CC BY
401
Фокин Дмитрий Олегович, студент каф. «Электроснабжение», dmitriyfo-kin@ Jist.ru. Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University
PERSPECTIVE FORECASTING OF THE POWER CONSUMPTION OF CHEMICAL
CONCERN IN MODERN CONDITIONS
A.S. Isayew, R.S. Kazakov, D.O. Fokin
Engineering techniques of a perspective assessment of a power consumption are offered and realized programmatically. Model adaptation with use of modern standard office software products (MS Excel, MathCAD) is carried out and machine experiment for the multinomenclature chemical company is executed.
Key words: power consumption, forecast, time row, electric loading, approximation, method of the smallest squares, additive model, regression.
Isayew Andrey Stanislavovich, candidate of technical science, docent, claude_@,newmsk.tula.net, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,
Kazakov Roman Sergeyevich, graduate student, assistant, kazakov_r_s@,mail. ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,
Fokin Dmitry Olegovich, student, dmitriy-fokin@list. ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University
УДК 621.18: 543.06
МЕТОДИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ РАБОТЫ ПАРОВЫХ КОТЛОВ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
В.В. Воспенников, Н.А. Зайцев, Е.А. Чермошенцев
Рассмотрен технологический алгоритм повышения тепловой эффективности работы паровых котлов, предусматривающий оценку степени загрязнённости системы парообразования, рентгенофазовый и химический анализ проб отложений, выбор моющей композиции, схемы и технологии химической очистки. Проведены лабораторные исследования по растворению отложений, предложены моющие композиции, осуществлены опытные химические очистки действующего парового котла с учётом изменения состава накипи в процессе его эксплуатации.
Ключевые слова: паровой котёл, отложения, анализ, моющая композиция, химическая очистка.
Надёжность и экономичность работы паровых котлов в большой мере зависит от наличия отложений (накипи) на поверхностях нагрева. В
238
зависимости от теплопроводности накипь толщиной 2 - 3 мм может вызвать резкое повышение температуры стенок экранных или кипятильных труб (до 800 - 900 оС), что может привести к пережогу труб. При указанных толщинах накипи перерасход топлива для некоторых типов котлов может составлять 2 - 4 % [1]. Отложения в котлах неизбежны, хотя они и используют глубоко умягчённую питательную воду. В связи с этим предусматриваются эксплуатационные химические очистки котельного оборудования.
Целью работы являлась разработка методики, т.е. комплекса технологических мероприятий, по восстановлению тепловой эффективности паровых котлов типа ДКВР.
Методика предусматривает следующие этапы:
1. Визуальный осмотр внутренних поверхностей котла.
2. Отбор проб отложений и оценка степени загрязнённости.
3. Определение общей расчётной массы отложений.
4. Рентгенофазовый анализ проб отложений.
5. Химический анализ отложений.
6. Определение массы основных составляющих отложений.
7. Выбор моющей композиции, технологии химической очистки, схемы установки.
8. Проведение эксплуатационной химической очистки парового котла.
Пробы отложений из системы парообразования котлов низкого давления типа ДКВР представлены в основном оксидами железа, солями кальция, кремнекислыми соединениями. Этот состав отложений обладает той особенностью, что для растворения «катионогенных» составляющих (оксидов железа, солей жёсткости) должна применяться минеральная (органическая) кислота для получения низкого значения рН, чтобы предотвратить образование и вторичное осаждение гидратов окислов железа. С другой стороны, удаление соединений кремния из кристаллической решётки кремнекислоты, значительно облегчается при контакте с раствором, содержащим компонент, с которым кремний образует прочные комплексные соединения. Таким компонентом является соль фтористоводородной кислоты, например, фтористый натрий.
Для уточнения условий химических очисток проведены лабораторные исследования по подбору моющих растворов для указанных отложений. При исследованиях использовались минеральные, органические кислоты и комплексоны. Проанализирована эффективность действия растворов на отложения. Исследованы тринадцать различных реагентов и их композиции. Во всех случаях навеска отложений составляла 0,5 - 1 г. Растворение проводилось в лабораторных условиях. Раствор после проведения опытов фильтровался и высушенный остаток взвешивался на аналитических весах. Эффективность процессов оценивалась по величине сте-
пени растворения, то есть по отношению массы растворённой навески к массе исходной.
Применение соляной кислоты концентрацией не менее 5 % во всех случаях даёт положительный результат, то есть хорошо растворяет отложения с переводом их большей частью в крупнодисперсный шлам. Добавка фторида натрия в растворы соляной кислоты уменьшает время их воздействия. В целом хороший результат даёт применение композиции: соляная кислота плюс ОЭДФ. Положительный результат дала серия опытов с моющей композицией: трилон Б плюс сульфаминовая кислота. В этом случае твёрдые отложения полностью переводятся в истинный раствор [2, 3].
Практическая часть работы выполнена на котельной завода ООО «Абсолют» посёлка Лужковский Тульской области на паровом котле №3 ДКВР-10/13. Этот котёл наблюдался в течение пяти лет (с 2007 г. по 2012 г.). За это время дважды, в 2008 г. и в 2012 г. проведена его химическая очистка. Причём, до 2008 г. котёл более 15 лет не подвергался химической очистке. За это время в котле накопилось 600 кг отложений. За последние же четыре года в результате более жёсткой эксплуатации котла на его поверхностях теплообмена накопилось около 1070 кг накипи. Состав накипи также изменился. Внутренний осмотр котла проводился через люки верхнего и нижнего барабанов. Внутренние поверхности котла покрыты отложениями бурого и тёмно-бурого цвета. Отложения неравномерные как по толщине, так и по плотности.
Отложения со стенок барабанов снимались скребком. При этом собирались пластины твёрдых отложений. Толщину каждой снятой пластины накипи измеряли микрометром, взвешивали на аналитических весах и измеряли площадь поверхности для оценки средней толщины отложений и удельной загрязнённости поверхностей котла (2180 - 3851 г/м ).
На внутренней поверхности нижнего барабана имеются равномерные отложения толщиной до 3,0 мм (осмотр 2012 г.). Непосредственно на металле плотный слой, трудно удаляемый скребковыми инструментами. На этом слое адсорбированы более мягкие отложения.
В 2012 г. масса отложений в котле почти в 1,8 раза больше, чем в 2008 г. В связи с этим проведён наружный осмотр трубок экранов в объёме топки котла. Отмечено изменение цвета трубок, свидетельствующее об их перегреве в процессе эксплуатации, вызванном слоем накипи с внутренней стороны.
Пробы отложений исследовались методом рентгенофазового анализа на дифрактометре ДРОН-3М.
Химический анализ проб отложений представляется в пересчёте на оксиды. Анализы выполнены на определение содержания гематита, оксида кальция, оксида кремния [4].
На фрагменте рентгенограммы накипи (январь 2008 г.) все чёткие пики дифракционных линий относятся к кристаллической фазе оксида железа и кальцита (рис. 1).
3* Я
Рис. 1. Фрагмент рентгенограммы пробы отложений с внутренних поверхностей теплообмена парового котла ДКВР-10/13 (2008 г.)
Наибольший пик характеризует присутствующий в пробе карбонат кальция (кальцит) СаСО3 (кристаллическая и полуаморфная фаза). Для по-луколичественной характеристики содержания карбоната кальция в пробе использован пик, соответствующий межплоскостному расстоянию кристаллов d = 3,03 Ао.
Растянутые по горизонтали вертикальные отклонения, на которых базируются отмеченные пики, можно отнести к очень малой аморфной составляющей отложений, представленной сложным комплексом:
(2АЬО3 ■ 4СаО ■ 2FеО ■ В2О3 ' 8SiO2 ' Н2О).
Кроме качественного анализа состава отложений, что является основным, рентгенограмма позволяет делать и полуколичественную характеристику идентифицированных соединений. Графически такая оценка может представляться в виде гистограммы.
Гистограмма, построенная для отложений из котла, и результаты химического анализа ^е203 - 38,50 %, СаО - 26,20 %), демонстрируют близкие значения количества в накипи гематита и кальцита.
Фрагмент рентгенограммы отложений (январь 2012 г.) представлен на рис. 2.
Рис. 2. Фрагмент рентгенограммы пробы отложений с внутренних поверхностей теплообмена парового котла ДКВР-10/13 (2012 г.)
Все чёткие пики дифракционных линий относятся к кристаллической фазе оксида железа (гематита) Fe2O3, наиболее характерным и чётким из которых является пик, соответствующий межплоскостному расстоянию кристаллов d = 2,70 Ао. Этот пик будет считаться основным и использоваться для полуколичественной характеристики содержания гематита в пробе.
Наибольший пик характеризует присутствующий в пробе карбонат кальция (кальцит) СаСО3 (кристаллическая и полуаморфная фаза). Для по-луколичественной характеристики содержания карбоната кальция в пробе использован пик, соответствующий межплоскостному расстоянию кристаллов d = 3,04 Ао.
Результаты химического анализа на исходное вещество (СаО -34,0 %, Fe2O3 - 10,8 %, SiО2 - 11,3 %) показывают, что в аморфной части накипи значительно содержание силикатов.
С помощью массовых долей и общей массы отложений рассчитывались массы каждой составляющей накипи.
Особенности конструкции парового котла ДКВР позволяют осуществить его циркуляционную химическую очистку по отдельным экранам и пучкам попарно или поочерёдно. Для реализации указанных методов очистки разработана технологическая схема. В промываемый котёл ввод раствора осуществляется через дренажные вентили на коллекторах экранов и конвективного пучка. Вывод раствора осуществляется из верхнего барабана котла по обратному трубопроводу [5]. Удаление отработанного моющего раствора и промывочных вод из котла осуществляется в дренажные ба-
ки. Для ускорения вывода отработавшего раствора установлен дренажный насос.
В 2008 г. преобладающим веществом в отложениях являлся гематит. Для связывания катионов железа в хорошо растворимый комплексо-нат, не дающий вторичных отложений, а также для получения пассивирующего эффекта в ходе очистки, использован в качестве основного компонента моющей композиции трилон Б с концентрацией (13 - 25) г/л.
Для связывания катионов кальция, а также для размягчения отложений на поверхности металла котла и их смыва с поверхности металла как в растворённом состоянии, так и в виде коллоидного шлама, и для создания кислой среды с рН = (1 - 4) в моющем растворе трилона Б использована сульфаминовая кислота с концентрацией (40 - 50) г/л.
Ингибитор коррозии также предложен - уротропин. Все компоненты накипи в этом моющем растворе полностью растворяются.
Химическая очистка котла проводилась в один этап, включающий две стадии: основную и стадию нейтрализации и щелочения. Использован огневой подогрев моющего раствора до 70 - 99 оС путём кратковременной растопки котла. В процессе очистки выполнялись химические анализы на содержание железа и трилона Б. Технологический график проведения химической очистки представлен на рис. 3.
Концентрация основного моющего агента - трилона Б уменьшается, расходуясь на связывание катионов железа и кальция из отложений. Это потребовало трёх дополнительных дозирований комплексона в раствор. Добавлялась в раствор сульфаминовая кислота и ингибитор-уротропин. Величина рН раствора измерялась лабораторным рН-метром. Промывка была прекращена при практически полной выработке комплексона и стабилизации концентрации железа в растворе. Далее котёл заполнялся для нейтрализации и щелочения раствором кальцинированной соды. Степень очистки котла составила 98 %.
Основные компоненты накипи в 2012 г. - кальцит, гематит, двуокись кремния. Для удаления такой накипи в котле наиболее эффективно и экономически привлекательно применение соляной кислоты. Недостаток -значительная часть удаляемого в накипи железа переводится во взвешенное состояние. Для удаления же силикатной составляющей применялся раствор фторида натрия. Основная стадия очистки - кислотная промывка раствором соляной кислоты. В качестве ингибитора коррозии использовался уротропин. Стадия нейтрализации и щелочения выполнялась раствором кальцинированной соды (5 %).
11 12 13 И 15 и 17 18 19 20 21 22 23 ч.
Рис. 3. Технологический график химической очистки парового котла ДКВР-10/13 (2008 г.)
По результатам измерений концентрации и рН моющего раствора соляной кислоты на выходе из промывочных баков и на выходе из котла построен график для реального времени проведения очистки (рис.4).
Из графика видно, что убыль соляной кислоты в ходе промывки пополняли два раза, что сопровождалось адекватным падением рН раствора. С интервалом около часа после последнего ввода соляной кислоты осуществлён ввод фторида натрия, расчётная концентрация которого в промывочном контуре составила 1,15 %. Решение о прекращении промывки принималось как по величине снижения концентрации соляной кислоты, так и по стабилизации контролируемых параметров моющего раствора. Степень очистки котла составила около 94 %.
Таким образом, в работе подробно проработана и описана методика повышения тепловой эффективности и эксплуатационной надёжности паровых котлов. Рассмотрены две технологические составляющие методики. В 2008 г. при почти равном содержании в отложениях кальцита и гематита принята технология очистки с композицией трилона Б с сульфаминовой кислотой. В 2012 г. при массе отложений большей почти в 1,8 раза, с подавляющим присутствием в них кальцита, но и с наличием силиката, принята моющая композиция соляной кислоты с фторидом натрия. Эта технология агрессивная, менее эффективна, но дешевле более, чем в четыре раза очистки на основе комплексона.
1, II, III - моменты ввода НС1: IV - ввод
Рис. 4. Изменение концентрации и рН моющего раствора в течение основной стадии кислотной химической очистки котла (2012 г.)
Методика практически реализована в тестовом режиме.
Список литературы
1. РД 10-165-97. Методические указания по надзору за воднохимическим режимом паровых и водогрейных котлов. Серия 10. Выпуск 38 / Колл. авт. М.: ФГУП «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2004. 28 с.
2. Воспенников В.В., Зайцев Н.А., Чермошенцев Е.А. Исследование эффективности моющих композиций для котельных накипей с наличием силикатов // Практика противокоррозионной защиты. 2001. №1. С.52-54.
3. Маргулова Т.Х. Применение комплексонов в теплоэнергетике. М.: Энергоатомиздат, 1986. 280 с.
4. Кострикин Ю.М., Калинина Н.М., Манькина Н.Н., Федосеев Б.С. Анализ качества воды, пара и отложений в теплосиловом хозяйстве: методика и расчёты (Серия «Проблемы энергетики», вып. 5). СПб.: Энерготех, 2004. 655 с.
5. Кострикин Ю.М., Мещерский Н.А., Коровина О.В. Водоподго-товка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1990. 254 с.
Воспенников Владимир Васильевич, канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева,
Зайцев Николай Алексеевич, канд. техн. наук, доц., Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д. И. Менделеева,
Чермошенцев Евгений Александрович, канд. техн. наук, доц., Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева
THE METHOD OF RESTITUTION BOILER EFFECTIVE JOB UNDER LOW PRESSURE V. V. Vospennikov, N.A. Zaitsev, E.A. Chermoshentsev
The article deals with the technological algorithm to rise boilers heat efficiency provide for degree of contamination the steam generation system, rontgenologic — phase and chemical analysis of deposits sample, selection of detergent composition, scheme and technology chemical cleaner. Has been make investigation in laboratory to possibility deposits solubility, also propositions for detergent compositions, carried out experiments to chemical cleanings real equipment at boilers with registration of variable deposits composition during exploitation time.
Key words: boiler, deposits, analyses, detergent composition, chemical cleaner.
Vospennikov Vladimir Vasilevich, candidate of technical science, docent, manager of department, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,
Zaitsev Nikolay Alexeevich, candidate of technical science, docent, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University,
Chermoshentsev Evgeniy Alexandrovich, candidate of technical science, docent, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University
