CC BY
135
УДК 541.183 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-2-62-66
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ВОДОПОДГОТОВКИ НА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ТЕПЛОВЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ
EXPERIENCE OF APPLYING ADVANCED WATER TREATMENT TECHNOLOGIES AT THE NATIONAL THERMAL
POWER PLANTS
© 2016 г. Е.В. Веселовская, А.Г. Шишло
Веселовская Елена Вадимовна - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635)25-52-18. E-mail: elenaveselovsckaja@ yandex.ru
Шишло Анна Геннадьевна - ведущий инженер, ООО «Инекс-Сочи», г. Сочи, Россия. Тел. (8622)55-10-08. E-mail: inecs@sochi.com
Veselovsсkaja Elena Vadimovna - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635)25-52-18. E-mail: elenaveselovsckaja@yandex.ru
Shyshlo Аnna Gennad'evna - Senior engineer, Open Company «INEKS-Sochi», Sochi, Russia. Ph. (8622)55-10-08. E-mail: inecs@sochi.com
Рассмотрены различные варианты модернизации установок водоподготовки на отечественных электростанциях, в том числе путем применения баромембранных технологий обессоливания воды. Дана оценка перспектив применения различных фильтрующих материалов в практике водоподготовки для различных категорий природных вод. Приведены результаты лабораторных исследований подготовки воды с повышенной цветностью до качества, соответствующего требованиям, предъявляемым к добавочной воде котлов сверхкритических параметров, определены удельные величины сбросных вод для различных вариантов технологических схем водоподготовки.
Ключевые слова: водоподготовка; обратный осмос; ультрафильтрация; ионообменные смолы; обессоливание воды.
Different variants of modernization of water preparation plants at the national power plants including the use of baromembrane water desalination technologies have been considered. The estimation of the prospects of applying different filter materials in the practice of water treatment for different categories of natural waters is given. The results of laboratory research of high chromaticity water treatment to quality the requirements for boilers additional water with supercritical parameters are presented and specific values of waste waters for different variants of technological schemes of water treatment have been defined.
Keywords: water preparation; reverse osmosis; ultrafiltration; ion exchange resins; water desalination.
Введение
Подготовка добавочной воды на водопод-готовительных установках ТЭС является исключительно важным элементом технологического процесса, поскольку в значительной степени определяет экономичность и надежность работы основного оборудования станции. Длительная работа паротурбинного блока без коррозионных повреждений пароводяного тракта и отложений на теплонапряженных поверхностях возможна только при минимальных значениях концентраций растворенных примесей в теплоносителе.
Существуют два основных пути поступления различных видов загрязняющих примесей в
теплоноситель. Первый - загрязняющие примеси, поступающие вместе с присосами охлаждающей воды в конденсаторах и сетевой воды в сетевых подогревателях, а также частицы ионообменных смол, образующихся в результате деструкции загрузок ионообменных фильтров блочных обессоливающих установок. Второй -примеси, характерные для водоема - источника технического водоснабжения ТЭС природного и антропогенного происхождения, прошедшие транзитом через водоподготовительные установки (ВПУ) ТЭС и поступающие вместе с добавочной водой в пароводяной тракт станции [1, 2].
Традиционно для обессоливания добавочной воды на ВПУ ТЭС применялись ионообмен-
ные технологии, позволяющие стабильно обеспечивать минимальные концентрации растворенных примесей в фильтрате. Однако применение ионообменных смол приводит к существенной экологической нагрузке на водоемы-приемники сточных вод ввиду несовершенства процессов регенерации, требующих применения агрессивных реагентов и, соответственно, образования значительных объемов отработанных регене-рационных растворов и отмывочных вод [3].
Поэтому в настоящее время, как за рубежом, так и в нашей стране, все большее применение в процессах водоподготовки на ТЭС находят баромембранные технологии, характеризующиеся высокими экологическими показателями. В зависимости от качества исходной воды и требований к степени обессоливания добавочной воды, зависящих от характеристик основного оборудования, технологические схемы ВПУ, включающие баромембранные установки, имеют отличительные особенности.
Анализ применения новых технологий водообработки
Одной из первых установок обратного осмоса, внедренных в нашей стране на теплоэнергетическом предприятии, стала установка обратного осмоса для обессоливания воды производительностью 50 т/ч, введенная в эксплуатацию в декабре 2002 г. на Уфимской ТЭЦ-1. Исходной водой для установки обратного осмоса на ТЭЦ-1 является умягченная вода, прошедшая реагент-ную обработку методами известкования, коагуляции и магнезиального обескремнивания с последующими фильтрованием осветленной воды на механических фильтрах и двуступенчатым №-катионированием.
Фильтрат установки обратного осмоса подается в бак химически обессоленной воды блока высокого давления и далее в турбинный цех, а концентрат используется для взрыхления механических фильтров. Применение технологии обратноосмотического обессоливания воды позволяет снизить величину солесодержания, общую жесткость, содержание кремнекислоты и остаточное содержание катионов железа. В целом новая технология позволила стабильно обеспечивать качество питательной воды в соответствии с нормами ПТЭ и значительно снизить величину непрерывной продувки котлового оборудования.
В 2003 г. установка обратного осмоса производительностью 100 м3/ч (два блока с мембра-
нами фирмы «Hydranautics» производительностью по 50 м3/ч каждый) была внедрена на Новосибирской ТЭЦ-2. Она предназначена для подготовки добавочной воды, идущей на подпитку энергетических котлов давлением 9,8 и 13,8 МПа. Вода, прошедшая через обратноосмо-тическую установку, подвергается дополнительному обессоливанию методом Н-ОН-иони-рования. Предварительная очистка воды представляет собой обработку в осветлителях методами известкования и коагуляции с последующим фильтрованием на механических фильтрах. Внедрение установки обратного осмоса позволило отказаться от магнезиального обескремнива-ния и двухступенчатого №-катионирования.
Многолетний опыт эксплуатации обратно-осмотической установки на Новосибирской ТЭЦ-2 показал, что при соответствии величины коллоидного индекса воды перед подачей на мембраны нормативным требованиям обессоленная вода характеризуется стабильными остаточными величинами кремниевой кислоты, натрия и удельной электрической проводимости, а расход воды на собственные нужды установки обратного осмоса составляет всего 4,0 - 15,3 % от количества исходной воды в зависимости от часовой производительности оборудования.
На Новочеркасской ГРЭС, начиная с 2004 г., на смену классической технологии трехступенчатого Н-ОН-ионирования поэтапно была внедрена установка обратного осмоса производительностью до 150 м3/ч, включающая три параллельно работающих блока, каждый из которых представлен фильтром микрофильтрации, рабочим насосом и мембранным модулем с мембранными элементами FILMTEC BW 30-400 производства «Dow Chemical», США. Селективность данных мембран составляет не менее 99 % по модельному 0,15 %-му раствору хлорида натрия. Обрат-ноосмотические установки полностью автоматизированы и являются двухкаскадными по концентрату.
Ионообменное обессоливание оставалось только в качестве финишной ступени обессоли-вания, обеспечивая требуемую степень деминерализации добавочной воды при резком снижении расхода высокоагрессивных реагентов, используемых на стадии регенерации ионообменных материалов. Качество обессоленной воды в целом повысилось, что, в частности, может быть проиллюстрировано данными по остаточным концентрациям анионов кремниевой кислоты. Финишная обработка Н-ОН-ионированием с
использованием сильноосновных анионообмен-ных смол может быть успешно заменена технологией электродеионизации воды, позволяющей еще более сократить расход реагентов, но предъявляющей повышенные требования к качеству предварительной подготовки воды.
В 2010 - 2011 гг. технология обратного осмоса была успешно внедрена на Казанской ТЭЦ-2. На данной станции технические решения предусматривают на первой ступени очистки использование самоочищающихся сетчатых фильтров с последующей коагуляцией воды ок-сихлоридом алюминия с подкислением, подачей на блок микрофильтрации и далее на мембранную установку, работающую в режиме «тупиковой фильтрации». Регенерация мембран осуществляется с помощью водовоздушной и последующей водной промывок. Периодически безреа-гентные промывки дополняются щелочными, а также длительными комплексными обработками специальными моющими растворами.
Подготовленную данным образом воду направляют на установку обратного осмоса, работающую в режиме тангенциальной фильтрации.
После установки обратного осмоса частично обессоленная вода поступает в декарбониза-торы и далее на противоточные Н-ОН ионитовые фильтры. Финишное обессоливание на ионообменных фильтрах позволяет обеспечить нормативное качество обессоленной воды.
На Невинномысской ГРЭС также проведена кардинальная реконструкция водоподготови-тельной установки - применявшееся ранее умягчение воды методом известкования в осветлителях с последующим обессоливанием на прямоточных ионообменных фильтрах заменено на предварительную очистку методами контактной коагуляции (с осветлением на механических фильтрах) и ультрафильтрации с использованием половолоконных мембранных модулей и дву-стадийное обессоливание: обратноосмотическое на мембранах BW30-440 селективностью 95 % с последующей обработкой на ионообменных фильтрах. Помимо контактной коагуляции предусмотрен вариант коагуляции в потоке после механических фильтров.
Установка обратного осмоса может работать в двух режимах - по каскадной схеме и с параллельной работой блоков обоих ступеней установки обратного осмоса на ультрафильтро-ванной воде. Безусловно, первый режим характеризуется более высоким коэффициентом разделения, но зато концентрат установки обратного
осмоса, работающей по второму режиму, допустимо сбрасывать в систему ливневой канализации без угрозы превышения нормативов ПДК в водоеме-приемнике сбросных вод.
Результаты лабораторных исследований
Таким образом, анализируя опыт применения баромембранных технологий на водоподго-товительных установках отечественных ТЭС, можно отметить ряд особенностей, зависящих от качества воды источника технического водоснабжения, характеристик основного оборудования станций, а также в ряде случаев от специфики той технологической схемы обессоливания добавочной воды, которая была на станции до внедрения новой технологии [4 - 7].
Учитывая данное обстоятельство, нами была проведена серия экспериментов, позволяющая определить оптимальную схему подготовки добавочной воды для подпитки котлов сверхкритических параметров при повышенных показателях цветности и мутности исходной воды [8]. Эксперименты проводились в лабораторных условиях с использованием стенда, позволяющего моделировать различные варианты технологических схем водоподготовительных установок ТЭС. Лабораторный стенд позволяет моделировать три варианта предварительной очистки исходной воды: механическое двухступенчатое фильтрование предварительно отстоянной воды, фильтрацию через макропористую ионообменную смолу и очистку воды методом ультрафильтрации.
Процесс обессоливания может осуществляться путем пропуска осветленной воды через ячейки, оборудованные обратноосмотическими мембранами, позволяющими имитировать одно-и двухступенчатое обратноосмотическое обессо-ливание, а также путем использования колонок с загрузкой различными типами ионообменных материалов, осуществляющими обессоливание в режиме двух- или трехступенчатого Н-ОН-иони-рования.
Дополнительно проводились исследования, позволяющие контролировать прирост несмываемого осадка на обратноосмотических мембранах и объем сбросных вод при различных вариантах обессоливания воды. Эксперименты проводились на модельных растворах, имитирующих природные воды с высоким содержанием природной органики в широком диапазоне ис-
ходных значений величин мутности и цветности исследуемой воды.
Учитывая, что на процесс мембранного обессоливания воздействует множество факторов, ранее был проведен масштабный эксперимент по определению перечня факторов, оказывающих реальное влияние на работу баромем-бранной установки в условиях сниженного качества исходной природной воды и оценена их значимость [1]. Приведенные в работе [9] результаты были положены в основу дальнейших исследований при определении граничных условий и целесообразности дополнительного исследования факторов ранее принятых в качестве варьируемых.
На рис. 1 приведены результаты исследования обработки природных вод на лабораторном стенде, подключенном по следующей схеме: предочистка - колонки Н-ОН-ионирования -обратноосмотическая ячейка - колонка, имитирующая работу фильтра смешанного действия (ФСД).
Предочистка была представлена пятью различными схемами: 1 - ячейка ультрафильтрации - колонка с загрузкой макропористой анионообменной смолой; 2 - реагентное осветление - колонка с загрузкой дробленым антрацитом фракциями 0,3 - 0,5 мм; 3 - реагентное осветление с последующим отстаиванием - колонка с загрузкой макропористой анионообменной смолой; 4 - ячейка ультрафильтрации; 5 - реа-гентное осветление с последующим отстаиванием - колонка с загрузкой адсорбционным материалом.
тических мембранах (рис. 2) и объем промывных вод ультрафильтрационной ячейки (рис. 3).
Рис. 2. Интенсификация работы ВПУ включением в схему фильтров-органопоглотителей при различных скоростях фильтрации: 1 - 15 м/ч; 2 - 25 м/ч; 3 - 30 м/ч
Рис. 1. Результаты исследования обработки высокоцветных вод на лабораторном стенде
Установлен характер влияния метода предварительной очистки высокомутных и высокоцветных вод на динамику образования несмываемого осадка, образующегося на обратноосмо-
Рис. 3. Диаграмма изменения объемов сбросных вод при различных вариантах технологической схемы ВПУ
Полученные результаты по динамике образования несмываемого осадка хорошо согласуются с известной теорией зависимости диффузионной проницаемости мембран от концентрации [10] - поскольку примеси могут диффундировать в мембране не только через поро-вое пространство, заполненное раствором, но и через аморфные области набухания мембраны, наличие в растворе нерастворимых примесей инициирует гелевую поляризацию, приводящую не только к снижению пропускной способности ячейки, но и накоплению нерастворимого осадка на мембранах.
Величина объема промывных вод ультрафильтрационных установок напрямую определяет экономичность их работы, а также степень экологичности. Учитывая вышеизложенное, можно сказать, что степень осветления воды на стадии предочистки является определяющей при оценке общей экономичности и экологичности всей технологической схемы, включающей баро-мембранные технологии.
Литература
1. Веселовская Е.В. Защита ионообменных фильтров ВПУ ТЭС от органических примесей антропогенного происхождения // Теплоэнергетика. 2003. № 7. С. 35 - 39.
2. Веселовская Е.В., Лысенко С.Е. Влияние водно-химических режимов на технико-экономические показатели энергоблоков 300 МВт: тез. докл. ХХ сессии семинара АН России «Кибернетика электрических систем» по теме «Диагностика электрооборудования». 21 - 24 сент. 2004 г. // Изв. Сев.-Кавк. науч. центра высш. шк. Техн. науки. 2004. № 3. С. 21 - 22.
3. Веселовская Е.В., Ефимов Н.Н., Лысенко С.Е. Современные технологии обезвреживания и утилизации сточных вод ТЭС // Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: материалы VI Междунар. науч.-практич. конф., г. Новочеркасск, 21 апр. 2006 г.: в 2 ч. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2006. Ч. 2. С. 65 - 66.
4. Веселовская Е.В., Ефимов Н.Н., Лысенко С.Е. Применение мембранных технологий на блоках сверхкритических давлений ТЭС // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. № 4. С. 31 - 34.
5. Веселовская Е.В., Лысенко С.Е., Ларин А.А. Модернизация оборудования ВПУ энергоблоков К 300-240 Новочеркасской ГРЭС // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн.
науки. 2005. Спец. вып.: Проблемы теплоэнергетики. С. 17 - 21.
6. Веселовская Е.В., Луконина О.В., Шишло А.Г. Современные проблемы реконструкции водоподготовительных установок теплоэнергетических предприятий // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2012. № 2. С. 63 - 66.
7. Veselovsckaja T.V. Reproduction of make-up water of multi-plu-unit chp-plant in conditions of elevated cocentration of natural organic compound European Science and Technology: materials of the IX international research and practice conference, Munich, December 24th - 25th, 2014/ publishing office Vela Verlag Waldkaiburg - Munich - Germany, 2014, Vol II, P. 471 - 473 s.
8. Веселовская Е.В., Шишло А.Г. Оценка качества работы баромембранных установок в условиях высокой цветности исходной воды // Повышение эффективности производства электроэнергии: Материалы VU Междунар. на-уч.-техн. конф., г. Новочеркасск, 03 - 04 окт. 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2011. С. 116 - 117.
9. Шишло А.Г. Исследование процесса обессоливания добавочной воды блочной ТЭС методом нанофильтрации // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2013. Вып. 4. С. 38 - 42.
10. Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения / под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: Химия, 1981. 464 с.
References
1. Veselovskaya E.V. Zashchita ionoobmennykh fil'trov VPU TES ot organicheskikh primesei antropogennogo proiskhozhdeniya [Protection of CPG Exchange Filters of Thermal Plants from Organic Impurities of Human Origin]. Teploenergetika, 2003, no. 7, pp. 35-39. [In Russ.]
2. Veselovskaya E.V., Lysenko S.E. [The Impact of Water Chemistry on the Technical and Economic Parameters of 300 MW Power Units]. Tez. dokl. KhKh sessii seminara ANRossii «Kibernetika elektricheskikh sistem» po teme «Diagnostika elektroo-borudovaniya» [Proc. Rep. of the Twentieth Seminar Session of the Academy of Sciences of Russia "Cybernetics of Electric Systems"]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2004, no. 3, pp. 21-22. [In Russ.]
3. Veselovskaya E.V., Efimov N.N., Lysenko S.E. [Modern Waste Water Decontamination and Recycling at TermalPower Stations]. Sovremennye energeticheskie sistemy i kompleksy i upravlenie imi: Materialy VI Mezhdunar. nauch.-praktich. konf. [Managemenetof Modern Power Systems and Complexes: Proceedings of TheVI Intern. Scientific-Practical. Conf.]. Novocherkassk, YuRGTU, 2006, Part 2, pp. 65-66. [In Russ.]
4. Veselovskaya E.V., Efimov N.N., Lysenko S.E. Primenenie membrannykh tekhnologii na blokakh sverkhkriticheskikh davlenii TES [The use of Membrane Technology in the Units of Supercritical Pressure at the Thermal Power Plant]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2004, no. 4, pp. 31-34. [In Russ.]
5. Veselovskaya E.V., Lysenko S.E., Larin A.A. Modernizatsiya oborudovaniya VPU energoblokov K 300-240 Novocherkasskoi GRES [Equipment Modernization of Power Units K 300-240 of the Novocherkassk Power Plant]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki Spets. vyp. Problemy teploenergetiki, 2005, pp. 17-21. [In Russ.]
6. Veselovskaya E.V., Lukonina O.V., Shishlo A.G. Sovremennye problemy rekonstruktsii vodopodgotovitel'nykh ustanovok te-ploenergeticheskikh predpriyatii [Issues of Reconstruction of Water Treatment Plants at the Thermal Power Enterprises]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2012, no. 2, pp. 63-66. [In Russ.]
7. Veselovsckaja E.V. Reproduction of Make-up Water of Multiplu-Unit Chp-Plant in Conditions of Elevated Concentration of Natural Organic Compound //European Science and Technology: Materials of the IX International Research and Practice Conference, Munich, December 24th - 25th, 2014/ Publishing Office Vela Verlag Waldkaiburg - Munich - Germany, 2014, vol II, Pp. 471-473.
8. Veselovskaya E.V., Shishlo A.G. [Evaluation of performance quality of Bar membrane Installations in High Color Original Water]. Povyshenie effektivnosti proizvodstva elektroenergii: Materialy VIII Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. [Materials of the VIII International Scientific Conference]. Novocherkassk, YuRGTU, 2011, pp. 116-117. [In Russ.]
9. Shishlo A.G.. Issledovanie protsessa obessolivaniya dobavochnoi vody blochnoi TES metodom nanofil'tratsii [Investigation of additional water desalination of the block Thermal Power Plant by nanofiltratio]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2013, no. 4, pp. 38-42. [In Russ.]
10. Khvang S.-T., Kammermeier K. Membrannye protsessy razdeleniya [Membrane Separations Technolog]. Moscow, Khimiya Publ., 1981, 467 p.
Поступила в редакцию 30 марта 2016 г.
