автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Регулирование процесса образования отложений в оборудовании ТЭС и АЭС с целью увеличения эффективности теплообмена

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность исследований.

Цель научной работы.

1 Современное представление о механизме образования отложений и методы борьбы с ними в оборудовании ТЭС и АЭС.

1.1 Механизм образования отложений.

1.2 Факторы, влияющие на процесс образования отложений.

1.2.1 Влияние качества рабочей среды.

1.2.2 Влияние температуры.

1.2.3 Влияние скорости потока.

1.2.4 Влияние формы теплообменной поверхности.

1.2.5 Влияние материала теплообменной поверхности на образование отложений.

1.3 Влияние полимерных материалов на удельное количество отложений и методы улучшения их теплофизических свойств.

1.4 Методы определения энергии адгезии отложений и полимерных материалов.

1.5 Методы борьбы с отложениями.

1.5.1 Химические методы.

1.5.2 Физические методы.

1.5.3 Механические методы.

Выводы.

Задачи исследований.

2 Уточнение параметра качества технической воды в методиках прогнозирования образования отложений.

2.1 Исследование структуры отложений.

2.2 Методики и результаты исследования дисперсного состава взвешенных веществ в технической воде.

2.2.1 Метод фильтрования.

2.2.2 Дисперсный анализ взвешенных веществ в воде методом седиментации в гравитационном поле.

2.3 Определение зависимости параметра качества воды.

Выводы.

3 Исследование влияния материала поверхности на удельное количество отложений.

3.1 Определение удельного количества осаждений кристаллов солей на поверхности различных материалов.

3.2 Исследование электродного потенциала материалов теплообменной поверхности и его влияния на удельное количество отложений.

3.2.1 Теоретический расчет электродного потенциала теплообменной поверхности.

3.2.2 Экспериментальное определение электродного потенциала теплообменной поверхности.

3.2.3 Определение зависимости электродного потенциала поверхностей от концентрации и температуры раствора солей.

3.3 Определение зависимости удельного количества отложений от величины электродного потенциала теплообменной поверхности.

Выводы.

4 Исследование влияния материала поверхности на адгезию отложений.

4.1 Установка и методика проведения эксперимента по определению адгезии кристаллов отложений.

4.1.1 Методика и результаты качественного определения адгезии кристаллов солей.

4.1.2 Методика и результаты количественного определения адгезии кристаллов солей на теплообменных поверхностях.

Выводы.

5 Исследование влияния полимерных покрытий на механизм образования отложений и эффективность теплообмена.

5.1 Расчетная методика обоснования целесообразности применения полимерных покрытий в теплообменных аппаратах.

5.2 Обоснование применения фторопластов для покрытия теплообменных трубок конденсаторов турбин.

5.3 Исследования теплопроводности полимерных покрытий на основе наполненных фторопластов.

5.3.1 Методика и результаты экспериментального определения теплопроводности фторопластовых покрытий.

5.3.2 Расчетная методика оптимизации толщины и теплопроводности фторопластового покрытия в зависимости от режимов нанесения, состава и концентрации наполнителя.

5 .4 Экспериментальные исследования адгезии наполненного фторопластового покрытия.

Выводы.

Производство и потребление электроэнергии является одним из главных показателей технического прогресса и экономического уровня развития общества. Все потребители и производители электроэнергии объединены в единую энергосистему. В состав объединенной энергетической системы (ОЭС) Северного Кавказа входят восемь энергосистем. Ведущее место в ОЭС по уровням энергопотребления и концентрации генерирующих источников занимают Ростовская, Краснодарская и Ставропольская энергосистемы. На долю этих трех систем приходилось в 1989 - 1998гг. около 80% от общего энергопотребления по ОЭС, 89% выработки электроэнергии и 82% установленной мощности. Дефицит Ростовской энергосистемы составляет около 20%, Краснодарской около 60%.

Основными источниками покрытия нагрузок являются тепловые электрические станции. На их долю приходится около 80% в 1989г. [1] и 64% выработанной электроэнергии в 1998г. (по данным информационного центра Ростовской АЭС), ГЭС - 19%, АЭС - 13%. В общем по России выработка электроэнергии снижается (в 1991г. было выработано 1045 млрд. кВт, в 1999г.-804,5 млрд. кВт). Спад в производстве электроэнергии обусловлен выработкой ресурсов электрических станций. Энергосистема имеет износ основных фондов 47,2%, а на некоторых станциях износ достигает 70%. Часть станций выработала свой ресурс и не может быть включена в энергосистему.

Экономичность, надежность и ресурс электрической станции в значительной степени зависят от чистоты поверхности теплообменного оборудования. В практике на ТЭС и АЭС применяют нормирование содержания примесей в теплоносителе и рабочем теле электростанций, которое позволяет в большинстве случаев избежать образования отложений природных примесей воды и уменьшить отложения продуктов коррозии в оборудовании. Однако, как показывает опыт эксплуатации, предотвратить образование отложений по всему тракту электростанций таким путем не удается.

На тепловых и атомных электростанциях, а также на других предприятиях, при эксплуатации теплообменников, трубопроводов и регулирующей арматуры, в результате осаждения продуктов коррозии и возникновения на рабочих поверхностях биологических, иловых и солевых образований, возникает проблема значительного снижения эффективной работы оборудования.

Как правило, в поверхностных теплообменных аппаратах, теплопередача происходит между средами не только с различными технологическими параметрами, но и имеющих различное качество по составу.

Общим холодным источником термодинамического цикла тепловой энергетики являются естественные водоемы (реки, озера, моря) и искусственные (пруды-охладители, брызгательные бассейны, градирни). Эта вода, контактируя непосредственно с окружающей средой, содержит в себе различные примеси: водоросли, микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности, растворенные газы и соли, коллоидные и дисперсные частицы, способные вызывать образование отложений. По экологическим соображениям, техническую воду нельзя очищать химическими реагентами. А большие объемы потребляемой технической воды не целесообразно очищать до необходимого качества.

В техническом водоснабжении можно снизить скорость образования отложений, только воздействуя на процесс их формирования, как правило, безреагентными методами. Этого можно будет добиться только после того, как механизм образования отложений будет достаточно изучен. Это позволит изменять факторы, действующие на процесс формирования отложений, и таким образом снизить или предотвратить их образование.

Образование отложений приводит к ряду серьезных последствий, усложняющих эксплуатацию электростанций. Так, отложения на экранных поверхностях ТЭС и оболочках твэлов АЭС, в зависимости от их количества и теплопроводности, могут вызывать повышение температуры металла и, в конечном счете, к его пережогу. Такие аварии имели место на электростанциях, работающих как на органическом, так и на ядерном топливе.

Образующиеся отложения изменяют гидродинамические характеристики каналов, что приводит к перераспределению нагрузки по ним. Это ухудшает расчетные условия охлаждения поверхности.

Отложения в проточной части турбины изменяют условия обтекания и снижают КПД турбоустановки. А иногда приводят и к разрушению проточной части, особенно ярко образование отложений проявляется в последних ступенях турбоагрегата.

В проточной части бессальниковых насосов АЭС (ГЦН) отложения могут вызывать перераспределение механических нагрузок.

В приводах стержней управления и защиты реакторов образование отложений приводят к увеличению коэффициента трения и времени их срабатывания, что недопустимо из соображений ядерной безопасности.

Отложения в рабочих органах арматуры изменяют ее характеристики и так же усложняют эксплуатацию.

Отложение карбонатной накипи на оросителях градирен снижает охлаждающий эффект градирни и может привести к разрушению оросителей.

Отложения в теплообменных трубках конденсаторов турбин снижают охлаждающую способность аппарата и способствуют снижению вакуума в нем, из-за чего происходит не только снижение КПД турбоагрегата, но и снижение технико-экономических показателей станции в целом. Станция за год может терять до 4% КПД из-за снижения коэффициента теплопередачи.

Отложения способствуют интенсификации коррозионных процессов. Однако при определенных условиях (например, в трубопроводах теплосетей), отложения выполняют защитную противокоррозионную функцию.

На практике, для улучшения условий теплопередачи, применяют различные методы борьбы с отложениями: механические, химические и физические. Эффективность большинства из них не превышает 60%, а при некоторых условиях приводят к разрушению конструкционных материалов и конструкций в целом. Многие из методов борьбы энерго- и трудоемки. В результате, при разработке аппаратов, предусматривают резерв теплообменной поверхности на 30-40%, что приводит к увеличению металлоемкости и стоимости конструкции.

В некоторых странах мира, например, в Японии, США, Швейцарии, Германии или Англии, для предотвращения образования отложений, теплообменные поверхности покрывают полимерными материалами. Опыт эксплуатации таких аппаратов показал, что коэффициент теплопередачи не снижается или снижается незначительно.

Актуальность исследований

Отложения на теплообменных поверхностях существенно снижают эффективность теплообмена и ресурс оборудования ТЭС и АЭС. Они увеличивают трудо - и энергозатраты.

В результате исследования механизма образования отложений, могут быть получены принципиально новые сведения о свойствах отложений, о влиянии режимов работы теплообменного оборудования, качества воды и материала поверхности на интенсивность образования отложений, на качество их структуры и силу их сцепления с теплообменной поверхностью.

На основании общих представлений о механизме образования и свойствах отложений могут быть выбраны оптимальные способы снижения интенсивности образования или удаления отложений. Разработаны принципиально новые методы воздействия на процесс их формирования и в значительной степени увеличены эффективность теплообмена, надежность и срок эксплуатации аппаратов.

Применение новых технологий на основании определенного механизма формирования отложений снизит интенсивность их образования. Уменьшить металлоемкость и габариты теплообменного оборудования.

Целью научной работы является:

Снижение ^интенсивности образования отложений в теплообменном оборудовании ТЭС и АЭС систем технического водоснабжения.

Выводы

1. Установлено, что применение полимерных материалов целесообразно в качестве покрытий теплообменных поверхностей в оборудовании ТЭС и АЭС. Это обосновано увеличением количества тепла, переданного в аппарате с покрытием, сверх расчетного и его стоимости при уменьшении поверхности теплообмена за счет резервной поверхности, предусмотренной в аппаратах без покрытия.

2. Удельное количество отложений на фторопластовых покрытиях минимально относительно исследованных конструкционных материалов и в неподвижной среде составляет 8,3 г/м2.

3. Установлено, что материал покрытия существенно влияет на структуру отложений. Из-за отсутствия центров кристаллизации на аморфном фторопласте, микрокристаллы солей образуют микроколлоидную структуру, которая слабо сцеплена с поверхностью материала. Напряжение сдвига кристаллов NaCl и СаСОз на фторопластовых образцах на порядок меньше по отношению к другим исследованным конструкционным материалам и составило 0,629 МПа и 0,283 МПа соответственно.

4. Для расчета теплопроводности и толщины фторопластовых покрытий, наполненных сажей или коллоидным графитом, выполненных электрофорезом, рекомендуется использовать эмпирические зависимости от напряженности электростатического поля:

Хсл = -1,579-Ю-3 • С - 2,434-Ю"9 • Е2 + 6,434-Ю"6 • С • Е + 0,054

5СЛ = -2,353 • С - 4,673-Ю"6 • Е2 + 5,447-Ю"3 • С • Е + 37,066 где С - концентрация наполнителя в эмульсии, %; Е - напряженность электростатического поля, В/м.

5. Увеличение концентрации графита и напряженности электростатического поля увеличивают толщину и теплопроводность фторопластового покрытия.

6. Установлено, что покрытия, наполненные сажей, обладают повышенной адгезией к подложке, а покрытия, наполненные коллоидным графитом, -повышенной прочностью по отношению к покрытиям с сажей.

7. Экспериментальными исследованиями было установлено, что коэффициент теплопроводности покрытия достиг значения, равное 0,3 Вт/(м-К) при наполнении коллоидным графитом. Напряженность электростатического поля составила 2333 В/м.

8. Наряду с другими полимерными материалами рекомендуется использовать в качестве покрытия теплообменных поверхностей наполненный фторопласт, который обладает противокоррозионными и противонакипными свойствами.

1. Головченко, А.В.Жарков и др. Оценка воздействия Ростовской АЭС на окружающую среду. 1992, 88 с.

2. Бубликов И.А. Структурные особенности и теплофизические свойства внутритрубных отложений на теплообменных поверхностях в системах технической воды. // Теплоэнергетика, №2, 1998, С30-34.

3. Стерман JI.C. и др. Тепловые и атомные электростанции: учебник для вузов / Л.С.Стерман, С.А.Тевлин, А.Т.Шарков; под ред. Л.С.Стермана.-2-е изд., испр. и доп.-М.: Энергоиздат, 1982. 456с., ил.

4. Ключ ков Е.Р. Исследование процесса образования отложений на твэлах водоохлаждаемых реакторов.// Теплоэнергетика. 1996. №12. С. 52-54.

5. Крицкий В.Г., Стяжкин П.С. Коррозия труб из медных сплавов в системах охлаждения АЭС.// Теплоэнергетика. 1997. №8. С. 35-39.

6. Балабан-Ирменин Ю.В., Шереметьев О.Н. и др. Взаимосвязь между водно-химическим режимом, составом и структурой отложений на внутренней поверхности трубопроводов теплосети.//Теплоэнергетика. 1998. №7. С. 4347.

7. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии, изд. 2-е. -М., Химия, 1976. 512 с.

8. Tantirige S., Trass О. Mass transfer at geometrically dissimilar rough surfaces. The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol. 62, 1984.

9. Богорош A.T. Вопросы накипеобразования. Киев: Выща шк., 1990. - 178 с.

10. Макареня А.А. Повторим химию: для поступающих в вузы: практическое пособие.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш.шк., 1989. -271 е., ил.

11. Шарапов В.И., Крылова М.А. О кинетике десорбции свободной уголекислоты в декарбонизаторах.// Теплоэнергетика. 1996. №8. С.47-49.

12. Zimmels Y. Theory of hindered sedimentation of polydisperse mixtures. AIChE Journal, Vol.29, №4,1983.

13. Teubner Max. The motion of charged colloidal particles in electric fields. Journal of chemical physics, Vol. 76, №11,1982.

14. Саган ь И.Н., Разлад и н Ю.С. Борьба с накипеобразованием в теплообменниках. -Киев: Техшка, 1986. -132 с.

15. Шипилев С.Г., Богачев А.Ф. и др. Опыты по очистке, охлаждаемых морской водой конденсаторных трубок, пористыми резиновыми шариками, пропитанными ингибитором коррозии. // Теплоэнергетика. 1996. №6. С.47-50.

16. Дрейцер Г.А. Исследование солеотложений при течении воды с повышенной карбонатной жесткостью в каналах с дискретными турбулизаторами. // Теплоэнергетика. 1996. №3. С.30-35.

17. Крылатский Д.В. Растворимость карбоната кальция в водных и водно-сахарных растворах. // Сахарная промышленность. 1997. №6. С.24-25.

18. Архипович Н.А. Танащук Л.М. и др. Растворимость карбоната кальция и сульфата кальция в растворах глюкозы и фруктозы. // Сахарная промышленность. 1984. №7. С.24.

19. Нейра Ф. и др. Получение высокодисперсного карбоната кальция при мембранном опреснении океанской воды. // Химическая промышленность. №6. 1999.

20. Браславский и др. Проектирование бессточных схем промышленного водоснабжения.

21. Васина Л.Г., Гусева О.В. Предотвращение накипеобразования с помощью антинакипинов. // Теплоэнергетика. 1999. №7. С.35-38.

22. H.Muller-Steinhagen. Control of heat exchanger fouling. Process & control engineering, №11, 1988.

23. Найманов А.Я., Никитина СБ. Исследование работы антинакипного электрического аппарата. // Энергетика. 1993. №2.

24. Современные тенденции конструирования, технологии изготовления и расчета теплообменного оборудования / Сборник научных трудов под редакцией В.В.Пугача. М.: ВНИИ Нефтемаш. 1987. 143 с.

25. З.Л.Миропольский, И.А.Бубликов, Б.Е.Новиков. Исследование термического сопротивления отложений в теплообменниках, охлаждаемых технической водой / Теплоэнергетика. 1992. №5. С.71-74.

26. В.А.Каргин. Структура и механические свойства полимеров. Избранные труды. М.: Наука. 1979. - 449 с.

27. Г.М.Бартенев, Ю.В.Зеленев. Физика и механика полимеров: учебное пособие для втузов. М.: Высш. шк., 1983. - 391 с.

28. В.Е.Басин. Адгезионная прочность. -М.: Химия, 1981. 208 е., ил.

29. Л.П.Васильев, С.А.Танаева. Теплофизические свойства пористых материалов. Минск: Наука и техника, 1971. 268 с.

30. А.Миснар. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композицый: пер. с франц. М.: Мир, 1968. - 450 с.

31. В.И.Повстугар, В.И.Кодолов, С.С.Михайлова. Строение и свойства поверхности полимерных материалов. М: Химия, 1988. -192 с.

32. Ю.С.Липатов. Термодинамические и структурные свойства граничных слоев полимеров. Киев: Наукова думка, 1976. -159 с.

33. Ивашко B.C. и др. Электротехническая технология нанесения защитных покрытий / В.С.Ивашко, И.Л.Куприянов, А.В.Шевцов.-Мн.: Навука i тэхшка, 1996.-375 с

34. А.Т.Санжаровский. Методы определения механических и адгезионных свойств полимерных покрытий.-М., Наука, 1974, 115с.

35. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном взаимодействии / Пер. с англ. А.В.Белого, Н.К.Мышкина; под ред. А.И.Свириденка.-М.Машиностроение, 1986.-360 с.37