Оценка величины коррозии в пароконденсатных теплообменниках Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.165.46.001

ОЦЕНКА ВЕЛИЧИНЫ КОРРОЗИИ В ПАРОКОНДЕНСАТНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ

В.Н. ШАРИФУЛЛИН*, А.В. ШАРИФУЛЛИН**, А.Я. ЛАТЫПОВА*

*Казанский государственный энергетический университет

** Казанский национальный исследовательский технический университет

им. А.Н.Туполева-КАИ

Проведен анализ причин коррозии теплообменников паротурбинной установки тепловых станций. Предложен метод проверки гипотезы о наличии коррозии в условиях нечетких признаков. Получена формула оценки скорости коррозии теплообменника по значениям концентрации растворенного кислорода и температуре среды.

Ключевые слова: коррозия, теплообменник, пар, конденсат, диагностика, статистическая теория, выборка, t-критерий Стьюдента, концентрация, трубка.

Теплообменники паротурбинной установки подвергаются биологической, химической и электрохимической видам коррозии. Исследования работ [1-2] показали, что коррозии подвергаются, в основном, внутренние поверхности трубок (со стороны охлаждающей воды), которые изготовлены в большинстве случаев из латуни или сплава МНЖ5-1, а также водяные камеры, изготовленные из углеродистой стали. Ниже рассматриваются математические методы, которые предлагаются для: 1) диагностики коррозии теплообменников и тепловых сетей паротурбинных установок в режиме их нормальной эксплуатации; 2) оценки скорости коррозии; 3) оценки поверхности образовавшихся при этом трещин и разрывов трубок.

Согласно результатам многих исследований, например [1-3], основными признаками наличия коррозии углеродистых сталей и латуней в водной среде являются повышенное содержание в среде аппаратов растворенного водорода и взвешенных продуктов коррозии (окислов железа и меди), а при протекании биокоррозии также и сульфидов. Концентрацию указанных веществ можно определить с помощью анализа пробы воды или измерить с помощью стационарных приборов.

Для диагностики коррозии оборудования по концентрации растворенного водорода в воде можно использовать, например, анализатор типа МАВР-502. На некоторых тепловых станциях этот анализатор успешно применяется для контроля коррозии паровых котлов. Можно рекомендовать их использовать и в конденсаторах на линии конденсата. При небольших отклонениях этого параметра от нормативных значений возникает вопрос, обусловлены ли эти отклонения коррозией металла или они являются случайными? Для ответа на поставленный вопрос можно предложить статистическую теорию проверки гипотез [3], в соответствии с которой сравниваются две выборки: до и после нарушения режима, можно также сравнивать концентрации растворенного водорода во входном и выходном потоках. Рассмотрим методику диагностики коррозии с помощью метода проверки гипотез. Должны быть получены две выборки концентрации растворенного водорода для состояний с и без признаков коррозии, для которых рассчитываются их среднеарифметические

¿>1 и B2 и дисперсии S2 и Sf. Гипотеза об отсутствии коррозии считается верной, если с заданной вероятностью абсолютные отклонения средних этих выборок не

© В.Н. Шарифуллин, А.В. Шарифуллин, А.Я. Л атыпова Проблемы энергетики, 2013, № 1-2

превышают критического значения. При нормальном распределении случайной ошибки проверка гипотезы проводится по критерию Стьюдента [4]:

- в2|< ts|^+— , (1)

\п1 п2

8 = ((п1 -1)^12 + (п2 -1)^2 )0..5 (2)

П1 + П2 - 2

где t — критерий Стьюдента; П1, П2 — число опытов в каждой серии. На рис.1 изображен алгоритм диагностики коррозии.

Для проверки предлагаемой методики диагностики коррозии трубок конденсатора рассмотрим конкретный пример с результатами измерений концентрации растворенного водорода в конденсате. Были получены две выборки, статистические параметры которых представлены в таблице.

Таблица

Состояние аппарата Число опытов в каждой серии Средн. концентр, мкг/л Ср.квадр.отклон.,мкг/л

Начальное 5 7,2 1,5

Текущее 5 11,7 2,5

Критерий Стьюдента при уровне значимости р = 0,05 и числе степеней свободы дисперсии воспроизводимости / = 5 + 5 - 2 = 8 будет равен t = 2,306. Левая часть неравенства (1) равна 4,5, а правая — 2,98, следовательно, условие (1) не выполняется и нуль-гипотеза о равенстве математических ожиданий концентрации растворенного водорода в двух сериях опытов не подтверждается. На основании проведенного анализа можно сделать вывод о протекании коррозии в данном аппарате.

На втором этапе предлагается методика оценки скорости коррозии. Оценить величину коррозии (общей, язвенной проницаемости) оборудования можно по математической модели коррозии. Основными факторами (входным параметрами) модели коррозии являются концентрация растворенного кислорода р02 , температура воды Т, показатель ионов водорода рН, солесодержание воды и тип металла оборудования. Путем обработки экспериментальных исследований работ [1-2] нами построена эмпирическая модель коррозии тепловых сетей и теплообменных аппаратов, по которой можно рассчитать общую и язвенную коррозионную проницаемость для нормальной среды (рН =7):

П = а0 + ах (1е(р02 / 20))2 + ((¡в(Т / 30))2 , (3)

где П — коррозионная проницаемость, мм/год; р02 — концентрация растворенного

кислорода, мкг/дм3; Т — температура, 0С; а0, а1 и а2 — эмпирические константы, зависящие от марки металла и типа коррозии.

В полученной формуле (3) концентрация растворенного кислорода и температура

отнесены к нормативным значениям р02=20 мкг/л и Т = 30 0С . Для общей коррозии углеродистых сталей проницаемость Побщ рассчитывается при значениях эмпирических коэффициентов а0 = 0,2; а = 1,2 ; а2 = 1,2. Скорость язвенной коррозии в 6-8 раз выше скорости общей коррозии и расчет язвенной коррозии Пязв для углеродистых сталей проводится по той же формуле, но значения эмпирических констант равны а0 = 0,2; а1 = 6 ; а2 = 1,2. Для латуней и разных сплавов эмпирические коэффициенты имеют другие значения. Полученная формула позволяет оценить величину скорости коррозии при заданных условиях.

Если в результате коррозии произошло образование трещин и сквозных отверстий в трубках, то возникают протечки охлаждающей воды в межтрубное пространство. В результате этого паровой конденсат загрязняется примесями, его солесодержание и удельная электропроводимость возрастают. Большие протечки могут быть сравнительно легко обнаружены с помощью уравнения материального баланса по данному компоненту или электропроводности конденсата. Небольшие протечки обнаружить с помощью материального баланса невозможно. В этом случае для уверенного обнаружения неполадки можно воспользоваться методом проверки

Fp = , , (5)

статистических гипотез, рассмотренным выше, при этом сравниваются две выборки измерений электропроводимости или солесодержания конденсата: для случаев заведомо исправного оборудования и вызывающего сомнение в целостности трубок.

После установления факта нарушения целостности трубок можно оценить величину присоса охлаждающей воды и площадь разрушения трубок. Величину присоса воды Wp можно рассчитать по уравнению материального баланса для любой примеси охлаждающей воды, составляемому по принципу: массовый поток примеси в выходном конденсате равен ее массовым потокам в исходном паре и в присосе:

WP = DZ ~ Z K , (4)

Zw - Z

где D - расход чистого парового конденсата; Z , Zk , Zw - объемные или массовые концентрации примеси в выходном конденсате, исходном паре и охлаждающей воде.

Поверхность разрушения трубок при известном перепаде давления между потоками APp рассчитывается по известной формуле [5]:

WP ^ APp / р

где р - плотность воды; ц - коэффициент сопротивления, который зависит от формы отверстия и определяется по справочникам [5].

Для проверки предлагаемой методики диагностики разрушения трубок конденсатора рассмотрим числовой пример. Пусть паровой конденсатор КП-540 работает при нагрузке по пару 30 т/ч, расход охлаждающей воды равен 1800 м3/ч, среднее давление в паровом пространстве конденсатора равно 0,03 кг/см2, давление охлаждающей воды в трубках конденсатора - 1,3 кг/см2, концентрация кальция Са в охлаждающей воде 100 мг/л, а в исходном паре и выходном конденсате 0,1 и 0,2 мг/л.

Величина протечки может быть оценена по формуле (4). Величина протечки будет равна Wp = 30000(0,2 - 0,1)/(100 - 0,1) = 30 кг/ч. Величина поверхности трещин и разрывов трубок можно оценить по формуле (5). Принимая отверстия как местное сопротивление, получим величину отверстия

(30/3600)10-3 „ 2 Fp = ; = 1,46 мм2.

0,5V1,3 105/103

Таким образом, в данной работе предложены методики установления в режиме эксплуатации как факта существования неполадки, так и оценки ее величины.

Summary

The causes of corrosion of heat exchangers steam turbine thermal power plants. Method of testing the hypothesis that the presence of corrosion in the fuzzy signs was proposed. Formula of the rate of corrosion of the heat exchanger according to the values of dissolved oxygen concentration and temperature of the medium was collected.

Keywords: corrosion, heat exchanger, steam, condensate, diagnostics, statistical theory, sample, Student's t-test, concentration, tube.

Литература

1. Г.В.Василенко. Влияние концентрации кислорода на коррозию тепловых сетей и теплообменных аппаратов//Теплоэнергетика. 2007. №2. С.66-68.

2. В.И.Никитин. Коррозионные повреждения конденсаторов паровых турбин и определение остаточного ресурса их трубной системы//Теплоэнергетика. 2001. №11. С.41-45.

3. Г.Ф.Банюк, О.П.Архипов, С.И. Брыков и др. Возможности системы коррозионно-усталостного мониторинга в управлении ресурсом парогенератора// Теплоэнергетика. 2007. №2. С.13-16.

4. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М. 2005.

5. П.Г.Романков, Н.Б.Рашковская, В.Ф.Фролов. Массообменные процессы химической технологии. Л.: Химия, 1975.335с.

Поступила в редакцию 29 октября 2012 г.

Шарифуллин Вилен Насибович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Инженерная кибернетика» (ИК) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Шарифуллин Андрей Виленович - д-р техн. наук, профессор Казанского государственного технологического университета.

Латыпова Алия Ясавиевна - студентка группы ПМ-1-09 Казанского государственного энергетического университета. Тел. 8 (843) 5240171; 8(900) 3221304. E-mail: aliya2406@yandex.ru.