Мониторинг физико-химических процессов в сиситеме оборотного охлаждения Набережночелнинской ТЭЦ

УДК 621.311.22

МОНИТОРИНГ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СИСИТЕМЕ ОБОРОТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НАБЕРЕЖНОЧЕЛНИНСКОЙ ТЭЦ

А.А. ЧИЧИРОВ, Н.Д. ЧИЧИРОВА, М.А. ВОЛКОВ, А.И. МУРТАЗИН Казанский государственный энергетический университет

Для системы оборотного охлаждения первой и второй очереди Набережночелнинской ТЭЦ как примера независимой несопряженной системы проведен анализ эффективности применения многокомпонентной реагентной обработки циркуляционной воды.

Ключевые слова: тепловая электрическая станция, оборотное охлаждение, реагентная обработка, математическое моделирование.

В настоящее время в изолированных несопряженных системах оборотного охлаждения (СОО) тепловых электрических станциий (ТЭС) РФ для стабилизационной обработки воды наиболее удобными, эффективными и экономичными считаются химические методы, связанные с введением в оборотную воду различных реагентов. В частности, для предотвращения минеральных отложений широкое распространение получили органические фосфонаты и композиции, их содержащие (антинакипины, антискалянты, ингибиторы отложений и коррозии). В рекомендациях по использованию фосфонатов ведущие специалисты и производители указывают на необходимость строгого соблюдения режима обработки воды [1, 2]. Это: 1 - пределы содержания фосфоната в циркуляционной воде, характерные для каждого вида реагента; 2 -предельно допустимые значения карбонатной жесткости или общей щелочности циркуляционной воды. При этом общая жесткость воды, как правило, не нормируется. Мировой опыт, однако, показывает, что качество воды существенно влияет на необходимую дозу (концентрацию) фосфоната. Отмечены также случаи внезапной дезактивации фосфонатов с созданием аварийной ситуации, поскольку вода в СОО находится в пересыщенном состоянии. В то же время рекомендуемые мероприятия по контролю за обработкой воды представляются недостаточными. Немаловажное значение также имеет экономический аспект, поскольку современные многокомпонентные ингибиторы - это реагенты дорогостоящие, и стоит проблема минимизации их расхода. Указанные обстоятельства делают актуальной проблему мониторинга процессов в СОО - образования отложений, эффективности действия ингибиторов. С этой целью проведен системный анализ СОО изолированного типа (несопряженная с водоподготовительной установкой, с продувкой), составлена математическая модель, позволяющая рассчитывать материальные потоки и физико-химические процессы. В основу математического описания заложены следующие положения. По способу организации процесса все аппараты и СОО в целом работают в непрерывном, проточном режиме. Характер изменения параметров процесса - нестационарный, поскольку входящие и выходящие потоки, скорость циркуляции, химический и фазовый состав циркулирующей и добавочной воды изменяются во времени. При этом СОО имеет непостоянный водный объем большой емкости. Для химических компонентов и материальных частиц, присутствующих в воде СОО, составляются системы дифференциальных уравнений, решить которые удается аналитически [3].

© А.А. Чичиров, Н.Д. Чичирова, М.А. Волков, А.И. Муртазин Проблемы энергетики, 2010, № 3-4

В частности, совместным решением уравнений для непревращаемых, или «консервативных» компонентов (индекс к) и превращаемых, или «активных» компонентов (индекс g) получено выражение для расчета количества превращенного компонента (^ , моль/т ):

ANg = m д

K к

Kк

Г

Cg, д • Ат - М 0

АС g, ц - АС к, ц V С g, Ц С к, ц J

С g, Ц

где Кк - коэффициент концентрирования; mд - массовый расход добавочной

воды, т/ч; Мо - общая масса воды в СОО, т; Cg, д, Сg, ц - моляльные

концентрации компонентов в добавочной и циркуляционной воде, соответственно, моль/т. Черта сверху означает среднее значение параметра за период времени Ат.

В случае, если изменения концентраций «консервативных» и «активных» компонентов в воде СОО незначительны и синхронны, уравнение (1) можно упростить и оценить массу трансформируемого компонента (mg, ед. массы/ч) по формуле

m g = m д

1 _ K_ к

K к

Cg, д • М э

где Мэ (g) - масса одного эквивалента g-го компонента, г.

В качестве примера в период с 1.06.2009 по 12.06.2009 на СОО Набережночелнинской ТЭЦ 1 и 2 очереди был проведен производственный эксперимент по оценке эффективности их работы. В ходе эксперимента дополнительно замерялись следующие показатели: 1) расширенный химический состав воды - добавочной и циркуляционной; 2) температура воды; 3) почасовые значения водных потоков в СОО; 5) почасовые расходы реагентов. Замеры химического состава и температуры в СОО проводились в трех точках: 1 - в чаше градирни, 2 - перед конденсаторами турбин (КТ) и 3 - за КТ. 1-я очередь НЧ ТЭЦ включает 5 градирен, 2-я - одну градирню. Обе очереди представляют собой два независимых контура, соединенные перемычкой. На время проведения эксперимента перемычка была закрыта и переток воды между контурами отсутствовал. Стабилизационная обработки воды осуществляется путем дозирования многокомпонентной композиции Актифос 640 Т фирмы БК «Джюлини».

Данные, полученные в ходе производственного эксперимента на СОО 1 и 2 очереди НЧ ТЭЦ в июне 2009 г., были обработаны с использованием прикладной компьютерной программы[4]. Некоторые результаты представлены в таблице.

Из особенностей материальных потоков можно отметить следующие. В СОО 1 очереди - большое абсолютное значение капельного уноса (179 т/ч, 0,42 % от mu). Это связано с высокой скоростью циркуляции при невысокой тепловой нагрузке. Средняя разность температур на входе/выходе из градирен за период составила всего 2,9 0С. В этих условиях в градирнях превалирует капельный унос над испарением воды. Потери фосфоната на СОО 1-й очереди происходят за счет выброса в воздух с каплями воды из градирен и составляют в среднем более 2 кг/ч. В СОО 2-й очереди - малое значение капельного уноса (14 т/ч, 0,07 %) и ненормально низкие концентрации фосфоната (2,25 г/т, при норме 10 г/т).

В СОО 1-й очереди отложение карбонатов не происходит (таблица). При этом нет превышения по допустимой щелочности воды и степени упаривания, а концентрация фосфонатов поддерживается на требуемом уровне. Очевидно, что данный режим 1-й очереди обеспечивает безнакипную работу по карбонатам. Увеличение содержания взвешенных веществ в воде 1-й очереди, вероятно, обусловлено переходом в шлам ранее образовавшихся отложений. В то же время, в отложения переходят силикаты, органические вещества, соединения железа. Следовательно на них ингибирующее действие фосфоната не распространяется.

Иная картина наблюдается в СОО 2-й очереди. Происходит активное осаждение карбонатов. Более того, осаждается вводимый в воду СОО фосфонат. За наблюдаемый период в отложения перешло порядка 40% кальция, поступивщего с добавочной водой, и более 50 % добавленного фосфоната. Очевидно, что произошел «сбой» режима обработки воды 2-й очереди. Фосфонат не обеспечивает защитного действия по карбонатным отложениям, поскольку осаждается сам, и его концентрация не достигает требуемых значений. Процесс этот начался ранее наблюдаемого периода и не закончился за время эксперимента.

Таблица

Отложения в СОО НЧ ТЭЦ по результатам обработки данных эксперимента за период 1-5 июня

2009 г. В пересчете на вероятный состав

Отложения, кг/сутки 1-я очередь 2-я очередь

Карбонаты (на СаСО3) -6,3 375,5

Силикаты (на 8Ю2) 9,37 13,99

Органические вещества (окисляемые) 144,2 147,9

Железосодержащие (на Fe2O3) 2,13 1,70

Медьсодержащие (на СиО) -0,14 0,03

Взвешенные вещества -44,40 0,98

Фосфонаты нет 17,3

Параметры работы СОО

Коэффициент концентрирования по хлоридам 2,14 5,40

Расход добавочной воды, т/ч 382,4 276,7

На рис. 1 представлены данные по концентрированию в воде СОО 2-й очереди хлоридов, кальция, щелочности и содержанию фосфоната за предшествующий месяц - май 2009 г. Появление разницы в коэффициентах концентрирования хлорид-ионов, кальция и щелочности свидетельствует о начале процесса осаждения. Видно, что разница появилась 10 мая 2009 г. и в дальнейшем увеличилась. Примерно с 18-20 мая 2009 г. начался процесс осаждения фосфоната. Его концентрация в воде СОО стала снижаться, несмотря на постоянное дозирование. За это время с 10 мая по 10 июня 2009 г. образовалось примерно 15 тонн отложений сложного состава. В порядке убывания доли в состав отложений входят: карбонаты ионов жесткости, органические вещества, оксиды железа, силикаты, в т.ч. глина и другие. В предположении, что отложения состоят из карбоната кальция и распределяются равномерно по поверхности, за месяц их толщина составит 0,52 мм. Однако следует учитывать, что на практике осаждение карбонатов происходит неравномерно и наиболее интенсивно - на напряженных участках, в первую очередь это трубки КТ.

Причины «сбоя» можно проследить по представленной диаграмме (рис.1). С 10 мая увеличилось концентрирование воды на 2-й очереди, вероятно, в связи с

повышенной нагрузкой на СОО. Коэффициент концентрирования по хлоридам достиг 4, общая щелочность поднялась до 6,8 ммоль/л, кальциевая жесткость -более 11 ммоль/л. Продувка, которая была открыта 11 мая, оказалась явно недостаточной. Коэффициент концентрирования воды остался на уровне 4 на момент закрытия продувки. Соответственно, концентрирование воды продолжилось далее и начались отложения. Примерно с 18 мая при достижении концентрирования воды 6 и общей жесткости до 16 ммоль/л началось осаждение (деактивация) фосфоната. С этого момента ни периодические продувки, ни введение дополнительных доз фосфоната не позволили исправить положение.

Рис. 1. Коэффициенты концентрирования по хлоридам, Жса и Щ„бщ и нормированное содержание фосфоната (сф/9 мг/л) в циркуляционной воде 2-й очереди в мае 2009 г. Прямоугольники отмечают

периоды включенной продувки

Почему не удается быстро устранить нарушения в режиме обработки воды? По нашему мнению, причина заключается в «Инструкции по введению режима обработки циркуляционной воды 1 и 2 очереди НЧ ТЭЦ продуктами фирмы «БК Джюлини». В разделе «VI. Нарушения режима обработки и меры их устранения» ситуации, подобные происходящей, вообще не предусмотрены. Более того, если строго следовать рекомендациям «Инструкции...» ситуация в СОО будет и дальше ухудшаться. Очевидно, что «Инструкция.» нуждается в доработке. Для контроля за физико-химическими процессами предлагается использование автоматизированного программного комплекса (АПК), который на основании показаний установленных датчиков - уровня, расхода воды, электропроводности, температуры - и результатов химического анализа в режиме реального времени определяет оптимальный режим регулирования системы в зависимости от меняющихся условий работы СОО. Кроме оперативного контроля, АПК дает прогноз состояния СОО на 10 суток вперед при выбранном режиме работы, а также информирует о начале процесса образования отложений, выдает рекомендации по экономии воды и реагентов в СОО.

Summary

For systems of turnaround cooling of the first and second turn Naberezhno-Chelninskoj of thermal power central as example of the independent not interfaced system is carried out the analysis of efficiency of application multicomponent reagently processing of circulating water.

Key words: thermal power plants, turnaround cooling, reagently processing, mathematical modeling.

Литература

1. Методические указания по стабилизационной обработке охлаждающей воды в оборотных системах охлаждения с градирнями оксиэтилендифосфоновой кислотой. Москва, 1989.

2. Балабан-Ирменин Ю.В., Рубашов А.М. Некоторые проблемы внедрения фофонатов-антинакипинов // Промышленная энергетика. 2004. №1. С.29-34.

3. Чичиров А.А., Смирнов А.Ю., Васильев В.А., Чичирова Н.Д. Экспериментальное определение испарения воды в градирнях системы оборотного охлаждения ТЭС // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2007. №5-6. С. 134-140.

4. Чичиров А.А., Чичирова Н.Д., Галеев И.И., Муртазин А.И., Смирнов А.Ю., Волков М.А. Моделирование и анализ процессов при функционировании системы оборотного охлаждения ТЭС // Труды Академэнерго. 2009. №2. С. 64-80.

Поступило в редакцию 1 февраля 2010 г.

Чичиров Андрей Александрович - д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой «Химия» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 519-42-51. E-mail: pinpin3@yandex. ru.

Чичирова Наталья Дмитриевна - д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 519-42-51. E-mail: pinpin3@yandex.ru.

Волков Михаил Алесандрович - аспирант кафедры «Тепловые электрические станции» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 89047664885.

Муртазин Айрат Ильхамович - аспирант кафедры «Тепловые электрические станции» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 5194252.