Исследование образования отложений в котлах при различных водно-химических режимах

УДК 621.18

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ В КОТЛАХ

ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВОДНО-ХИМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ

В.В. Макрушин, В.В. Воспенников

Статья посвящена важным проблемам при работе оборудования тепловых электростанций - проблеме образования отложений продуктов коррозии конструкционных материалов при различных типах водно-химических режимов. Изучено влияние теплового потока и различных концентраций продуктов коррозии железа и меди на скорость образования отложений при различных типах водно-химических режимов и исследовано влияние их на структуру отложений. Установлена зависимость скорости образования отложений продуктов коррозии железа от теплового потока. Данные статьи могут быть использованы для прогнозирования количества отложений при различных типах водно-химических режимов при различных значениях теплового потока и созданию математических моделей, описывающих процессы образования отложений в циклах тепловых электростанций.

Ключевые слова: электростанция, котел, водно-химический режим, скорость образования отложений продуктов коррозии.

Одним из факторов, влияющих на надежность и экономичность работы энергетического оборудования являются процессы коррозии и образования отложений, состоящих из различных примесей, в частности -продуктов коррозии конструкционных материалов.

В настоящее время на ТЭС с барабанными котлами используется несколько водно-химических режимов (ВХР) [1-8]. Гидразинно-

аммиачный ВХР в конденсатно-питательном тракте и фосфатный в барабане котла, гидразинно-аммиачный ВХР в конденсатно-питательном тракте с дозированием щелочи в барабан котла. На зарубежных станциях всё более широкое применение получает ВХР с дозированием кислорода перед входом в экономайзер, а также аммиака в питательную воду и щелочи в барабан котла. При восстановительном режиме дозирование водорода или гидразина.

В литературе отмечено [1-8], что на процесс образования отложений влияет много факторов. Но основные - это тип ВХР, тепловой поток и концентрация продуктов коррозии конструкционных материалов. Следует отметить, что данные по скорости образования отложений достаточно противоречивы, а эксплуатационные данные относятся, как правило, к прямоточным котлам.

Поэтому была поставлена задача, изучить влияние современных типов водно-химических режимов барабанных котлов на образование отложений и их структуру. Исследовались 3-х ВХР: аммиачный (АВР), кислородно-аммиачный (КАВР) и восстановительный (ВВР). Опыты проводились на экспериментальной установке, позволяющей

моделировать процессы, протекающие в барабанных котлах, в частности, в подъёмных трубах барабанных котлов тепловых электростанций.

Все эксперименты были проведены при давлении 18 МПа, температуре -330^350 оС, линейной скорости движения воды в экспериментальном участке -0,3 м/сек. Во всех экспериментах проводился контроль за работой установки по следующим параметрам: измерялись давление, температура, расход воды; контролировалось качество воды до и после экспериментального участка (рН, электропроводность, окислительно-восстановительный потенциал, концентрации 02, Ка, Бе, Си). Тепловой поток изменялся от 50 до 300 кВт/м . Исследования проводились при концентрациях продуктов коррозии железа в воде -10 и -40 мкг/дм3.

Экспериментальные данные, полученные при исследовании влияния 3-х ВХР на скорость образования отложений продуктов коррозии железа на поверхности углеродистой стали при различных тепловых потоках представлены на рисунке.

Скорость образования общих и рыхлых отложений (А) продуктов коррозии железа при различных водно-химических режимах

Было установлено, что при всех экспериментах, количество отложений продуктов коррозии железа при АВР было выше, чем при КАВР и ВВР.

Так же установлено, что с увеличением теплового потока скорость образования отложений, в том числе рыхлых, при АВР, КАВР и ВВР увеличивалась. Повышение концентрации продуктов коррозии железа от -10 до - 40 мкг/дм3 также приводило к росту скорости образования отложений при всех исследованных значениях теплового потока. Встает вопрос, почему при восстановительном водно-химическом режиме скорость образования отложений продуктов коррозии железа ниже, чем при аммиачном и кислородно-аммиачном. Вероятно, имеет большое значение окислительно-восстановительный потенциал среды: при

восстановительном водно-химическом режиме: он значительно ниже, чем при аммиачном и кислородно-аммиачном. Следовательно, возникает вероятность восстановления Бе304 до других форм с меньшей валентностью.

Это позволяет предположить, что в восстановительной среде происходит частичное восстановление оксидов Бе203, Бе304, и Бе0 до Бе, что и является причиной снижения скорости образования отложений продуктов коррозии железа на поверхности углеродистой стали при восстановительном режиме по сравнению с АВР и КАВР.

Часть опытов была проведена при одновременном дозировании продуктов коррозии железа и меди. Полученные данные представлены табл. 1.

Установлено, что скорость образования отложений также увеличивалась с увеличением как теплового потока, так и концентраций продуктов коррозии железа и меди и была больше при АВР. Медь практически не влияла на скорость образования отложений продуктов коррозии при различных водно-химических режимах, различных тепловых потоках и концентрациях.

Также в работе было определено соотношение между количеством

рыхлых и общих отложений. Установлено, что при АВР это соотношение выше, чем при КАВР и ВВР. Поэтому при АВР возрастает вероятность срыва их, переноса по тракту и дальнейшему отложению.

После каждого эксперимента проводилось определение форм существования продуктов коррозии железа и меди на поверхности образцов. В табл. 2 представлены данные по фазовому составу продуктов коррозии железа и меди на поверхности образцов.

Продукты коррозии железа, как в верхнем, так и во внутреннем слое отложений при АВР, КАВР и ВВР состояли из гематита и магнетита. Причем отношение количества гематита к количеству магнетита (по массе) больше при КАВР, а при ВВР близко к нулю, так как гематит

присутствовал в следовых концентрациях. Продукты коррозии меди при АВР и ВВР в обоих слоях были в форме Си20, при КАВР - СиО.

Таблица 1

Скорость образования отложений продуктов коррозии железа и мед и

В Х Р кВт/ 2 м качество воды до ЭУ после ЭУ АРе+С^ *10-2 мг/см2час

pH Х Хн ОВП ,мВ С№ Сре Сси Сре Сси

мкСм/см мкг/ дм3 рыхлые общие

А В Р 50,3 9,0 3,7 0,39 65 5,9 5,7 8,8 < 2 8,1 0,58 0,85

300,0 9,1 6,0 0,38 85 6,3 6,8 14,2 < 2 5,5 2,33 3,70

50,8 9,1 4,4 0,42 70 4,6 42,1 15,3 30,1 13,2 1,05 1,50

298,2 9,3 5,1 0,37 80 3,9 36,9 9,6 11,9 3,3 4,12 5,52

К А В Р 50,0 8,4 2,5 0,20 245 4,5 9,0 16,1 7,8 15,0 0,13 0,30

300,0 7,9 2,4 0,31 235 6,8 7,9 12,0 <2 11,0 0,71 2,02

49,3 8,1 1,5 0,20 220 2,0 36,6 16,4 34,8 16,0 0,25 0,49

275,7 8,0 2,6 0,45 270 4,0 40,2 8,4 20,2 6,0 1,06 2,70

В В Р 48,6 9,0 3,9 0,33 -123 2,6 6,1 17,0 < 2 14,5 0,278 0,483

286,3 8,8 4,1 0,33 -120 3,0 9,5 20,5 < 2 17,0 0,981 1,988

49,8 8,8 3,7 0,35 -131 2,4 38,3 20,1 31,4 13,6 0,310 0,520

285,6 8,7 4,4 0,38 -124 2,9 37,5 17,4 26,0 12,5 1,280 2,109

Таблица 2

Фазовый состав продуктов коррозии Ев и Си на поверхности стали

В Х Р Место анализа Фазовый состав отложений Отношение количества гематита к количеству магнетита

А В Р Верхний (рыхлый) слой Магнетит, гематит, Си20 - следы 0,27

Нижний слой Магнетит, гематит, Си20 - следы 0,17

К А В Р Верхний (рыхлый) слой Магнетит, гематит, СиО - следы 0,38

Нижний слой Магнетит, гематит, СиО - следы 0,72

В В Р Верхний (рыхлый) слой Магнетит, гематит - следы, Си20 - следы 0,02

Нижний слой Магнетит, гематит - следы, Си20 - следы 0,01

В заключении следует отметить, что полученные данные могут быть использованы для прогнозирования количества отложений при АВР, КАВР и ВВР при различных значениях теплового потока и создания математических моделей, описывающих процессы образования отложений в пароводяном тракте тепловых электростанций. Полученные результаты исследований могут быть использованы для прогнозирования работы оборудования не только тепловых, но и атомных электростанций.

Список литературы

1. Петрова Т.И., Кашинский В.И., Макрушин В.В. Изучение образования отложений на поверхностях барабанного котла. Отчет № 1008083 // EPRI. Palo Alto. США. 2004. С. 34

2. Петрова Т.И., Кашинский В.И., Макрушин В.В. Отложения на поверхностях труб паровых котлов. Отчет № 1010186 // EPRI. Palo Alto. США. 2005. С. 44

3. Петрова Т.И. Теоретический анализ и разработка рекомендаций для оптимизации водно-химических режимов тепловых электростанций: автореф. ... д-ра техн. наук. М., 2001. С. 46

4. McCarthy F., Bane I., O’Connor G. Oxygenated Treatment in a 300 MW Drum Type Boiler // Proceeding of 6th International Conference on Cycle Chemistry in Fossil Plants. June 27-29. 2000. Columbus. Ohio. USA. P. 5.1-5.12.

5. Burton J.G., Dillow H.E., Mell D.L. Corrosion Fatigue - American Electric Power Company Big Sandy Plant Experience // Int. Conf. BTF/HTF and Inspection. nov.2-5. 2004. San Diego. USA. P. 20-26.

6. Dooby R.B., Tilley R. Tube Failures in Conventional Fossil Fired Boilers and in Combined Cycle/HRSGS // Int. Conf. BTF/HTF and Inspection San nov.2-5. 2004. Diego. USA. P. 1-10.

7. Макрушин В.В. Исследование влияния водно-химических режимов на коррозию углеродистой стали и образование отложений продуктов коррозии в тракте барабанных котлов: автореф. ... канд. техн. наук. М., 2005. С. 20

8. Pocock F.J., Cohen P. The Asme Handbook on Water Technology for Thermal Power Systems. ASME. NY. 1989. P. 1828

Макрушин Владимир Викторович, канд. техн. наук, доц.,

v. v.makrushin@mail.ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,

Воспенников Владимир Васильевич, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, v. v. vospenniko vamail. ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева

THE INVESTIGA TION OF DEPOSIT FORMA TION IN BOILER AT VARIOUS WATER - CHEMICAL REGIMS

V. V. Makrushin, V. V. Vospennikov

The article deals with a important problems under work steam power equipment -the problem of formation corrosion products construction materials under various types water chemistry regimes. Has been study the influence of heat flow and various concentrations of iron and copper corrosion products to rate deposit formation at various tips of water chemistry regimes and to investigate the influence their regimes on deposits structure. Has been established dependence the rate of formation iron corrosion deposits under heat flow. This data made be used to forecast of deposits quantity under various water chemistry regimes under different means heat flow and to word out the mathematic models, which describe the processes of deposits formations in power plants cycles.

Key words: steam-power plant, boiler, water - chemistry regimes formation rate of corrosion products, deposit.

Makrushin Vladimir Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, v.v.makrushin@mail.ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,

Vospennikov Vladimir Vasilevich, candidate of technical sciences, docent, the head of a chair, v. v. vospenniko vamail. ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University