автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка химико-технологических основ системы автоматизированного химконтроля процессов обработки воды на ТЭС

/

Ивановский государственный энергетический университет

На правах рукописи УДК 621. 187. 11

ОПАРИН МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ХИМКОНТРОЛЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ

ВОДЫ НА ТЭС

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции (тепловая часть)

Научные руководители: д.т.н., профессор Ларин Б.М. к.т.н., доцент Виноградов В.Н.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

- ИВАНОВО -1997

РЕФЕРАТ

. Диссертации стр. 131, табл. 33, рис. 51, библ. 93 назв. ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА, ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ СМЕСИ СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ, АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ, ВОДОПОДГОТОВКА, ЭВМ, ТЕРМОХИМИЧЕСКОЕ ОБЕССОЛИВАНИЕ, ДИСТИЛЛЯТ, КОНЦЕНТРАТ, МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ИСПАРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Впервые разработаны и проверены опытным путем математические модели ионных равновесий основных технологических потоков ВПУ.

На основе математических описаний разработаны методики количественного автоматизированного определения контролируемых параметров качества вод ВПУ.

Дана сравнительная оценка результатов химических и расчетных определений параметров качества технологических вод.

Решена задача автоматизированного химического контроля за регенерацией Н-катионитных и ОН-анионитных фильтров по измерениям электропроводности свежего и отработанного регенерационного раствора.

Предложена полная схема автоматизированного химконтроля за работой блока фильтров химического обессоливания воды, отличающаяся распространением контроля на режим регенерации.

Разработаны методы расчета и алгоритмы для автоматизированного химконтроля за работой испарительной установки, включающие определение показателей качества дистиллята и концентрата.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 5

1. АНАЛИЗ СХЕМ ОБРАБОТКИ ВОДЫ НА ТЭС И

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ХИМКОНТРОЛЯ ЗА ОБРАБОТКОЙ ВОДЫ ............................................9

1.1. Анализ технологических схем обработки воды на ТЭС .....................9

1.2. Состояние автоматизированного контроля химического

состава технологических вод ТЭС ........................................................ 13

1.3. Анализ ионных равновесий технологических вод ХВО ТЭС ............ 18

1.4. Удельная электропроводность монорастворов сильных электролитов .......................................................................................... 22

1.5. Концепция развития систем АХК и задачи исследования ................23

2. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ И РАСЧЕТОВ ................. 26

2.1. Обоснование метода расчета качества дистиллята испарительной установки и оценка его достоверности ..................... 26

2.2. Расчет удельной электропроводности природных вод ....................... 30

2.3. Оценка концентрации и ионного состава отработанного регенерационного раствора и продувки испарительной установки .. 31

2.4. Оценка рассчитанных значений концентраций смесей электролитов ......................................................................................... 41

2.5. Обоснование выбора приборов автоматизированного химконтроля 43

2.6. Методика проведения лабораторных и промышленных опытов ...... 46

2.7. Выводы по второй главе ........................................................................ 50

3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ХИМКОНТРОЛЯ ЗА РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ИОНИТНЫХ ФИЛЬТРОВ ... 51

3.1. Расчет концентраций растворов реагентов по измеренной электропроводности ............................................................................... 51

3.2. Анализ и обработка результатов химконтроля регенераций ионитов лабораторной установки ........................................................................ 56

3.3. Обработка промышленных результатов регенерации

Н-ОН- ионитных фильтров ................................................................. 64

3.4. Практическое использование результатов исследований .................. 69

3.5 Схема автоматизированного химконтроля за работой обессоливающей

установки .................................................................................................73

3.6. Выводы по третьей главе ....................................................................... 76

4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ХИМКОНТРОЛЬ ЗА РАБОТОЙ

УСТАНОВКИ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО ОБЕССОЛИВАНИЯ ..............77

4.1. Осветлитель .............................................................................................77

4.2. Ионитная часть установки термохимического обессоливания воды . 85

4.2.1. Описание лабораторной установки и методы контроля ......... 85

4.2.2. Результаты экспериментальных исследований ......................... 88

4.2.2.1. Опыты на водопроводной воде ...................................... 88

4.2.2.2. Опыты на модельных растворах повышенной минерализации .................................................................94

4.3. Испарительная установка ...................................................................... 99

4.3.1. Автоматизированный химконтроль за качеством дистиллята

установки ...................................................................................... 100

4.3.2 Сопоставление расчетных и аналитических данных

по уточненному варианту расчета .................................................107

4.3.3. Оценка концентрации и ионного состава продувки испарителя .....................................................................................109

4.4. Узел приготовления регенерационного раствора (УПРР) ..................112

4.4.1. Обоснование установки рН-метра ..............................................113

4.4.2. Организация автоматизированной нейтрализации готового раствора соли ................................................................................114

4.4.3. Обоснование установки кондуктометра .....................................114

4.5. Организация автоматизированного химконтроля за работой установки термохимического обессоливания .......................................116

4.6. Выводы по четвертой главе ................................................................... 117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................119

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ..............................................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ........................................................................................ 129

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ........................................................................................ 140

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ......................................................................................... 142

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ......................................................................................... 151

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 ......................................................................................... 155

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 ......................................................................................... 159

Акты внедрения ............................................................................................. 162

ВВЕДЕНИЕ

Состояние энергетики в настоящее время часто характеризуется понятиями с использованием терминов "надежность" и "живучесть". Живучесть определяется тем, что многие электростанции России переходят в категорию "стареющих". Требование надежности основного и вспомогательного оборудования во многом обуславливается неустойчивым режимом работы с частыми остановами и пусками. Неустойчивость в отношении водоподготовительного оборудования часто проявляется в изменении (ухудшении) качества исходной воды, изменениях, против нормативных, характеристик реагентов и ионитов. В то же время, в соответствии с требованиями жизни, ужесточается экологический контроль за деятельностью ТЭС и, в частности, химцехов; появляются новые малоотходные технологии водоподготовки, проекты "экологически чистых ТЭС".

В этих условиях немалую роль в обеспечении надежности и живучести оборудования химцехов и ТЭС, в освоении новых технологий водоподготовки играет химический контроль за технологическими процессами. Более того, новые малоотходные технологии водоподготовки часто предполагают разделение потоков по химическим показателям, обработку и утилизацию стоков. Без использования автоматизированного химконтроля (АХК) эксплуатация таких систем вообще представляется малоперспективной.

Данная работа посвящена вопросам обеспечения и организации автоматизированного химконтроля на водоподготовительных установках (ВПУ) ТЭС. Актуальность ее обусловлена названными выше причинами, а кроме того, определяется новыми горизонтами, открывшимися с развитием и внедрением в производство средств вычислительной техники и средств связи автоматизированных приборов с информационно-управляющей ЭВМ. Появилась возможность создания контрольно-диагностических комплексов, сопрягающихся с автоматизированной системой управления водоподготовкой.

При наличии надежных промышленных приборов химконтроля, в том числе отечественных, таких, как кондуктометры и потенциометры, центр тяжести в решении задач автоматизированного химконтроля переносится на создание алгоритмов и методик, обеспечивающих количественное определе-

ние контролируемых величин - концентраций ионов и электролитов, в различных технологических потоках на ВПУ.

Цель работы состоит в создании математических моделей ионных равновесий в технологических потоках и реализации их в методы и системы автоматизированного химконтроля на ВПУ и, в первую очередь, на широко распространенных установках химического обессоливания и новых малоотходных термохимических установках обработки воды.

В соответствии с обозначенной целью в работе решаются следующие научные и практические задачи:

• разработка математических алгоритмов расчета ионных равновесий для основных технологических потоков, включающих, наряду с химическими параметрами, физико-химические, измеряемые приборами химконтроля, например, электропроводность, рН.;

• разработка методов количественного приборного химконтроля в рамках системы АХК водоподготовки;

• теоретическое обоснование и практическая проверка предложенных систем АХК для химического и термического обессоливания воды на

тэс.

При этом в качестве наиболее важных процессов ВПУ можно выделить процессы регенерации ионитных фильтров и работу испарителей термохимических установок, отпускающих дистиллят на подпитку котлов и продувочную воду - для приготовления и повторного использования регенерационного раствора соли.

В диссертации:

1. Впервые разработан алгоритм и апробирована методика количественного контроля процессов регенерации Н-катионитного и ОН-анионитного фильтров, основанная на измерении удельной электропроводности регене-рационных растворов до и после фильтра.

2. Предложена полная схема автоматизированного химического контроля блока фильтров химического обессоливания, обеспечивающая контроль за рабочими процессами и процессами регенерации ионитов.

3. Впервые разработан метод автоматизированного химконтроля испарительной установки, позволяющий по измерению электропроводности и рН оп-

ределять нормируемые параметры качества дистиллята: концентрацию катионов натрия и свободной углекислоты, и по измерению электропроводности продувочной воды - рассчитывать минерализацию концентрата испарителя, знание которой необходимо как для управления собственно величиной продувки, так и для последующей обработки продувочной воды перед ее использованием. 4. Предложена схема автоматизированного химконтроля термической обессоливающей установки, способная обеспечить управление химико-технологическим режимом малоотходной термохимической ВПУ.

Практическая ценность работы определяется созданием систем АХК, которые могут быть использованы как на действующих установках химического и термического обессоливания, так и на вновь проектируемых, в том числе малоотходных термохимических ВПУ. Могут быть использованы как системы АХК в целом, так и отдельные ее элементы. В частности, автоматизированный потенциометрический химконтроль истощения Ыа-катионитных фильтров внедряется в настоящее время на Тобольской ТЭЦ и Нижневартовской ГРЭС; На Саранской ТЭЦ-2 прошли успешные промышленные испытания системы химконтроля качества дистиллята испарителя и осветленной воды. На Костромской ГРЭС идет поэтапная реализация схемы автоматизированного химконтроля за блоком фильтров химического обессоливания добавочной воды котлов.

На основе проведенного исследования в рамках создания системы АХК разрабатывается система подготовки проб, обеспечивающая автоматизированный химконтроль одним прибором за работой нескольких (от 3 до 5) одноименных фильтров. К решению задачи привлечены специалисты ИГЭУ, инженерно-технические работники Костромской ГРЭС и Фурмановского завода "Темп".

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена:

• в расчетно-теоретической части - использованием классических законов ионных равновесий растворов электролитов;

• в части измерений - использованием наиболее надежных приборов химконтроля: кондуктометров и потенциометров, прошедших госу-

дарственную аттестацию и рекомендованных для подобного рода измерений;

• в отношении измерений значений концентраций ионов и электролитов, выполняемых системой АХК - сравнением с данными параллельных химических анализов, проведенных стандартизированными методами.

В работе представлены:

• математические алгоритмы и методики количественного определения концентраций ионов и электролитов в растворах по измеренным значениям электропроводности и рН;

• результаты опытно-промышленных исследований, полученных при разработке и испытании методов АХК состава различных технологических потоков на ВПУ ТЭС;

• схемы автоматизированного химконтроля для установок химического и термического обессоливания воды.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

АНАЛИЗ СХЕМ ОБРАБОТКИ ВОДЫ НА ТЭС И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ХИМКОНТРОЛЯ ЗА

ОБРАБОТКОЙ ВОДЫ.

1.1. Анализ технологических схем обработки воды на ТЭС.

Одним из наиболее распространенных методов обработки природных вод на ТЭС являются схемы химического обессоливания воды на ионитах [1]. Из них более распространены схемы двухступенчатого Н-ОН-ионирования (рис. 1.1) с блочным включением фильтров [2,3,4].

12 3 4

1 - Н-катионитный фильтр I ступени; 2 - ОН-анионитный фильтр I ступени; 3 - Н-катионитный фильтр II ступени; 4 - ОН-анионитный фильтр II ступени. Рис. 1.1. Схема двухступенчатого Н-ОН-ионирования воды

Данный метод обессоливания основан на замене при полном обмене катионов, присутствующих в исходной воде, на ионы водорода, а анионов - на гидроксилионы.

В последние годы разработаны технологические схемы, включающие обработку и повторное использование сточных вод ТЭС [5].

Одним из основных сторонников малоотходных технологий для традиционных схем химической обработки воды у нас в стране является Фейзиев Г. К. [5,6,7]. На рис. 1.2 согласно [5] приведены предложенные им схемы химического обессоливания воды, прошедшей содоизвесткование и коагуляцию в осветлителе и обработку на механических фильтрах, загруженных сульфоутлем и переоборудованных в фильтры-утилизаторы кислых стоков.

а)

б)

в) г)

а) для исходных вод с суммарным содержанием анионов сильных кислот (Ас) 4-4-5 мг-экв/л;

б) то же, при Ас=2+4 мг-экв/л; в) то же, при Ас=2 мг-экв/л; г) то же, при Ас=1,5 мг-экв/л. Рис. 1.2. Схемы химического обессоливания воды с сокращенными расходами

реагентов по Фейзиеву Г. К.

Следует отметить, что на указанных на рис. 1.2 схемах фильтр Ап определяется как предвключенный анионитный фильтр, загруженный высокоосновным анионитом АВ-17. Другие фильтры загружаются традиционными материалами: А! - низкоосновным анионитом АН-31, Ац - анионитом АВ-17, Н-катионитные фильтры - катионитом КУ-2 (кроме Н1 пр (рис. 1.2 а, загруженного сульфоуглем).

Согласно утверждений Фейзиева Г.К., схемы, приведенные на рис. 1.2, и подобные им схемы совместного обессоливания и умягчения воды позволяют значительно сократить стоки, а расходы реагентов снизить до стехиометриче-ских значений.

Как показывает практика, эти схемы малоосуществимы ввиду их сложности, большого количества трубопроводов, арматуры, нестандартного оборудования и, как следствие, большого объема и сложности работ (двухпоточно-противоточных фильтров). Реализация схем регенерации требует разделения регенерационных и отмывочных вод на отдельные потоки, такие, как, например, жесткий сток и сток с остатками кислоты, высокоминерализованный и маломинерализованный стоки.

1 - осветлитель; 2 - бак осветленной воды; 3 - механический фильтр; 4 - Ка-катионитный фильтр I ступени; 5 - №-катионитый фильтр II ступени; 6 - С1-анионитный фильтр; 7 - теплообменник; 8 - испарительная установка; 9 - дистиллят испарителя; 10 - продувка испарителя; 11 - отвод конденсата греющего пара; 12 - отвод вторичного пара; 13 - греющий пар. Рис. 1.3. Принципиальная схема термохимического обессоливания воды

В последние годы широкое распространение получили схемы термической обработки воды, включающие обработку и повторное использование сточных вод. Принципиальная схема такой обработки воды приведена на рис. 1.3. Одна из вариаций данной схемы внедрена на Саранской ТЭЦ-2.

Для экологической оценки работы ТЭС предложено сравнивать водо-подготовительные установки по показателю удельного сброса минеральных солей (УСС) [8], представляющему собой отношение количества солей, уходящих в сток, к одному кубометру производимой обессоленной воды.

1 - химический; 2 - термический без повторного использования сточных вод; 3 - термический с повторным использованием сточных вод; 4 - термический на сырой воде с обработкой сточных вод

Рис. 1.4. Удельный сброс солей при раз