и выработка ^g рекомендаций

5.1 Исследование коррозионных процессов в системе 108 5.1.1 Механизмы коррозии 110

5.1.2. Характер проявления внутренней коррозии и причины коррозионного повреждения и обрастания отложениями 113 трубопроводной системы

5.1.3. Массо-перенос и перемещение продуктов коррозии по теплосети 115 5.1.4 Причины внутренней коррозии 118

5.2 Выработка рекомендаций 128 ВЫВОДЫ 132 Список литературы 13 3 Приложения 148

ВВЕДЕНИЕ

В Российской Федерации во многих крупных городах сохраняется централизованное теплоснабжение от ТЭС с открытой тепловой сетью. Системы с открытой тепловой сетью обладают некоторыми преимуществами по сравнению с закрытыми теплосетями, в числе которых удешевление теплопунктов, более полная утилизация сбросной теплоты ТЭС, снижение давления теплофикационного отбора. Основной недостаток систем с открытой теплосетью - повышенные затраты на химводоочистку - в последнее время теряет остроту в связи применением на ТЭС реагентной стабилизационной обработки подпиточной воды. В качестве реагентов хорошо зарекомендовали себя органофосфонаты, поликарбоксилаты, бензотриазолы и др. Между тем, по-прежнему не решена проблема повышенной повреждаемости открытой теплосети в результате внутренней коррозии.

Коррозионные разрушения магистральных трубопроводов теплосети -одна из главных причин снижения надежности систем теплоснабжения. В среднем по России примерно 25 % этих повреждений образуется из-за внутренней коррозии труб. Однако есть теплосети, где она является причиной до 90 % всех повреждений, вызванных локальной язвенной коррозией.

Полагают, что коррозионная активность сетевой воды определяется наличием в ней кислорода, а также содержанием сульфатов и хлоридов. Причем отрицательная роль сульфатов значительно больше, чем хлоридов. Коррозионное воздействие сетевой воды на металлы в большой степени зависит от свойств пленок на поверхности металла. Даже обычная пленка продуктов коррозии, образующаяся на металле в природной воде при комнатной температуре, является в некоторой степени защитной. При повышении температуры воды эти свойства пленок усиливаются, но в реальных условиях теплосети они часто не могут обеспечить действенную защиту металла. Свойства железооксидных пленок зависят от значения рН воды. В условиях закрытой теплосети с увеличением рН в диапазоне 9,2-10,5 их

защитные свойства резко улучшаются. Очевидно, это связано с влиянием рН на структуру и состав железооксидных слоев продуктов коррозии на поверхности металла. Кроме соединений железа в пленках на внутренней поверхности труб теплосети могут находиться практически все малорастворимые соединения, которые также влияют на свойства пленок.

В то же время для условий работы системы с открытой теплосетью механизм коррозии недостаточно изучен. До настоящего времени не было систематического исследования состава и структуры продуктов коррозии и отложений на внутренних поверхностях. Отсутствуют данные по влиянию структуры потока сетевой воды на негативные процессы в системе, не учитывается вероятность присосов воздуха и недеаэрированной воды.

Цель и задачи исследования. Целью работы является исследование негативных процессов - внутренней коррозии и образования отложений, выработка рекомендаций по оптимизации работы системы ТЭС - открытая тепловая сеть.

Непосредственными задачами работы являются: Диагностика состояния внутренних поверхностей, контактирующих с сетевой водой в системе ТЭС - открытая теплосеть на примере НЧ ТЭС - открытая теплосеть г. Набережные Челны.

Разработка математической модели расчета водокомпонентного баланса системы ТЭС - открытая теплосеть. Разработка методики расчета материальных потоков в системе, скорости образования отложений, оценки их состава и месторасположения.

Анализ динамики потоков и перемещения продуктов коррозии и фрагментов отложений в системе ТЭС - открытая теплосеть

Исследование механизма коррозии и формирования отложений на внутренних поверхностях

Разработка рекомендаций по снижению коррозионных процессов, сокращению отложений и расходу реагентов в системе.

Научная новизна работы. Впервые проведено систематическое исследование по составу и структуре отложений на внутренних поверхностях, контактирующих с сетевой водой, для системы ТЭС - открытая теплосеть на примере Набережночелнинской ТЭЦ и теплосети г. Н. Челны. Разработана математическая модель для расчета водокомпонентного баланса системы ТЭС -открытая теплосеть по схеме реактор вытеснения с рециркуляцией со структурой потока, близкой к идеальному вытеснению, и нестационарным режимом работы. Представлена модель коррозионных процессов, включающая механизмы образования первичных и вторичных отложений.

Достоверность основных результатов работы обеспечивается использованием современных методов экспериментальных и теоретических исследований.

Практическая ценность работы. Получены результаты систематического обследования состояния внутренних поверхностей, контактирующих с сетевой водой, для системы НЧ ТЭЦ - открытая теплосеть. Разработан комплекс мероприятий для оптимизации работы системы, обеспечивающих снижение коррозионных повреждений и формирование отложений на внутренних поверхностях.

Реализация результатов работы. Разработана и реализована программа проведения диагностики состояния внутренних поверхностей контактирующих с сетевой водой, для системы НЧ ТЭЦ - открытая теплосеть. Разработан комплекс доступных мероприятий по оптимизации работы системы, обеспечивающих снижение коррозионных повреждений и отложений на внутренних поверхностях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на IX международном симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение», Казань, 2008 г., на IV молодежной международной научной конференции «Тинчуринские чтения». Казань, КГЭУ, 2009 г., на V открытой молодежной

научно-практической конференции «Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы». Казань, КГЭУ, 2011 г.

Личный вклад автора. Основные результаты получены автором лично под руководством д.х.н. проф. Чичирова A.A.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ, включающих 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 141 страницах машинописного текста, включая 41 рисунок, 22 таблицы. Список литературы содержит 138 наименований. На защиту выносятся:

1. Результаты обследования состояния внутренних поверхностей, контактирующих с сетевой водой в системе ТЭС - открытая теплосеть на примере НЧ ТЭЦ - открытая теплосеть г. Н. Челны. Данные по химическому составу и структуре отложений.

2. Математическая модель расчета водокомпонентного баланса системы ТЭС - открытая теплосеть и методика расчета материальных потоков в системе, скорости образования отложений, оценки их состава и месторасположения при нестационарном режиме работы.

3. Данные по динамике потоков и перемещения продуктов коррозии и фрагментов отложений в системе ТЭС - открытая тепловая сеть.

4. Результаты исследований механизма коррозии и формирования отложений на внутренних поверхностях теплообменного оборудования и трубопроводов.

5. Рекомендаций по снижению коррозионных процессов, сокращению отложений и расходу реагентов в системе.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Водно-химические режимы систем теплоснабжения, требования правил технической эксплуатации электрических станций и сетей

Физико-химические процессы, протекающие в системах теплоснабжения электростанций, неизбежно приводят к образованию труднорастворимых отложений на теплообменных поверхностях оборудования и трубопроводах, а также к коррозионным повреждениям агрегатов. Это объясняется тем, что в водных системах электростанций присутствуют естественные примеси, состав и содержание которых определяется качеством исходной воды и принятым способом водоподготовки, а также продукты коррозии конструкционных материалов водяных контуров. Поэтому вопросы совершенствования водно-химических режимов и водоподготовки в тепловых сетях имеют важное значение. Одним из эффективных способов решения этих проблем является разработка расчетно-теоретических методов анализа процессов, происходящих в водных средах электростанций.

Для организации водно-химического режима в системах теплоснабжения используются следующие методы: фильтрование воды с целью механического удаления взвешенных частиц; термическая деаэрация воды в деаэраторах атмосферного или вакуумного типов с целью снижения содержания кислорода и углекислого газа в воде до нормативного уровня; умягчение воды катионированием; умягчение воды реагентами (связывание содержащихся в воде катионов жесткости - кальция и магния - в малорастворимые соединения, выделяемые затем осаждением); стабилизационная обработка воды (повышение рН путем дозирования щелочи или известкования подпиточной воды); ингибирование воды путем введения в нее различных комплексонов; обеззараживание воды

(хлорирование, озонирование и др.). Наряду с традиционным ионообменным методом широкое применение находят комплексонный водно-химический режим и коррекционный способ водоподготовки.

1.1.1. Способы обработки сетевой и подпиточной воды в системах теплоснабжения

Основными методами организации водно-химического режима в системах теплоснабжения [27] являются: удаление взвешенных частиц в механических фильтрах; термическая деаэрация воды с целью снижения содержания кислорода и углекислого газа в воде до нормативного уровня; умягчение воды в катионитных фильтрах, а также с помощью реагентов, способных связывать содержащиеся в воде соли жесткости в малорастворимые соединения; стабилизационная обработка воды с целью поддержания определенных значений рН; ингибирование воды.

В качестве основного химического метода для подготовки подпиточной воды используются такие, как Ка-катионирование, подкисление, Н-катионирование с голодной регенерацией и буферными фильтрами, Н-Ка-катионирование, известкование с содоизвесткованием и реже магнитная обработка [37]. Наиболее целесообразно применение комбинированных схем водоподготовительных установок, представляющих ряд различных способов обработки воды, объединенных в общую технологическую схему. В зависимости от общей жесткости, общей щелочности воды, содержания в воде хлоридов, сульфатов, кальция необходимо применять комбинированные схемы водоподготовительных установок согласно методическим указаниям по водоподготовке и водно-химическому режиму водогрейного оборудования и тепловых сетей [49].

В североевропейских странах [50] подготовка подпиточной воды включает в себя: механическую фильтрацию; умягчение в Ма-катионитовых

фильтрах (остаточная жесткость умягченной воды не должна превышать 36 мкг-экв/кг); ионообменное обессоливание путем последовательного пропускания воды через Н-катионитовые и ОН-анионитовые фильтры, а также обессоливание воды в установках обратного осмоса, устанавливаемых за Ыа-катионитовыми фильтрами; удаление из подпиточной воды растворенных газов в атмосферных и вакуумных деаэраторах; антикоррозионную коррекционную обработку.

Частичное умягчение подпиточной воды Н-катионированием, подкислением или №-катионированием позволяет поддерживать нормативное значение карбонатного индекса (Ик) [23]. В ПТЭ [48] представлены нормативные значения карбонатного индекса.

Таблица 1.1.

Нормативные значения Ик при нагреве сетевой воды в сетевых подогревателях и в водогрейных котлах в зависимости от рН воды [48]

Темп. --------л -А Ик (мг-экв/дм ) при значениях рН

нагрева Не выше 8,5 8,51-8,8 8,81-9,2 Выше 9,2

сетевой Сет. Водог Сет. Водог Сет. Водог Сет. Водог

воды, °С ПОД-ЛЬ котел под-ль котел под-ль котел под-ль котел

70-100 4,0 3,2 2,6 2,3 2,0 1,8 1,6 1,5

101-120 3,0 2,0 2,1 1,5 1,6 1,2 1,4 1,0

121-140 2,5 1,5 1,9 1,2 1,4 1,0 1,2 0,7

141-150 2,0 1,2 1,5 1,0 1,2 0,8 0,9 0,5

151-200 1,0 0,8 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

Величина карбонатного индекса позволяет оценить интенсивность образования кальциево-карбонатных отложений.

Однако обработка воды умягчением в катионитных фильтрах имеет ряд недостатков. Для данного метода обработки воды характерны большие расходы дорогостоящих фильтрующих материалов. Необходимо

строительство реагеитного хозяйства. Большой расход исходной воды на регенерацию и отмывку существенно увеличивают затраты на собственные нужды. Возникает необходимость сокращения и переработки засоленных сточных вод.

Одним из перспективных методов очистки воды в котельных установках и системах теплоснабжения [42], является система безреагентной очистки воды от оксидов железа фильтрованием через тканевые фильтры. Комплекс экспериментальных и натурных исследований фильтровальных тканей показал, что наиболее эффективными являются четырехслойные конструкции.

В ряде случаев весьма эффективным является сочетание аппаратов обратного осмоса с другими процессами.

Опытное использование комбинированных схем очистки воды позволило в ходе эксплуатации установки задерживать до 90% солей и практически 100% различных механических примесей.

Основным преимуществом безреагентного способа очистки воды является простота конструкции аппаратов, минимальные затраты на

о о

продавливание 1 м через мембрану (1,5...2,5 кВтч/м ). Для сравнения отметим, что для опреснения воды дистилляцией требуется энергия в 10... 15 раз больше.

Выполненные работы [42] показывают, что широкое внедрение систем безреагентной очистки питательной воды котлов и систем теплоснабжения резко сократит вредные стоки котельных и благоп�