автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Совершенствование системы автоматического химконтроля барабанных энергетических котлов на основе измерения электропроводности и рН

На правах рукописи

005059643

КОЛЕГОВ Антон Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ХИМКОНТРОЛЯ БАРАБАННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ И рН

Специальность: 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

1Ш1

?013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново-2013

005059643

Работа выполнена на кафедре «Химия и химические технологии в энергетике» ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Ларин Андрей Борисович

кандидат технических наук, доцент

Барочкин Евгений Витальевич,

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции»

Киет Станислав Викторович,

кандидат технических наук,

ООО «НПП «Техноприбор», заместитель

генерального директора

ОАО «Фирма ОРГРЭС», г. Москва

Защита состоится «30» мая 2013 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.064.01 при Ивановском государственном энергетическом университете по адресу: 153003, Иваново, Рабфаковская, 34, корпус «Б», аудитория 301.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34, Ученый совет ИГЭУ. Тел.: (4932) 38-57-12, 26-98-61, факс: (4932) 38-57-01. e-mail: uch_sovet@ispu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина».

Автореферат разослан «29» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

/Э*

LA Шувалов Сергей Ильич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время для контроля качества питательной и котловой воды применяются как титриметрические, так и приборные методы. Традиционные методы лабораторного химического контроля, как правило, трудоемки и не позволяют получать оперативную информацию для управления водно-химическим режимом (ВХР), а также своевременно устанавливать и устранять быстротекущие нарушения ВХР. Они не могут использоваться и в системах автоматического управления дозированием реагентов, например, аммиака или фосфатов.

Для комплексного решения проблемы контроля состояния и ведения ВХР в последнее десятилетие широко используются системы химико-технологического мониторинга (СХТМ), основу которых составляют приборы автоматического химического контроля (АХК). Наиболее надежными приборами АХК в промышленной эксплуатации являются кондуктометры и рН-метры, потенциал которых используется, но не в полном объеме. Примером является отсутствие практики измерений удельной электропроводности Н-катионированной пробы котловой воды барабанных котлов на действующих тепловых электрических станциях (ТЭС).

Методы математического моделирования на основе измерений величины рН, удельной электропроводности прямой и Н-катионированной пробы позволяют расширить спектр функциональных возможностей СХТМ, раскрыть приборный потенциал и, следовательно, достаточно эффективно выявлять недостатки и быстротекущие нарушения ВХР.

Разработанная в ИГЭУ обобщенная математическая модель ионных равновесий водных потоков и её алгоритмы расчета, обоснованные теоретически и в условиях лабораторных исследований на модельных растворах, сложны в реализации на тепловых электрических станциях различных параметров по причине особенностей АХК, качественного состава водного теплоносителя, режимам эксплуатации, а также используемых корректирующих реагентов.

Таким образом, контроль состояния, диагностика нарушений и ведение ВХР в рамках СХТМ остается одной из наиболее сложных задач, решение которой следует искать в направлении повышения информативности приборов и систем АХК на базе простых и надежных измерений, а также разработки новых расчетных методик, адаптированных к условиям промышленной эксплуатации.

Целью работы является совершенствование методов химического контроля, разработка новых средств и систем химико-технологического мониторинга на базе измерений величины рН, удельной электропроводности исходных и Н-катионированных охлажденных проб водного теплоносителя барабанных котлов ТЭС различных параметров.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.

1. Разработать и исследовать частные математические модели поведения минеральных примесей водного теплоносителя, полученные из обобщенной математической модели ионных равновесий. Адаптировать математические модели к условиям ВХР барабанных котлов различных параметров с использованием измерений удельной электропроводности и рН питательной и котловой воды для количественного определения нормируемых и диагностических показателей качества водного теплоносителя, а также оценки быстротекущих нарушений ВХР.

2. Составить инженерные методики и алгоритмы косвенного определения хлорида и гидрокарбоната натрия, аммиака - в питательной воде, фосфатов, натрия и щелочности — в котловой воде для условий оперативного контроля.

3. Выполнить промышленные испытания разрабатываемых методик и алгоритмов косвенного определения показателей качества водного теплоносителя на ТЭС с барабанными котлами давлением 13,8 МПа, 9,8 МПа, а также на энергоблоках с парогазовыми установками (ПГУ).

4. Создать опытно-промышленный образец измерительной системы автоматизированного химического контроля состояния ВХР с использованием разработанных методик и алгоритмов косвенного определения концентраций ионных примесей водного теплоносителя для диагностики нарушений ВХР барабанных энергетических котлов.

Научная новизна работы

1. На базе обобщенной математической модели составлены частные математические модели ионных равновесий водного теплоносителя, адаптированные к условиям промышленной эксплуатации барабанных котлов на современных ТЭС. Определены границы изменения и значения эмпирических коэффициентов частных математических моделей, характеризующих ионные равновесия питательной и котловой воды энергоблоков различных параметров.

2. Разработаны методики и алгоритмы прямого и косвенного определения значений контролируемых и диагностических показателей качества питательной и котловой воды барабанных котлов давлением 13,8 МПа, 9,8 МПа, а также котлов-утилизаторов ПГУ с аммично-гидразинным ВХР для использования в системах химико-технологического мониторинга.

3. Разработана методика оценки достоверности измерений удельной электропроводности Н-катионированной пробы (&,) котловой воды барабанных котлов ТЭС.

Практическая ценность работы

1. Предложена структура СХТМ и состав АХК качества водного теплоносителя для получения оперативной информации по нормируемым и диагностическим показателям состояния ВХР барабанных котлов давлением 13,8 МПа.

2. Выполнены промышленные испытания и внедрение опытного образца автоматизированной системы химического контроля состояния ВХР барабанного котла сверхвысокого давления ТП-87 на Ивановской ТЭЦ-3.

3. Разработан программный модуль для контроля состояния, диагностики нарушений и ведения водно-химического режима барабанных котлов с давлением 13,8 МПа, встраиваемый в современные 5сас1а-системы.

4. Выполнены промышленные испытания расчетных методик определения количественного состава водного теплоносителя барабанных котлов давлением 9,8 МПа на Ивановской ТЭЦ-2 и котлов-утилизаторов энергоблоков с ИГУ на ГТЭС «Терешково». Проведена диагностика состояния ВХР и оценка состояния ХК, выданы рекомендации для совершенствования режимов эксплуатации.

5. Предложен способ корректировки дозирования раствора фосфата натрия в котловую воду барабанных котлов сверхвысокого давления.

Положения, выносимые на защиту

1. Частные математические модели ионных равновесий водного теплоносителя барабанных энергетических котлов различных параметров.

2. Методики и алгоритмы прямого и косвенного определения значений контролируемых и диагностических показателей качества питательной и котловой воды для ТЭС с барабанными котлами давлением 13,8 МПа, 9,8 МПа, а также котлов-утилизаторов ПГУ с аммично-гидразинным водно-химическим режимом.

3. Результаты лабораторных исследований растворов электролитов, моделирующих качество питательной и котловой воды барабанных котлов давлением до 10 МПа.

4. Результаты промышленных испытаний разработанных методик и алгоритмов на ТЭС с барабанными котлами давлением 13,8 МПа, 9,8 МПа, а также на энергоблоках с ПГУ.

5. Опытно-промышленный образец измерительной системы автоматизированного химического контроля состояния ВХР барабанных котлов давлением 13,8 МПа.

Соответствие диссертации паспорту специальности

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты:

в части формулы специальности - «... разрабатываются вопросы водоиспользования и водных режимов, ... решаются проблемы обеспечения ... рабочего ресурса оборудования тепловой электростанции, её систем ...»;

в части области исследования - п. 1: «Разработка научных основ методов расчета, выбора и оптимизации параметров, показателей качества и режимов работы агрегатов ...»; п. 2: «Исследование и математическое моделирование процессов, протекающих в агрегатах, системах и общем цикле тепловых электростанций»; п. 3: «Разработка, исследование, совершенствование действующих и освоение новых технологий ... водно-химических режимов...».

Достоверность и обоснованность изложенных в диссертации данных и выводов обеспечивается использованием современных информационно-технических средств при решении поставленных задач, применением классических термодинамических методов расчета ионных равновесий, проверкой работоспособности разработанных алгоритмов и методик в условиях лабораторного эксперимента и промышленной эксплуатации, метрологической оценкой измеряемых показателей, а также положительным эффектом от внедрения разработанной автоматизированной системы химического контроля.

Личное участие автора

Автор принимал активное участие в разработке частных математических моделей ионных равновесий, методик и алгоритмов расчета для использования в условиях промышленной эксплуатации. Автором составлен программный модуль по расчету примесей водного теплоносителя на основе измерений удельной электропроводности и рН, а также предложена методика оценки ресурса предвключенной Н-колонки при измерениях удельной электропроводности Н-катионированной пробы. При участии автора проведены лабораторные исследования, создан и испытан опытно-промышленный образец системы автоматизированного химического контроля на Ивановской ТЭЦ-3, а также проведены испытания и оценка состояния ВХР на Ивановской ТЭЦ-2, ГТЭС «Терешково».

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ (ТУ), 2011), VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ 2011), Региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Энергия 2012», на конкурсном отборе победителей программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К. 2011), на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ в области технических наук 2012 (Санкт-Петербург, НИУ СПГПУ), на Всемирном инновационном салоне «Брюссель - Иннова/Эврика 2011».

Публикации

Материалы диссертации нашли отражение в 19 опубликованных работах, в том числе в 4 статьях в ведущих рецензируемых журналах и изданиях (по списку ВАК).

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка используемой литературы из 98 наименований и 11 приложений. Количество страниц 206, в том числе рисунков 82, таблиц в тексте 42.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи диссертации, научная новизна, практическая значимость по-

лученных результатов, основные положения, выносимые на защиту, обоснована достоверность результатов и дана общая характеристика структуры работы.

Первая глава посвящена анализу проблемы водно-химического режима и химконтроля современных барабанных котлов на ТЭС.

Развитие аналитической техники контроля качества воды, пара и конденсата на современных электростанциях с мощными энергоблоками происходит в направлении создания автоматизированных систем, включающих устройства отбора и подготовки проб для анализа, соответственно анализаторов и устройств сбора и обработки информации. Стабильное поддержание заданных оптимальных концентраций ионных примесей водного теплоносителя может быть обеспечено при условии непрерывного автоматического дозирования корректирующих реагентов.

Отмечено, что указанное выше подтверждается в решениях Симпозиума международной ассоциации по свойствам воды и пара - 1А\УРБ (Чехия, Плзень, сентябрь 2011 г.), где основным направлением развития признан автоматический химический контроль качества водного теплоносителя с разработкой дополнительных функций. Такое направление более 20 лет разрабатывается на кафедре ХХТЭ ИГЭУ под руководством д-ра техн. наук, профессора Б.М. Ларина. Эти работы являются развитием разработок ОАО «ВТИ» по созданию систем АХК 70-х годов (Л.М. Живилова) и более поздних работ МЭИ (В.Н. Воронов и др.).

В завершение раздела представлена последняя разработка ИГЭУ -обобщенная математическая модель (ММ) водных потоков. Обозначены основные принципы построения, особенности решения, недостатки и преимущества ММ.

С учетом результатов проведенного анализа опубликованных данных сформулирована цель и задачи работы, основой которых является количественное определение ряда основных параметров качества теплоносителя на базе измерений удельной электропроводности и рН.

Во второй главе приводится обоснование методики проведения исследований и разработка расчетного метода по определению ионного состава водного теплоносителя.

Объем химического и теплотехнического контроля для СХТМ в пусковых режимах определяется для каждого конкретного объекта с учетом особенностей тепловой схемы, режимных параметров, способа подготовки добавочной воды и динамики технологического объекта. Для исследований на Ивановской ТЭЦ-3 была разработана структурная схема автоматического химконтроля за ВХР (рис. 1). Примененные технические средства позволят обеспечить возможность контроля рабочего состояния барабанного котла и в дальнейшем могут использоваться для автоматизации управления рабочими процессами.

Разработанная в ИГЭУ общая математическая модель ионных равновесий для питательной и котловой воды, описанная в первой главе, мало

пригодна для условий оперативной оценки состояния водно-химического режима, что в масштабе промышленной эксплуатации не приемлемо.

В данной работе предложены частные математические модели, адаптированные к ВХР барабанных котлов различных параметров, в том числе для котлов давлением 13,8 МПа.

Ионные равновесия в котловой воде солевого отсека описываются уравнениями (1 )^(5). Для их решения нами были введены несколько параметров, таких как щелочной коэффициент (Ь), коэффициент концентрирования (Кк), отношение концентрации гидрокарбонатов и хлоридов в питательной воде (п).

(рНсо \

2 + 10 ^Ь[СО§-]со; (1)

/ РНсо \

[ОН-]« = b • [НРО|-]со + ( 10 КЯ2С0М ■ [СО|-]со; (2)

1000 • Х(.0 = ^-Na+ ■ [Na+]co + ^он- ■ [ОН-]«, + 2 • Хто2- ■ [HPOj"]«, + *<а- х

(рНсо \

2 • Хс02- + XHC0Í ■ lO^J • [СО§-]со; (3)

1000 • ^ = ан+ + Ха~) ■ [Cl-lco + (V + ^Н2Р04) • [HP0j-]co; (4)

(рНсо \

i + lo^F^J • [col-]» = [ci-]C0 • fflgib (5)

где, Xco, Xii, со - удельная электропроводность прямой охлажденной и Н-катнонированной пробы, Ом"1 см'1 (См/см); b — щелочной коэффициент, зависящий от присутствия в добавляемом в котел растворе тринатрий фосфата NaOH (b = 1,0-5) или Na2HP04 (b = 0,5-1,0). При их отсутствии Ь=1 (режим чисто фосфатной щелочности).

Числовое значение коэффициента b может быть определено в первом приближении по измеренному значению величины рНсо в виде

1()(Рнсо-у)-1*

Ь = (ЯРО?-]«, " (6)

Более точным следует признать итерационное уточнение значения концентрации [ОН"]со при заданном увеличении коэффициента b в уравнении (2).

Система уравнений (1)-(5) может быть решена при измерениях:

- в питательной воде: „„, рНпв с последующим расчетом [СГ]ПВ и [НС03]пв:

[СГ]ПВ = 1000 • ----bss_- . (7)

[HCOJ]пв = (о,45 + 2,34 • j^J • n ■ fl 4 ,„+6, (8)

где, n - отношение концентрации гидрокарбонатов и хлоридов в охлажденной Н-катионированной пробе питательной воды; п=0,1-1,0 наиболее вероятный диапазон изменения п;

- в котловой воде солевого отсека: х», со- рНсо.

Задаваясь коэффициентом концентрирования примесей питательной воды до концентрации в солевом отсеке барабана котла (Кк) можно записать выражение

[СГ]со=Кк-[СГ]пв, (9)

где Кк=5-15 - эмпирические значения, полученные при анализе качества водного теплоносителя котлов давлением 13,8 МПа (Печорская ГРЭС, ТЭЦ-26 ОАО «Мосэнерго», Ивановская ТЭЦ-3 и др.).

В таком случае уравнения (1)-(5) содержат десять неизвестных величин. Из них измеряются со, рНсо. Концентрации гидрокарбонатов и хлоридов в питательной воде [НСОз"]пв, [СГ]ПВ - определяются из расчета ионных равновесий в питательной воде и могут считаться определенными.

Для практических целей установлена величина ошибки расчетного определения концентрации фосфатов при отклонении от средних действительных значений коэффициента концентрирования примесей питательной

воды до концентрации в солевом отсеке барабана котла (Кк) и значений отношения концентрации гидрокарбонатов и хлоридов в охлажденной Н-катионированной пробе питательной воды (п) в условиях промышленной эксплуатации. Такую оценку можно выполнить расчетным путем при помощи алгоритма косвенного определения концентраций ионных примесей питательной и котловой воды барабанных котлов СВД, изменяя значения параметров в реально возможном диапазоне.

Как видно из рис. 2, отклонение значений концентрации фосфатов при средних значений п=0,55 и Кк=10 от минимального расчетного значения концентрации фосфатов составляет 6,4%, от максимального расчетного значения - 3,3%. При значениях коэффициента концентрирования в пределах Кк=8^12, соответствующих нормальной работе котельного агрегата, максимальное отклонение составляет 3,8%.

Ввиду незначительного влияния параметров п и Кк на результат расчета в дальнейшем будет использоваться среднее вероятное значение коэффициента концентрирования Кк = 10 и отношение концентрации гидрокарбонатов и суммарной концентрации анионов сильных кислот в питательной воде п = 0,55.

Рис. 2. Оценка влияния параметров п и Кк на результат расчета концентрации фосфатов в котловой воде солевого отсека

Возможны несколько вариантов решения поставленной задачи в рамках систем уравнений (1)^(5) при различном количестве исходных данных.

Например, при измерениях удельной электропроводности Н-катионированных проб (&,) питательной воды и котловой воды солевого отсека рассчитывается только концентрация фосфатов в котловой воде солевого отсека. При увеличении количества измеряемых показателей, увеличивается число рассчитываемых концентраций.

Третья глава посвящена разработке и исследованию автоматизированной системы ХК качества водного теплоносителя барабанных котлов давлением 13,8 МПа. В ходе предварительных исследований, включавших в себя анализ состояния ВХР и ХК за качеством водного теплоносителя котла

К)

№3 Ивановской ТЭЦ-3. Был рекомендован максимальный объем автоматического химконтроля за качеством теплоносителя энергетического котла для получения оперативной информации по нормируемым и диагностическим показателям в рамках СХТМ состояния ВХР.

Расчетом по математической модели и химическим анализом определяются показатели качества среды:

• питательная вода: ЫНз, (Ж0+Ыа+), СГ;

• перегретый пар: МНз, СГ;

• котловая вода (солевой отсек): солесодержание, концентрация фосфатов [Р043 ];

• котловая вода (чистый отсек): солесодержание, концентрация фосфатов [Р043~].

Расчетный алгоритм (рис. 3) реализован на базе методики, описанной во второй главе.

Рис. 3. Блок-схема алгоритма расчета концентрации ионных примесей в котловой воде солевого и чистою отсеков барабанных котлов давлением 13,8 МПа

Исходными данными для расчета концентрации ионных примесей питательной и котловой воды являются удельная электропроводность прямой пробы питательной воды и котловой воды солевого отсека, удельная элек-

11

тропроводность Н-катионированной пробы питательной воды и котловой воды солевого и чистого отсека, рН питательной воды и котловой воды солевого отсека, а также температура пробы соответствующих потоков.

Принятый алгоритм обработки результатов измерений позволяет отсечь случайные ошибки измерений отдельных параметров, связанные с нарушением условий подготовки пробы или достоверности измерительного канала, диагностировать рабочее состояние катионита, загруженного в фильтровальную колонку и получить расчётные значения ионных примесей питательной и котловой воды.

Для обработки и визуализации данных, получаемых с приборной измерительной системы, составлен программный модуль, встраиваемый в всасЗа-систему, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. Диалоговое окно данной программы представлена на рис. 4.

Аналитические данные состояния ВХР барабанного котла ТП-87 (ст. №3) показаны на диаграмме состояния фосфатных водно-химических режимов (рис. 5).

(1ЧМ1.ЧГ/Л

-I ликоно.щм Ь.-!К*»П к-МО! «»ФМШМт Л>Э1 Ш^ЫЛ* 1 из 1

V- и'т : - | ч :.1'..'нг- * ч И -

Рис. 5. Диаграмма состояния фосфатного водно-химического режима барабанного котла ТП-87 Ивановской ТЭЦ-3

Рекомендованная правилами технической эксплуатации (ПТЭ) зона ведения водно-химического режима барабанных котлов давлением 13,8 МПа соответствует прямоугольнику - зона «А» (рис. 5). Точками представлены данные автоматического контроля в период с октября по ноябрь 2010 года. Как видно из рис. 5, значения рН выходят за пределы рекомендуемой зоны, что может отвечать избыточной дозировке №ОН в раствор фосфата натрия.

Анализ опытно-промышленных данных за длительный период работы автоматизированной системы химического контроля показал, что рассчитываемые значения концентраций фосфатов в котловой воде и концентрации аммиака в питательной воде в основном коррелируют с данными, полученными химической лабораторией Ивановской ТЭЦ-3, что подтверждается графиками на рис. 6, 7.

Рис. 4. Диалоговое окно автоматизированной системы химического контроля за водно-химическим режимом котельного агрегата №3 Ивановской ТЭЦ-3

О -I

о

07:00 19:00 07.00 1 9:00 03:00 19:00 11:00 03:00 19:00

24.03.2011 30.03.2011 06.04.2011 12.04.2011 15.02.2012 16.02.2012 18.02.2012 20.02.2012 21.02.2012

Дата и время Дата и время

Рис. 6. График изменения концентрации Рис. 7. График изменения концентра-

аммиака в питательной воде барабана котла с ции фосфатов в котловой воде солевого отсе-

24.03.11 nol7.04.ll: ка барабана котла с 15.02.12 по 22.02.12:

1 - аналитические данные; 2 - расчет- I - аналитические данные; 2 - расчетные данные ные данные

Расхождение между значениями концентраций ионных примесей, полученных с помощью расчетной методики и значений, полученных путем химического анализа обусловлено:

1) погрешностью прямых измерений удельной электропроводности и величины рН и погрешностью косвенного определения концентраций ионных примесей;

2) погрешностью химического анализа.

К примеру, расхождение между аналитическими данными и расчетными значениями концентрации фосфатов в чистом отсеке (рис. 7, 16.02.12) связано, скорее всего, с увеличением случайной ошибки химического анализа. Данное предположение основано на том, что концентрация фосфатов косвенно зависит от значений удельной электропроводности и рН. В момент резкого возрастания концентрации фосфатов (по данным химического анализа) изменение значений -/п и рН не наблюдается.

В четвертой главе описываются разработка и исследования частных математических моделей поведения минеральных примесей водного теплоносителя, адаптированных к условиям ВХР барабанных котлов до 10 МПа.

Были проведены лабораторные опыты с растворами, моделирующими качество котловой воды барабанных котлов с давлением 9,8 МПа.

Показано, что измерения удельной электропроводности как прямой, так и Н-катионированной проб котловых вод барабанных котлов с давлением 9,8 МПа может использоваться для автоматического контроля солесо-держания котловой воды с количественным определением концентраций № и СГ. Однако оперативная оценка концентрации фосфатов в котловой воде с ошибкой в пределах 10% вряд ли возможна виду малой концентрации Р043" по отношению к концентрации ЫаС1. Промышленные испытания методики косвенного определения качества водного теплоносителя барабанных котлов с давлением 9,8 МПа, проведенные на Ивановской ТЭЦ-2, подтвердили все указанные предположения.

Другим объектом исследований в рамках данного раздела являлся водно-химический режим котлов-утилизаторов энергоблоков с ПГУ. В со-

ответствии с требованиями к качеству питательной и добавочной воды качество питательной воды котлов-утилизаторов ПГУ отвечает качеству питательной воды барабанных энергетических котлов с давлением 13,8 МПа. При использовании гидразин-аммиачного водно-химического режима контроль качества ионных примесей питательной воды может строиться на основе измерений %, рН подобно тому, как разработано для питательной воды котлов с давлением 13,8 МПа.

Расчет концентраций ионных примесей котловой воды контуров низкого (КНД) и высокого (КВД) давления энергоблока ПГУ может строиться на базе математической модели ионных равновесий котловой воды барабанных котлов с давлением 13,8 МПа. В данном случае - для энергоблока ГТЭС «Терешково» (г. Москва) - математическая модель была видоизменена с учетом неполноты выноса аммиака в пар и отсутствия фосфатов, однако с добавлением в котловую воду КаОН.

В условиях измерения в питательной воде значений %,„ рН можно считать известными концентрации [№Г3]ПВ, [СГ]ПВ, [НСОз"]пв. Тогда, итоговая система уравнений ионных равновесий котловой воды котла-

утилизатора блока ПГУ может быть записана в следующем виде:

1000 ■ Хн = (V + Хсг) ' [С/"] ; (10)

Кк = [СГ]/[СГ]т-, (11)

(1 + Ка) ■ [iC0i~] = Kk ■ 0,5 • (1 + q) ■ [HCOj]„e\ (12)

[ЛШ4+] + [Na+] = lO""-14 + [СГ] + (2 + Ка) • [«?!"]; (13) 1000 • х = • №4 + Л„а+ ■ [Na+] + Аон- ■ Ю?""14 + Асг х

х [СГ] + (2 ■ Яс0|- + Хнсо- ■ Ка) ■ [<COt], (14)

где К„ = --; q - доля гидрокарбонатов питательной воды, не подвер-

Кц.нгсоз

женная термолизу в котловой воде (2НС0з"<->С02Т+Н20+С0з2"), тогда 0,5-(1-q) - доля гидрокарбонатов, ушедших в пар в виде С02 и то же, перешедших в форму С032"; [ОН"] = ЮрН'14 - концентрация гидроксильных ионов по измерению рН котловой воды.

Дополнительными можно считать уравнения соотношения карбонатов и гидрокарбонатов в котловой воде:

[СО|~] = 0,48 • ЮрН-10 ■ [HC0¡] (15)

и уравнение соотношения концентраций аммонийных ионов в котловой воде (моль/л) и суммарной концентрации аммиака ([NH3]nB) в питательной воде, мкг/л:

Гд,,,+1 _ 035-Ю-7y[NH3U

[NH4 J - (1.76+10»«-0) ' <16>

где р = 0,0-Ю,2 - доля концентрации аммиака питательной воды, оставшаяся в котловой воде.

Порядок решения системы уравнений (10)^(16) при измерении показателей качества котловой и питательной воды изображен на рис. 8 в виде блок-схемы.

1. Ввод результатов измерений X, Хи, рН питательной воды, котловой воды низкого и высокого давления

2. Расчет ионных примесей питательной воды. Параметры: п = 0,5 + 1,5; аз = 0,7 + 0,9 Расчет; [СП, [НСОзТ - моль/л, [ЫН3] - мкг/л

N > 5%, а3 = ээ * 0,05 N < -5%, а3 = а3 - 0,05

|!М| < 5%

Рис. 8. Блок-схе.ма алгоритма расчета концентраций ионных примесей питательной и котловой воды контуров низкого и высокого давления энергоблоков ПГУ

В связи с периодическим превышением рекомендуемых норм по отдельным показателям в октябре - декабре 2012 года сотрудниками кафедры ХХТЭ ИГЭУ проведено обследование энергоблока ПГУ ГТЭС «Терешко-во» (г. Москва). Анализ состояния химического контроля и водно-химического режима энергоблока ГТЭС «Терешково» с использованием расчетных методик выявил ряд нарушений.

На рис. 9, 10 приведены результаты расчетов ионных равновесий и концентраций примесей в питательной воде энергоблока ПГУ-220 ГТЭС «Терешково» в сравнении с результатами расчета показателей качества водного теплоносителя Ивановской ТЭЦ-3. Из среднемесячных данных видно, что значение удельной электропроводности (х) прямой пробы питательной воды Ивановской ТЭЦ-3 несколько выше значений % по данным суточных ведомостей ГТЭС «Терешково» (3,83 мкСм/см и 3,42 мкСм/см). Аналогичная картина наблюдается и по значениям удельной электропроводности Н-катионированной пробы (0,33 и 0,3 мкСм/см). Однако, при одинаково малой концентрации хлоридов (около 0,58 и 0,52 мкмоль/л рис. 9) концентрация гидрокарбонатов, представляющих форму углекислоты,

имеет весьма существенные различия: около 22 мкг-экв/л для ГТЭС «Те-решково» и малые значения концентрации гидрокарбонатов в питательной воде Ивановской ТЭЦ-3 - 0,78 мкг-экв/л. Такая большая концентрация, как в питательной воде блока ПГУ ГТЭС «Терешково», недопустима даже для связанной аммиаком углекислоты, что приводит к выходу за норму значений Хн пара.

25.0

20.0

15.0 10.0 5.0 0.0

22.52

1

0.78 0.52 0.58

СС|_, мкмоль/л

Рис. 9. Сравнительная диаграмма среднемесячных значений концентраций хлоридов и гидрокарбонатов в питательной воде:

НН - расчегные данные по Ивановской ТЭЦ-3; • расчетные данные по ГТЭС «Терешково»

370

С-мга. мкг/л

Рис. 10. Сравнительная диаграмма среднемесячных расчетных значений концентраций аммиака (слева) и измеренной величины рН (справа) питательной воды: ШЖ - данные ло Ивановской ТЭЦ-3; I I - данные по ГТЭС «Терешково»; 1 - данные химической лаборатории ГТЭС «Терешково»

Сравнение результатов измерений рН питательной воды энергоблока ГТЭС «Терешково», выполненных рН-метрами с проточной потенциомет-рической ячейкой и Оскосоп рН, показывает завышение значений рН по измерениям Оекосоп рН. Данный факт связан с присутствием угольной кислоты в концентрациях (рис. 10), существенно больших (более чем в 10 раз) по сравнению с концентрацией №С1 в анализируемой пробе, что выводит анализатор Оекосоп рН за допустимые пределы использования, а в питательном тракте может вызывать развитие коррозионных процессов.

Пятая глава посвящена оценке результатов исследований состояния ВХР паровых котлов различных параметров, а также особенностям реализации системы АХК на барабанном котле (ст. №3) Ивановской ТЭЦ-3.

Одной из основных особенностей реализации системы АХК является способ контроля срабатывания ионита в Н-форме, загруженного в фильтровальную колонку при измерениях удельной электропроводности котловой воды барабанных котлов СВД. Предложенные критерии срабатывания были проверены в условиях непрерывного измерения удельной электропроводности Н-катионированной пробы котловой воды на Ивановской ТЭЦ-3.

Также в рамках работы над созданием системы был предложен способ автоматического регулирования дозировки фосфатов в котловую воду барабанных котлов с давлением 13,8 МПа, основанный на измерении удельной электропроводности охлажденных Н-катионированной проб. Суть способа заключается в том, что при автоматической дозировке фосфатов в котловую воду основным сигналом для задания расхода является величина продувки, либо расход питательной воды, а в качестве корректирующего сигнала предложена концентрация фосфатов в котловой воде, рассчитанная с использованием методики косвенного определения концентраций ионных примесей водного теплоносителя.

Результаты измерений приборов АХК и косвенного определения концентраций ионных примесей были оценены, применяя расчетные методики, приведенные в нормативной документации по метрологии измерений.

В частности, были определены погрешности и доверительные интервалы прямых измерений величины рН, удельной электропроводности прямой и Н-катионированной пробы, результаты представлены в таблице.

Расчет истинных значений

Показатели Ун мкСм/см X. мкСм/см рН

Среднеарифметическое 28,810 59,581 10,272

Б (а)ср (среднеквадратичное отклонение 0,005 0,024 0,001

Да (погрешность измерений) 0,154 0,349 0,104

Доверительный интервал (Р=0,95) [28,656; 28,964] [59,232; 59,930] [10,168; 10,376]

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработаны и исследованы частные математические модели поведения минеральных примесей водного теплоносителя, полученные из обобщенной математической модели ионных равновесий. Проведена адаптация частных математических моделей к условиям ведения ВХР барабанных котлов с давлением 13,8 МПа, 9,8 МПа и котлов-утилизаторов энергоблоков ПГУ с использованием измерений удельной электропроводности и рН питательной и котловой воды для количественного определения нормируемых и диагностических показателей качества водного теплоносителя, а также оценки быстротекущих нарушений ВХР. Путем анализа эксплуата-

ционных данных различных ТЭС определены границы изменения эмпирических коэффициентов, введенных для решения математических моделей, выявлено их влияние на результаты расчета.

2. Разработаны инженерные методики и алгоритмы прямого и косвенного определения концентраций аммиака, натрия, хлоридов, гидрокарбонатов в питательной воде, а также концентраций фосфатов, гидроксил-ионов, натрия, хлоридов, гидрокарбонатов в котловой воде барабанных котлов различных параметров, в том числе котлов-утилизаторов ПГУ с ам-мично-гидразинным ВХР.

3. Предложена структура и состав приборов АХК для создания опытно-промышленного образца измерительной системы автоматизированного химического контроля состояния ВХР с использованием разработанных методик и алгоритмов косвенного определения концентраций ионных примесей питательной и котловой воды. Для контроля состояния, диагностики нарушений, ведения водно-химического режима барабанных котлов с давлением 13,8 МПа Ивановской ТЭЦ-3 разработан программный модуль, встраиваемый в современные ясас1а-системы.

4. Выполнены промышленные испытания автоматизированной системы химико-технологического мониторинга водно-химического режима барабанного котла ТП-87 на Ивановской ТЭЦ-3. Собранные данные в процессе показали хорошую сходимость рассчитываемых показателей качества со значениями, полученными в условиях лабораторного химического контроля. Определено, что погрешность косвенного определения нормируемых и диагностических показателей не превышает 10 %, что можно считать приемлемым для практических целей автоматического химического контроля.

5. Для реализации методик косвенного определения ионных примесей водного теплоносителя разработан способ оценки достоверности измерения удельной электропроводности Н-катионированной пробы котловой воды барабанных котлов ТЭС. Предложены и проверены в условиях промышленной эксплуатации критерии срабатывания катионита в Н-форме.

6. Предложен способ автоматического регулирования дозировки фосфатов в котловую воду барабанных котлов с давлением 13,8 МПа, основанный на измерении удельной электропроводности охлажденных Н-катионированных проб водного теплоносителя.

7. Выполнены промышленные испытания расчетных методик определения количественного состава водного теплоносителя барабанных котлов давлением 9,8 МПа на Ивановской ТЭЦ-2 и котлов-утилизаторов энергоблоков с ПГУ на ГТЭС «Терешково». Проведенное обследование состояния химконтроля и ВХР энергоблока ПГУ ГТЭС «Терешково» с использованием разработанной с участием автора методик расчета позволило выявить отклонения в достоверности автоматических измерений ХК, в частности, измерений величины рН анализатором «ИАМ ОеНосоп рН» и нарушения ведения ВХР. Были выданы рекомендации и предложения по нормализации состояния ВХР и ХК.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК

1. Кол его в, A.B. Внедрение системы автоматического химического контроля за водно-химическим режимом ТЭС / A.B. Колегов, Б.М. Ларин, А.Б. Ларин, Е.В. Козюлина // Вестник ИГЭУ. - № 4 - 2011. - С. 15-19.

2. Колегов, A.B. Расчет показателей качества водного теплоносителя и оценка состояния ВХР барабанных котлов / A.B. Колегов, Б.М. Ларин, А.Б. Ларин, Е.В. Козюлина. // Теплоэнергетика.-№7-2012.-С. 10-14.

3. Колегов, A.B. Обоснование использования эмпирических параметров и алгоритма расчета математической модели котловой воды / A.B. Колегов, А.Б. Ларин // Вестник ИГЭУ. -№4-2012.-С. 5-8.

4. Колегов, A.B. Анализ результатов автоматического химического контроля качества водного теплоносителя барабанного котла Ивановской ТЭЦ-3 / A.B. Колегов, А.Б. Ларин // Теплоэнергетика. - № 10 - 2012. - С. 65-70.

Публикации в других изданиях

5. Колегов, A.B. Новая система автоматического химконтроля водного теплоносителя барабанного котла ОВД на базе Ивановской ТЭЦ-3 / A.B. Колегов, Б.М. Ларин, А.Б. Ларин, Е.В. Козюлина и др. // Материалы V Всерос. науч.-практ. конф. «Повышение эффективности энергетического оборудования». - Иваново: ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». -2010,-С. 184-189.

6. Колегов, A.B. Энергосберегающая технология: система автоматического химконтроля водного теплоносителя барабанного котла СВД / A.B. Колегов, АБ. Ларин // Сборник научно-исследовательских работ финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности. - Новочеркасск: Лик. - 2010, - с. 36-40.

7. Колегов, A.B. Разработка и испытание новой системы автоматического химконтроля на Ивановской ТЭЦ-3 / A.B. Колегов, А.Б. Ларин // Материалы XVII Междунар. науч. -техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - М.: МЭИ. - 2011, Т.З. - С.163-164.

8. Колегов, A.B. Автоматизированная система контроля и обработки показателей качества теплоносителя барабанных котлов СВД / A.B. Колегов, А.Б. Ларин // Материалы VI Междунар. молодежной науч. конф. «Тинчуринские чтения». - Казань: КГЭУ. - Т.2. - 2011. -С. 138-139.

9. Колегов, A.B. Результаты испытаний системы автоматического химконтроля на Ивановской ТЭЦ-3 / A.B. Колегов, А.Б. Ларин // Материалы региональной науч.-тех. конф. студ и асп. «Энергия 2011». - Иваново: ИГЭУ. - 2011. - Т.1. - С. 72-73.

10. Колегов, A.B. Опытная эксплуатация новой системы химико-технологического мониторинга котла №3 Ивановской ТЭЦ-3 / A.B. Колегов, А.Б. Ларин, Е.В. Козюлина // Материалы XVI Междунар. научн.-техн. конф. «Бенардосовские чтения». - Иваново: ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - Т.2. - 2011. -С. 107-109.

11. Колегов, A.B. Способ определения концентрации фосфатов в котловой воде по измерению удельной электропроводности и pH / A.B. Колегов, А.Б. Ларин, Е.В. Козюлина // Материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. «Повышение эффективности энергетического оборудования». — Иваново: ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - 2011. - С. 305-310.

12. Колегов, A.B. Разработка опытно-промышленной СХТМ за ВХР энергетического Котла №3 Ивановской ТЭЦ-3 / A.B. Колегов, А.Б. Ларин, Е.В. Козюлина // Сборник отчетов «Инновационные проекты молодых ученых». - Иваново: ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - 2011. - С. 37-42.

13. Колегов, A.B. Промышленное опробование системы автоматического химического контроля с использованием измерений удельной электропроводности Н-катионированной

пробы котловой воды солевого отсека / A.B. Колегов, А.Б. Ларин // Материалы XVIII Между-нар. науч. - техн. конф. студ. и асп. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - М.: МЭИ. - 2012. - Т.З. - С. 149.

14. Колегов, A.B. Определение солевых примесей в котловой воде по измерению электропроводности и pH / A.B. Колегов, Б.М. Ларин, А.Б. Ларин // Новое в российской электроэнергетике. - №4. - 2012. - С. 33-40.

15. Колегов, A.B. Критерии истощения ионита при измерениях удельной электропроводности Н-катионированной пробы котловой воды солевых отсеков котлов ОВД / A.B. Колегов // Материалы VII Междунар. молодежной науч. конф. «Тинчуринские чтения». - Казань: КГЭУ.-Т.2.-2012.-С. 140-141.

16. Колегов, A.B. Исследование ВХР барабанных котлов ИвТЭЦ-2 / A.B. Колегов, А.Б. Ларин // Материалы региональной науч.-техн. конф. студ и асп. «Энергия 2012». - Иваново: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - 2012. - Т.1. - С. 98-99.

17. Колегов, A.B. Автоматизация контроля и дозирования фосфатов в барабан котла с давлением 13,8 МПа на примере Ивановской ТЭЦ-3 / A.B. Колегов, А.Б. Ларин // Материалы специализированной науч.-гтракт. конф. молодых специалистов «Современные технологии в энергетике - основа повышения надежности, эффективности и безопасности оборудования ТЭС». - М.: ОАО «ВТИ». - 2012. - С. 397-402.

18. Колегов, A.B. Совершенствование химконтроля за водным режимом энергоблока ТЭС с ПГУ / A.B. Колегов, А.Б. Ларин, Н.В. Еремин // Материалы VIII Междунар. молодежной науч. конф. «Тинчуринские чтения». - Казань: КГЭУ. - Т.2 - 2013. - С. 97-98.

19. Колегов, A.B. Анализ состояния водно-химического режима энергоблока ПГУ-210 / A.B. Колегов, А.Б. Ларин, А.Я. Сорокина // Материалы VIII Международной молодежной науч. конф. «Тинчуринские чтения». - Казань: КГЭУ. - Т.2. - 2013. - С. 98-99.

КОЛЕГОВ Антон Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ХИМКОНТРОЛЯ БАРАБАННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ И рН

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 23.04.2013. Формат 60X84 1/16. Печать плоская. Усл. печ. л. 1,16.Тираж 100 экз. Заказ № 123. ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет

имени В.И. Ленина» 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34. Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ

ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет

имени В.И. Ленина»

На правах рукописи

04/01 3 ? бб^1'1

900

/У

КОЛЕГОВ Антон Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО ХИМКОНТРОЛЯ БАРАБАННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ И рН

Специальность: 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент Ларин Андрей Борисович

Иваново - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр

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

1. Анализ состояния вопроса. Цель и задачи исследования

1.1. Проблемы водно-химического режима и химконтроля современных барабанных котлов на ТЭС............................................................. 10

1.2. Нормирование и автоматический химический контроль качества теплоносителя энергоблоков электростанций..................................... 14

1.3. Состояние систем химико-технологического мониторинга водно-химического режима на ТЭС........................................................... 19

1.4. Расчет ионных равновесий.............................................................. 24

1.4.1. Математическая модель ионных равновесий питательной воды............... 24

1.4.2. Расчеты ионных равновесий в котловой воде при дозировке

фосфатов................................................................................... 28

1.4.3. Математическая модель косвенного определения ионного состава котловой воды..........................................................................................................................................................28

1.5. Цели и постановка задач исследования............................................. 34

2. Обоснование методики проведения исследований и разработка расчетного метода по определению ионного состава водного теплоносителя

2.1. Обоснование выбора приборной измерительной базы........................... 36

2.2. Требования к техническому обеспечению СХТМ................................. 37

2.3. Обоснование выбора и разработка расчетного метода по определению ионного состава питательной и котловой вод барабанных котлов СВД..... 41

2.3.1. Преобразование системы уравнений ионных равновесий в охлажденной пробе котловой воды.................................................................... 42

2.3.2. Решение математической модели ионных равновесий в котловой воде чистого отсека............................................................................ 49

2.3.3. Предварительный расчет значений концентрации аммиака в питательной

воде при автоматическом измерении Хн и рН.................................. 50

2.4. Отличительные особенности частной математической модели................ 51

2.5. Метрологическая оценка достоверности измерений.............................. 51

2.6. Методика лабораторных опытов и промышленных испытаний................ 54

2.7. Выводы...................................................................................... 56

3. Разработка и исследование автоматизированной системы химического

контроля качества водного теплоносителя барабанных котлов СВД

3.1. Анализ состояния ВХР пароводяного тракта барабанного котла СВД

и применимость расчетных методик................................................. 58

3.2. Система автоматизированного химического контроля........................... 63

3.3. Алгоритм косвенного определения концентраций ионных примесей питательной и котловой воды барабанных котлов СВД......................... 65

3.4. Промышленная реализация алгоритма косвенного определения ионных примесей водного теплоносителя с помощью программного продукта «MasterScada»............................................................................. 75

3.5. Результаты испытаний системы автоматического химконтроля

котла ТП-87............................................................................... 81

3.6. Анализ данных эксплуатации системы автоматического химического контроля в период с 2011 по 2013 года на котле ТП-87 Ивановской ТЭЦ-3 93

3.7. Выводы...................................................................................... 96

4. Автоматический химконтроль и анализ состояния ВХР барабанных

котлов с давлением до 10 МПа 4.1. Автоматический химический контроль питательной, котловой воды и пара

барабанного котла высокого давления..............................................................................97

4.1.1. Цели и задачи лабораторных исследований........................................ 97

4.1.2. Описание лабораторной установки................................................... 99

4.1.3. Лабораторные исследования модельных растворов электролитов............ 99

4.1.4. Анализ ионных равновесий в питательной воде барабанных котлов высокого давления....................................................................... 104

4.1.5. Решение системы уравнений ионных равновесий питательной воды........ 107

4.1.6. Анализ ионных равновесий в котловой воде барабанного котла.............. 110

4.1.7. Расчет сол eco держания пара по измерению Хн.................................... 122

4.1.8. Расчет концентраций солевых примесей котловой воды солевого отсека... 122

4.1.9. Результаты промышленных испытаний расчетных алгоритмов на котлах высокого давления....................................................................... 123

4.2. Методика расчета ионных равновесий водного теплоносителя

энергоблока ПГУ........................................................................ 126

4.2.1. Краткая характеристика ВХР......................................................... 126

4.2.2. Методика расчета ионных равновесий питательной воды...................... 126

4.2.3. Методика расчета ионных равновесий котловой воды, и пара котлов-утилизаторов ПГУ....................................................................... 129

4.2.4. Анализ состояния химического контроля и водно-химического режима энергоблока ГТЭС «Терешково»...................................................... 135

4.2.5. Анализ результатов дополнительного исследования состояния ХК и ВХР блока ПГУ ГТЭС «Терешково»........................................................ 146

4.3. Выводы...................................................................................... 148

5. Оценка результатов исследования и разработка частных технических

решений

5.1. Анализ результатов исследований состояния ВХР паровых котлов 150

различных параметров...................................................................

/

5.2. Работа предвключенной Н-колонки при измерениях Хн котловой воды солевого отсека барабанного котла с давлением 13,8 МПа..................... 152

5.2.1. Описание схемы измерения удельной электропроводности Н-катионированной пробы котловой воды............................................ 152

5.2.2. Оценка ресурса предвключенной Н-колонки по опытным данным.......... 153

5.2.3. Контроль срабатывания катионита в Н-форме.............'........................ 155

5.3. Способ корректировки дозирования раствора фосфата натрия в котловую

воду барабанных котлов................................................................. 158

5.4. Обработка результатов автоматического измерения величины рН, удельной электропроводности и косвенных измерений концентрации фосфатов.......................................................................................................... 161

5.5. Выводы.................................................................................... 166

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................ 167

Список использованных источников литературы........................... 170

Приложения.............................................................................. 178

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В настоящее время для контроля качества питательной и котловой воды применяются как титриметрические, так и приборные методы. Традиционные методы лабораторного химического контроля, как правило, трудоемки и не позволяют получать оперативную информацию для управления водно-химическим режимом (ВХР), а также своевременно устанавливать и устранять быстротекущие нарушения ВХР. Они не могут использоваться и в системах автоматического управления дозированием реагентов, например, аммиака или фосфатов.

Для комплексного решения проблемы контроля состояния и ведения ВХР в последнее десятилетие широко используются системы химико-технологического мониторинга (СХТМ), основу которых составляют приборы автоматического химического контроля (АХК). Наиболее надежными приборами АХК в промышленной эксплуатации являются кондуктометры и рН-метры, потенциал которых используется, но не в полном объеме. Примером является отсутствие практики измерений удельной электропроводности Н-катионированной пробы котловой воды барабанных котлов на действующих тепловых электрических станциях (ТЭС).

Методы математического моделирования на основе измерений величины рН, удельной электропроводности прямой и Н-катионированной пробы позволяют расширить спектр функциональных возможностей СХТМ, раскрыть приборный потенциал и, следовательно, достаточно эффективно выявлять недостатки и быстротекущие нарушения ВХР.

Разработанная в ИГЭУ обобщенная математическая модель ионных равновесий водных потоков и её алгоритмы расчета, обоснованные теоретически и в условиях лабораторных исследований на модельных растворах, сложны в реализации на тепловых электрических станциях различных параметров по причине особенностей АХК, качественного состава водного теплоносителя, режимам эксплуатации, а также используемых корректирующих реагентов.

Таким образом, контроль состояния, диагностика нарушений и ведение ВХР в рамках СХТМ остается одной из наиболее сложных задач, решение которой следует искать в направлении повышения информативности приборов и систем АХК на базе простых и

надежных измерений, а также разработки новых расчетных методик, адаптированных к условиям промышленной эксплуатации.

Целью работы является совершенствование методов химического контроля, разработка новых средств и систем химико-технологического мониторинга на базе измерений величины рН, удельной электропроводности исходных и Н-катионированных охлажденных проб водного теплоносителя барабанных котлов ТЭС различных параметров.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.

1. Разработать и исследовать частные математические модели поведения минеральных примесей водного теплоносителя, полученные из обобщенной математической модели ионных равновесий. Адаптировать математические модели к условиям ВХР барабанных котлов различных параметров с использованием измерений удельной электропроводности и рН питательной и котловой воды для количественного определения нормируемых и диагностических показателей качества водного теплоносителя, а также оценки быстротекущих нарушений ВХР.

2. Составить инженерные методики и алгоритмы косвенного определения хлорида и гидрокарбоната натрия, аммиака - в питательной воде, фосфатов, натрия и щелочности - в котловой воде для условий оперативного контроля.

3. Выполнить промышленные испытания разрабатываемых методик и алгоритмов косвенного определения показателей качества водного теплоносителя на ТЭС с барабанными котлами давлением 13,8 МПа, 9,8 МПа, а также на энергоблоках с парогазовыми установками (ПГУ).

4. Создать опытно-промышленный образец измерительной системы автоматизированного химического контроля состояния ВХР с использованием разработанных методик и алгоритмов косвенного определения концентраций ионных примесей водного теплоносителя для диагностики нарушений ВХР барабанных энергетических котлов.

Научная новизна работы

1. На базе обобщенной математической модели составлены частные математические модели ионных равновесий водного теплоносителя, адаптированные к условиям промышленной эксплуатации барабанных котлов на современных ТЭС. Определены границы изменения и значения эмпирических коэффициентов частных математических моделей, характеризующих ионные равновесия питательной и котловой воды энергоблоков различных параметров.

2. Разработаны методики и алгоритмы прямого и косвенного определения значений контролируемых и диагностических показателей качества питательной и котловой воды барабанных котлов давлением 13,8 МПа, 9,8 МПа, а также котлов-утилизаторов ПГУ с аммично-гидразинным ВХР для использования в системах химико-технологического мониторинга.

3. Разработана методика оценки достоверности измерений удельной электропроводности Н-катионированной пробы (Хн) котловой воды барабанных котлов ТЭС.

Практическая ценность работы

1. Предложена структура СХТМ и состав АХК качества водного теплоносителя для получения оперативной информации по нормируемым и диагностическим показателям состояния ВХР барабанных котлов давлением 13,8 МПа.

2. Выполнены промышленные испытания и внедрение опытного образца автоматизированной системы химического контроля состояния ВХР барабанного котла сверхвысокого давления ТП-87 на Ивановской ТЭЦ-3.

3. Разработан программный модуль для контроля состояния, диагностики нарушений и ведения водно-химического режима барабанных котлов с давлением 13,8 МПа, встраиваемый в современные зсас1а-системы.

4. Выполнены промышленные испытания расчетных методик определения количественного состава водного теплоносителя барабанных котлов давлением 9,8 МПа на Ивановской ТЭЦ-2 и котлов-утилизаторов энергоблоков с ПГУ на ГТЭС «Терешково». Проведена диагностика состояния ВХР и оценка состояния ХК, выданы рекомендации для совершенствования режимов эксплуатации.

5. Предложен способ корректировки дозирования раствора фосфата натрия в котловую воду барабанных котлов сверхвысокого давления.

Положения, выносимые на защиту

1. Частные математические модели ионных равновесий водного теплоносителя барабанных энергетических котлов различных параметров.

2. Методики и алгоритмы прямого и косвенного определения значений контролируемых и диагностических показателей качества питательной и котловой воды для ТЭС с барабанными котлами давлением 13,8 МПа, 9,8 МПа, а также котлов-утилизаторов ПГУ с аммично-гидразинным водно-химическим режимом.

3. Результаты лабораторных исследований растворов электролитов, моделирующих качество питательной и котловой воды барабанных котлов давлением до 10 МПа.

4. Результаты промышленных испытаний разработанных методик и алгоритмов на ТЭС с барабанными котлами давлением 13,8 МПа, 9,8 МПа, а также на энергоблоках с ПГУ.

5. Опытно-промышленный образец измерительной системы автоматизированного химического контроля состояния ВХР барабанных котлов давлением 13,8 МПа.

Соответствие диссертации паспорту специальности

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты:

в части формулы специальности - «... разрабатываются вопросы водоиспользова-ния и водных режимов, ... решаются проблемы обеспечения ... рабочего ресурса оборудования тепловой электростанции, её систем ...»;

в части области исследования - п. 1: «Разработка научных основ методов расчета, выбора и оптимизации параметров, показателей качества и режимов работы агрегатов ...»; п. 2: «Исследование и математическое моделирование процессов, протекающих в агрегатах, системах и общем цикле тепловых электростанций»; п. 3: «Разработка, исследование, совершенствование действующих и освоение новых технологий ... водно-химических режимов...».

Достоверность и обоснованность изложенных в диссертации данных и выводов обеспечивается использованием современных информационно-технических средств при решении поставленных задач, применением классических термодинамических методов расчета ионных равновесий, проверкой работоспособности разработанных алгоритмов и методик в условиях лабораторного эксперимента и промышленной эксплуатации, метрологической оценкой измеряемых показателей, а также положительным эффектом от внедрения разработанной автоматизированной системы химического контроля.

Личное участие автора

Автор принимал активное участие в разработке частных математических моделей ионных равновесий, методик и алгоритмов расчета для использования в условиях промышленной эксплуатации. Автором составлен программный модуль по расчету примесей водного теплоносителя на основе измерений удельной электропроводности и рН, а также предложена методика оценки ресурса предвключенной Н-колонки при измерени-

ях удельной электропроводности Н-катионированной пробы. При участии автора проведены лабораторные исследования, создан и испытан опытно-промышленный образец системы автоматизированного химического контроля на Ивановской ТЭЦ-3, а также проведены испытания и оценка состояния ВХР на Ивановской ТЭЦ-2, ГТЭС «Терешко-во».

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на XVII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, МЭИ (ТУ), 2011), VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, КГЭУ 2011), Региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Энергия 2012», на конкурсном отборе победителей программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К. 2011), на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ в области технических наук 2012 (Санкт-Петербург, НИУ СПГПУ), на Всемирном инновационном салоне «Брюссель - Иннова/Эврика 2011».

Публикации

Материалы диссертации нашли отражение в 19 опубликованных работах, в том числе в 4 статьях в ведущих рецензируемых журналах и изданиях (по списку ВАК).

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка используемой ли