Баромембранные технологии в схеме водоподготовки Уфимской ТЭЦ-1 Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Вестник КГЭУ, 2017, № 2 (34) УДК 621.311.22

БАРОМЕМБРАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СХЕМЕ ВОДОПОДГОТОВКИ

УФИМСКОЙ ТЭЦ-1

С.Р. Саитов, Н.Д. Чичирова, А.А. Чичиров

Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия

caapel@mail. гы

Резюме. В статье поднимается вопрос о повышении экономичности схем водоподготовительных установок с обратноосмотическими модулями. Приведено описание схемы водоподготовительной установки Уфимской ТЭЦ-1, а также технологического оборудования, входящего в ее состав. Раскрываются предложения по модернизации этой схемы. Представлена и описана математическая модель схемы водоподготовки Уфимской ТЭЦ-1. Алгоритм данной математической модели позволяет снизить потребление исходной воды и уменьшить объем сточных вод путем оптимального перераспределения водных потоков между баромембранными блоками системы. Произведен вывод формул для расчета параметров основных физико-химических процессов, протекающих в схеме. Для проверки адекватности математической модели, была осуществлена верификация результатов расчетов. На основании этой модели была разработана компьютерная программа, позволяющая рассчитать параметры процессов, протекающих в схеме.

Ключевые слова: водоподготовка, бессточная схема, баромембранная технология, микрофильтрация, обратный осмос, тепловая электрическая станция.

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерством образования и науки РФ прикладных научных исследований и экспериментальных разработок (Соглашение № 14.511.21.0238 от 03.10.2016 г.) в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы». Уникальный идентификатор ПНИЭР ЯЕМЕЕ157716Х0238.

BAROMEMBRANE TECHNOLOGIES IN THE WATER TREATMENT SCHEME OF UFA THERMAL POWER STATION-1

S.R. Saitov, N.D. Chichirova, A.A. Chichirov

Kazan state power engineering university, Kazan, Russia

caapel@mail. ru

Abstract. The article raises the question of water treatment schemes with reverse osmosis modules increasing efficiency. The water treatment scheme description at Ufa Thermal power station-1, as well as the technological equipment included in its structure, is given. The scheme modernization proposals are being disclosed. The water treatment scheme mathematical model of Ufa Thermal power station-1 is presented and described. This mathematical model algorithm allows to reduce the source water consumption and reduce the sewage volume by optimal water flows redistribution between the baromembrane blocks. The formulas derivation for the parameters calculation of the main physicochemical processes taking place in the circuit is made. Mathematical model the calculation results verification was carried out to verify the adequacy. On the basis of this model,

a computer program was developed that makes it possible to calculate the parameters of the processes taking place in the scheme.

Keywords: water treatment, zero liquid discharge schemes, baromembrane technology, microfiltration, reverse osmosis, thermal power plants.

Acknowledgments. The work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation of applied scientific research and experimental development (Agreement No. 14.511.21.0238 of 03.10.2016) within the framework of the Federal Target Program "Research and development in priority areas for the development of Russia's scientific and technological complex for 2014-2020 ". Id: RFMEFI57716X0238.

Баромембранная технология очистки воды - безреагентный, удобный и высоко автоматизированный метод водоподготовки [1]. Данная технология, благодаря своим преимуществам, пользуется большой популярностью в промышленности, в том числе и на отечественных тепловых электрических станциях [2]. Среди этих станций необходимо выделить Уфимскую ТЭЦ-1, в схеме водоподготовительной установки (ВПУ) которой применены самые разнообразные технологические решения, позволяющие существенно уменьшить последствия основного недостатка баромембранной технологии - низкого коэффициента использования исходной воды. Схема, на сегодняшний день имеет количество стоков порядка 10-12% при нормативном максимуме 14,8%.

Впервые баромембранная технология очистки воды была применена на Уфимской ТЭЦ-1 в 2002 году. Тогда был смонтирован и введен в эксплуатацию комплект оборудования очистки воды методом обратного осмоса общей производительностью 50 м3/час по проекту предприятия-изготовителя «ВОРОНЕЖ-АКВА» [3].

В 2012 году по проекту предприятия-изготовителя ООО «Нова Терра» схема ВПУ УТЭЦ-1 была модернизирована путем добавления в неё комплектов оборудования «ROF-ROF-8040-162-90,0/909PP-CIP»: блока УОО 2 с регулируемой производительностью 20 - 65 м3/час и дожимного блока УОО 3 с регулируемой производительностью 20 - 25 м3/час. УОО 2 состоит из двух блоков: УОО 2.1 и УОО 2.2, производительностью 20-32,5 м3/час каждый. Схема предусматривает параллельную работу обоих блоков на минимальных, оптимальных и максимальных нагрузках, регулируемых ЧРП (частотно-регулируемый привод) высоконапорных насосов.

Назначение блоков УОО 1 и УОО 2 - производство обессоленной воды для восполнения потерь пара и конденсата в схеме подпитки котлов 9,8 МПа [4]. Исходной водой для этих блоков является химочищенная вода после Na-катионных фильтров с электропроводимостью порядка 400-600 мкСм/см. Перед непосредственной подачей воды на УОО вода проходит дополнительную очистку в блоках микрофильтрации с целлюлозными фильтрами и обеззараживание на установках ультрафиолетового обеззараживания.

Концентрат с блоков УОО 1, УОО 2.1 и УОО 2.2 собирается в БПК (бак первичного концентрата).

Комплект оборудования дожимного блока (ДБ) УОО 3 предназначен для обессоливания первичного концентрата из бака БПК до требуемых параметров.

Логика работы и принципиальная схема БМОО УОО 3 идентична блокам УОО 2.1, УОО 2.2. Концентрат БМОО УОО 3 собирается в БВМФ (бак взрыхления механических фильтров) для взрыхляющих промывок МФ (механические фильтры), фильтров УОССВ (установка очистки станционных сточных вод). Пермеат, в зависимости от требуемого технологического процесса, поступает в бак известково-коагулированной воды БОВ №1 или в баки химочищенной воды БХОВ СД №1, 2 (рис. 1).

Рис. 1. Оперативно исполнительная схема ХВО

Работа блоков УОО реализована по трехступенчатой схеме, последовательно по концентрату и параллельно по пермеату. Первая ступень УОО 1 содержит в себе 9 модулей, вторая - 6, третья - 5. Установки 2.1, 2.2 и 3 содержат одинаково по 3 модуля в первой ступени, по 2 во второй и по 1 в третьей. Подобное схематическое решение в совокупности с дожимным блоком позволило существенно снизить размер стоков с УОО.

В весеннее время талые воды, а также воды с ливневой канализации поступают в УОССВ откуда, после очистки, направляются в осветлитель, повышая общую экономичность схемы.

Для дополнительного уменьшения объёма стоков в химическом цеху с 2012 года применяется установка для дегидратации шламовых вод на базе пресс-фильтра "DIEMME" AUTOMAT 800 N, смонтированная по проекту предприятия-изготовителя ООО «Нова Терра» [5].

Исходной водой для установки дегидратации шламовых вод являются шламосодержащие сточные воды предочистки: непрерывная и периодическая продувка осветлителей, слив с пробоотборных точек осветлителей.

Применение совокупности описанных выше решений позволило добиться неплохих экономических показателей от схемы водоподготовки Уфимской ТЭЦ-1.

Тем не менее, данная схема обладает потенциалом к дополнительному снижению размера стоков. Чтобы раскрыть этот потенциал, на основании системы УОО УТЭЦ-1 (рис. 2) была построена математическая модель и разработана компьютерная программа. В основу математической модели заложены арифметические формулы для расчёта физико-химических процессов в мембранных блоках, коэффициенты селективности мембран, ограничивающие параметры по расходам и коэффициентам преобразования, а также специальный алгоритм распределения исходной воды по блокам системы.

Х0

X

УОО 1

УОО 2.1

исходная вода

X3

Sel A

XAK

XA

Sel B

XBK

XB

Sel C

XCK

1

XC

X1

концентрат

УОО 3

Sel W

XK

W

Sel D

XDK

Sel E

XEK

Sel F

XFK

XD

XE

XF

X21

XWK

Sel Y

1

XYK

Sel G

УОО 2.2 1

XGK

Sel H

XHK

Sel J

XJK

G

XG

XH

XJ

X22

X12

пермеат

Sel Z

XZK

на промывку фильтров

Х^ ХУ Х7

Рис. 2. Схема подключения установок обратного осмоса Уфимской ТЭЦ-1

D

A

B

J

C

F

Y

Z

Условные обозначения на рис. 2:

• УОО 1, УОО 2.1, УОО 2.2, УОО 3 - блоки установки обратного осмоса (УОО);

• A, B, C, ..., i - ступени блоков УОО;

• Х0, Х1, Х21, Х22, Х3, ХА, XB, ... Xi, XAK, XBK, .XiK - узлы схемы, соответственно:

- Х0(1) - расход воды в узле схемы (т/ч),

- Х0(2) - электропроводимость воды в узле схемы (мкСм/см);

• Xi - пермеат i-ой ступени блока УОО;

• XiK - концентрат i-ой ступени блока УОО;

• Sel i - техническая характеристика i-ой ступени УОО, соответственно:

- Sel i (1) - коэффициент преобразования i-ой ступени блока УОО,

- Sel i (j) - коэффициент селективности j-го компонента i-ой ступени УОО;

• К1, К21, К22, КЗ - коэффициенты преобразования блоков УОО.

Обратный осмос - процесс, в котором с помощью давления принуждают растворитель проходить через полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор, т.е. в обратном для осмоса направлении. При этом образуется два потока - пермеат (фильтрат) и концентрат (сток) [1]:

Основной управляющий параметр всей программы - это коэффициент преобразования блока. Коэффициент преобразования блока представляет собой отношение расхода пермеата за блоком к количеству исходной воды перед блоком [1]:

Таким образом, зная коэффициент преобразования блока и расход исходной воды, по формуле (2) можно рассчитать расходы пермеата (фильтрата) и концентрата:

Коэффициент преобразования блока является исходным параметром, так как выставляется вручную с помощью запорно-регулирующей арматуры.

Для расчета расходов и концентраций потоков в различных узлах схемы требуются коэффициенты преобразования ступеней блока. В рассматриваемой системе (рис. 2) все блоки имеют трехступенчатую схему очистки воды. В ступени может быть от 1 до 9 модулей. Коэффициент преобразования ступени не зависит от количества в ней модулей. Число модулей влияет лишь на расход исходной воды, поступающей в ступень.

Чтобы написать выражения для каждой ступени нам необходимо вывести формулу для определения коэффициента преобразования всего блока УОО (к примеру, УОО 1). Воспользовавшись формулой (4) для определения расхода концентрата получим:

(1)

Kn Qn ерм ^ Qi

(2)

(3)

(4)

XCK(1) = X (1) • (1- K1);

XCK (1) = XBK(1) • (1 - Se!C(1)); XCK(1) = XAK(1) • (1 - SelB(1)) • (1 - SelC(1));

XCK(1) = X (1) • (1 - SelA(1)) • (1 - SelB(1)) • (1 - SelC(1)). (6)

Подставив (6) в (5), получим:

К1 = (1 - (1 - SelA(1)) • (1 - SelB(1)) • (1 - SelC(1))). (7)

Примем допущение, что в пределах одного блока все ступени имеют одинаковый коэффициент преобразования:

SelA(1) = SelB(1) = SelC(1), (8)

тогда:

К1 = (1- (1- SelA(1)) • (1 - SelA(1)) • (1 - SelA(1)));

31-K1 = 1 - SelA(1). (9)

Таким образом, формулы для определения коэффициентов преобразования ступеней блоков УОО 1, 2.1, 2.2 и 3, соответственно, будут иметь вид:

SelA(1) = SelB(1) = SelC(1) = (1 - Vi - K1); (10)

SelD(1) = SelE (1) = SelZ (1) = (1 - - K 21); (11)

SelG(1) = SelH (1) = SelJ (1) = (1 - - K 22); (12)

Sel W (1) = SelY (1) = SelZ (1) = (1 - - K 3 ). (13)

Зная коэффициенты преобразования ступеней блоков, можно вычислить расходы пермеата и концентрата в различных ступенях:

X (1) = ХЬ1 (1) • Seli (1) (14)

X¡K(1) = Xi_1(1) • (1 - Seli (1)) (15)

Ещё один не менее важный параметр процесса - коэффициент селективности модуля блока. Он показывает процент примесей, попавших из исходной воды в пермеат.

Чтобы рассчитать концентрацию (С) j-го компонента пермеата, необходимо знать концентрацию этого компонента в исходной воде (определяется лабораторным путём) и коэффициент селективности мембранного модуля.

Коэффициент селективности мембранного модуля определяется по формуле:

(1 - (1 - Sel, (1)))1-*

Seli(2) =-^г-^-> (16)

Sel, (1)

где ф - селективность мембраны.

Селективность мембраны - константа, показывающая долю задержанных примесей j-го компонента на мембране. Она определяется экспериментально, либо расчетным путем:

С • О

i конц ¿~-КОНЦ

ф= С • О ' (17)

i исх zí-исх

63

Константы селективности для всех баромембранных модулей водоподготовительной установки Уфимской ТЭЦ-1 определялись расчётным путём с применением методов математической статистики на основании данных, представленных в таблицах суточного контроля рабочих параметров [6].

Из-за недостатка информации по всем ]-м компонентам загрязнителя далее вместо концентраций будем использовать другой косвенный параметр - электропроводимость (переменная с индексом 2):

ХК (2) =

X (2) = Хм(2) • Бв!г (2) хк(2) = Хм(2) • X, _!(1) - X, (2) • X, (1) г () XtЩ)

X,-1(2) • X-1(1) - Xt-l(2) • Бв!, (2) • Х-^) • Бв!, (1)

(18)

XtK(2) =

Xt-l(1) • (1 - Бв!, (1)) Xt-l(2) • (1 - Бв!, (2) • Бв!, (1)) 1 - Бв!1 (1)

(19)

Формулы (18) и (19) предназначены для расчета электропроводимости пермеата и концентрата соответственно для любой ступени любого блока из изображенных на рис. 2.

Но перед тем как произвести расчет электропроводимости пермеата и концентрата различных модулей необходимо вычислить электропроводимость исходной воды:

X (2) =

X0(1) • X0(2) + X3(1) • X3(2) X 0(1) + X 3(1)

(20)

В выражении (20) содержится всего один неизвестный член Х3(2) -электропроводимость вторичного пермеата с дожимного блока. После серии математических преобразований получаем формулу:

X (2) =

X 0(1) • X 0(2)

X0(1) + X3(1) • (1 - у • т)

(21)

где:

¥ = -

Г8в!Ж(2) • ^(1) + (1 - 8в!Ж(1) •8в!Ж(2)) х (1 - БвШ (1))

х (БвИ (2) • XV (1) + (1 - ^(1)/у^(2)) • БвЯ (2) • XZ (1)

X 3(1) • XK (1)

т =

XCK (1) XFK (1) XJK (1) •

(1 - Бв!А(1) • Бв!А(2)) (1 - Бв!В(1) • Бв!В(2)) (1 - Бв!С(1) • Бв!С(2))

(1 - Бв!А(1)) (1 - Бв!В(1)) (1 - Бв!С (1))

(1 - - БвЮ(1) • БвЮ(2)) (1 - - Бв!Е (1) • Бв!Е (2)) (1 - Sв!F (1) • Sв!F (2))

(1 - БвЮ(1)) (1 - Бв!Е (1)) (1 - Бв^ (1))

(1 - -Бв!в (1) • Бв!в(2)) (1 - - Бв!Н (1) • Бв!Н (2)) (1 - Бви (1) • Бви (2))

(1 - Бв!0 (1)) (1 - Бв!Н (1)) (1 - БвЫ (1))

+

+

Выражение (21) не содержит в себе неизвестных членов, и может быть использовано для расчета электропроводимости исходной воды.

Существенно сократить объем стоков в схеме возможно, если оптимально распределить исходную воду между элементами системы УОО. Для этого необходимо тщательно изучить характеристики установленного в системе оборудования. Блок УОО 1 был смонтирован раньше других блоков и имеет производительность по пермеату 50 т/ч. Блок модулей УОО 1 не приспособлен к регулированию нагрузки из-за отсутствия частотно-регулируемого привода высоконапорных насосов. Работа блока осуществляется при фиксированном коэффициенте преобразования (К1 = 50/72). Комплект оборудования УОО 2 состоит из двух блоков: УОО 2.1 и УОО 2.2, производительностью 20-32,5 т/ч каждый. В случае снижения объема потребления химически обессоленной воды, один из блоков может быть выведен в резерв. В отличие от блока УОО 1, блок УОО 2 гибок к регулированию соотношения пермеат/концентрат. Диапазон регулирования коэффициента преобразования блока составляет 0,45 - 0,9 (диапазон определен с помощью таблиц суточного контроля рабочих параметров в контрольных точках ВПУ Уфимской ТЭЦ-1). По проектным документам [3; 4] максимальное потребление исходной воды для блока УОО 1 составляет 72 т/ч, для блоков 2.1 и 2.2 по 45 т/ч. Таким образом, возникает первое ограничение: расход исходной воды на ВПУ не должен превышать 162 т/ч.

ДБ УОО 3 имеет в своем составе тоже оборудование, что и блоки УОО 2.1 и 2.2, и так же способен плавно менять коэффициент преобразования. Так как блок работает в более тяжелых условиях, нежели УОО 1 и УОО 2, максимальный расход исходного концентрата для него снижен до 35 т/ч, а диапазон регулирования коэффициента преобразования ограничен до 0,6 - 0,8. Таким образом, вводим второе ограничение: расход первичного концентрата не должен превышать 35 т/ч. В процессе анализа таблиц суточного контроля рабочих параметров ВПУ УТЭЦ-1 было выявлено третье ограничение - на блок УОО 2 подача исходной воды не превышает 75 т/ч.

На основании описанных ограничений разработан алгоритм распределения исходной воды по блокам системы (рис. 3). Согласно данному алгоритму, в случае глубокого снижения расхода обессоленной воды происходит поэтапное отключение блоков. Оборудование с более низкой эффективностью выводится из работы в первую очередь. Напротив, блоки УОО с большей селективностью и маневренностью чаще всего оказываются задействованными, за счет чего существенно повышается экономичность схемы.

Рис. 3. Блок-схема алгоритма распределения исходной воды по блокам системы

65

Для проверки адекватности математической модели были произведены расчеты физико-химических характеристик воды в различных узлах схемы. В качестве исходных данных брались сведения, указанные в таблицах суточного контроля рабочих параметров блоков УОО [6].

На рис. 4 представлены расчетные и экспериментальные значения электропроводимости пермеата блока УОО 2 в разные дни месяца при различных коэффициентах преобразования модулей блока и характеристиках исходной воды. Как видно из графика, отклонение расчетных значений от экспериментальных не столь существенно - усредненная погрешность составляет 0,14%, среднеквадратичное отклонение экспериментальных значений от среднеарифметического выборки - 0,0364 мкСм/см. А это, в свою очередь, даёт возможность на основании данной математической модели осуществлять достаточно точные прогнозы относительно показателей работы обратноосмотических модулей при заранее определенных исходных параметрах -электропроводимости исходной воды и коэффициентах преобразования блоков. Программа [7] также позволяет подобрать эти исходные параметры таким образом, чтобы получить наиболее оптимальные показатели качества первичного пермеата при минимальном объеме стоков (4-7%).

Рис. 4. Показатели электропроводимости пермеата блока УОО 2 (январь 2015 г.)

Литература

1. Чичирова Н.Д., Власов С.М. Баромембранные технологии в энергетике: Монография. Казань: Казан.гос.энерг.ун-т, 2011. 272 с.

2. Чичирова Н.Д., Чичиров А.А., Саитов С.Р., Филимонов А.Г., Гирфанов А.А. Анализ опыта внедрения баромембранных технологий на ТЭС РФ // Труды Академэнерго. 2013. №4. С. 70-82.

3. Инструкция по эксплуатации установки очистки воды методом обратного осмоса (ИЭ СМК 379-102011). Система менеджмента качества ОАО «Башкирэнерго» Филиал Уфимская ТЭЦ-1. 2011

4. Инструкция по эксплуатации установки очистки воды методом обратного осмоса №2 с дожимным блоком (ИЭ СМК 379-12-2012). Система менеджмента качества ОАО «Башкирэнерго» Филиал Уфимская ТЭЦ-1. 2012

5. Инструкция по эксплуатации установки дегидратации шламовых вод на базе пресс-фильтра «DIEMME» AUTOMAT 800 N (ИЭ СМК 379-14-2012). Система менеджмента качества ОАО «Башкирэнерго» Филиал Уфимская ТЭЦ-1. 2012

6. Чичирова, Н.Д. Чичиров А.А., Саитов С.Р. Моделирование и оптимизация схемы водоподготовки ТЭС с обратноосмотическими модулями // Труды Академэнерго. 2016. №2. С. 60-72.

7. Свид. №2016615906 регистрации программы ЭВМ. Программа расчета физико-химических процессов в схемах водоподготовки ТЭС с обратноосмотическими модулями. С.Р. Саитов, Н.Д. Чичирова, А.А. Чичиров. 2016.

References

1. Chichirova N.D., Vlasov S.M. Baromembrannye tekhnologii v energetike: Monografiya. Kazan': Kazan.gos.energ.un-t, 2011. 272 s.

2. Chichirova N.D., Chichirov A.A., Saitov S.R., Filimonov A.G., Girfanov A.A. Analiz opyta vnedreniya baromembrannykh tekhnologii na TES RF // Trudy Akademenergo. 2013. №4. S. 70-82.

3. Instruktsiya po ekspluatatsii ustanovki ochistki vody metodom obratnogo osmosa (IE SMK 379-10-2011). Sistema menedzhmenta kachestva OAO «Bashkirenergo» Filial Ufimskaya TETs-1. 2011

4. Instruktsiya po ekspluatatsii ustanovki ochistki vody metodom obratnogo osmosa №2 s dozhimnym blokom (IE SMK 379-12-2012). Sistema menedzhmenta kachestva OAO «Bashkirenergo» Filial Ufimskaya TETs-1. 2012

5. Instruktsiya po ekspluatatsii ustanovki degidratatsii shlamovykh vod na baze press-fil'tra «DIEMME» AUTOMAT 800 N (IE SMK 379-14-2012). Sistema menedzhmenta kachestva OAO «Bashkirenergo» Filial Ufimskaya TETs-1. 2012

6. Chichirova, N.D. Chichirov A.A., Saitov S.R. Modelirovanie i optimizatsiya skhemy vodopodgotovki TES s obratnoosmoticheskimi modulyami // Trudy Akademenergo. 2016. №2. S. 60-72.

7. Svid. №2016615906 registratsii programmy EVM. Programma rascheta fiziko-khimicheskikh protsessov v skhemakh vodopodgotovki TES s obratnoosmoticheskimi modulyami. S.R. Saitov, N.D. Chichirova, A.A. Chichirov. 2016.

Авторы публикации

Саитов Станислав Радикович - ассистент кафедры «Тепловые электрические станции» Казанского государственного энергетического университета.

Чичирова Наталия Дмитриевна - доктор химических наук, профессор, заведующий кафедры «Тепловые электрические станции» Казанского государственного энергетического университета. Чичиров Андрей Александрович - доктор химических наук, профессор, заведующий кафедры «Химия» Казанского государственного энергетического университета.

Authors of the publication

Stanislav R. Saitov - Assistant of the department "Thermal power plants" of Kazan State Power Engineering University.

Nataliya D. Chichirova - Doc. Sci. (Chem.), professor of the department "Thermal power plants" of Kazan State Power Engineering University.

Andrey A. Chichirov - Doc. Sci. (Chem.), professor of the department "Chemistry" of Kazan State Power Engineering University.

Дата поступления 18.03.2017.