Совершенствование теплового и водно-химического режима парогенерирующего оборудования ТЭС и АЭС при использовании плёнкообразующих аминов

Актуальность темы

Одним из путей повышения экономичности и надежности теплоэнергетического оборудования является введение в пароводяной контур установок поверхностно-активных аминов (ПАА), которые за счет изменения' физико-химических свойств рабочего тела и состояния внутренних поверхностей оборудования воздействуют на структуру двухфазных потоков, их гидродинамические и кавитационные характеристики, интенсивность тепломассообмена, повышают коррозионно-эрозионные защитные свойства металла, очищают загрязненные поверхности от отложений.

Эффективность работы парогенерирующей установки, а, следовательнои энергетического блока в целом непосредственно зависит от характера процесса парообразования. Изучению этого вопроса уделяется повышенное внимание, однако в указанной области исследований в качестве среды обычно использовался традиционный теплоноситель — глубокообессоленная (чистая) вода, в то же время, как даже микродобавки ПАА способны изменить поверхностное натяжение двухфазных систем и повлиять на процессы теплообмена. '.

В этой связи представляется актуальным проведение комплекса исследований по влиянию микродобавок поверхностно-активного амина (в частности, октадециламина — ОДА) на процесс кипения и динамику парообразования в широком диапазоне давлений и относительно небольших тепловых потоков, характерных для водо-водяных теплообменных аппаратов ТЭС и АЭС, а также котлов-утилизаторов" парогазовых установок (ПГУ). Представляет интерес определение концентрационных границ эффективного использования ПАА как для улучшения теплообмена, так и для эффективного инги-бирования поверхностей нагрева от коррозии.

Цель работы состоит в разработке перспективных способов регулирования физико-химических свойств теплоносителя и состояния поверхностей нагрева энергоблоков ТЭС и АЭС для интенсификации процесса кипения и защиты поверхностей от коррозии путем микродозировки пленкообразующих аминов.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Создание экспериментальных установок для исследования физических особенностей процессов кипения и защитного пленкообразования в присутствии малых добавок ПАА в широком диапазоне давлений и тепловых нагрузок.

2. Разработка методик экспериментальных исследований и способов измерений, оценка достоверности результатов.

3. Проведение комплексных исследований процессов кипения и образования защитной пленки в водных растворах ПАА в лабораторных условиях, на модели парогенератора и на промышленных объектах тепловой и атомной энергетики.

4. Разработка рекомендаций по технологии микродобавок ПАА в пароводяной контур энергетических установок для повышения надежности, эффективности и ресурса теплоэнергетического оборудования.

Степень достоверности и практическая ценность результатов, полученных автором работы.

Достоверность научных результатов обеспечена применением стандартизованных и классических методов контроля состояния теплоносителя и поверхности конструкционных материалов в условиях пароводяного тракта энергоблокапроведением экспериментальных исследований на нескольких лабораторных и полупромышленных стендах при подтверждении основных результатов и выводовсовпадением отдельных результатов с результатами других исследователей.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработан и испытан комплексный метод физического эксперимента процессов* кипения, динамики генерации пара и пленкообразования на теплопе-редающих поверхностях парогенератора при малых дозировках в водный теплоноситель поверхностно-активного амина (ПАА) от 0 до 20 мг/л в области давлений 0,01−6,0 МПа и тепловых потоков от 40 до 500 кВт/м2, позволяющий оценивать суммарный эффект от применения микродозировок ПАА.

2. Экспериментально подтверждена способность ПАА к разрыхлению и смыву ранее образованных твердых отложений и к созданию защитной пленки на поверхностях теплообмена парогенератора при малых дозировках октадеци-ламина (ОДА) от 1 до 5 мг/л, в отличие от Хеламина эффективные концентрации которого на порядок выше.

3. Получены новые данные по положительному влиянию микродозировок ОДА на процессы парообразования водного теплоносителя на лабораторном стенде и в разных режимах работы парогенерирующего оборудования энергоустановок и позволяющие определить диапазоны эффективных концентраций ОДА от 2 до 10 мг/л, что соответствует также эффективному пленкооб-разованию и защите от коррозии поверхностей нагрева.

Практическая ценность работы:

1. Подтверждена возможность использования корректирующей добавки ПАА в теплоноситель для повышения надежности теплообменного оборудования ТЭС и1 второго контура АЭС с ВВЭР-440. Показана возможность увеличения паропроизводительности установки на 10−15% при Сода=2-Ю мг/л.

2. Даны рекомендации по технологии применения ОДА для малых дозировок в пароводяной тракт энергоблоков ТЭС и вторых контуров АЭС с парогенераторами ВВЭР-440.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований использованы при разработке методических указаний (РД № 34−20.591−97) и руководящего документа (РД ЭО 0408−02). '.

Личный вклад автора в работу. Лично автором выполнено: постановка задач, проектирование, изготовление экспериментальных установок, проведение экспериментов в лабораторных и испытаний в промышленньк условиях, обработка и анализ полученных данных.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунков, 17 таблиц. Список использованной литературы включает 96 наименований.

3.6. Выводы по третьей главе.

1. С использованием лабораторной установки и в промышленных условиях проведены-исследования пленкообразующей способности ряда аминов. Показано, что ODACON (на основе ОДА) способен образовывать защитную пленку на поверхности металла при концентрации его до 5 мг/л, что значительно меньше требуемой концентрации Хеламина (100—150 мг/л) и отвечает эффективному режиму теплообмена водного теплоносителя и улучшенным условиям кипения.

2. В опытах на модели парогенератора количественно подтверждена способность микродобавок в теплоноситель к разрыхлению и смыву ранее образованных плотных отложений на поверхностях нагрева.

Методом гравиметрического анализа опытных образцов показана высокая эффективность защиты от коррозионных разрушений металла путем микродозировок ОДА в питательную воду как во время работы энергоблока, так и в период планового ремонта.

3. Проведена сравнительная оценка технологий консервации оборудования энергоблоков с использованием ОДА, Приведена авторская методика расчёта оценки экономической эффективности применения усовершенствованной ОДА-технологии на примере работы водогрейных котлов Ульяновской ТЭЦ-1. Показано, что суммарный экономический эффект на типовой водогрейной котельной Ульяновской ТЭЦ-1 за период с 1993 по 2001 год составил 11 млн. 562 тыс. руб. в ценах 2001 года.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОДА НА ТЕПЛООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКУ ГЕНЕРАЦИИ ПАРА НА ПОЛНОМАСШТАБНОЙ МОДЕЛИ ПАРОГЕНЕРАТОРА.

4.1. Экспериментальная установка и методика испытаний.

Для исследования влияния ОДА на теплообмен и гидродинамику при генерации пара был проведен комплекс исследований на модели, имитирующей работу парогенератора ПГВ-440.

Экспериментальная установка представляет собой двухконтурный стенд. Тепловая схема приведена на рис. 4.1. Стенд состоит из следующих элементов: рабочего участка, паропровода пара, линий питательной и технической воды, системы подачи в рабочий участок поверхностно-активных веществ, а также измерительной системы.

Водяной пар с параметрами: р = 14 МПа и / = 540 °C, поступающий на Экспериментально-лабораторную базу ВНИИАМ от станционного паропровода ТЭЦ-9 Мосэнерго, использовался в качестве греющей среды для подогрева питательной воды, для чего он подавался в межтрубное пространство нагревателей 31, отдавая тепло и отводился для конденсации и охлаждения в охладители 32 и далее в линию возврата конденсата на ТЭЦ-9.

Питательная вода ТЭЦ с начальными параметрами р=18 МПа и t = (180−200) °С поступает на стенд через систему вентилей 37 в паровые нагреватели 31, подогревается до температуры, необходимой по условиям режима, и в качестве греющей среды 1 контура поступает на рабочий участок с параметрами р = 12,5 МПа, г = (270−315)°С.

Нагреваемой средой II контура рабочего участка является питательная вода ТЭЦ, которая дросселируется вентилями 37 и 19 и, минуя паровые нагреватели, подается в рабочий участок с давлением р = 3−5 МПа и г = (180−200) °С.

Схемой предусмотрена возможность подачи в межтрубное пространство питательной воды II контура подогретой до температуры насыщения при ?>=3−5 МПа. flo? P-lWixm Т-Ж'с.

Рис. 4.1. Принципиальная технологическая схема полномасштабной модели прогенератора о о.

Наиболее важным и ответственным элементом стенда является его рабочий участок (рис. 4.2). Рабочий участок представляет собой вертикально расположенный сосуд, состоящий из корпуса с наружным диаметром 194 мм.

Поверхность теплообмена выполнена в виде змеевиков, изготовленных из труб диаметром 14×2 мм ст. 08Х18Н10Т. Змеевики представляют собой двухзаходную спираль диаметром 124 мм и однозаходную спираль диаметром 76 мм с восходящим и нисходящим движением среды. Концы, змеевиков закреплены в трубную доску, расположенную в нижней части сосуда.

Кроме того, по всей длине витков змеевиков для жесткости конструкции расположены вертикальные дистанционирующие стальные полосы. Внутри сосуда размещена также труба диаметром 42×3-мм, которая выполняет одновременно функцию вытеснителя и опускного участка.

Поверхность теплообмена занимает примерно 2/3 высоты внутреннего объема сосуда. Остальная часть пространства — паровой объем.

Внутри змеевиков протекает питательная вода I контура, которая подается снизу рабочего участка, распределяется по трем параллельным виткам, омывает поверхность, поднимается вверх и, опускаясь вниз, отдает тепло среде II контура, и отводится для охлаждения в холодильнике 41 (рис. 4.1) и замера расхода в баки-расходомеры 53. Таким образом, по сечению имеется неравномерность плотности теплового потока. Кроме того, необходимо учитывать возможную неравномерность распределения теплового потока по трем различным каналам, но, в среднем, по высоте удельный тепловой поток изменяется незначительно.

Питательная вода II контура подается в корпус сосуда, в межтрубное его пространство снизу, где она, получая тепло среды 1 контура, нагревается, и испаряется, многократно циркулируя по опускной трубе, превращаясь в пар. Пар отводится из верхней части парового пространства корпуса для конденсации и охлаждения" в холодильниках 45 и 9 (рис. 4.1) и далее охлажденный конденсат поступает в расходомерные баки 12 для измерения расхода.

Рис. 4.2. Модель парогенератора.

Схемой предусмотрена возможность поддерживать постоянный уровень пароводяной смеси в контуре сосуда, где он контролируется с помощью про-тарированного. комплекта приборов ДМ и ДСР. Можно также визуально наблюдать массовый уровень смеси по расходомерному стеклу с помощью системы подсветки стекла. •.

Схемой предусмотрена также возможность подачи насосом-дозатором во II контур установки раствора соли-индикатораНаЫОз определенной концентрации для определения влажности образованного в~ паровом объеме пара. Отбор проб пара производится после холодильника 9 (рис. 4.1). '.

Во II контур рабочего участка с: помощью насоса-дозатора предусмотрен ввод раствора октадециламина (ОДА) различной концентрации (для отдельных случаев с помощью’этой системы в парогенератор’подается ЫаЫОз). Отбор проб воды для определения концентрацииприсадок в котловой воде производитсягиз нижних точек корпуса' модели. Влажность парав % определяется отношением солесодержания пара в паровом объеме модели к солесо-держанию в воде: елшо^паРе.

100х (1-х) = ——^—— хЮО. (4.1).

СЫаЫОъв воде.

Для определения паросодержания над змеевиком в барботажном объеме модели использовались кондуктометрические датчики — зонды (рис. 4.3), которые в количестве 10 штук размещались на стойке с шагом 40 мм: перпендикулярно линиям тока легкой фазы. Измерительные участки, зондов располагались в центральной5 части цилиндрического сечениямодели, а для уменьшения возмущения, потока соседние датчики были разнесены. Взаимодействие смеси с микроэлектродами-.зонда приводит к чередующемуся изменению полногоэлектрического: сопротивления: (импеданса) измерительного участка (от соответствующего положению микроэлектродов в жидкой фазе до соответствующего разрыву электрической' цепи между микроэлектродами неэлектропроводящим паровымвключением). Суммапромежутков времени нахождения в контролируемой точке паровой фазы? ы)/Г, отнесенная к экспозиции Т, определяет локальное паросодер-жание [75]:

Р^Щ-^УТ. (4.2).

Датчик-зонд практической реализации метода изготавливают из двух отрезков термопарного кабеля типа КТМС (рис. 4.3). Измерительный участок образован электродами 1, изолированными от металлической оболочки 2 окисью алюминия. Кабель герметизирован пайкой припоем ПСр-45 во втулке 3, которая, в свою очередь, герметизирована сваркой в цилиндрической стойке 4. Провода системы вторичных коммуникаций от электродов к измерительной схеме выводятся через внутреннюю полость стойки.

Блок-схема системы измерения представлена на рис. 4.4. Датчики Д через переключатель П подключаются к мосту М, который питается от внешнего генератора Г. Сигнал разбаланса измерительной схемы при разрыве электрической цепи датчика неэлектропроводящим паровым включением через широкополосной усилитель У и дискриминатор, А У поступает на вход показывающего прибора Ч. Значение (р находят по показаниям пересчетного прибора N из следующего соотношения:

Р = ~- С").

Тт где Т— время экспозиции, количество разрывов, т — время разрыва.

Техника настройки измерительной схемы изложена в работе [76]. Выбор экспозиции Т не менее 50 с обеспечивает среднеквадратичное отклонение результатов измерения не хуже 2% в диапазоне измерения (р от 15 до 43%.

Кроме вышесказанных, в опытах изменялись также следующие величины:

• расход питательной воды 1 контура;

• расход генерируемого пара во II контуре;

• температура и давление воды на входе и выходе 1 контура;

• температура и давление воды на входе и генерируемого пара на выходе II контура;

• давление и температура поступающих на стенд пара, питательной и технической воды;

• температура наружной стенки по высоте змеевиков рабочего участка.

1 2 3 4 5.

Рис. 4.3. Конструкция датчика-зонда:

1 — электроды, 2 — оболочка, 3 — втулка, 4 — припой, 5 — стойка.

Рис. 4.4. Блок-схема системы измерения.

Расход рабочих сред измерялся объемным способом с помощью прота-рированных расходомерных баков. Давление измерялось проведенными образцовыми манометрами класса точности 0,4. Температура измерялась термопарами, изготовленными из термоэлектродной проволоки диаметром 0,3 мм и термоэлектродного кабеля типа КТМС диаметром 1 мм гр. ХА.

Термопары диаметром 0,3 мм приваривались электроразрядным способом в гильзы, которые установлены в местах замера температур, а термопары типа КТМС диаметром 1 мм крепились к змеевикам контактным способом в пазах глубиной ~ 1 мм и> выводились наружу через штуцер, приваренный к корпусу.

Термоэлектродные датчики с помощью компенсационных проводов при термостатировании’холодных спаев в сосудах Дьюара при /=0°С присоединялись к вторичным приборам типа КСП-4, класс точности 0.5 с записью температуры в градусах на самописец и типа Щ 68 003-электронный милливольтметр, значения температуры на котором высвечивались на экране и записывались на ленту в милливольтах, класс точности прибора 0.05. Погрешность замера температур определялась классом точности прибора.

Обобщенные данные абсолютных погрешностей измеряемых величин приведены в табл. 4.1.

Заключение

.

1. Для обоснования новых технологий использования поверхностно-активных аминов в тепловой и атомной энергетике, обеспечивающих защиту поверхностей: нагрева от коррозии, создан комплекс экспериментальных стендов и разработаны методики для исследованияшроцессов: генерации пара, теплообмена и пленкообразующих свойств ПАА.

2. На основании комплекса исследований в области р<6 МПа и ¦ 9 ''.

500 кВт/м установлено влияние ОДА на теплообмен и динамику парообразованияпри кипениив, большом объемеОпределены оптимальные концентрации ОДА (от 2 до 10 мг/л), при которых за счет уменьшения отрывного размера пузырей и увеличения частоты их генерации реализуются режимы с повышенной теплоотдачей (до 30%). 3- Экспериментально подтверждена способность микродозировок ОДА в теплоноситель к разрыхлению и сносу твердыхотложений. с/поверхностей нагрева парогенератора. ПоказаночтоОБАСОН (наоснове ОДА) способен образовывать защитную плёнку на поверхности металла при концентрациях ОДА в теплоносителе до 5 мг/л, тогда как эффективная, концентрация Хсла-мина, определённая на основе изотерм адсорбции, составляет более- 100 мг/л. Отмеченное свойство ОЭАСОМ реализовано как для эксплуатационного режима, — так. и длярежима5 консервации теплоэнергетического оборудования ряда энергоблоков ТЭС, когда при максимальной, концентрации ОДА 5 мг/л на поверхностях, нагрева получена гидрофобная плёнка с величиной удельной адсорбции 0−3 мкг/см" и более.

4. Предложена методика и выполнен. расчёт экономической эффективности применения ОДАттехнологий консервациина: примере работы водогрейных котлов: Ульяновскою ТЭЦ-1. Показано, что суммарный экономический эффект на? типовой водогрейной котельной за период с 1993 года по 2001 год составил 11 млн. 562 тыс. рублей в ценах 2001 года.

5. На полномасштабной модели парогенератора исследовано влияние ПАА на паросодержание в динамическом двухфазном слое и протяженность переходного участка от двухфазного слоя к парокапельному потоку, а также влажность пара в паровом объеме. При концентрациях ОДА в котловой воде.

С=1−10 мг/кг возможно увеличение паропроизводительности установки на 10−15%. Дальнейший рост концентрации ОДА С>15 мг/кг приводит к вспениванию, что сопровождается повышенных выносом влаги. В этих режимах зафиксировано снижение теплопередачи.

6. Промышленные испытания влияния ОДА на эффективность работы парогенератора ПГВ-440 Кольской АЭС позволили сделать вывод, что в практических условиях при концентрации ОДА в котловой воде на уровне С<100 мкг/кг не происходит ухудшения теплообмена, сепарационных характеристиках и влажности пара в паровом объеме.

7. Полученные результаты использованы в атомной и тепловой энергетике при обосновании применения микродобавок ОДА для коррекции водного режима пароводяного контура, а также при консервации оборудования по ОДА-технологии.