Математическое моделирование материальных потоков в системе оборотного охлаждения ТЭС Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ В СИСТЕМЕ ОБОРОТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ТЭС

А.А. ЧИЧИРОВ*, Н.Д. ЧИЧИРОВА*, И.Ю. СИЛОВ**, А.Ю. СМИРНОВ*,

А.И. МУРТАЗИН*

* Казанский государственный энергетический университет ** Казанская ТЭЦ-3

Разработана математическая модель для расчета материального баланса реальной системы оборотного охлаждения (СОО) КТЭЦ-3. Проведены расчеты по определению равновесного состояния и стабильности воды СОО. Определены возможные химические реакции и физико-химические процессы, протекающие в природной воде и воде системы.

Моделирование реальной СОО и определение материального баланса представляет собой определенные трудности. Прежде всего, это связано с большим объемом системы. Кроме того, водяной объем системы непостоянен во времени и может как возрастать, так и уменьшаться в зависимости от соотношения входящих и выходящих потоков. Сами водяные и воздушные потоки (mi, т/ч, i - порядковый индекс потока) и концентрации содержащихся в них веществ (cj - концентрация j-го

вещества) меняются во времени сложным образом.

В качестве примера проведено моделирование СОО КТЭЦ-3. По существу, СОО КТЭЦ-3 необходимо рассматривать как проточную, непрерывно действующую систему с нестационарным режимом работы [1]. Тепловой режим работы также нестационарный. Однако в отдельные периоды времени его можно рассматривать как квазистационарный. В системе могут протекать химические реакции и физикохимические процессы. Для таких случаев уравнения материального и теплового балансов приводятся только в общем виде (в виде дифференциальных уравнений с частными производными). Чтобы сделать их пригодными для проведения инженерных расчетов, необходимо детальное рассмотрение конкретной системы и допустимое упрощение, что составляет существо математической модели.

В общем виде принципиальную схему СОО КТЭЦ-3 для расчета материального баланса можно представить как показано на рис. 1. Дальнейшее упрощение схемы не представляется возможным.

В СОО два основных материальных входа: добавочная вода (из р. Волга) и воздушные потоки в градирни. Есть еще небольшой по объему возврат шламовых вод ХВО, которым в первом приближении можно пренебречь либо считать постоянным (примерно 2,2 т/ч). Выходные потоки представлены расходом воды в химцех. Существует еще непостоянный во времени слив циркуляционной воды в промливневую канализацию (за счет перелива воды в градирнях и утечек с трубопроводов и оборудования ТЭС).

Тип системы - проточная (непрерывно действующая); структура потока -идеальное смешение; режим работы - нестационарный, тепловой режим работы -(нестационарный) близок к квазистационарному. Химические и физико-химические процессы в системе - нестационарные.

© А.А. Чичиров, Н.Д. Чичирова, И.Ю. Силов, А.Ю. Смирнов, А.И. Муртазин Проблемы энергетики, 2008, № 5-6

Рис. 1. Принципиальная схема СОО КТЭЦ-3 для расчета материального баланса: Г -градирня; ЧГ - чаша градирни; ЦН - циркуляционный насос; КТ - конденсаторы турбин; НСВ - насос сырой воды; НТВ - насос технической воды; ДВ - добавочная вода; ЦВ -циркуляционная вода; МГО - маслогазоохладители и другое теплообменное оборудование, в т.ч. включенные очистные ТЭЦ; В - воздушный поток; КУ - капельный унос; ПЛК -промливневая канализация; ф - влажность; ТВ - техническая вода

mi, cj Ф const (потоки и концентрации веществ в потоках непостоянны во времени); (mi) т ,(cj) т = f (т);

Mо, M^ Ф const (массы воды в системе и отдельных ее частях непостоянны во времени);

(Mо)т,(Mчг)т = f(т), но (cj,ц)x = const (концентрации веществ в разных частях СОО одинаковы).

Баланс СОО по массе воды записывается как

(mд ) т ‘ dT - (mхц ) т ‘ dT - (mплк ) т ‘ dT = d(M0 ) т . (1)

Для осаждаемых веществ с количеством осадка N j, ц, (моль-экв/т):

(mд ) т ‘ (cj'^ ) т ‘ dт = (m хц ) т ‘ (cj'^ ) т ‘dт +

+ (mплк)т ‘ (cj'^)т ‘ dт + (M0)т ‘ d(c у,ц)т + dNjn . (2)

Уравнения (1, 2) можно представить в форме определенного интеграла

J (m д ) т ‘ (c j, д ) т ‘ J (m хц ) т ‘ (cj, ц ) т ‘dт

У,ц 2

N

.Л ц 2

J(mплк ) т ‘ (cj,ц )т ‘ = J(M0 )т ‘ d(cj,ц )т + JdNj,ц ’

(m

т 1 cj,U1

© Проблемы энергетики, 2008, № 5-6

N

j, ц 1

т

т

1

1

т

граничные условия:

пРи т = т1, с/,ц = с^ц1, ^ ц = М/, ц1, Мо = М01

т = т 2 , с/, ц = с/,ц2 , М7, ц = М /, ц2 , М0 = М02 •

Уравнения (1) и (2) представляют собой модель, описывающую перемещение и накопление потоков веществ в СОО. Всего (/ + 1) уравнение. В реальных условиях известными являются значения расхода добавочной воды, расхода воды в химцех, концентрации веществ в добавочной циркуляционной и сырой (поступает в ХЦ из СОО) воде. Это входные параметры модели. Неизвестным является количество образующихся осадков.

Уравнения (1) и (2) возможно разрешить в явном виде методом квадратур относительно средних значений для временного интервала Ат. Уравнения были аппроксимированы системой алгебраических уравнений.

Дополнительный учет уравнения баланса для осаждаемых веществ (2) позволяет определить скорость образования осадков в СОО:

у ц — Ас у ц

—= тд •с/,д - ту ■ с/,ц - м0 , (4)

где ту = тку + тхц + тплк.

Индексы означают: у - утечки, ку - капельный унос, плк - слив в промливневую канализацию.

Алгебраическое уравнение (4) использовалось для обработки массива данных по значениям потоков и концентрациям веществ для расчета материального баланса СОО КТЭЦ-3.

Все значимые химические реакции, которые возможны в природной воде и воде СОО, представлены в матричной форме [2, 3]. К ним относятся равновесные реакции в воде, осаждение малорастворимых соединений, соосаждение компонентов в составе основных осадков, равновесия летучих компонентов с газовой фазой.

Для проведения расчетов эффективности работы СОО КТЭЦ-3 использовались данные ежедневных замеров параметров и показателей водяных и воздушных потоков СОО, входные и выходные параметры включенного оборудования. Дополнительно, в мае и августе 2007 года на СОО проводились эксперименты, в ходе которых был расширен круг замеряемых параметров и показателей по специальной программе.

Анализ среднемесячных показателей по составу и расходу воды в СОО позволяет сделать некоторые заключения о работе СОО. Обращает на себя внимание то, что составы циркуляционной и сырой воды близки межу собой (коэффициент корреляции более 0,95) и существенно отличаются от состава добавочной воды. Это свидетельствует в пользу правильности выбора структуры потока - идеальное смешение. Этому способствует интенсивная циркуляция воды в СОО (тц много

больше т д) и разветвленность трубной системы. С использованием уравнения (4)

были проведены расчеты. Результаты представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Изменение коэффициентов упаривания для неосаждаемых (С1- - ионы) и осаждаемых (ионы жесткости, кремниевая кислота и ионы железа) компонентов воды в СОО КТЭЦ-3 в 2006 году (среднемесячные значения). Ц/в - концентрирование в циркуляционной воде относительно добавочной волжской воды

Сравнение коэффициентов упаривания неосаждаемых и потенциально осаждаемых веществ (рис. 2, 3) показывает, что в некоторые периоды времени в СОО образуются разнообразные осадки.

2,3

2,1

1,9

1,7

1,Ь

8**

1,3

1,1

0,9

0,7

0,5

—«— К(Жо), ц/в /в

К(С1), и

- -А- - Ц/В —*— К(Ок), ц/в \

-К(Ре), и /в \

N В

г-

¿>5 е—/ > С

/ ч

1 2 3 4 5 6 7 8

месяц 2007 г.

Рис. 3. Изменение коэффициентов упаривания для неосаждаемых (С1- - ионы) и осаждаемых (ионы жесткости, кремниевая кислота, ионы железа и окисляемость) компонентов воды в СОО КТЭЦ-3 в 2007 году (среднемесячные значения). Ц/в - концентрирование в циркуляционной воде

относительно добавочной волжской воды

Например, образование карбонатов кальция наблюдалось в марте, августе и ноябре 2006 г., в июне, июле 2007 г. Отчетливо видно, что интенсивность образования осадков карбонатов (пропорциональна разнице Л"(С1) и Л"(Жо)) тем выше, чем больше степень концентрирования циркуляционной воды. Эта тенденция отражена на рис. 4.

Рис. 4. Интенсивность образования карбоната кальция в воде СОО в зависимости от степени

концентрирования

0.9

0,8

0,7

0,6

С 0,5

^ 0,4

0,3

0,2

0,1

♦ Ре цирк ■ Ьс сырой Линейный (Ре сырой)

4

■ ♦

♦ ■

1 ♦

t ■

у - - 0,8279а; + 7,5399 Я2 = 0,7421

8,25 8,3 8,35 8,4 8,45 8,5 8,55

pH цирк волы

8,65 8,7

8,75

Рис. 5. Содержание растворимых форм железа в циркуляционной и сырой воде в зависимости от рН циркуляционной воды СОО КТЭЦ-3 в 2007 г. (среднемесячные значения)

Осаждение силикатов отмечается, главным образом, в зимний период. Летом (с июня по сентябрь) осадкообразование с участием силикатов практически отсутствует. Осаждение соединений железа происходит практически круглый год. Количественно осаждение коррелирует с величиной рН циркуляционной воды (рис. 5), что легко объяснимо, т.к. наименее растворимой формой Ре(Ш) в этих условиях является гидроксид железа. Данные по количеству осадков, выпадающих в СОО за месяц, приведены в табл. 1. Видно, что основным компонентом осадков является карбонат кальция, и размер его образования колеблется от 0 до почти 40 т в месяц. Чтобы оценить, много это или мало, проведем простой расчет.

Таблица 1

Состав и количество осадков, выпавших в СОО КТЭЦ-3 в 2006 г. Расчет по составу добавочной, циркуляционной и сырой воды (среднемесячные значения)

Месяцы Расход воды на ХВО, т/мес. Осадок карбоната кальция, кг/мес. Осадки силикатов, кг/мес. Осадки соединений железа, кг/мес.

1 702942 1172 484 75,0

2 648316 11346 718 51,9

3 660325 29054 1231 76,6

4 607983 9293 1429 196,6

5 462480 7631 1099 164,6

6 380564 1903 89 53,7

7 338570 0 145 44,3

8 337604 16332 181 6,6

9 348337 0 102 22,3

10 504086 13297 305 21,8

11 594454 38640 1187 93,7

12 560500 0 0 12,2

среднемесячные значения 512180 10326 569 68

Предположим, что осадок распределяется равномерно по поверхности, контактирующей с водой СОО. При среднем объеме СОО 20000 м3 и среднем диаметре трубопроводов 0,3 м площадь поверхности контакта составит 269143 м2. Если принять, что карбонат кальция осаждается в форме кальцита с плотностью 2,71 т/м3, то средние 10 т карбоната в месяц (табл. 1) дадут равномерное покрытие всей поверхности СОО - 0,0137 мм. Среднее значение получилось небольшим. Однако следует учитывать, что на практике осаждение карбонатов происходит далеко не равномерно. Наиболее интенсивно происходят отложения на напряженных участках. В первую очередь, это трубки конденсаторов [4], где самая высокая температура СОО, способствующая ускорению роста отложений. Другой напряженный участок -это разбрызгивающие сопла в градирнях, где высокая температура воды сочетается с испарением, вызывающим локальное повышение концентрации малорастворимых соединений. Повышенное осадкообразование отмечается в застойных зонах и областях с медленным течением воды. В перечисленных зонах скорости роста отложений превышают средние в десятки раз и, следовательно, могут превышать в некоторые месяцы 1 мм, что недопустимо.

Для определения причин накипеобразующей активности циркуляционной воды были проведены расчеты по определению равновесного состава и стабильности воды. Некоторые результаты представлены в табл. 2. В зимний период волжская вода находится в состоянии небольшого пересыщения по малорастворимым соединениям: карбонату кальция, силикатам и гидроксиду железа. Это связано с тем, что чистая вода переходит в лед, а подледная вода концентрируется. В СОО вода подогревается, концентрируется и подщелачивается. Все три фактора действуют параллельно в одном направлении - смещения химических равновесий в сторону образования осадков. Расчет показывает, что в таких условиях даже небольшого концентрирования достаточно для начала осадкообразования. Так, в марте 2006 г. коэффициент упаривания составлял в среднем 1,2 (табл. 2). Относительное пересыщение по карбонату кальция (ОПкк (25°С)) в этом случае достигло 4-х кратного уровня, и осадкообразование при этом протекало уже с заметной скоростью. Из данных, представленных на рис. 2, 3, видно, что концентрирование циркуляционной воды часто превышает порог 1,2. Почти постоянно в летние месяцы

коэффициент упаривания больше 1,2 и достигает 2,1. Связано это с тем, что летом отбор воды в химцех меньше, а доля испарения больше.

Таблица 2

Состав и стабильность добавочной воды (волжской) и циркуляционной воды СОО КТЭЦ-3

Показатель Добавочная вода (январь) Циркуляционная вода

(январь) (март)

мг/кг ммоль/кг мг/кг ммоль/кг мг/кг ммоль/кг

ОПкк (25°С) - 1,85 - 3,08 - 3,96

Максимальный осадок (25°С) 14,4 - 20,94 - 33,08 -

Що после осаждения - 2,56 - 2,52 - 2,66

Коэффициент упаривания - - - 1,09 - 1,2

На базе разработанной математической модели системы оборотного охлаждения создан автоматизированный комплекс мониторинга и управления системой оборотного охлаждения, позволяющий определять размер продувки, расход добавочной воды и количество корректирующих добавок.

Программа позволяет оценить фазовую стабильность циркулирующей охлаждаемой воды и, с учетом этого, выдать рекомендации по оптимальным размерам продувки, дозам корректирующих добавок и методу обработки воды для поддержания безосадкового режима, а также пути уменьшения расхода сырой воды при сохранении эффективности охлаждения конденсаторов турбин.

Summary

The mathematical model for account of material balance of real system of turnaround cooling KTPS-3 is developed. There have been made accounts equilibrium condition by its definition and stable water situation. There have been determined the possible chemical reactions and physical-chemical processes proceeding in natural water and system water.

Литература

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

2. Математическое моделирование физико-химических процессов при реагентной обработке воды / А.А. Чичиров, Н.Д. Чичирова, Р.Р. Хусаинов и др. // Энергосбережение и водоподготовка. - 2006. - №2. - С. 31-34.

3. Чичиров А.А., Филимонов А.Г. Термодинамический расчет химических процессов при обработке воды на ТЭС // Известия вузов. Проблемы энергетики. -2004. - №5-6. - С. 92-98.

4. Маргулова Т.Х., Мартынова О.И. Водные режимы тепловых и атомных электростанций: Учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1981. - 320 с.

Поступила 28.02.2008