Исследование процесса аэрации деаэрированной воды в баках-аккумуляторах ТЭЦ г. Ульяновска Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.311.22:697.34(470.42) Э. У. ЯМЛЕЕВА, В. И. ШАРАПОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА АЭРАЦИИ ДЕАЭРИРОВАННОЙ ВОДЫ В БАКАХ-АККУМУЛЯТОРАХ ТЭЦ Г. УЛЬЯНОВСКА

Показано, что на интенсивность повторного заражения деаэрированной воды коррозионно-агрессивными газами в баках-аккумуляторах ТЭЦ влияют: температурный и гидродинамический режимы работы баков, их конструктивные особенности (объём бака, схема подвода и отвода воды, тип насадки).

Ключевые слова: аэрация воды, бак-аккумулятор, деаэрированная вода, гидравлический режим.

Для повышения надёжности и продления срока эксплуатации систем теплоснабжения и их теплоисточников - теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и котельных необходимо обеспечить нормативное качество перекачиваемой подпиточной и сетевой воды.

В соответствии с нормами ПТЭ [1,2] содержание растворённого кислорода О2 в сетевой воде не должно превышать 20 мкг/дм3, в подпи-точной - 50 мкг/дм3, диоксид углерода СО2 должен отсутствовать.

Повторное заражение деаэрированной воды коррозионно-агрессивными газами (О2, СО2) приводит к превышению нормативных значений, что увеличивает интенсивность развития процесса внутренней коррозии и снижает срок эксплуатации систем теплоснабжения, приводит к необходимости дорогостоящих замен оборудования и трубопроводов.

Основным путём повторного попадания кислорода в систему на теплоисточнике является насыщение воды газами при её хранении в баках-аккумуляторах. Насыщение деаэрированной воды в баках кислородом и диоксидом углерода происходит по открытой поверхности за счёт диффузии [3].

Скорость реакций, идущих по диффузионной кинетике в неподвижной среде, чрезвычайно мала, поскольку коэффициент диффузии в жидкостях весьма мал. Даже небольшой перепад температур приводит к изменению плотностей и движению жидкости снизу вверх или наоборот. Процесс этот называют свободной конвекцией. Совокупность обоих процессов именуется конвективной диффузией вещества в жидкости.

Концентрация кислорода в воде при совмещении этих двух процессов будет изменяться по высоте и будет зависеть от времени.

Конвективно-диффузионный поток кислорода дк„, г/м2с, по направлению от свободной поверхности ко дну бака описывается уравнением:

Чкп =

Л(К - Кд)

(1)

где

¡п[ЛИ(1 + ЛН / D)/D]' axU

Л =_0 • а, к - коэффициенты;

St

динамическая скорость; тт

© Ямлеева Э. У., Шарапов В. И., 2018

U = Г ТБ

0 \ max /

касательное напряжение; St = v/DT - число

Шмидта; К, Кд - содержание кислорода у поверхности воды и у дна бака-аккумулятора соответственно, г/м3; D - коэффициент молекулярной диффузии, м2/с; Н - глубина, м.

При нестабильном режиме заполнения-опорожнения баков-аккумуляторов насыщение воды кислородом происходит по другим физико-химическим законам, отличным от действующих при стационарном хранении. Диффузия сопровождается уже не естественной конвекцией, а вынужденным, иногда даже турбулентным, движением воды. Математически описать данный процесс весьма сложно из-за большого числа влияющих факторов. Изучить процесс насыщения воды кислородом при данных условиях возможно только экспериментально.

В соответствии с нормами ПТЭ в баках-аккумуляторах, используемых на ТЭЦ, ГРЭС, в котельных, тепловых сетях и у потребителей, должна быть предусмотрена защита от коррозии и воды в них от аэрации (контакта с атмосферным воздухом).

В соответствии с методическими указаниями [4] существуют две группы методов защиты

металла баков-аккумуляторов от коррозии и воды в них от аэрации.

Первая группа методов предусматривает комбинированную защиту стенок баков от коррозии и воды от аэрации с помощью герметизирующих жидкостей (АГ-4, АГ-4И, АГ-4И-2МИ или АГ-5И).

Ко второй группе относятся методы, которые предусматривают раздельную защиту стенок баков от коррозии лакокрасочными или металлическими, нанесёнными путём металлизации, покрытиями. Для защиты воды от аэрации используются плавающие материалы, затрудняющие доступ воздуха к поверхности воды (поплавковые устройства, плавающие шарики, антииспарительные жидкости), а также газовые или паровые подушки над поверхностью воды.

Нами также разработана серия устройств защиты воды в баках от аэрации [5, 6].

Опыт исследований баков-аккумуляторов ТЭЦ, в том числе и в г. Ульяновске, показал, что далеко не везде предусматриваются средства защиты воды от аэрации. На Ульяновской ТЭЦ-1 защиты от аэрации не предусмотрено. Ранее использовался герметик, но при аварии произошла его утечка в теплосеть, и его более не применяли, как и другие методы защиты.

На ТЭЦ-1 установлены четыре подпиточных

бака-аккумулятора объёмом по 3000 м3. Подвод и отвод воды в баки осуществляется через один общий трубопровод диаметром 1000 мм, проложенный на высоте 848 мм от основания бака. В период минимального водоразбора избыток обработанной воды после деаэраторов закачивается в баки под уровень воды. При увеличении водопотребления абонентами вода откачивается из баков-аккумуляторов. Подача и забор воды осуществляется через круглые отверстия, расположенные в верхней части трубопровода (рис. 1, а).

Принципиальная схема организации подпитки теплосети на Ульяновской ТЭЦ-1 приведена на рис. 1, б.

Установлено, что интенсивность насыщения воды в баках кислородом и диоксидом углерода зависит от большого числа факторов. Выявление этих факторов и целенаправленное воздействие на них может существенно понизить интенсивность аэрации, а в ряде случаев предотвратить повторное насыщение воды атмосферными газами.

На интенсивность вторичного заражения воды газами в баках-аккумуляторах влияют: температурный и гидродинамический режимы работы баков, их конструктивные особенности (объём бака, схема подвода и отвода воды, тип насадки).

а)

19080

2

848

1000

I-1 о д-д-д о д-д-д д д-д-да аа-■ и ■ - ■

5) рт

-Л.

Рис. 1. а) Схема подвода и отвода воды в баки-аккумуляторы ТЭЦ-1: 1 - бак-аккумулятор; 2 - трубопровод подвода и отвода воды; б) Принципиальная схема подпитки теплосети на Ульяновской ТЭЦ-1: 1 - вакуумный деаэратор; 2 - трубопровод деаэрированной воды; 3 - трубопровод подпиточной воды; 4 - подпиточный насос; 5 - трубопровод для подвода воды в бак-аккумулятор и отвода воды из него; 6 - бак-аккумулятор; 7 - пробоотборная точка за деаэратором; 8 - пробоотборная точка после деаэратора и бака-аккумулятора

1

1

6

7

2

-5 £

К!

ч о а о

ч

о

<и «

И

а

<и Ч О

О

140 120 100 80 60 40 20 0

1

1

¡! г 1 1 1

! ! Г 1 1

1 1 |! 1 11 >1 т Т.",,1! 1 1

К,!'! '' »г '1 г Г 1 1 11 г I Г ТЧ г1 ' Я Г 11! 'VI г 1

.мЛи а ШД1 к; ь и

"ЛУч на/*

ооооооооооооооооооооооооооооооооо

Рис. 2. Содержание кислорода в подпиточной воде в январе 2004 г.:

- содержание кислорода в подпиточной воде до баков-аккумуляторов;

- содержание кислорода в подпиточной воде после баков-аккумуляторов

ДО2, мкг/дм3

60

50

40

30

20

10

г = 0,8

•

У * I

• в 1 •

• • г л •

• • •

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

ДЬ/т, м/ч

Рис. 3. Насыщение подпиточной воды кислородом в баках-аккумуляторах в зависимости от скорости падения уровня в баках

Получена обширная выборка данных по изменению содержания кислорода в подпиточной воде до и после баков-аккумуляторов на Ульяновской ТЭЦ-1. Содержание растворённого кислорода в подпиточной воде достигало 150 мкг/дм3 и более, несмотря на эффективную деаэрацию воды. В среднем содержание кислорода после деаэраторов составляло 10-30 мкг/дм3 (рис. 2).

Замеры содержания кислорода в деаэрированной воде производились три раза за сутки. Содержание растворённого кислорода оценивалось с помощью малогабаритного анализатора растворённого кислорода МАРК-301Т.

Для определения степени влияния гидравлического режима (уровня воды, величины изменения уровня, скорости изменения уровня) на процесс насыщения воды кислородом приме-

нён статистический метод корреляционного анализа на основе выборки данных по содержанию кислорода в подпиточной воде до и после баков-аккумуляторов Ульяновской ТЭЦ-1 за три зимних месяца 2003-2004 гг. [7].

С помощью корреляционного анализа выявлена наибольшая связь между величиной насыщения и скоростью падения уровня в баке (коэффициент корреляции г = 0,8) (рис. 3). Зависимости насыщения от величины падения уровня (г = 0,64) и падения уровня, отнесённого к уровню воды на момент замера (г = 0,61), существуют, но менее выражены. Насыщение воды кислородом не зависит от уровня воды в баке на момент замера (г = 0,3).

Для зависимости насыщения воды кислородом от скорости падения уровня воды в баке получено уравнение регрессии:

0

Y1 = 190,14X1 -14,03, (2)

где Y1 - величина насыщения воды кислородом;

- величина скорости падения уровня воды в баке.

По уравнению (2) построена линия регрессии на рис.3.

Подпиточная вода в баках-аккумуляторах ТЭЦ наиболее интенсивно насыщается кислородом в период их заполнения - опорожнения, так как процесс молекулярной диффузии газов в деаэрированную воду при этом сопровождается вынужденной конвекцией, обусловленной высокой турбулизацией потоков, что многократно увеличивает интенсивность повторного заражения воды газами.

В связи с этим очень важно, по какой схеме осуществляется подвод и отвод воды в баки-аккумуляторы, и через насадку какого типа подаётся деаэрированная вода.

Схема организации подвода-отвода воды через один трубопровод, проложенный по дну бака, более рациональна с точки зрения снижения турбулизации потоков в резервуаре. Но подача воды через круглые отверстия, расположенные в верхней части трубопровода, приводит к возникновению вертикальных токов, способствующих проникновению растворённого кислорода с поверхности в более глубокие слои (рис. 1, а).

Температура подпиточной воды, поступающей в бак, влияет на процесс насыщения, так как растворимость газов в воде зависит от температуры воды. Чем ниже температура, тем растворимость кислорода выше. Как показала выборка данных, за три зимних месяца на Ульяновской ТЭЦ-1 температура подпиточной воды варьировалась в пределах 35-55оС.

Немаловажна степень остывания и постоянство температуры воды по всей высоте бака в течение длительного срока хранения воды в баке. Равномерность температурного поля сечения бака-аккумулятора, обеспечиваемая его хорошей тепловой изоляцией в период длительного пребывания воды в баке, исключает возможность диффузионных переносов в объёме воды и перемешивания в нём насыщенного газами верхнего слоя.

На Ульяновской ТЭЦ-2 предусмотрены два бака-аккумулятора ёмкостью по 10 000 м3 каждый. Подвод воды в баки осуществляется через патрубок заполнения 2 диаметром 700 мм, а откачка через патрубок расхода 3 диаметром 1000 мм. По проекту подача и забор воды должны осуществляться через щелевой насадок с отвер-

стиями в нижней части трубопроводов (рис. 4, а). Средств защиты от аэрации воды также не предусмотрено, но вторичного заражения воды коррозионными газами многие годы не наблюдалось, так как температурный режим в баке поддерживался на уровне 80-90оС, что значительно снижает интенсивность аэрации. Кроме того, небольшая паровая подушка, образуемая зеркалом испарения при данной температуре, препятствует поступлению воздуха в бак.

Значительное увеличение содержание кислорода в воде после баков стало отмечаться с момента внесения изменений в схему подвода воды в баки. На практике отмечалось резкое уменьшение толщины днища в результате мощного тока струй, бьющих в дно бака через насадок. По новой схеме подача воды выполняется через трубы, наваренные на круглые отверстия, расположенные в верхней части подводного трубопровода (рис. 4, б).

Предельный уровень воды в баке не выше 11,2 м, а фактический около 7 м. Высота вертикальных труб 3 м. Подобный режим работы при данной нерациональной схеме способствует проникновению растворённого кислорода с поверхности в более глубокие слои. Организация подвода - отвода воды по этой схеме приводит к ещё более интенсивному перемешиванию слоёв воды, чем в баках на Ульяновской ТЭЦ-1, и, следовательно, к ещё более интенсивному насыщению воды в баке-аккумуляторе кислородом.

На Ульяновской ТЭЦ-3 предусмотрены два бака-аккумулятора ёмкостью по 5000 м3 (Н = 11 920 мм; Б = 22 800 мм) каждый. Подвод воды в баки осуществляется через патрубок заполнения 2 диаметром 700 мм, а откачка через патрубок расхода 3 диаметром 1000 мм. Подача и забор воды осуществляется через щелевой насадок, с отверстиями в нижней части трубопроводов (рис. 4, а).

Учитывая, что через патрубок 2 подаётся вода расходом 1150 м3/ч, а через патрубок 3 откачивается 1850 м3/ч, в подающем трубопроводе вода движется со скоростью К=0,83 м/с и числом Рей-нольдса Яе=1,06 10б, в трубопроводе расхода -V=0,65 м/с, Яе=1,19106. Это указывает на турбулентный режим движения воды и в подающем, и расходном трубопроводах, что приводит к интенсивному перемешиванию слоёв воды при заполнении - опорожнении баков. Но в баке предусматривается комбинированная защита с помощью герметика, и аэрации воды не наблюдается при любых гидравлических и температурных режимах. Что лишний раз доказывает необходимость применения средств защиты.

а)

б)

о о 00

28500

о о 00

1248

28500

о о

0

1

¿848

Рис. 4. Схема подвода и отвода воды в бак-аккумулятор на Ульяновской ТЭЦ-2: а) по проекту; б) фактическая: 1 - бак-аккумулятор (У=10 000 м3); 2 - патрубок заполнения; 3 - патрубок расхода с помощью сетки - разрывателя потоков (рис. 5, б)

а)

28500

0

о 00

1

Рис. 5. Рекомендуемая схема подвода и отвода воды в бак-аккумулятор: а) с боковым расположением отверстий подачи воды; б) с гасителем турбулентных потоков: 1 - бак-аккумулятор; 2 - патрубок заполнения; 3 - патрубок расхода; 4 - сетка - разрыватель потоков

Для предотвращения заражения воды коррозионными газами по всему объёму бака-аккумулятора, при отсутствии средств защиты воды от аэрации, необходимо исключить турбулентное перемешивание воды, особенно вертикальные токи. С этой целью предлагаются два технических решения, позволяющие снизить интенсивность аэрации воды в баках-аккумуляторах: благодаря расположению отверстий, через которые вода подаётся в бак, по бокам подающего трубопровода (рис. 5, а); либо по второму решению - гасить турбулентные потоки

Проведённый анализ факторов, влияющих на интенсивность повторного насыщения деаэрированной воды коррозионными газами в баках-аккумуляторах ТЭЦ, показывает значительные резервы в решении проблемы защиты подпиточ-ной воды от насыщения газами в период её хранения.

ВЫВОДЫ:

1. На интенсивность вторичного заражения воды газами в баках-аккумуляторах влияют: температурный и гидродинамический режимы работы баков, их конструктивные особенности (объём бака, схема подвода и отвода воды, тип насадки).

2. Схема организации подвода-отвода воды через один трубопровод, проложенный по дну бака, более рациональна с точки зрения снижения турбулизации потоков в резервуаре.

3. Предлагаются два технических решения, позволяющие снизить интенсивность аэрации воды в баках-аккумуляторах: расположение отверстий, через которые вода подаётся в бак, по бокам подающего трубопровода; гашение турбулентных потоков с помощью сетки -разрывателя потоков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. РД.34.20.501-95. 15-е изд-е. - М. : СПО ОРГРЭС, 1996. - 160 с.

2. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. - 16-е изд-е. - Екатеринбург : Уральское юридическое изд-во, 2003. - 256 с.

3. Шарапов В. И., Ямлеева Э. У. Технологии защиты сетевой и подпиточной от аэрации. -М. : Издательство «Новости теплоснабжения», 2012. - 176 с.

4. Методические указания по оптимальной защите баков-аккумуляторов от коррозии и воды в них от аэрации. МУ 153-34. 1-40.504-00. М. : СПО ОРГРЭС. 2000. - 35 с.

5. Патент №2220368 (ЯИ). МКИ 7 Б 22 Б 3/00. Бак-аккумулятор для хранения деаэрированной воды / В. И. Шарапов, Э. У. Ямлеева // Бюллетень изобретений. - 2003. - №36.

6. Патент №2224951 (ЯИ). МКИ 7 Б 22 Б 3/00. Бак-аккумулятор для хранения деаэрированной воды / В. И. Шарапов, Э. У. Ямлеева // Бюллетень изобретений. - 2004. - №6.

7. Езекиел М., Фокс К.А. Методы анализа корреляций и регрессий. - М. : Статистика, 1966.

Ямлеева Эльмира Усмановна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазо-снабжение и вентиляция» УлГТУ. Шарапов Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» УлГТУ.

Поступила 14.02.2018 г.