CC BY
29
УДК 621.187.11
Совершенствование технологии обработки воды с высоким содержанием железо-органических примесей для энергоблока ОАО «Ивановские ПГУ»
Ларин Б.М. д-р техн. наук, Коротков А.Н., Опарин М.Ю., Ларин А.Б. кандидаты техн. наук
Дан анализ схемы водоподготовки в ОАО «Ивановские ПГУ» для природной воды с высоким содержанием железо-органических соединений. Приведены результаты лабораторных опытов по повышению эффективности предварительной очистки природной воды различными коагулянтами и показано преимущество сернокислого алюминия с флокулянтом AN 923 VH 14. Предложена и обоснована новая схема деминерализации осветленной воды.
Ключевые слова: обработка воды, железо-органические примеси, коагуляция, фильтрация, тепловые электростанции.
The improvement of water treatment IV PGU for natural waters with high contents of iron-organic substances
Results of laboratory experiments by cleaning natural water with high contents of iron-organic substances are given. New scheme of water treatment is offered.
Keyword: water treatment, iron-organic substances, pagination, filtration, thermal power plants.
В настоящее время для выработки электроэнергии и получения тепла все более широкое применение находят тепловые электростанции (ТЭС) с комбинированными циклами на базе парогазовых установок (ПГУ). На таких ТЭС производство электроэнергии осуществляется при использовании газовых и паровых турбин.
Для энергоблоков с ПГУ в России выпускаются котельные установки различных типов, однако нормы качества воды для них не разработаны. Поэтому далее приведены зарубежные нормы качества воды и пара (табл. 1), разработанные EPRI и фирмой General Electric (GE) для КУ с ПГУ [1].
Для подпитки котла-утилизатора (КУ) должна использоваться добавочная вода высокого качества. Это относится к контурам КУ как высокого, так и низкого давления. Это связано с тем, что в обоих контурах циркулирует один и тот же теплоноситель (рис. 1) и в турбину поступает пар как от контура низкого, так и от контура высокого давлений. Смешиваясь в проточной части паровой турбины, общий поток пара поступает в конденсатор. Поэтому схема подготовки добавочной воды должна быть единой для всех контуров КУ на данной ТЭС и ориентирована на подготовку добавочной воды для контура высокого давления.
Если исходная вода содержит органические примеси в высоких концентрациях, то часто в схеме подготовки добавочной воды используются органопоглотители, например активированный уголь, и применяются мембранные методы обработки воды.
Таблица 1. Требования к качеству добавочной воды для двухконтурных КУ (контур КУ низкого давления -барабанного типа; высокого давления - прямоточного типа) на ТЭС с ПГУ
Характеристики Показатели Рекомендованные
теплоносителя нормальной эксплуатации показатели
Удельная электро-
проводность доба-
вочной воды,
мкСм/см: < 0,1 0,1-0,2
"после БЗК < 1 > 1
Св/а, , мкг/дм3 <10 10-20
Сш++к+ , мкг/дм3 <10 -
Сре , мкг/дм3 <20 -
Общий органиче-
ский углерод,
мкг/дм3 <300 -
С°2 Насыщенный
при данной температуре
*включает СО2
Проектные организации России, выполняющие проекты энергоблоков с ПГУ, часто ориентируются на зарубежные нормы качества добавочной воды (табл. 1). Обеспечить столь высокое качество добавочной воды можно обработкой исходной (осветленной) воды по схеме трехступенчатого химического обессо-ливания или альтернативной схеме глубокой деминерализации воды.
Принципиальная тепловая схема энергоблока № 1 ОАО «Ивановские ПГУ» почти не отличается от схемы для зарубежных ПГУ (рис. 1). Проектная схема глубокого обессоли-вания добавочной воды приведена на рис. 2 и включает следующие стадии обработки:
• предочистка сырой воды в осветлителях и механических фильтрах;
і
• одноступенчатое умягчение осветленной воды на Ыа-катионитных фильтрах;
• удаление железоорганических примесей из умягченной воды на фильтрах-органопоглотителях (ФОП), загруженных анионитом;
• обессоливание умягченной воды на установке обратного осмоса (УОО) с предварительной фильтрацией на фильтрах тонкой очистки (ФТО);
• глубокое дообессоливание воды на фильтрах смешанного действия.
Проектная схема водоподготовительной установки (ВПУ) может обеспечить требуемое качество добавочной воды для «среднего» качества исходной (сырой, или природной) воды.
Однако качество исходной воды в ОАО «Ивановские ПГУ» существенно ниже «среднего», что не позволило выйти на проектные показатели качества добавочной воды в период пус-ко-наладочных и пробных испытаний.
В табл. 2 приведены показатели качества воды по стадиям обработки, полученные штатным химическим анализом в период испытаний (по данным химцеха). Согласно данным табл. 2 и данным эксплуатации в течение года, при устойчивой работе ВПУ может давать обессоленную воду, отвечающую высоким требованиям даже зарубежных стандартов, для обеспечения качества подпиточной воды котлов-утилизаторов энергоблоков ПГУ.
Газ
г°т_ ' п
^ бЦ Г
ІТ
зпуу Отработанный
газ
Рис. 1. Принципиальная схема ПГУ с двухконтурным КУ барабанного типа [8]: 1 - конденсатор; 2 - бак питательной воды и деаэратор; 3 - контур низкого давления; 4 - контур высокого давления; 5 - паровая турбина; 6 - газовая турбина
О
к \ /
И
7
ШВ
БОВ
МФ
ЫаС1
ЖС
Рис. 2. Принципиальная технологическая схема обработки воды ПГУ: ИВ - исходная вода; О - осветлитель; К - коагулянт; И известь; ШВ - шламовые воды; БОВ - бак осветленной воды; МФ - механический фильтр; Ыа - Ыа-катионитный фильтр; ФОП ■ фильтр-органопоглотитель; ЖС - жесткий сток; УОО - установка обратного осмоса; ФСД - фильтр смешанного действия; ОВ обессоленная вода
Таблица 2. Показатели качества обрабатываемой воды на водоподготовительной установке ОАО «Ивановские ПГУ»
Точка отбора пробы
Контролируемый показатель
6.05.08. Ж, мкг-экв/л Щ, мкг-экв/л рн Ыа, мкг/л Б102, мкг/л Ре, мкг/л Ок, мгО/л СІ, мг/л Э04, мг/л с/с, мг/л
Исходная вода 2550 1600 7,62 7100 1126,6 2548,7 21,3 5,6 24,86 397
Известкованнокоагулированная вода, тч.№6 1600 500/ 1000 10,53 2264 13,44
Вход осветлительных фильтров - - - - 2248 - - - -
Выход осветлительных фильтров 10,43 - 1140 - - -
Выход Ыа-катионитных фильтров 85 365/ 700 10,52 - 952 13,44 - - -
Выход ФОП 10,33 - 758 0,31 - - -
УОО вход 10,35* 36400 1112,1 752 0,27 20 10,26 297
УОО выход 9,3 3240 250,8 130 Отс 3,6 9,52 50,7
Вход ФСД - 7,75 1410 144,7 48 Отс - - 44,4
Выход ФСД 1,1 10 36 отс - - 0,5
■ значение рН воды до подкисления.
Однако качество умягченной воды на входе в установку обратного осмоса (УОО вход) часто не отвечает требованиям производителя по содержанию железа и окисляемости. Нормы качества воды на входе в установку обратного осмоса (УОО) не регламентируются руководящим документом (РД), обязательным для электростанций России, в том числе для ОАО «Ивановские ПГУ», что осложняет эксплуатацию аппаратов ВПУ в условиях частого изменения качества исходной воды, получаемой в осветлителе коагуляцией с известкованием.
Результаты лабораторных исследований показывают, что качество исходной (сырой) и осветленной воды в ОАО «Ивановские ПГУ» характеризуется значительными изменениями значений ряда основных показателей во времени. К числу таких показателей относятся, прежде всего, окис-ляемость и содержание железа. Так, в период перехода от весны к лету, с 06.05.2008 по 02.06.2008, значения перманганатной окисляемости и содержания железа в сырой и осветленной воде находились в пределах, приведенных в табл. 3.
Таблица 3. Изменение окисляемости (ПО) и содержания железа в сырой и осветленной воде в период испытаний (06.05.2008-02.06.2008)
Проба воды ПО, мгО/л Реобщ, мкг/л
Сырая вода 21,3-43,0 2430-1120
Осветленная вода 13,4-28,0 1060-5795
При этом средние значения окисляемости и железа характеризуются как высокие и трудно снижаемые при осветлении коагуляцией с известкованием, что подтверждено лабораторными исследованиями и промышленными испытаниями, выполненными фирмой ОРГРЭС.
Нами проведены лабораторные исследования по коагуляции природной (сырой) воды
Ивановских ПГУ с использованием различных коагулянтов и флокулянтов. Исследования показали, что наибольший эффект дает использование сернокислого алюминия с дозой от 2,0 до 2,5 мг-экв/л (в зависимости от качества сырой воды) в присутствии анионактивного среднемолекулярного флокулянта с дозой 0,1 ^0,2 мг/л, а также при подщелачивании в случае значительного снижения щелочности (рис. 3).
Близким по коагулирующей способности оказался другой коагулянт - хлорное железо, в присутствии этого же флокулянта и при таких же дозировках, однако проявляющий склонность к образованию всплывающего шлама.
Для условий осветления исходной (сырой) воды сернокислым алюминием с флокулянтом АЫ 923 УНМ проведено лабораторное исследование эффективности последующей очистки воды по схеме, предлагаемой на рис. 4.
Исследования показали, что в качестве фильтрующего материала механического фильтра (МФ) лучшие сорбционные свойства проявил фильтрующий материал РигоШе, несколько хуже - гидроантрацит и еще хуже -кварцевый песок. Фильтрация осветленной воды на Ыа-катионитных фильтрах позволяет получить глубокоумягченную воду и обеспечивает благоприятные условия для удаления из воды органических примесей на ФОП, загруженном смолой ЬешаШ Б 63-28 А. В среднем нормативная окисляемость воды после ФОП не превышает 2 мгО/л. При работе одной ступени умягчения (Ыа| при отключении №п) проскок жесткости в фильтрат Ыа| вызывает ухудшение качества фильтрата ФОП по окисляемости. Поэтому целесообразно один из трех установленных фильтров перевести в режим работы Ыа-катионирования II ступени.
80
30
-20
-70
-120
ЭFe, %
Г'
тТ
Стадии обработки воды
80 ■
30-
-20-
-70-
-120 -
Эок, %
1 I Ñ I IÑ I IV I
Стадии обработки воды
а) б)
Рис. 3. Эффективность очистки воды от соединений железа (а) и окисляемости (б) по стадиям обработки: ____________________ -
Al2(SO)3+AN923, Дк=2,1 мг-экв/л, Дф=0,2 мг/л;________- FeSO4+Ca(OH)2; I - исходная вода; II - после осветлителя;
III - после Na-фильтров; IV - после ФОП
III
V
Осветленная Механический NaI Nan Фильтр
вода фильтр органо- поглотитель
ХОВ
Рис. 4. Схема фильтрационной части ВПУ ПГУ
Анализ смолы-органоносителя из ФОП ВПУ ОАО «Ивановские ПГУ» показал, что в рабочих условиях сорбционная емкость анионита ЬешаШ Б 63-28 А по соединениям железа составила 94 мг/л смолы, тогда как по органическим веществам - перманганатная окис-ляемость составила 10368 мгО/л смолы (или более 10 гО/л смолы), что является максимальным значением по данным фирм-производителей смол-органопоглотителей. Как положительное свойство следует отметить хорошую регенерируемость данной смолы раствором смеси ЫаС1 (10 %) и ЫаОН (2 %).
Программа проведения промышленных испытаний составлена нами и согласована с руководством ОАО «Ивановские ПГУ». Испытания проводились в период с 21.08.2008 по 02.09.2008 со средним расходом воды 25 м3/ч на осветлителе ВТИ-100. Доза коагулянта устанавливалась на уровне 2^2,5 мг-экв/л. Доза флоакулянта составляла 0,1 мг/л. Анализы проб исходной и осветленной воды, выполнялись авторами по принятым в энергетике методикам [2, 3]. Оперативный персонал химического цеха выполнял анализы в штатном режиме эксплуатации предочистки.
По результатам проведенных испытаний выполнено сравнение качества исходной воды, коагулированной сернокислым алюминием (режим испытания), и воды, коагулированной сернокислым железом совместно с известко-
ванием (по ранее полученным эксплуатационным данным) (табл. 4).
Установлено следующее: за период испытаний технологии коагуляции воды сернокислым алюминием с флоакулянтом AN-923 наблюдалось значительное снижение значений ряда основных показателей в коагулированной воде по сравнению с исходной. Сравнение полученных результатов подтверждает эффективность выбранного метода. Так, в соответствии с данными табл. 4, достигнуто изменение показателей качества воды:
- содержания железа (общ.) - в 4,8 раза;
- окисляемости - в 4,8 раза;
- щелочности (общ.) - в 3,0 раза;
- кремнекислых соединений - в 1,5 раза;
- рН коагулированной воды - до 6,7 ед.
- прозрачности коагулированной воды -
> 42 см. по «кресту».
Жесткость (общ.) практически не изменялась, по сравнению с исходной водой.
Проведенные испытания подтверждают большую эффективность коагуляции сернокислым алюминием с дозировкой флоакулянта по сравнению с ранее использованной техно -логией коагуляции с известкованием.
Снижение величины рН с 7,2 в исходной до 6,5-6,9 единиц в осветленной воде и снижение общей щелочности являются закономерными при данной технологии коагуляции и не имеют негативных последствий.
Таблица 4. Сравнительный анализ основных показателей качества исходной и осветленных вод ВПУ ОАО «Ивановские ПГУ»
Показатель Исходная вода Осветленная вода после коагуляции Ре804+ известкование Осветленная вода после коагуляции А!2(804)318Н20
Що мкг-экв/дм3 3700±100 1800±100 1400±100
Жо мкг-экв/дм3 4100± 100 1500±200 4100± 100
рН ед. 7,6±0,2 10,6±0,2 6,6±0,2
Реобщ. мкг/дм3 1800±200 2300±200 550±100
Ок мгО2/дм3 28,0±2,0 24,0±2,0 6,8±2,0
Э102 мкг/дм3 1100 400,0±50,0 735±30,0
Прозр (+) см. <5,0 <15 >42
А1203 мкг/дм3 1000 - 1700± 100
Заключение
Анализ работы промышленной ВПУ ОАО «Ивановские ПГУ» и лабораторные исследования показывают, что удаление железа представляет наибольшую сложность при очистке воды, подаваемой на установку обратного осмоса (УОО), что заставляет искать альтернативный метод не только осветления, но и обессоливания умягченной воды в периоды ухудшения ее качества.
Нами рекомендована схема получения добавочной воды для энергоблоков 1,2 электрической мощностью 325 МВт каждый ОАО «Ивановские ПГУ» (рис. 5).
Предлагаемая схема подготовки добавочной воды базируется на установке водопод-готовки, выполненной для первого блока ПГУ, требует минимальной реконструкции и позво-
ляет устойчиво получать обессоленную воду высокого качества. Проведенные лабораторные исследования показали возможность снижения окисляемости и содержания железа на стадии осветления до 80 %, а на стадии фильтрации, включая ФОП, - до 85-90 % от исходных значений в сырой воде. Наряду со снижением рН до 6,5-7,0, такое качество воды может удовлетворять требованиям к исходной воде УОО. Установка одной пары Н-ОН-фильтров параллельно УОО повышает маневренность установки при гарантированном качестве частично обессоленной воды. Рекомендуемая загрузка - катионит РигоШе С-100 (КУ-2), анионит РигоШе А-847. В схеме целесообразно предусмотреть декар-бонизатор, возможно, совместив его с воздухоотделителем при предварительном вводе в трубопровод сырой воды коагулянта в дозах около 2,0 мг-экв/л.
Рис. 5. Предлагаемая схема обработки сырой воды на ВПУ
Таблица 5. Показатели работы блока фильтров ИР-РОИ на №-катионированной воде ПГУ
№ фильт- роцик- ла Качество Ыа-катионированной воды Качество обессоленной воды (работа/отключение в регенерацию) Объем воды за фильтро-цикл, л Сорбировано за фильт-роцикл (на 1 л ионита)
X, мкСм/см Ок, мгО/л Ре, мг/л Щф/Що, мг-экв/л рН X, мкСм/см Ок, мгО/л Ре, мг/л рН Ок, мгО/л Ре, мг/л
1 200 7,1 0,46 0,35/0,7 10,36 27/28 1,5/1,9 0,08 6,9 63,5 5636 365,6
2 239 5,8 0,25 0,05/0,7 9,93 26/29 1,3/2,1 0,05 6,7 68,5 4966,2 214,1
3 287 5,9 0,23 0,45/0,71 10,23 34/44 2,4/2,7 0,04 6,5 58 4278 166,8
Таблица 6. Показатели степени десорбции анионитов А-847, Амберлит IRA-67 и МР-64
Опытные данные Степень десорбции ОВ,%, для Амберлит IRA-67 и МР-64
Количество ОВ, мг Степень десорбции ОВ,%
сорбированных десорбированных
555 294,4 52,3 55,3
355,6 295,6 83,1 71,0
308,3 333 108,0 68,0
203 296 145,8 64,8
* избыточный расход щелочи на регенерацию.
Выбор типа ионитов для загрузки в блок фильтров обессоливания (Н (катионит) - ОН (анионит)) определен из опыта их использования в промышленных ионообменных установках [4, 5, 6]. Нами проведены лабораторные исследования названной пары ионитов на умягченной воде в условиях ВПУ ОАО «Ивановские ПГУ».
Согласно полученным результатам (табл. 5, 6), сорбционная емкость по органическим веществам (Ок, мгО/л) находится на уровне 5 гО/л смолы в анионитном фильтре, что является рекомендуемым фирмой-производителем значением. Содержание железа в обессоленной воде невысокое и вполне приемлемое для эффективной работы «полирующего» фильтра смешанного действия (ФСД). Следует отметить хорошую регенери-руемость анионита от органических веществ при удельном расходе щелочи на регенерацию 100 г/л анионита (табл. 6), по сравнению с ре-
генерацией анионитов 1РА-67 и МР-64 в аналогичных условиях [6].
Список литературы
1. Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водо-подготовка в энергетике: Учеб. пособие для вузов. - М.: МЭИ, 2003.
2. Руководящие указания по коагуляции воды на ТЭС: РД 34.37.502 / СЦ НТИ ОРГРЭС. - М., 1973.
3. Воронов В.Н., Ларин Б.М., Сенина В.А. Химикотехнологические режимы АЭС с ВВЭР: Учеб. пособие для вузов. - М.: МЭИ, 2005.
4. Опыт работы автоматизированной установки ионообменного умягчения природной воды / Е.В. Барочкин, М.Ю. Опарин, А.А. Ильичев и др. // Теплоэнергетика. -2005. - № 10. - С. 18-23.
5. Ларин А.Б. Анализ технологической эффективности схем химического обессоливания воды в условиях промышленной эксплуатации.
6. Гостьков В.В. Совершенствование технологии обработки водного теплоносителя на тепловых и атомных электростанциях с использованием перспективных ионитов: Автореф. дис... канд. техн. наук / Иван. гос. энерг. ун-т. -Иваново, 2008.
Ларин Борис Михайлович,
Ивановский государственный энергетический университет,
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой химии и химических технологий в энергетике, e-mail: admin@xxte.ispu.ru
Коротков Александр Николаевич,
Ивановский государственный энергетический университет,
кандидат технических наук, доцент кафедры химии и химических технологий в энергетике, телефон (4932) 38-57-83.
Опарин Михаил Юрьевич,
Ивановский государственный энергетический университет,
кандидат технических наук, доцент кафедры химии и химических технологий в энергетике, e-mail: admin@xxte.ispu.ru
Ларин Андрей Борисович,
Ивановский государственный энергетический университет, кандидат технических наук, телефон (4932) 38-57-83.
