Улучшение качества обессоленной воды для котлов-утилизаторов парогазовой установки в связи с модернизацией Казанской ТЭЦ-1 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 66.067.9

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБЕССОЛЕННОЙ ВОДЫ ДЛЯ КОТЛОВ - УТИЛИЗАТОРОВ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ В СВЯЗИ С МОДЕРНИЗАЦИЕЙ КАЗАНСКОЙ ТЭЦ-1

Кучкарова А.Р., ОАО «Генерирующая компания» Казанская ТЭЦ-1, director_21@mail.ru

В данной работе рассматривается вопрос по улучшению качества питательной воды для котлов-утилизаторов парогазовой установки. В лабораторных условиях созданы две установки, одна из которых - последовательно соединённые Н+и ОН- колонки, а вторая - колонка фильтра смешанного действия. В ходе эксперимента через них была пропущена обессоленная вода и проведён химический анализ. Составлена сравнительная таблица значений обессоленных вод и приведён приблизительный технико-экономический расчёт.

Ключевые слова: водоподготовка, водно-химический режим, технология обессолива-ния воды для котлов -утилизаторов парогазовой установки, качество питательной воды для котлов-утилизаторов.

Вопросы водоподготовки и организации водно -химического режима ТЭС имеют большое значение для обеспечения работы без повреждений и снижения экономичности, вызываемых коррозией внутренних поверхностей водоподготовительного, теплоэнергетического и сетевого оборудования, а также без образования накипи и отложений в проточной части турбин, шлама в оборудовании и трубопроводах ТЭС.

Оборудование современных ТЭС эксплуатируется при высоких тепловых нагрузках, что требует жёсткого ограничения толщины отложений на поверхностях нагрева по условиям температурного режима их металла в течение рабочей компании. Такие

83

отложения образуются из примесей, поступающих в циклы теплоэлектростанций, в том числе и с добавочной водой, поэтому обеспечение высокого качества водных теплоносителей электростанции является важнейшей задачей. Использование водного теплоносителя высокого качества упрощает также решение задач получения чистого пара, минимизации скоростей коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и оборудования конденсатно-питательного тракта [1].

Для удовлетворения разнообразных требований к качеству воды, потребляемой при выработке электрической и тепловой энергии, возникает необходимость в специальной физико-химической обработке. Подготовка воды осуществляется в цехе химводоочистки (ХВО), который решает задачи организации и контроля за водно -химическим режимом всех групп оборудования [2].

Химически обессоленная вода, подготовленная химическим цехом, используется для следующих целей:

1) в качестве исходного вещества для получения пара в котлах, парогенераторах, испарителях, паропреобразователях;

2) для охлаждения различных аппаратов и агрегатов станции;

3) в качестве теплоносителя в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения.

Качество воды для энергетических объектов регулируется в соответствующих нормативных документах по следующим показателям: жёсткость, щёлочность, рН, прозрачность, содержание кислорода, натрия, меди, железа, нефтепродуктов, кремниевых соединений, удельная электропроводимость. Для достижения заданных параметров питательной воды котлов необходимо применять те или другие методы водоподготовки. На Казанской ТЭЦ -1 начальным этапом водоподготовки является метод осветления воды - предварительная очистка, которая заключается в необходимости удаления из воды грубодисперсных и коллоидных примесей, а, следовательно, и для улучшения технико-экономических

84

показателей последующих ступеней очистки природных вод от других примесей. Предварительная очистка воды на водоподгото-вительных установках осуществляется при совмещении процессов коагуляции, известкования с флокуляцией.

Коагуляция - это процесс, при котором происходит понижение степени дисперсности коллоидно-растворенных примесей в результате агломерации их частиц с образованием макрофазы. Для осуществления технологического процесса коагулирования содержащихся в воде коллоидных примесей в качестве коагулянтов применяется сульфат железа FeSO4x7H2O. В результате реакций гидролиза

Бе804 +ШО^Ре(ОН)2 +Ш804

и последующего окисления гидроксида железа (2+) растворенным в воде кислородом по реакции

4Бе(0Н)2+02+Н2 O^4Fe(OH)з,

образуются почти нерастворимые в воде гидроксиды железа, которые являются неустойчивыми компонентами коллоидной системы.

Приведённые реакции гидролиза протекают лишь при условии, что образующаяся при этом серная кислота будет частично нейтрализована содержащими в воде гидрокарбонатами кальция и магния, а при их отсутствии или недостатке - добавляемыми щелочным реагентом - известковым молоком

4FeS04+4Ca(0H)2+02+2H20^4Fe(0H)2+4CaS04.

Таким образом, совместное известкование и коагуляция обеспечивают наилучший эффект протекания обоих процессов, однако процесс коагуляции протекает не мгновенно. Хлопья, образующиеся непосредственно после присадки коагулянта, посте-

85

пенно соединяются в крупные комплексы, происходит помутнение воды, после чего образуются еще более крупные рыхлые хлопья, осаждающиеся на дно и увлекающие с собой все грубодис-персные загрязнения. Постепенное осаждение хлопьев сопровождается повышением прозрачности воды. Для ускорения процесса коагуляции применяется подогрев коагулируемой воды до 30-40^ и турбулентное перемешивание её в осветлителе, благодаря чему коллоидные частицы загрязнений и коагулянта испытывают более частые и сильные столкновения, приводящие их к слипанию. Второй фактор, влияющий на процесс ускорения коагуляци -добавление флокулянта. Этот реагент значительно укрупняет и утяжеляет хлопья коагулянта, что даёт возможность повысить скорость подъёма воды в осветлителях и их производительность.

Для глубокого удаления из воды грубодисперсных частиц, хлопьев коагулянта и скоагулированых коллидных частиц применяется фильтрование, то есть пропуск воды через слой зернистого и пористого материала, загруженного в механические фильтры. При фильтровании воды твёрдые частицы задерживаются в толще фильтрующего материала, в результате чего происходит осветление воды. Данный процесс имеет физико-химическую природу, а эффект осветления воды при фильтровании объясняется прилипанием взвешенных частиц к зёрнам фильтрующего слоя и раннее прилипшим частицам под действием молекулярных сил притяжения [1].

Материал, загружаемый в механические фильтры, должен хорошо задерживать содержащиеся в воде грубодисперсные вещества, легко отмываться от задержанной взвеси, не измельчаться и не истираться при промывке, быть стойким против химического взаимодействия на него фильтруемой воды и не загрязнять фильтруемую воду какими-либо веществами, входящими в состав самого материала. В качестве материала, отвечающего этим требованиям, является антрацит, которым и наполнены механические фильтры.

86

Вода, прошедшая предочистку, практически не содержит в себе грубодисперсных примесей и в значительной степени освобождена от колллидных частиц. Однако, основная часть примесей в истинно-растворенном состоянии остаётся в этой воде и должна быть удалена из неё. Для этого применим ионнообменный метод. Сущность ионного обмена заключается в использовании способности некоторых специальных материалов (ионитов) изменять в желаемом направлении ионный состав примесей воды. При ионном обмене сорбция из раствора на ионов одного вида обязательно сопровождается переходом ранее сорбированных ионов другого вида в раствор. Способность ионитов к ионному обмену объясняется их строением. Любой ионит состоит из твёрдой основы, на которую тем или иным способом нанесены специальные функциональные группы, способные при помещении ионита в раствор к образованию на поверхности ионита потенциалообразующих ионов, то есть к возникновению заряда. Вследствие этого вокруг твёрдой фазы образуется диффузный слой из противоположно заряженных ионов. Эти ионы обладают повышенным запасом кинетической энергии и могут выходить из диффузного слоя в раствор, но при этом из раствора в диффузный слой должны переходить ионы того же знака заряда. Таким образом, ионит можно представить как твёрдый электролит, неподвижная часть которого представляет одну его часть, а подвижные противоионы - другую. При ионном обмене большое значение имеют селективность и скорость установления ионообменного равновесия. В настоящее время на ТЭЦ в основном находят применение лишь специально синтезированные иониты на основе искусственных смол. При эксплуатации иониты подвергаются механическим нагрузкам (сдавливанию, трению), поэтому они частично истираются, повышается концентрация мелких частиц и как следствие этого возрастает гидравлическое сопротивление фильтрующего слоя [2].

На сегодняшний день на Казанской ТЭЦ -1 применяется две

87

ступени обессоливания воды. В технологии водоподготовки для удаления определённых ионов из воды применяется два процесса: катионирование - удаление катионов и анионирование - удаление анионов. Процесс Н-катионирования происходит в Н-катионитовом фильтре, ОН-анионирования - в ОН-анионитовом фильтре. Оба процесса в схемах обессоливания применяются в комплексе.

Назначением Н-катионирования являетчя удаление всех катионов из воды с заменой их на ионы водорода. Обмен катионов протекает согласно реакциям:

2НЯ+Са2+^ С аЯ2+2И+;

HR+Na+~NaR+H+;

НС0з+Н+~Н2С0з~Н20+С02.

Все катионы, поступающие вместе с водой на фильтрующий слой, сорбируются в начале процесса в верхних участках этого слоя. Биже к нижней границе слоя располагается зона поглощения ионов №+ , над ней -смешанная зона поглощения Mg2+ и №+, а еще выше - зона поглощения Са2+, М§2+ и №+. Это объясняется степенью селективности ионов. В результате этого процесса мы получаем воду с содержанием кислоты. Вода, прошедшая катио-нирование подвергается анионированию, происходит сорбция анионов согласно следующим реакциям:

R0H+Cl-~ RCl+OH-;

2R0H+ 8042-^2804+Ш0;

0Н-+Н+~Ш0.

Анионы слабых кислот - угольной и кремниевой - поглощаются сильноосновными анионитами:

R0H+HC0з-~RHC0з+H20, R0H+HSi0з-~RHSi0з+H20.

В результате Н-катионирования и ОН-анионирования получается обессоленная вода.

В таблице 1 приведены нормы качества обессоленной воды,

88

предъявляемые ПТЭ (правила технической эксплуатации) [3] и качество обессоленной воды, вырабатываемой на Казанской ТЭЦ -1. Такая обессоленная вода подаётся на котлы ТГМ-84"Б" и ТКУ-13 на Казанской ТЭЦ -1.

Таблица 1. Нормируемые и фактические значения качества обессоленных вод

Показатель, единица измерения Нормируемые значения, согласно ПТЭ Фактические значения

Содержание кремниевой кислоты, мкг/ дм3 <100 45

Жёсткость общая, мкг/ дм3 <1,0 0,5

Натрий, мкг/ дм3 <80 17

Удельная электропроводи-мость(УЭП), мкСм/ дм3 <2,0 0,97

К качеству питательной воды для современных котлов -утилизаторов предъявляются повышенные требования. Это связано с обеспечением надёжной эксплуатации, а также для сохранения технико-экономических показателей котла-утилизатора на протяжении всего срока службы. На основании требований документа СТО 70238424.27.100.013 -2009 «Водоподготовительные установки и водно-химический режим ТЭС. Условия создания. Нормы и требования.» качество питательной воды нормируется по показателям, приведённым в таблице 2.

С целью улучшения качества обессоленной воды было рассмотрено введение третьей ступени обессоливания. Для получения заданных параметров воды была собрана в лабораторных условиях экспериментальная установка, которая состоит из Н-катионитовой и ОН-анионитовой колонки, заполненных катиони-том и анионитом. Обессоленная вода после второй ступени обессоливающей установки проходит сначала через Н-катионитовую колонку III ступени, где улавливаются ионы натрия №+, меди ^2+ и железа Fe2+, Fe3+, впоследствии чего фильтрат поступает на ОН-анионитовую колонку III ступени, в котором улавливаются

89

ионы кремниевых соединений Si02. В качестве фильтрующего материала были выбраны иониты отечественного производства - ка-тионит КУ-2 и анионит АВ-17.

Таблица 2. Нормы питательной воды для котлов-утилизаторов

Показатель Норма и единица измерения

РН 8,9-9,2

Содержание растворенного кислорода в воде после деаэратора <10 мкг/ дм3

Содержание кремниевой кислоты <10 мкг/ дм3

Общее железо <10 мкг/ дм3

Натрий < 5 мкг/ дм3

Хлориды < 3 мкг/ дм3

Медь < 5 мкг/ дм3

Содержание нефтепродуктов < 0,1 мг/ дм3

Жёсткость общая < 0,2 мкг-экв/ дм3

Удельная электропроводимость (УЭП) < 1,0 мкСм/ дм3

После пропуска обессоленной воды через Н и ОН колонки, качество фильтрата изменилось следующим образом (табл. з).

Исходя из данных, приведённых в таблице, следует сделать вывод об эффективности введения третьей ступени обессоливания. Также Н+ и ОН- колонки были заменены на колонку фильтра смешанного действия(ФСД), которая содержит в себе анионит и кати-онит. Через эту колонку пропустили обессоленную воду, а качество фильтрата изменилось также, как и в предыдущем эксперименте. Качество обработанной воды последовательно соединённых Н+ и ОН- колонок и колонки ФСД одинаково. Следовательно, в качестве третьей ступени обессоливающей установки можно применить

90

ФСД.

Таблица 3. Сравнительная таблица значений обессоленных вод

Показатель, единица измерения. Двухступенчатое обессоливание Трёхступенчатое обессоливание Нормы качества питательной воды для котлов-утилизаторов

Натрий, мкг/ дм3 35,1 3,0 <5,0

Общее железо, мкг/ дм3 9,3 4,1 <10

Медь, мкг/ дм3 0,48 0,24 < 5

Содержание кремниевой кислоты, мкг/ дм3 15,4 3,2 <10

Жёсткость общая, мкг-экв/ дм3 (определена колориметрическим методом) 0,2-0,5 0-0,2 < 0,2

Удельная электропроводимость (УЭП), мкСм/ дм3 0,93 0,51 < 1,0

На сегодняшний день существует два вида ФСД: с внутренней (ФСД ВР) и наружной регенерацией (ФСД НР). Недостатком последнего является необходимость перегружать фильтрующий материал в фильтр гидроперегрузки для регенерации.

Предположительно, расчётная производительность обессоливающей установки принята с учётом:

• паропроизводительности двух котлов-утилизаторов - 368,4 т/ч;

• покрытия внутристанционных пароконденсационных потерь в соответствии с п. 4.8.41 ПТЭ РФ в размере не более 1,2% установленной паропроизводительности [4];

• потерь с продувкой котлов в размере не более 1% паропро-изводительности котлов-утилизаторов при восполнении потерь обессоленной водой.

Потребность в обессоленной воде для подпитки котлов-

91

утилизаторов, подаваемая в бак запаса конденсата (БЗК), для зимнего режима составляет 8 т/ч. Учитывая расчётную производительность обессоливающей установки такой расход воды не окажет существенного влияния на расход реагентов и нагрузку фильтров. Поэтому для третьей ступени обессоливания достаточно двух ФСД ВР с небольшой производительностью. Для организации работы водоподготовительной установки для блока ПГУ необходимо установить следующее оборудование (табл. 4).

Таблица 4. Перечень устанавливаемого оборудования и его стоимость

№п/п Наименование оборудования Характеристика оборудования Количество, шт. Стоимость за единицу, руб. Сумма, руб.

1 Фильтр смешанного действия с внутренней регенерацией ФСД ВР-1,4-0,6 D=1,4 м, Q=77 м3/ч 2 400 000 800 000

2 Насос подачи обессоленной воды в фильтр Д 160-112а, Q=150м3/ч, Н=100 м. 2 300 000 600 000

3 Насос подачи обессоленной воды из бака для сбора обессоленной воды Д 160-112а, Q= 150 м3/ч, Н=100 м. 2 300 000 600 000

4 Бак для сбора обессоленной воды V=250 м3 2 350 000 700 000

Итого: 2 700 000 рублей.

Также имеются дополнительные расходы: приобретение трубопроводов, задвижек; покрытие фильтров и баков для сбора обессоленной воды антикоррозионной защитой (АКЗ); наполнение фильтров фильтрующим материалом (катионитом и анионитом); теплоизоляция баков. Суммарный расход на модернизацию обессолива-

92

ющей установки Казанской ТЭЦ-1 составит около 3,3 млн рублей.

Таким образом, следует сделать вывод о необходимости введения третьей ступени обессоливания питательной воды в котлы -утилизаторы ПГУ. Это обладает преимущественно минимальными капитальными затратами на строительство блока водоподготови-тельной установки для ПГУ и обеспечит надёжный водно -химический режим, а, следовательно, уменьшит образование накипных отложений и скорость коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и оборудования конденсатно-питательного тракта. Он также обеспечит надежную эксплуатацию и сохранит технико-экономические показатели котла-утилизатора на протяжении всего срока службы.

Источники

1. Водоподготовка и водно-химические режимы в теплоэнергетике: Учебное пособие / Э.П. Гужулев, В.В. Шалай, В.И. Грищенко, М.А. Таран. Омск.: Изд-во ОмГТУ, 2005. 384 с.

2. Водоподготовка справочник. /Под ред. д.т.н., действительного члена Академии промышленной экологии С.Е.Беликова. М.: Аква - Терм, 2007.- 240 с.

3. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. Москва, 2003 г.

4. СТО 70238424.27.100.013 -2009 «Водоподготовительные установки и водно -химический режим ТЭС. Условия создания. Нормы и требования».

Kuchkarova Adelya R.

IMPROVING THE QUALITY OF THE FEED WATER FOR THE RECOVERY BOILERS COMBINED-CYCLE PLANT IN CONNECTION WITH THE MODERNIZATION OF KAZAN COGENERATION -1

This paper considers the issue of improving the quality of the feed water for the recovery boilers combined-cycle plant. In the laboratory, created two installations, one of which -connected in series H + and OH- column, and the second - the column in mixed, during the experiment after they had missed desalinated water and conducted a chemical analysis. Compiled a comparative table of the values of desalted water and are approximate technical and economic calculation.

Keywords: water treatment, water chemistry, water desalination technology for waste heat boilers combined-cycle plant, the quality of the feed water boilers - utilizers.

93