СПОСОБ ЗАДАНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА В ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЕ ДЛЯ ЭНЕРГОБЛОКА С ПАРОВЫМ КОТЛОМ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА КИСЛОРОДНОМ ВОДНО-ХИМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ Российский патент 2008 года по МПК C23F11/18 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для задания оптимальной концентрации растворенного кислорода в питательной воде энергоблоков сверхкритического давления (СКД), работающих на кислородных водных режимах.

Практически все энергоблоки (СКД) тепловых электростанций (ТЭС) работают на кислородных водно-химических режимах (КВХР). Кислородный режим позволяет обеспечить эффективную пассивацию внутренней поверхности стальных труб пароводяного тракта, что способствует повышению надежности работы теплонапряженных поверхностей нагрева и минимизации промывочных сбросов в окружающую среду.

Основными условиями применения КВХР являются обеспечение высокого качества питательной воды, определяемого, главным образом, ее электропроводностью χ_ПВ, и наличие в этой воде регламентируемой концентрации растворенного кислорода. Было выявлено, что основной причиной коррозионных повреждений при КВХР является неоптимальная концентрация растворенного кислорода в питательной воде.

Согласно требованиям действующих нормативных документов [1] - аналог, при работе на КВХР энергоблока СКД необходимо поддерживать χ_ПВ≤0,3 мкСм/см; - в пределах 100...400 мкг/дм³. Более чем 20-летний опыт эксплуатации энергоблоков СКД на КВХР показал недостаточную аргументацию регламентируемой [1] концентрации растворенного кислорода в питательной воде.

Однако до сих пор остается открытым вопрос об оптимальном значении в конкретных условиях, а также о допустимых изменениях этой концентрации. Данные из различных источников показывают, что применяемые значения концентрации растворенного кислорода в питательной воде на действующих энергоблоках существенно отличаются от рекомендуемого нормативными документами и, кроме того, значительно различаются для различных энергоблоков.

Известен способ задания оптимальной концентрации растворенного кислорода в питательной воде для энергоблока с паровым котлом СКД, работающего на КВХР, заключающийся в том, что значение устанавливают исходя из минимально возможной в пределах допустимой концентрации продуктов коррозии (K_Fe) при поддержании заданных значений электропроводности (χ) и водородного показателя (рН) рабочей среды пароводяного тракта [2] - прототип. Согласно [2] целесообразно уменьшение до 60 мкг/дм³ после нескольких сотен часов работы энергоблока на нейтрально-кислородном режиме, причем критерием такого перехода полагают установление практического равенства между концентрациями растворенного кислорода в питательной воде и в конденсате греющего пара подогревателей низкого давления (ПНД).

Недостатками прототипа являются:

- в массе случаев упомянутого равенства концентраций растворенного кислорода не наблюдается и после многих лет работы на КВХР энергоблоков СКД, особенно эксплуатируемых в маневренных режимах;

- при таких режимах - показатель нестабильный, зависящий не только от концентрации кислорода в греющем паре, но и от других обстоятельств (эффективности отсосов из ПНД неконденсирующихся газов, устойчивости автоматики поддержания в ПНД уровня конденсата и др.);

- невозможность оптимальности одного и того же значения для блоков, существенно отличающихся друг от друга по конструкции оборудования, тепловой схеме, условиям эксплуатации;

- примерное равенство концентраций кислорода в рабочей среде на определенном участке пароводяного тракта блока не означает, что на этом участке не протекают коррозионные процессы. Такие процессы возможны под воздействием агрессивных примесей теплоносителя и чаще всего носят не поверхностный, а узколокализованный характер, малозатратный в отношении потребления окислителя.

Как показывают результаты исследований, величина оптимальной концентрации растворенного кислорода в питательной воде энергоблоков СКД зависит от многих факторов, в том числе скорости потока рабочей среды, ее температуры, свойств контактирующего с теплоносителем металла, длительности эксплуатации энергоблока на KBXP, глубины маневренности режима его работы, применяемых конструкционных материалов и конструктивных решений. К указанным факторам, имеющим особое значение, следует отнести и наличие в рабочей среде энергоблоков органических примесей природного или промышленного происхождения (гумус, фульвокислоты, масла, продукты деструкции ионообменных материалов, техногенные загрязнения поверхностных водоемов, не задерживаемые технологическими схемами существующих водоподготовительных установок ТЭС). В тракте энергоблока в присутствии кислорода из органических примесей после их окисления и термолитического разложения образуются преимущественно органические кислоты (угольная, уксусная, муравьиная, пропионовая, масляная, молочная и др.), а в ряде случаев - и кислоты минеральные (серная и соляная). В связи с этим необходимо учитывать, что содержащийся в рабочей среде кислород затрачивается не только на окисление металла (т.е. формирование оксидного слоя на поверхности пароводяного тракта блока), но также расходуется на окисление органических примесей теплоносителя, последующий термолиз которых приводит к «отравлению» рабочей среды органическими и (или) минеральными кислотами.

Исходя из изложенного задачу оптимизации можно сформулировать следующим образом: кислорода должно быть достаточно для создания и поддержания в надлежащем состоянии защитного оксидного слоя на поверхности металла пароводяного тракта (судя по минимальной концентрации в рабочей среде продуктов коррозии), но недостаточно для окисления органических примесей теплоносителя с последующим его обогащением агрессивными соединениями. В этом отношении концентрация кислорода в рабочей среде должна быть тем меньшей, чем больше содержание в этой среде органических загрязнений.

Органические соединения, будучи в исходном состоянии преимущественно электронейтральными, после преобразований в тракте энергоблока (окисления, гидролиза, термолиза) с получением преимущественно кислот становятся электропроводящими. В результате увеличивается электропроводность рабочей среды. Поэтому косвенно о содержании в ней органических примесей, подвергшихся на определенном участке тракта энергоблока упомянутым преобразованиям, можно судить, сравнивая значения электропроводности среды в конце этого участка (χ₂) и в его начале (χ₁). Чем больше соотношение χ₂/χ₁, тем в рабочей среде выше содержание органических веществ, подвергшихся окислению и термолизу с образованием электропроводящих продуктов. Для пароводяного контура блока в целом (за исключением цилиндров среднего и низкого давления турбины) приращение электропроводности рабочей среды с достаточной в практических целях достоверностью можно характеризовать соотношением χ_ПП/χ_ОК, где χ_ПП и χ_ОК - значения электропроводности соответственно перегретого пара после промежуточного пароперегревателя и очищенного турбинного конденсата после блочной обессоливающей установки (БОУ).

Агрессивность продуктов окисления и термолиза органических примесей теплоносителя в тракте энергоблока связана, как отмечалось, с их преимущественно кислым характером, на что указывает уменьшение значения показателя рН рабочей среды в конце соответствующего участка тракта (рН)₂ по сравнению с его началом (pH)₁, т.е. (pH)₂<(pH)₁. Лишь в отдельных случаях (pH)₂=(pH)₁ или (pH)₂>(pH)₁, т.е. образующиеся соединения являются соответственно нейтральными или щелочными. Наиболее характерным, как показывает опыт эксплуатации блоков СКД, является уменьшение величины рН острого пара (рН)_ОП по сравнению с рН питательной воды (рН)_ПВ, из которой этот пар получен. Вместе с тем установлено, что кислые продукты термолиза органических примесей вызывают коррозионно-механические повреждения различных элементов энергоблока, развивающиеся со стороны рабочей среды.

Выполненные авторами многолетние наблюдения и специальные исследования показали, что предельно допустимыми в коррозионном отношении следует считать χ_ПП/χ_ОК≤1,5; (рН)_ПВ-(рН)_ОП≤0,2.

Достигаемым результатом изобретения является установление оптимальной концентрации растворенного кислорода в питательной воде энергоблоков СКД с учетом всех перечисленных выше факторов, обеспечивающего минимизацию коррозионных процессов в пароводяном тракте энергоблока.

Указанный результат обеспечивается тем, что в способе задания оптимальной концентрации растворенного кислорода в питательной воде для энергоблока с паровым котлом СКД, работающего на КВХР, заключающемся в том, что значение устанавливают исходя из минимально возможной в пределах допустимой K_Fe при поддержании заданных значений χ и рН рабочей среды пароводяного тракта, согласно изобретению оптимальное значение устанавливают таким, чтобы χ_ПП/χ_ОК≤1,5, (рН)_ПВ-(рН)_ОП≤0,2 и (K_Fe)_ПП≤10 мкг/дм³, где χ_ПП - значение электропроводности пара после промежуточного пароперегревателя, χ_ОК - значение электропроводности очищенного турбинного конденсата, (K_Fe)_ПП - концентрация продуктов коррозии в паре после промежуточного пароперегревателя.

При этом для работающего энергоблока изменения оптимальной величины допускают в пределах, не превышающих ±10 мкг/дм³.

Верхние пределы выбранных диапазонов значений отношений электропроводности, разности показателей рН, максимальной концентрации железа с учетом приращения допустимого изменения оптимальной концентрации кислорода определены исходя из того, что при больших значениях возникают коррозионно-опасные условия для контролируемых участков питательного тракта. Нижний предел указанных соотношений для каждого из них может быть равен нулю.

На основании изложенного при решении вопроса о выборе задаваемого оптимального значения целесообразно учитывать следующие практические рекомендации:

1. Следует иметь в виду, что для энергоблоков СКД, различающихся по конструкции основного теплоэнергетического оборудования, применяемым материалам пароводяного тракта, условиям эксплуатации, наработке ресурса, содержанию в теплоносителе органических примесей, не может быть одной и той же, единой оптимальной концентрации кислорода в рабочей среде.

2. Считать необоснованным допустимость изменения в широких пределах концентрации растворенного кислорода в питательной воде работающего энергоблока, поскольку это приводит к ухудшению защитных свойств оксидной пленки.

3. Устанавливать оптимальную концентрацию растворенного кислорода в питательной воде конкретного энергоблока СКД опытным путем исходя из того, что при этом должны обеспечиваться:

3.1. минимизация коррозии докотлового тракта, о чем судят по концентрации соединений железа в питательной воде перед котлом (K_Fe)_ПВ;

3.2. наименьшее из сравниваемых вариантов приращение электропроводности рабочей среды в водопаровом тракте энергоблока, обусловленное образованием электропроводящих продуктов окисления и термолиза органических примесей теплоносителя, о чем судят по соотношению значений электропроводности пара за промежуточным пароперегревателем (χ_ПП) и очищенного турбинного конденсата после БОУ (χ_ОК), т.е. по величине χ_ПП/χ_ОК;

3.3. наименьшая из сравниваемых вариантов агрессивность образующихся в тракте блока продуктов окисления и термолиза органических примесей теплоносителя, о чем судят по снижению значения показателя рН острого пара (рН)_ОП в сравнении с рН питательной воды (рН)_ПВ, т.е. по величине (рН)_ПВ-(рН)_ОП;

3.4. минимизация (за счет выполнения условий по п.п.3.1, 3.2., 3.3) коррозии парообразующего и пароперегревательного трактов энергоблока, о чем судят по концентрации соединений железа в паре после промежуточного пароперегревателя (K_Fe)_ПП.

4. Граничными значениями показателей по п.п.3.1, 3.2, 3.3, 3.4 считать: (K_Fe)_ПВ 10 мкг/дм³; (K_Fe)_П≤10 мкг/дм³; χ_ПП/χ_ОК≤1,5 (рекомендуемые значения для современных энергоблоков χ_ПП/χ_ОК≤1,3) χ_ПП/χ_ОК≤1,0 (рН)_ПВ-(рН)_ОП)≤0,2;

изменения оптимальной величины допускать в пределах, не превышающих ±10 мкг/дм³.

Обоснованность приведенных рекомендаций подтверждена промышленными испытаниями на ряде российских ТЭС.

Пример 1. На энергоблоках СКД одной из ТЭС используется КВХР. Каждый энергоблок единичной мощностью 300 МВт включает в себя паровой котел и паровую турбину. Испытания проводились единовременно на четырех энергоблоках, работавших практически с одинаковой нагрузкой на одном виде топлива (природный газ), с компенсацией потерь конденсата обессоленной водой нормируемого качества при сравнимом и также высоком качестве турбинного конденсата, очищенного на БОУ (χ_ОК=0,06...0,09 мкСм/см). Тепловая схема каждого энергоблока бездеаэраторная (роль деаэратора совмещает контактный регенеративный подогреватель питательной воды). Принятая на этой ТЭС концентрация растворенного кислорода в питательной воде энергоблоков составляла В ходе испытаний она сохранялась в указанных пределах на двух энергоблоках (№2 и №3). В отличие от этого, на двух других энергоблоках (№1 и №4) значения были существенно понижены: до 138 мкг/дм³ и до 128 мкг/дм³ соответственно. Контроль качества рабочей среды на каждом участке водопарового тракта блока проводился по показателям: концентрация кислорода электропроводность (χ, мкСм/см), концентрация соединений железа (K_Fe, мкг/дм³), значение рН. Получены следующие результаты испытаний:

а) Наименьшее приращение электропроводности рабочей среды имело место в тракте энергоблока №4, где сравнительно наименьшим была концентрация в рабочей среде кислорода (128 мкг/дм³). На этом энергоблоке соотношение χ_ПП/χ_ОК составило 1,46 (т.е. ниже предложенного граничного значения - 1,5). Близкие к данному результаты были получены для энергоблока №1, где концентрация в теплоносителе растворенного кислорода немногим превышала таковую для энергоблока №4 (на 10 мкг/дм³), но была существенно ниже в сравнении с энергоблоками №2 и №3. Величина соотношения χ_ПП/χ_ОК для энергоблока №1 составила 1,51, а для энергоблоков №2 и №3 - 1,75 и 1,70 соответственно.

б) Именно на энергоблоках №4 и №1 (с пониженной концентрацией растворенного кислорода в питательной воде) не наблюдалось, в отличие от энергоблоков №2 и №3, снижения значений (рН)_ОП в сравнении с (рН)_ПВ.

в) В качестве показателя пониженной интенсивности коррозионных процессов в пароводяном тракте энергоблоков №4 и №1 можно отметить сравнительно наименьшую концентрацию в рабочей среде продуктов коррозии и незначительные изменения этого показателя по тракту. Так, на энергоблоке №4 значения и (KFe)_ПВ, и (K_Fe)_ПП были на уровне всего 2 мкг/дм³, на энергоблоке №1 (K_Fe)_ПВ=2 мкг/дм³, (K_Fe)_ПП=4 мкг/дм³, тогда как на энергоблоках №2 и №3 соответствующие значения (K_Fe)_ПВ и (K_Fe)_ПП превышали аналогичные показатели на энергоблоке №4 в 2,5...4 раза.

г) Позитивные результаты, полученные на энергоблоках №4 и №1, с близкими между собой значениями подтверждают предложенную граничную величину допустимых изменений этой величины на работающем энергоблоке (±10 мкг/дм³).

Таким образом, результаты испытаний показали, что применявшаяся ранее на энергоблоках СКД данной ТЭС концентрация в питательной воде растворенного кислорода не была оптимальной, значительно от нее отличаясь. Впредь для энергоблоков этой ТЭС целесообразно поддерживать величину в пределах 128±10 мкг/дм³.

Пример 2. На блоках СКД единичной мощностью 250/300 МВт применяется нейтрально-кислородный водно-химический режим. В тепловой схеме энергоблока предусмотрен деаэратор. Испытания проводились на блоке №7. Обычно поддерживаемые на блоках СКД данной ТЭС значения В ходе испытаний принимались следующие концентрации кислорода в питательной воде (мкг/дм³): 280, 120, 60, 20, 10. При каждой из этих величин определялись следующие показатели качества рабочей среды: концентрация кислорода в питательной воде перед котлом, в остром паре и в паре за промежуточным пароперегревателем; значение электропроводности очищенного турбинного конденсата после БОУ (χ_ОК) и пара за промежуточным пароперегревателем (χ_ПП); соотношение χ_ПП/χ_ОК; концентрация соединений железа в питательной воде пред котлом (KFe)_ПВ и в паре за промежуточным пароперегревателем (KFe)_ПП; показатели рН питательной воды перед котлом (рН)_ПВ и острого пара (рН)_ОП; разница между (рН)_ПВ и (рН)_ОП.

Первоначально концентрация кислорода в питательной воде поддерживалась примерно такой же, какая оказалась оптимальной для блока №4 предыдущего примера (˜120 мкг/дм³). Однако при этом были получены негативные результаты: повышенная концентрация продуктов коррозии в рабочей среде (K_Fe)_ПП=13,6 мкг/дм³; величина соотношения χ_ПП/χ_ОК=2,07 (граничное значение - до 1,5); разница (рН)_ПВ-(рН)_ОП=0,3 (т.е. в 1,5 раза выше граничного значения).

При соотношение χ_ПП/χ_ОК составило 2,28, т.е. существенно превысило допустимый уровень, (KFe)_ПП=15,4 мкг/дм³, (рН)_ПВ-(рН)_ОП=0,4 (что вдвое больше граничного значения). Не удалось обеспечить позитивные итоги и в других опытах, когда (K_Fe)_ПП=11,6 и 11,0 мкг/дм³.

Положительные результаты были достигнуты только в опытах при (K_Fe)_ПВ=3,8 и 4,8 мкг/дм³, (K_Fe)_ПП=2,4 и 3,4, (рН)_ПВ-(рН)_ОП - всего 0,03 и 0,07. Дальнейшее понижение до 10 мкг/дм³ ухудшило ситуацию: (K_Fe)_ПВ=18,3 мкг/дм³, (K_Fe)_ПП=13,1 мкг/дм³.

Таким образом, оптимальная концентрация кислорода в питательной воде в этом случае оказалось заметно отличающейся и от обычно применявшейся на этой ТЭС (80...150 мкг/дм³), и от определенной в предыдущем примере (128 мкг/дм³), и от установленной нормативами (100...400 мкг/дм³).

Источники информации

1. Методические указания по организации кислородного водного режима на энергоблоках сверхкритического давления. РД 34.37.507-92, М.: СПО ОРГРЭС, 1994, с.6, 12.

2. Лошкарев В.А., Дубровский И.Я., Громова А.И. Исследование коррозионной стойкости перлитных сталей в зависимости от дозы кислорода при НКВР//Теплоэнергетика, 1986, №1, с.59-60.

Изобретение относится к области теплоэнергетики. Способ включает установление значения оптимальной концентрации растворенного кислорода исходя из минимально возможной в пределах допустимой концентрации продуктов коррозии KFe при поддержании заданных значений электропроводности χ и рН рабочей среды пароводяного тракта, при этом оптимальное значение устанавливают таким, чтобы χ_ПП/χ_ОК≤1,5, (рН)_пв-(рН)_оп≤0,2 и (K_Fe)_ПП≤10 мкг/дм³, где χ_ПП - значение электропроводности пара после промежуточного пароперегревателя, χ_ок - значение электропроводности очищенного турбинного конденсата, (рН)_пв - рН питательной воды, (рН)_оп - рН острого пара, (K_Fe)_ПП - концентрация продуктов коррозии в паре после промежуточного пароперегревателя. Технический результат - установление оптимальной концентрации растворенного кислорода в питательной воде энергоблоков с паровым котлом сверхкритического давления, обеспечивающей минимизацию коррозионных процессов в пароводяном тракте энергоблока. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ определения оптимальной концентрации растворенного кислорода в питательной воде энергоблока с работающим на кислородном водном режиме паровым котлом сверхкритического давления с промежуточным перегревом пара, включающий определение исходя из минимально возможной в пределах допустимой концентрации продуктов коррозии (KFe) при поддержании заданных значений электропроводности (χ) и водородного показателя (рН) питательной воды и пара, отличающийся тем, что устанавливают таким, чтобы χ_ПП/χ_ОК≤1,5, (рН)_пв-(рН)_оп≤0,2 и (KFe)_пп≤10 мкг/дм³, где χ_пп - значение электропроводности пара после промежуточного перегрева, χ_ок - значение электропроводности очищенного конденсата, (рН)_пв - значение рН питательной воды, (рН)_оп - значение рН острого пара, (KFe)_пп - концентрация продуктов коррозии в паре после промежуточного перегрева.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для работающего энергоблока изменения допускают в пределах, не превышающих ±10 мкг/дм³.