Экспериментальное и теоретическое обоснование нового метода контроля качества рабочего тела в контурах ТЭС и АЭС

УДК 621.165.620.193

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НОВОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА РАБОЧЕГО ТЕЛА В КОНТУРАХ ТЭС И АЭС

© 2012 г. Н.Н. Ефимов, Ю.Ю. Лукашов, В.Н. Щербаков, Ю.М. Лукашов

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

На основе тепломассообменных уравнений исследована кинетика перехода примесей пара в его конденсат и выполнено теоретическое обоснование нового метода контроля качества пара и воды методом локального изменения их параметров состояния при рабочих давлениях энергоустановок. Результатами промышленных и стендовых исследований показаны преимущества высокотемпературного кондуктометрического анализа жидких и паровых сред по сравнению с традиционными.

Ключевые слова: кондуктометрический датчик; кинетика тепломассопереноса; скорость растворения; динамический коэффициент распределения.

On the basis of heat-mass transfer equations of kinetics of transition impurities in the steam condensate, and he made a theoretical basis of a new method of quality control of steam and water by a local change of state parameters at operating pressures of power plants. The results of industrial and bench research shows the benefits of high-conductometric analysis of liquid and vapor environments compared to traditional ones.

Keywords: conductometric sensor; heat and mass transfer kinetics; the rate of dissolution; the dynamic distribution coefficient.

Сущность метода заключается в непрерывном локальном изобарическом переводе паровой фазы рабочего тела ТЭС или АЭС в конденсат или из менее плотной (для воды) в более плотную с помощью нового термостатируемого кондуктометрического датчика (рис. 1) [1], который размещается непосредственно в потоке пара или воды при их рабочих температурах и давлениях (Т и Р).

3

2 ,

4

Однако в научной литературе практически отсутствуют работы, отражающие специфику процессов, протекающих в таких датчиках. ст, См-м-1 -2

10

10

6 5

Рис. 1. Датчик с двухсторонним термостатированием: 1 -трубки с охладителем; 2 - охранное кольцо; 3 - изоляторы; 4, 6 - внешние и 5 - внутренний измерительные электроды;

7 - спаи термопары; 8 - вход и выход охладителя

Концентрация ионогенных примесей в межэлектродной среде датчика (конденсат, вода) определяется с помощью кондуктометра по градуировочным изотермам (рис. 2), близким к рабочим (306^350 °С). Следует отметить, что выбору оптимального варианта такого высокотемпературного датчика предшествовали испытания и разработка нескольких моделей [1 -3]. Целесообразность использования высокотемпературных датчиков для измерения удельной электропроводности о, значений рН и других показателей на ТЭС дискутируется на ежегодных международных научных конференциях, например [4], что подтверждает актуальность данной проблемы для мировой энергетики.

10

i

1 V/

1.608 К II.628K

3 V Г"--4

т----

тгг 10

-ю 10

10 К) С, кмоль/кг

Рис. 2. Градуировочные изотермы зависимости о от С веществ в паре: I - №С1; II - №ОН; 1, 2 - данные [5, 6]; 3 - ВТИ; 4 - «абсолютно» чистая Н2О

Рассмотрим кинетику межфазового перехода примесей в процессе конденсации парораствора в датчике (рис. 1). Регулируя расход охладителя (воздух; вода) через полости 1 измерительных электродов 4, 6, 5, в ячейке устанавливается заданная температура конденсата, которая контролируется термопарой 7.

1

Один из спаев термопары соединяется с измерительным прибором через высокотемпературный изолятор -электроввод.

Количество теплоты, отдаваемое электродам датчика паром, охлаждающемся в изобарном процессе (ф = 0) от состояния Р, Т1 до Р, Т2 равно: q1_2 = = il(P, Т1) - i2(P, Т2). Количество образующегося конденсата т и, следовательно, смена его в межэлектродном пространстве датчика (в ячейке), определяется по уравнению:

m = -

, кг/ч,

?1-2

где а' - среднеинтегральный коэффициент теплоотдачи; Р - поверхность охлаждения датчика; АТ - температурный напор.

Следует отметить, что закономерности распределения нелетучих примесей между водой и паром на линии насыщения в барабанных котлах ТЭС и парогенераторах АЭС протекают в условиях, близких к термодинамическому равновесию системы вода - пар. В этом случае соотношение концентраций, например №С1, в паре и котловой воде соответствует закону распределения Нернста - Шилова [7]:

Сп = КрСкв, моль/кг,

где Кр - термодинамический коэффициент распределения; Сп и Скв - концентрации примесей (моль/кг) в паре и в котловой воде соответственно.

В датчике протекает противоположный, кинетический процесс межфазового перехода (растворения) вещества из пара в конденсат. Скорость этого процесса регулируется расходом охлаждающего агента в датчике и подчиняется известному уравнению:

dC d х

^ = к ' (CK - CK),

моль

с • см

dC

где к' - константа скорости, кг/см -с; — - количе-

d х

ство вещества, растворяющееся в секунду на единице

поверхности раздела фаз, моль/(с-см2); (скорость рас-

dC ,

творения — и константа к находятся в сложной d х

зависимости от местных и физических условий процесса); С^ - теоретическая равновесная концентрация вещества в конденсате пара (моль/кг), связана с Сп теоретическим Кр (2); СК - мгновенная фактическая концентрация вещества в конденсате (моль/кг), не находящемся в термодинамическом равновесии с паровой фазой и определяется не термодинамическим Кр, а динамическим коэффициентом распределения у:

С,

dC

С С

CK = . Тогда — = к ' (-^--п).

У ах к р у

В работе [8] показано, что при конденсации пара, например в конденсаторе турбины для примесей пара типа №С1, всегда у > Кр. Кроме того, установлено: «Чем меньше на определенном участке конденсатора продолжительность пребывания конденсата, тем больше должен быть фактический коэффициент распределения, а теоретические Кр в действительных

условиях являются лишь нижними предельными величинами» [8].

При определении С веществ в паре по методу, рассматриваемому в данной работе, процессы конденсации и растворения протекают одновременно. На естественную конвекцию и диффузию вещества оказывают влияние соответственно градиенты плотности диффузного потока и концентрации вещества.

Проанализируем возможности получения представительной пробы пара в одной из моделей датчика площадью Р = 4-10-4 м2: будет ли концентрация №С1 в конденсате датчика (Ск) равна таковой в паре (Сп) (рис. 3).

Ск/Сп

1 - 4 ^ " 7 > Dк/Dп

Рис. 3. Изменение концентрации №С1 в конденсате датчика от количества конденсируемого пара: 1 - расчёт при условии термодинамического равновесия системы; 2 - эксперимент [5, 6]; 3 - промышленные испытания [5, 6]

Определим количество №С1 (С№Л1), перешедшее из пара в конденсат, температуру которого в межэлектродном пространстве датчика будем поддерживать на уровне 335 °С при Р = 16 МПа. В насыщенном паре парогенератора при Р = 16 МПа концентрация №С1 составляет 10-8 кг/кг.

Тогда массоперенос №С1 при фазовом переходе парораствора в конденсат можно определить по следующей зависимости:

^аС1 = РСпРпР , (кг/с),

где ß =

NuD

- коэффициент массопереноса, м/с;

= 10-5 кг/м-с. Тогда D = 1,110-7 м2/с;

ß =

= 10-5 м/с.

D = 6^15р - коэффициент молекулярной диффузии в

паре, м2/с; ц - кинематическая вязкость пара, кг/м-с; р - плотность пара, кг/м3; Для условий нашей задачи: ^ - 2; ц 2-10"" 2-10"

Отсюда а№С1 = 10-5-10-8-100-4-10-4 = 4-10-15 кг/с. Поскольку конденсат переохлаждается до Т = 335 °С, то при соответствующем АТ легко определить расход конденсата ОК через датчик по формуле (1). Расчеты показывают, что минимальный расход равен 1,7-10-4 кг/с. Следовательно, изменение С№Л1 в конденсате составит:

AC

G

NaCl

4-10

-15

NaCl

G

1,7-10-

= 2,35-10-

кг/кг

т. е. в секунду С№Л1 в конденсате датчика будет отличаться на 0,24 % от С№Л1 в паре.

11

4

Другая модель датчика [3] предназначена для измерения концентрации примесей пара в первых каплях конденсата.

Необходимость разработки такого датчика была продиктована явлением концентрирования коррози-онно-активных примесей в первичных каплях и плёнках конденсата пара при переходе его из перегретого во влажный насыщенный пар в цилиндрах турбин.

В этом случае уравнение кинетики массопереноса №С1 в капле конденсата имеет вид Р(Сп - СК)л^к2Дтрп = = ДСт.

Допустим, что межэлектродное пространство датчика замыкает лишь одна капля диаметром dк = 10-3 м. Тогда масса капли конденсата в межэлектродном пространстве датчика при её Т = 335 °С равна:

Ж ,13

т =- d кРк.

6

Будем считать, что в первый момент конденсации Ск = 0. После некоторых преобразований и подстановки численных значений получим:

АС _ 120С р^_ 12-10"

— ö Сп —

Ах Л2 рк 10"

-а - _ 2 -ю"1Сп 6 п

кг

кг - с

Следовательно, в капле конденсата dк = 10" м С№С1 будет изменяться в секунду на 20 % относительно Сп. То есть степень концентрирования №С1 в капле существенно зависит от времени контакта капли с паровым раствором.

Поэтому в новой модели датчика [3] авторами предусмотрено размещение в измерительной ячейке капиллярно-пористого инертного диэлектрика. Это позволяет регулировать время пребывания конденсата в датчике не только величиной расхода охладителя, но и капиллярными силами.

Поскольку в реальном процессе на поверхности датчика модели рис. 1 (площадь конденсации F = = 4-10-4 мг) находится не одна капля, а пленка конденсата, которая стекает через перфорации в электродах, то количество №С1, перешедшее из пара в конденсат, будет зависеть от времени контакта парового раствора №С1 с конденсатом пара в датчике.

Определим время пребывания пленки на поверхности датчика, в течение которого она контактирует с паром. На поверхности датчика площадью 4-10-4 м2 имеется 14 отверстий диаметром 2,5-10-3м. Положим, что вокруг каждого отверстия имеется площадка из пленки конденсата толщиной о = 3-10-4м и диаметром d = 4-10-3м. Тогда сечение, через которое стекает конденсат, будет равно F = -^о. Поскольку весь секундный расход конденсата GK равномерно распределяется по 14 отверстиям и стекает через площадь Е , то скорость W движения конденсата от периферии к центру отверстия (т.е. на расстоянии I = 2-10-3м) опре-

G' ,

делим так: W =—— = 2.4 -10 2, м/с.

Е'РК '

Отсюда находим время пребывания пленки на поверхности датчика:

Практика показывает, что в кинетических процессах [8, 9] главным фактором, определяющим представительность пробы конденсата в датчике, выступает сочетание скорости диффузионного перехода вещества из пара в конденсат и скорости конденсации самого пара Н2О. С целью создания адекватного соотношения этих скоростей авторами [2] разработана конструкция скоростного термостатируемого кондуктометрическо-го датчика. В результате его работы создаются условия, при которых скорость диффузии вещества из пара в конденсат становится намного меньше, чем скорость отбора и конденсации пара Н2О.

Достоверность приведенных в данной статье расчётов подтверждается результатами исследования аналогичных процессов в подогревателях высокого давления (ПВД), ступенях паровых турбин и их конденсаторах независимыми авторами [8, 9].

На рис. 4 сравниваются наши расчетные данные с экспериментальными данными ЦКТИ [9] по влиянию времени контакта паровых растворов с конденсатом пара на динамические у и термодинамические Кр коэффициенты распределения №С1. Нетрудно видеть, что с уменьшением времени межфазового контакта Сп №С1 в паре стремится к СК №С1 в конденсате, а термодинамический Кр остаётся нижней предельной величиной. Следует отметить, что наши расчеты и Кр соответствуют давлению в барабане котла Р = 16 МПа; данные же авторов [9] получены при разных Р, а термодинамический Кр №С1 взят ими по «лучевой диаграмме» при Р ~ 10 МПа.

х_ — _

2-1° -_ 8,3-10"2c

W 2,4-10"

10' 10 10' 10" Время контакта, с Котел ПВД Турбина

(Лучевая (БлокС.К.Д.) (БлокС.К.Д.) диаграмма) Блок В.Д.

Рис. 4. Зависимость коэффициентов распределения №С1 и солей жесткости от времени контакта между паровой и жидкой фазами в различных агрегатах энергоблока: 1 - данные авторов статьи; 2 - данные [9]

Другим фактом экспериментального обоснования нового метода контроля качества пара и воды на ТЭС служат результаты выполненных нами [5, 6] промышленных испытаний термостатируемых датчиков раз-

личных моделей на Новочеркасской, Литовской, Луганской ГРЭС и Ростовской ТЭЦ-2, а также в лабораторных исследованиях в автоклавном режиме. На всех этих объектах концентрация примесей в паре Сп определялась двумя способами: по градуировочным изотермам для заданной Т конденсата в датчике и в отбираемых традиционным способом и охлаждаемых до комнатных температур.

Сопоставление результатов измерений приведено на рис. 4. По оси ординат отложены отношения концентраций №С1 в конденсате датчика СК №С1 при Т конденсата в датчике к Сдр №С1 в охлажденной до комнатной Т пробе. По оси абсцисс - отношение количества сконденсированного пара в датчике в минуту к количеству пара в минуту в испарителе ПВД, отборном трубопроводе, или автоклаве при рабочих Т и Р. Из графика видно, что практически во всех случаях, при установившемся режиме работы датчика, отношение С№С1 в конденсате датчика и в охлаждённой пробе равно единице (в пределах погрешности (0,8 -3,2 %)). В тех случаях, когда замеры датчиком выполнялись при неустановившемся режиме, наблюдалось неравенство СК/Спр <1. Сравнение скоростей движения конденсата в межэлектродной ячейке датчика, имевших место в проводимых нами испытаниях с данными авторов [10], позволяет говорить об отсутствии влияния гидродинамики потока на величину его электропроводности и, следовательно, на определяемую С вещества в паре.

Вывод

Экспериментально-теоретическое обоснование нового метода и новых средств кондуктометрического контроля чистоты рабочего тела ТЭС и АЭС обеспечивает ряд важных технико-экономических преимуществ перед традиционными: в результате локальной конденсации пара и поддержания Т конденсата в ячейке датчика в пределах 310 - 355 °С увеличивается на пять порядков измеряемая электропроводность сконденсированной пробы по сравнению с электро-

Поступила в редакцию

проводностью паровой фазы; при этом определяется истинное соотношение ионно-молекулярных форм примесей, которое не отражается анализами охлажденных проб пара и воды до комнатных температур; исключается процедура дегазации пробы и её транспортировка по многометровым трубкам отбора; инерционность контроля уменьшается примерно в 600 раз. Всё это обеспечивает более высокий уровень контроля качества воды и пара современных энергоблоков и повышает надежность работы энергетических систем и комплексов.

Литература

1. А.с. 611144 СССР. Кондуктометрический датчик / Ю.М. Лукашов, В.Н. Щербаков, Ф.Б. Риполь-Сарагоси // БИ. 1978. № 22.

2. А.с. 958943 СССР. Кондуктометрический датчик / Д.Л. Тимрот , Б.П. Голубев , В.Н. Щербаков [и др.] // Б.И. 1982. № 34.

3. Патент на полезную модель №102114. Кондуктометрический анализатор./ Ю.Ю. Лукашов, Н.Н. Ефимов, Ю.М. Лукашов. Приоритет от 19 окт. 2010 г. Зарегистрировано 10 февр. 2011 г. в Госреестре полезных моделей РФ.

4. Ежегодная научная сессия МАСВП / А.А. Александров [и др.] // Теплоэнергетика. 2008. № 7. C. 77 - 78.

5. Щербаков В.Н. Исследование электрофизических свойств водных теплоносителей при высоких параметрах : авто-реф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1980.

6. Лукашов Ю.М. Экспериментально-теоретическое обоснование новых методов контроля качества пара и воды современных теплоэнергетических установок : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 1982.

7. Стырикович М.А., Мартынова О.И., Миропольский З.Л. Процессы генерации пара на электростанциях. М., 1969.

8. Hömig H.E. Das Verhalten flüchtiger Alkalisierungsmittel bei der Kondensation des Wasserdampfes // Mitteilungen der VGB. 1956. Vol. 40. S. 20 - 26.

9. Василенко Г.В., Сутоцкий Г.П., Лашицкий А.П. Кинетика межфазового перехода химических соединений в тракте ТЭС // Теплоэнергетика. 1993. № 7. С. 11 - 13.

10. Акользин П.А., Кузнецова С.А. Исследование влияния гидродинамики потока электролитов на их электропроводность // Теплоэнергетика. 1972. С. 32 - 33.

5 марта 2012 г.

Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru

Лукашов Юрий Юрьевич - аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-951-506-42-04. Щербаков Владимир Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра ГПА и ТП Донской государственный технический университет. Тел. 2-43-74-27.

Лукашов Юрий Михайлович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru

Lukashov Yuri Yurievich - post-graduate student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: g-r-13@yandex.ru

Shcherbakov Vladimir Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor department GPA and TP DGTU. Ph. 2-43-74-27.

Lukashov Yuri Mikhailovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).