Комплексная программа по предотвращению процессов коррозии и накипеобразования в теплообменном оборудовании систем жизнеобеспечения «интеллектуального здания» Башня 2000 (Москва-Сити). 21

Вид материала

Применение ультразвука для ограничения накипеобразования в теплосетях
Состав исследуемого раствора
Режим обработки воды
Оптимизация контроля и управления химико-технологическими процессами в малой энергетике

Подобный материал:

1 2 3 4 5

Высокая скорость потока позволяет если не полностью избежать осадко-образования, то свести этот процесс к минимуму при минимальных затратах воды на проведение обратных промывок. Сравнение аппаратов по стоимости и энергопотреблению при их эксплуатации приведено на рис. 3.

Рулонная конструкция для систем ультрафильтрации и обратного осмоса давно признана оптимальной: аппараты обладают большой удельной поверхно-стью мембран и низкой материалоемкостью. Недостаток рулонной конструкции – наличие турбулизаторной сетки, которая является ловушкой для частиц, соз-дает высокое гидравлическое сопротивление потоку при работе аппаратов на воде, содержащей взвешенные вещества [12, 13]. Устранение этого недостатка может стать решающим шагом в создании технологий очистки поверхностных вод с применением мембранных аппаратов рулонной конструкции.

В

последнее время для очистки поверхностных вод активно внедряется техноло-гия нанофильтрации, при которой установки работают без предочистки, забирая во-ду напрямую из поверхност-ных источников. Такие сис-темы производят фирмы «Norit» (Нидерланды) и «PCI» (Великобритания). Эффективность такой техно-логии, по мнению авторов, обусловлена созданием гид-равлических условий, не по-зволяющих взвешенным ве-ществам осаждаться на мем-бранах. Это достигается за счет применения трубчатой конструкции канала (трубчатых или капиллярных мембран), проведения автоматизированных гидравлических промывок со сбросом давления, частых химических регенераций, работы при высоких значениях скорости транзитного потока. Однако до сих пор такие системы не нашли широкого применения в водоподготовке из-за очень высоких капитальных и эксплуатационных затрат.

Совершенствование аппаратов рулонной конструкции и создание безреагентных схем водоподготовки, позволяющих напрямую обрабатывать поверхностные воды, является важнейшей задачей при разработке современных мембранных технологий для водоподготовки.

В аппаратах рулонного типа при движении транзитного потока происходит увеличение сопротивления из-за сетки-турбулизатора. Загрязнение усиливается вместо того, чтобы уменьшаться за счет перемешивания и снижения концентрационной поляризации. В местах контакта турбулизатора и мембраны возникает застойная зона – область, где нет потока воды и соответственно увеличения концентрационной поляризации. В этих зонах происходит образование кристаллов малорастворимых солей и гелеобразование. Возникновение гелевых слоев (коагуляция) идет вокруг этих областей быстрее, чем на поверхности мембран, что приводит к росту сопротивления (рис. 4).

Рис. 4. Влияние конструкции рулонных мембранных аппаратов на образование кристаллических осадков

1 – дренаж; 2 – мембрана; 3 – турбулизатор;
4 – кристаллический осадок; 5 – точки образования кристаллов (застойные зоны); 6 – слой осадка; 7 – скопление осадка

Увеличение сопротивления канала аналогично образованию «сводиков» между зернами загрузки в теории фильтрования. С течением времени сопротивление аппарата резко возрастает, что соответствует фильтрованию частиц, содержащихся в исходной воде, загрязненным турбулизатором. Решением проблемы является изменение конструкции канала, т. е. устранение сетки. Несмотря на очевидность и важность совершенствования канала рулонных элементов, этот вопрос до сих пор не рассматривается на должном уровне производителями рулонных элементов. Результаты выполненных экспериментов по определению зависимостей потерь напора от величины транзитного расхода для нового аппарата приведены на рис. 5.

Г

идравлическое преимущество открытого канала возрастает при накоплении осадка на мембранах. При равных скоростях транзитного потока и одинаковом количестве осадков взвешенных и коллоидных веществ на поверхности мембран величины потерь напора в сравниваемых конструкциях мембранных элементов отличаются в 6–10 раз в пользу элементов с открытыми каналами. Основное преимущество аппарата с открытым каналом состоит не только в гораздо меньшем сопротивлении, но и в отсутствии причин для образования отложений малорастворимых в воде солей.

Вывод: Модернизация аппаратов, благодаря которой устраняется влияние турбулизаторной сетки на прирост сопротивления, позволяет добиться стабильной работы без снижения производительности. Внедрение рулонных элементов новой конструкции в практику водоподготовки позволит отказаться от мероприятий по предотвращению образования осадков (предварительное коагулирование и фильтрование, умягчение, подкисление, использование ингибиторов) и снизить затраты на эксплуатацию мембранных установок.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 08-08-00773-а).

Литература

1. Первов А.Г., Андрианов А.П., Юрчевский Е.Б. Совершенствование систем очистки поверхностной воды // Аква-терм. 2008. № 4 (44).

2. Бондаренко В. И., Первов А. Г. Эколого-экономические аспекты применения мембранных методов в процессах очистки природных вод // Водоснабжение и сан. техника. 2006. № 5.

3. Андрианов А.П., Первов А.Г. Оптимизация процесса обработки воды методом ультрафильтрации // Водоснабжение и сан. техника. 2003. № 6.

4. Храменков С.В., Шредер Р. Юго-Западная водопроводная станция – новый шаг в развитии системы водоснабжения Москвы // Водоснабжение и сан. техника. 2006. № 11, ч. 1.

5. Громов С.А. Использование современных интегрированных мембранных технологий для улучшения качества питательной воды на предприятиях энергетики // Водоочистка. 2007. № 8.

6. Doyen W., Bae B., Beeusaert L. UF as an alternative pretreatment step for producing drinking water // Membrane Technology. № 126.

7. Guigui C., Rouch J.C., Durand-Bourlier L., et al. Impact of coagulation conditions on the in-line coagulation / UF process for drinking water production // Desalination. 2002. V. 147.

8. Yuan W., Kocic A., Zydney A.L. Analysis of humid acid fouling during microfiltration using a pore blockage-cake filtration model // J. Membrane Science. 2002. V. 198.

9. Aoustin E., Schfer A.I., Fane A.G., Waite T.D. Ultrafiltration of natural organic matter // Separation and Purification Technology. 2001. V. 22–23.

10. Seminario L., Rozas R., Brquez R., Toledo P.G. Pore blocking and permeability reduction in cross-flow microfiltration // J. Membrane Science. 2002. V. 209.

11. Бреан А., Глюсина К., Геген Ф., Лангле К. Комплексный подход к проблеме обрастания ультрафильтрационных мембран и контролю качества воды // Водоснабжение и сан. техника. 2007. № 4.

12. Riddle R.A. Open channel ultrafiltration for reverse osmosis pretreatment: IDA world conference on Desalination and Water Reuse. August 25–29, 1991, Washington.

13. Первов А.Г., Андрианов А.П., Козлова Ю.В., Мотовилова Н.Б. Новые технологии обработки поверхностных вод с применением нанофильтрации // Водоснабжение и сан. техника. 2007. № 5.

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ НАКИПЕОБРАЗОВАНИЯ В ТЕПЛОСЕТЯХ

Пирогов Г. В., к.т.н., ТЭЦ-25, фил. ОАО «Мосэнерго»,

Богловский А.В., к.т.н., МЭИ ТУ, Москва

В настоящее время в системах теплоснабжения достаточно широкое распространение получили методы коррекционной обработки сетевой и подпиточной воды различными ингибиторами накипеобразования (антинакипинами). Простота осуществления и возможность исключения солевых сбросов в схемах подготовки подпиточной воды тепловых сетей делают эту технологию особенно привлекательной с экологической точки зрения.

Однако область эффективного применения ингибиторов накипеобразования ограничена как качеством исходной воды (карбонатный индекс, как правило, не выше ~15(мг-экв/л)²), так и температурой подогрева: для водогрейных котлов – не более 110 ⁰С, для бойлеров – не более 120-130 ⁰С. В то же время для подпитки теплосетей зачастую используется артезианская вода или смесь поверхностных и артезианских источников, характеризующихся более высокими значениями карбонатного индекса. Применение в этих условиях коррекционной обработки воды ингибиторами накипеобразования приводит к постепенному заносу отложениями не только бойлеров, но и водо-водяных подогревателей (обычно со стороны греющей воды) и вынуждает в периоды прохождения зимнего максимума температур дополнительно умягчать часть потока подпиточной воды.

В связи с этим в качестве альтернативы ионообменному умягчению было интересно оценить эффективность одного из безреагентных методов ограничения накипеобразования - акустическую (ультразвуковую) технологию как дополнение к коррекционной обработке воды антинакипинами.

Результаты многочисленных исследований влияния ультразвука на процессы кристаллизации и накипеобразования неоднозначны и поэтому практика использования акустического метода ориентируется в основном на эмпирические данные, полученные в промышленных условиях. В последнее время для промышленного использования разработаны, прежде всего, специалистами Акустического института, новые конструкции ультразвуковых аппаратов. Основные отличительные особенности этих устройств заключаются в следующем:

- в излучателях используется магнитострикционный материал "пермендюр", обладающий значительно более высокой эффективностью преобразования энергии электрических колебаний в механическую энергию и более высокой допустимой температурой работы преобразователя;

- схема формирования сигнала сделана таким образом, что согласование излучателя с корпусом или отдельными частями теплообменного оборудования происходит автоматически и практически не требует настройки. Это позволяет уменьшить потребляемую электрическую мощность при более полном ее использовании;

- применен новый способ возбуждения колебаний, названный "двухчастотным", что уменьшает влияние резонансов труб. В результате происходит более полная очистка от отложений, без образования "резонансных колец" из накипи.

Для оценки эффективности новых аппаратов и выявления основных закономерностей ограничения накипеобразования в оборудовании систем теплоснабжения при обработке сетевой воды антинакипинами и ультразвуком была разработана экспериментальная установка, имитирующая оборудование теплосетей.

Исследования проводились на растворах, соответствующих по качеству водам артезианских источников с повышенной жесткостью и щелочностью, что позволяло сократить время опытов. В табл. 1 приведен состав исследуемых растворов.

Таблица 1

Состав исследуемого раствора

Концентрация компонентов, мг-экв/дм³						рН
Ca²⁺	Mg²⁺	Na⁺	SO₄^2-	HCO₃^-	Cl^-	рН
7-9	3-4	7	5,5-6	3.5-5,0	8-9	8,2-8,5

Предварительно были проведены “холостые” опыты для оценки интенсивности накипеобразования в условиях работы стенда без применения каких-либо мер для его ограничения. Результаты этих опытов для условий подогрева раствора до 80-82 ⁰С (температура поверхности экспериментального участка t_ст = 87-90 ⁰С) при значениях Re ~11000 иллюстрирует рис.1.

Рис. 1. Зависимость интенсивности накипеобразования от времени в “холостом” опыте.

Как видно из приведенной зависимости, интенсивность накипеобразования стабилизируется на достаточно высоком уровне примерно через 30-40 часов (т.е. после полного заращивания трубок). Некоторое различие в интенсивности между образцами-вставками обусловлено увеличением температуры раствора и стенки по ходу раствора.

Характер изменения накипеобразования в аналогичных условиях при использовании акустических колебаний приведен на рис.2.

Рис. 2. Зависимость интенсивности накипеобразования от времени с использованием ультразвука

Сопоставление полученных зависимостей указывает, прежде всего, на примерно одинаковую закономерность увеличения интенсивности накипеобразования по мере заращивания теплообменной поверхности. Процесс заращивания завершается также через 30-40 часов. Однако затем наблюдается спад интенсивности, обусловленный частичными сколами отложений. Отложения отслаиваются непосредственно от поверхности в виде чешуек толщиной порядка 170-180 мкм. В последующем оголенные участки поверхности вновь зарастают, причем значительно быстрее. Следует отметить, что в ходе экспериментов не было отмечено сколь-нибудь заметного влияния ультразвука на свойства раствора: все измеряемые параметры оставались на прежнем уровне (рН, щелочность, жесткость). Наблюдаемое влияние акустических колебаний подтверждает их механический характер: напряжения, возникающие в металле под действием акустических колебаний и вызывающие изменение геометрических размеров, передаются отложениям и приводят по достижении определенной толщины к их разрушениям.

Отмеченный характер влияния акустических колебаний делает эту технологию недостаточно эффективной в условиях работы оборудования теплосетей. Поэтому в последующем исследовалась возможность применения ультразвука как дополнение к коррекционной обработке сетевой воды антинакипинами.

Для исследования влияния ультразвука на накипеобразование при коррекционной обработке воды антинакипинами была увеличена температура подогрева раствора до 100-105 ⁰С, температура стенки при этом составляла 127-130 ⁰С. В качестве антинакипина использовался хорошо зарекомендовавший себя в условиях работы теплосетей реагент ПАФ-13А.

На первой стадии этих исследований оценивалась эффективность обработки воды только антинакипинном, причем для ускорения зарастания концентрация ПАФ-13А поддерживалась достаточно низкой. Затем включался ультразвук до разрушений отложений, после чего снова обработка велась только антинакипином, но с большей концентрацией, снова включался ультразвук и т.д. Режим обработки приведен в табл. 2.

Таблица 2

Режим обработки воды

Интервал времени, час	Концентрация ПАФ-13, мг/л	Наличие ультразвука
24 – 32	2,4	+
32 – 48	4÷5	-
48 – 56	4÷5	+
56 – 64	2	-
64 – 72	2	+
72 – 80	3,5÷4	+
80 – 88	5,5	+

Характер изменения интенсивности накипеобразования в этих опытах приведен на рис.3.

Как видно из приведенной зависимости дополнительная обработка ультразвуком позволяет даже при низких дозах антинакипина резко снизить интенсивность накипеобразования. При этом сколы начинаются при толщине отложений вдвое меньшей, чем при обработке только ультразвуком (~90 мкм). Увеличение концентрации антинакипина до обычно применяемых на практике значений (4-5 мг/л) без ультразвука приводит к достаточно высокой интенсивности накипеобразования (2,5-3,5 г/м²ч), значительно превышающей допустимые пределы. Совместное применение антинакипина с оптимальной концентрацией ~5 мг/л и ультразвука позволяет поддерживать интенсивность на достаточно низком уровне. Причем процесс сопровождается отслоением накипи уже при толщине порядка 20 мкм.

Рис. 3. Зависимость интенсивности накипеобразования от времени с использованием ультразвука и реагента ПАФ-13А

Выявленные закономерности влияния ультразвука и антинакипина достаточно хорошо согласуются с представлениями о сорбции антинакипина на поверхности растущих кристаллов и снижении в результате их прочности с последующим разрушением под действием акустических колебаний.

Результаты проведенных исследований были использованы при разработке и внедрении комбинированной технологии коррекционной обработки воды антинакипином совместно с ультразвуком на котельной №2 МУП «Теплосеть г. Железнодорожный», работающей по схеме котел-бойлер с открытым водоразбором. В дополнение к обработке подпиточной воды антинакипином в отопительном сезоне 2007/2008гг. на водо-водяном подогревателе второй ступени и на бойлерах были установлены генераторы ультразвуковых колебаний. Испытания технологии в целом подтвердили ее высокую эффективность: в течение всего отопительного сезона не было выявлено каких-либо нарушений водно-химического режима котельной.

Оптимизация контроля и управления химико-технологическими процессами в малой энергетике

Егошина О. В., к.т.н., Сметанин Д.С., к.т.н.,

ООО «НПЦ «Элемент» совместно с МЭИ (ТУ), Москва

Надежная и экономически эффективная работа энергетического оборудования в целом является приоритетной задачей современной энергетики. По данным различных источников около 60% от общего числа нарушений в работе происходит по причине повреждаемости поверхностей нагрева энергетических котлов. В свою очередь, повреждаемость поверхностей нагрева зависит от множества различных факторов, в том числе от особенностей схем теплоснабжения, используемых в тракте конструкционных материалов, режимов работы энергетического оборудования, квалификации оперативного персонала, схем водоподготовительной установки, используемого водно-химического режима (ВХР), а также методов его контроля и поддержания.

В последние годы на большинстве ТЭС произошли качественные изменения в отношении к проблемам ВХР и химического контроля. Опыт обследования состояния ВХР, систем контроля и его поддержания показывает, что все большее число станций приступает к внедрению и эксплуатации систем химико-технологического мониторинга (СХТМ) ВХР.

Актуальность проблемы внедрения подобных систем подтверждается разработкой общих технических требований к СХТМ ВХР ТЭС, выпущенных Научно-Производственным Центром «Элемент», МЭИ под руководством Департамента научной политики и развития РАО «ЕЭС России».

Следует отметить, что основными задачами создания СХТМ являются:

представление достоверной информации о состоянии воды на АРМ оперативного персонала;
автоматизация ввода и поддержания требуемых концентраций корректирующих реагентов;
минимизация коррозионных процессов;
предотвращение образования отложений на поверхностях нагрева;
снижение повреждаемости оборудования за счет оптимизации ВХР.

Именно эксплуатация СХТМ существенно повышает надежность поддержания основных параметров в нормируемых диапазонах и приводит к снижению аварийности на станциях. Поэтому были проведены работы с целью определения экономического эффекта от внедрения СХТМ.

Опыт эксплуатации систем показал:

наблюдается повышение качества ВХР (снижение числа и отсутствие нарушений ВХР)
отмечается экономия топлива (снижение количества отложений на поверхностях нагрева)
наблюдается снижение затрат на собственные нужды (увеличение межпромывочного периода котлов)
отмечается экономия затрат на ремонт в год (снижение повреждаемости поверхностей нагрева по вине нарушений ВХР)
происходит экономия затрат на корректирующие реагенты (автоматизация ввода и поддержание стабильных значений концентраций реагентов).

Была сделана попытка теоретически оценить и проанализировать потребительский эффект от внедрения и эксплуатации СХТМ. Проведенный энергетический аудит одного из нефтеперерабатывающих предприятий России показал, что срок окупаемости СХТМ ВХР для четырех котлов котельной предприятия составил менее 5 лет. Капитальные затраты составили около 11 млн руб. Ежегодная экономия ремонтно-восстановительных работ составила более 2 млн. руб.

По данным ТЭЦ-3 Тверской Генерирующей компании эксплуатация СХТМ, внедренной в 1998г. и охватывающей 16 точек контроля ВХР котлов № 1-4, привела к снижению годового прироста отложений на внутренних поверхностях со 180 до 100 г/м².

Построение СХТМ как подсистем АСУ ТП позволяет объединить усилия оперативного персонала по своевременному устранению, а впоследствии недопущению аварийных ситуаций по вине нарушений или ухудшения ВХР.

рис. 1 Принципиальная схема СХТМ.

На рис. 1 приведен один из вариантов построения принципиальной схемы СХТМ ВХР. Аналоговые сигналы приборов АХК, установленных на протоке в основных точках отбора проб тракта, преобразуются в цифровой код на аналого-цифровых преобразователях (на схеме - устройства сбора данных), откуда далее направляются на сервер базы данных (БД). Результаты лабораторных анализов вводятся в БД вручную на соответствующих АРМ персонала химического цеха. На сервере организована обработка и хранение данных. Обработка данных, связанная с поддержкой оператора может производиться либо на сервере, либо на АРМах с записью информации в БД.

Многолетний опыт НПЦ «Элемент» по созданию систем автоматического химического контроля (АХК), а также СХТМ ВХР с использованием современных средств контроля и средств вычислительной техники показывает необходимость использования в качестве входной информации трех видов параметров: данные АХК;данные лабораторного химического контроля (ЛХК); теплотехнические параметры, влияющие на ВХР.

Имеющийся опыт внедрения и эксплуатации СХТМ показывает необходимость использования не только данных АХК и ЛХК, но и применение переносных приборов химического контроля с целью организации оперативного лабораторного контроля особенно в переходных и пусковых режимах котлов.

Проблемы автоматизации контроля и управления характерны не только для большой, но также и для малой энергетики.

Одной из основных проблем при эксплуатации СХТМ являются системы отбора пробы, которые не отвечают основному требованию – обязательной представительности пробы, т.е. качество воды на входе и выходе не должно меняться. Пути решения проблемы - непосредственное измерение параметров качества воды в системе теплоснабжения.

В настоящее время в действующих нормативных документах, в т.ч. методических указаниях (МУ) по нормам качества сетевой и подпиточной воды водогрейных котлов, МУ по объему измерений, определяющие необходимый объем технологических измерений, не получили отражения такие показатели как окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), концентрация водорода и т.д. В общих технических требованиях (ОТТ) к СХТМ ВХР эти показатели лишь рекомендованы к использованию. Следует отметить, что помимо отсутствия в нормативных документах вышеупомянутых показателей, имеется проблема недоступности современных приборов вследствие их высокой стоимости. Как правило, оперативный персонал на станциях использует устаревшее оборудование: как лабораторное так и автоматическое.

Одной из приоритетных задач в СХТМ является разработка систем автоматического дозирования корректирующих реагентов. На большинстве станций такие системы морально и физически устарели. Несмотря на привлечение внимания специалистов к управлению дозированием корректирующих реагентов лишь небольшое число станций полностью автоматизируют коррекционную обработку теплоносителя. В то же время, с учетом частых пусков, отсутствуют надежные способы регулирования дозирования реагентов в технологический объект.

Опыт эксплуатации показывает, что нарушение ВХР является одной из причин, приводящих к интенсификации коррозионных процессов и процессов образования отложений на поверхностях нагрева котла. Таким образом, при разработке систем мониторинга одной из основных задач является оценка характера нарушения ВХР. Развитие современных вычислительных средств позволяет применять все более совершенные методы обработки данных. Появляется возможность применять все более совершенные виды алгоритмов для прогнозирования состояния ВХР с помощью методов математического моделирования.

Таким образом, системы ХТМ должны строиться как расширяемые и модернизируемые объекты, что позволяет сформулировать перспективы развития систем, в том числе применение:

надежных систем отбора проб или непосредственного измерения показателей качества теплоносителя;
новых показателей качества теплоносителя в основных руководящих документах по оперативному химическому контролю;
современных средств контроля показателей качества теплоносителя, позволяющие более полно представить состояние ВХР (анализаторы общего органического углерода, ионные хроматографы и т.п.);

автоматических систем регулирования ввода корректирующих реагентов в тракт ТЭС;

средств математического моделирования и инженерных расчетов для анализа и прогнозирования ВХР;

советов оператору-технологу при нарушениях или в случае ухудшения ВХР в качестве информационной поддержки оперативного персонала в нештатных ситуациях.

Часть доклада посвящена новому документу по объему измерений, выполняемых приборами автоматического и лабораторного химического контроля.

В настоящее время Международной ассоциацией по свойствам воды и водяного пара практически завершена разработка нового документа «Техническое руководство. Измерительное оборудование для мониторинга и управления ВХР ТЭС».

Основные положения этого документа содержат:

минимально необходимый АХК, позволяющий определять основные параметры качества ВХР, характерные для конкретной системы;
надежные измерения и самодиагностика приборов АХК;
сигнализация в случае нарушений/ухудшения показателей качества ВХР.

Развитие современных приборов автоматического контроля направлено на то, чтобы минимизировать лабораторный контроль и использовать его в качестве дополнительной информации для диагностики состояния ВХР.

В документе нашли отражение минимально необходимые показатели качества химического контроля, измеряемые приборами автоматического химического контроля и дополнительные показатели качества, объемы автоматического и лабораторного химического контроля.

В заключении хотелось бы отметить: накопленный опыт разработки и эксплуатации СХТМ в большой энергетике может быть успешно использован в малой энергетике при поддержке и понимании проблем со стороны руководства предприятий и непосредственном участии персонала.

Blog