8.1.Водный теплоноситель в паровых котлах и его физико-химические характеристики.

В паровых котлах тепловых электростанций химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания топлива (дымовых газов), что ведет к повышению их энтальпии и температуры. Затем в результате теплообмена тепловая энергия от дымовых газов передается воде, движущейся в поверхностях нагрева котла. Температура дымовых газов при этом снижается и дымовые газы выбрасываются через систему газоочистки в атмосферу.

Энтальпия и температура воды за счет полученной тепловой энергии повышаются, вода из жидкой фазы переходит в паровую, пар нагревается до заданной температуры. Перегретый пар направляется в турбину, где тепловая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора трубины и электрического генератора. В электрогенераторе механическая энергия превращается в электрическую.

Движущаяся газовая или жидкая среда, обладающая высокой энтальпией и температурой, используемая для переноса и преобразования тепловой энергии, называется теплоносителем. На паротурбинной электростанции используются два теплоносителя: первичный- продукты сгорания топлива (дымовые газы); вторичный- вода, насыщенный пар, перегретый пар (водный теплоноситель).

Обычная вода является широко распространенным теплоносителем, дешева, хорошо изучена как рабочее тело, обладает высокими значениями плотности, теплоемкости, теплопроводности, вязкости, что способствует получению высоких коэффициентов теплообмена. К недостаткам воды как теплоносителя следует отнести слабую зависимость энтальпии пара от давления, из-за этого для повышения КПД термодинамического цикла необходимо высокое и сверхкритическое давление воды, что значительно удорожает все оборудование, по которому движется водный теплоноситель.

Вода-коррозионно-активная жидкость, и возникающая коррозия оборудования снижает его надежность. Примеси водного теплоносителя, в том числе и продукты коррозии, откладываясь внутри обогреваемых труб, в проточной части турбины и на другом оборудовании блока, снижают надежность и экономичность работы электростанции. Уменьшить концентрацию примесей в водном теплоносителе можно путем организации водно-химических режимов блоков.

Принципиальная схема движения водного теплоносителя в контуре энергетического блока ТЭС на сверхкритические параметры пара представлена на рис. 8.1.

Конденсат отработавшего в турбине пара из конденсатора 1 подается насосами 2 и 4 в систему из подогревателей 5, 6 и 7, затем - в деаэратор 8, где происходит частичное удаление из воды газообразных примесей (кислород, углекислый газ, азот и т.д.). Из деаэратора питательная вода насосами 9 и 7 направляется в группу подогревателей высокого давления 12 и через регулятор питания подается в паровой котел 13.

В паровом котле вода проходит через экономайзер 14, поверхности нагрева в топке 15 - 17, пакеты пароперегревателя 19, 20. Затем перегретый пар (545 - 565°С) направляется в паровую турбину и, пройдя в турбине части сверхвысокого 23 и высокого 24 давления, поступает в промежуточный пароперегреватель 28 парового котла, где вновь нагревается до 545 - 565°С, и возвращается в турбину (часть среднего давления 25, часть низкого давления 26).

В конденсаторе происходит конденсация пара, отвод теплоты при этом осуществляется охлаждающей водой 32. Встроенная задвижка 18, встроенный сепаратор 29 и растопочный расширитель 30 используются при пуске и останове парового котла.

Теплообмен в паровом котле происходит в условиях высокой температуры (дымовые газы до 1500 - 1800°С, водный теплоноситель до 545 - 565°С) и давления воды (до 30 МПа). Удельные тепловые потоки при этом достигают высоких значений (до 500 - 800 кВт/м²). Металл труб поверхностей нагрева работает в этих условиях с малым запасом по прочности.

Надежность работы металла поверхностей нагрева зависит также от таких процессов, как окалинообразование, коррозия, износ и занос летучей золой с газовой стороны, коррозия и отложение примесей на внутренней водной стороне.

Интенсивность коррозии и образования отложений на внутренней стороне труб парового котла зависит от состава примесей воды и их количества, т.е. от качества воды. Нормы качества питательной воды паровых котлов жестко ограничивают состав и количество примесей.

На рис. 8.1 показано, что конденсат после конденсатора поступает в блочную очистительную установку 3, где улавливается большинство примесей. Конденсат пара из подогревателей также подается в конденсатор и проходит через блочную обессоливающую установку (БОУ). Профилактически проводится коррекция состава примесей конденсата и питательной воды путем ввода химикатов.

Для каждого энергетического блока в зависимости от типа парового котла, параметров пара выбирается свой оптимальный водно - химический режим.

На тепловых электростанциях организуется замкнутый цикл движения водного теплоносителя, а потери воды и пара восполняются за счет подачи химически обессоленной добавочной воды 31.

На тепловых электростанциях кроме основного пароводяного контура 7 - 31 существуют два контура, по которым циркулирует большая масса воды - система теплоснабжения 33 - 39 и система воды 32, 40 - а43, охлаждающей пар в конденсаторе.

Из замкнутой системы теплоснабжения на ТЭС поступает обратная сетевая вода 33, которая нагревается в основном сетевом подогревателе 34 и, при необходимости, в пиковом сетевом подогревателе 35. После этого горячая сетевая вода 36 поступает тепловым потребителям 37. Греющий пар на сетевые подогреватели поступает из отборов турбины, а конденсат 38 направляется в конденсатор турбины.

В закрытой системе теплоснабжения в качестве добавочной сетевой воды 39 допускается применение технической воды, прошедшей химическую обработку, и деаэрированной. Присадка гидразина в подпиточную и сетевую воду запрещается. Не рекомендуется использование для подпитки сетевой воды продувочной и дренажной воды паровых котлов. В открытые системы теплоснабжения подается питьевая вода из водопровода без дополнительной химической обработки.

На ТЭС расходуется большое количество охлаждающей воды. Так, для охлаждения и конденсации пара в конденсаторе турбины К-300-240 блока мощностью 300 МВт необходимо около 12 м³/с воды из ближайшего водного бассейна (озера, водохранилища и т.п.). Примерно 10% этого количества воды требуется для охлаждения масла и воздуха, восполнения потерь в водоподаю-щих системах.

На рис. 8.1 представлена прямоточная система охлаждения. Вода из крупного источника водоснабжения 40 (река, водоем с большим зеркалом испарения) поступает в приемный колодец 41, откуда циркуляционным насосом 42 подается в конденсатор 1 и через колодец 43 с более высокой температурой сбрасывается обратно в водоем 40.

Для того чтобы не нарушить экологическую обстановку в водоеме, тепловые сбросы не должны приводить к повышению температуры водоема более чем на 5°С в зимнее и на 3°С в летнее время.

Количество и состав примесей должно быть таким, чтобы не происходило отложения примесей в трубах конденсатора и других охладителей. Для этого в оборотных системах охлаждения применяется обработка воды реагентами (подкисление, декарбонизация, фосфатирование), организуется продувка системы. Для предотвращения биологических отложений в обоих видах охлаждающих систем применяется обработка воды сильными окислителями (газообразный хлор, его производные).

В качестве источников водоснабжения ТЭС используются поверхностные (из рек, озер, прудов) или подземные (из артезианских скважин) природные воды. В этих водах содержатся разнообразные примеси естественного происхождения, в них попадают также загрязнения с бытовыми и промышленными стоками.

Для оценки качества воды применяются различные показатели, некоторые из них рассмотрены ниже.

Характеристика примесей воды

В зависимости от размера частиц все примеси разделяются на три группы:

-истинно растворенные примесинаходятся в воде в виде ионов, отдельных молекул, комплексов или групп молекул. Размер этих частиц менее 10^-6мм (10~³мкм). В истинно растворенном состоянии в воде находятся газы O₂,CO₂, H₂S, N₂, катионы и анионы солей Са⁺², Mg⁺², N⁺,K⁺,SO₄^2-, HCO₃^-,C1^-, N0₃^-, N0₂^-.

-коллоидно-растворенные примесиобразованы большим числом молекул и имеют размеры частиц 10³-10^-3мкм. Эти примеси могут быть как органического (гуминовые вещества, вымываемые из почвы), так и минерального (кремниевые кислоты, соединения железа) происхождения.

-грубодисперсные примесис размером частиц более 10^-4мм (10³мкм). Это растительные остатки, частицы песка, глины и т.д. Концентрация грубо дисперсных веществ в воде определяется путем фильтрования воды через бумажный фильтр.

Солесодержание- суммарная концентрация в воде катионов и анионов, за исключением ионов H⁺и OH^-, мг/кг. Косвенно о солесодержании можно судить по сухому остатку.

Сухой остаток, мг/кг, определяют путем выпаривания определенного объема воды (после фильтрования) и последующего просушивания остатка при температуре 110-120°С.

Окисляемостьхарактеризует содержание в воде органических веществ, определяется по количеству окислителя, расходуемого на их окисление. В качестве окислителя обычно используется перманганат калия КMnO₄(перманганатная окисляе-мость), мг/кгО₂.

Общая жесткость- суммарная концентрация в воде катионов кальция и магния, мг-экв/кг.

Общая щелочность- суммарная концентрация в воде растворенных гидроксидов и анионов слабых кислот HCO₃^-и CO₃^2-за вычетом концентрации ионов водорода, мг-экв/кг.

Пересчет концентрации веществ С_Н, измеряемой в мг-экв/кг (мкг-экв/кг), на концентрацию С_М, мг/кг, производится по формуле

С_М=С_НЭ,

где Э - эквивалентная масса, равная молекулярной массе вещества, поделенной на валентность.

Для кальция эквивалентная масса 20,04 мг/мг-экв, для магния 12,16 мг/мг-экв (мкг/мгк-экв).

Водородный показательрН представляет собой отрицательный логарифм концентрации водород-ных ионов (рН = -lg С_Н) в воде. Химически чистая вода является очень слабым электролитом, для нее покзатель рН при комнатной температуре равен 7, т.е. только одна из десяти миллионов молекул диссоциирует на ионы Н⁺и ОН^-.

При наличии примесей в воде реакция раствора может быть кислой (рН = 1-3), слабокислой (рН = 4-6), нейтральной (рН = 7), слабощелочной (рН = 8-10), щелочной (рН=11-14).

Для характеристики и контроля воды и конденсатов с малым солесодержанием при отсутствии растворенных газов СО₂и NH₃используется показатель -удельная электропроводимость воды.

Удельная электропроводимость воды, См/см (сименс на сантиметр), характеризуется электрической проводимостью слоя воды, находящегося между

двумя противоположными гранями куба с ребром 1 см, связана с суммарной концентрацией примеси в истинно растворенном состоянии. Электропроводимость чистой воды при 20° С составляет 0,04 мкСм/см.

Очистка природной воды на ТЭС

Природные воды, используемые для подпитки тепловых сетей, основного пароводяного тракта и других технических целей на ТЭС, требуют сложной очистки на водоподготовительной установке (ВПУ). Предварительная очистка (пред очистка) предназначена для выделения из воды грубодисперсных и коллоидных веществ, снижения щелочности воды. На дальнейших этапах производится очистка воды от истинно растворенных примесей. Для этого используются ионный обмен, термические методы (испарители) и др.

Предочистка проводится (рис. 8.1) в фильтрах грубой очистки 44, осветителях 45, механических фильтрах 46. В осветлителе совмещены два процесса: коагуляция и известкование. Для коагуляции используются глинозем (сернокислый алюминий), сернокислое железо, хлорное железо и т.д.

В результате реакций в объеме воды появляется хлопьевидная крупная взвесь. Известкование воды производится раствором извести или известковым молоком. При этом происходит снижение щелочности, снижение солесодержания воды, декарбонизация. В осветлителях, таким образом, в значительной степени удаляются взвешенные и органические вещества, соединения кремния и железа. Твердая фаза удаляется из осветлителя, вода подается на механические фильтры, в которых улавливаются взвешенные примеси.

Сущность ионного обмена заключается в использовании способности некоторых специальных материалов (ионитов) изменять в желаемом направлении ионный состав примесей воды. Ионно-обменные материалы, способные к обмену катионами, называются катионитами и используются при обработке воды в исходном Na^-, H^-и NH₄-формах; аниониты, способные к обмену анионами, используются в ОН-форме и реже в Cl-форме.

Набор ионно-обменных фильтров определяется требуемым качеством добавочной воды. Для примера на рис. 8.1 показана схема подготовки воды для подпитки системы теплоснабжения. После предочистки установлены последовательно два Na-катионитных фильтра 47, 48. Затем умягченная вода подается в деаэратор 49, где удаляются кислород и углекислота. В деаэратор подается из отборов турбины греющий пар 50.

По аналогичной схеме возможна подготовка воды для испарителей 52. Испарители поверхностного типа применяются на ТЭС для получения вторичного пара из химически обработанной воды. Этот пар конденсируется в охладителе 53, и конденсат 55 подается в бак чистой воды. По своему качеству дистиллят пригоден для использования в качестве добавочной воды для любых современных паровых котлов.

В последние годы испарители широко используются для утилизации различного вида сбросных вод. Вода продувки барабанных котлов, дренажей, сбросные воды из химического цеха продаются по трубопроводу 51 в деаэратор 49, а затем-в испаритель 52. Продувочная вода испарителя с высокой концентрацией примеси охлаждается и направляется в доупаривающую установку 54. Выделенные при этом соли используются в промышленности или сбрасываются в специальные хранилища.

Учитывая высокие требования к качеству питательной воды для котлов сверхкритического давления, добавочная вода в основной пароводяной тракт блока СКД проходит химическое обессоливание. После предочистки вода проходит две ступени Н-катионитных фильтров 56, 58 и первую ступень анионитного фильтра 57, затем поступает в декарбонизатор 59, где происходит удаление свободной углекислоты. После декарбонизатора вода подается во вторую ступень анионитного фильтра 64 и в фильтр смешанного действия 65. Добавочная вода 31 направляется в конденсатор 1 паровой турбины, где проходит дополнительную деаэрацию.

В энергоблоках с прямоточными котлами СКД для очистки конденсата от солей и кремнекислоты, поступающих с присосами охлаждающей воды в конденсаторе турбины, и продуктов коррозии оборудования используется блочная обессоливающая установка (БОУ) 3, через которую пропускается непрерывно весь конденсат. Установка включает в себя механические фильтры для улавливания продуктов коррозии и других взвешенных примесей и фильтр смешанного действия для обессоливания турбинного конденсата. В фильтре осуществляется процесс совместного Н-ОН-ионирования воды.

Для ТЭС с барабанными котлами высокого и сверхвысокого давления в качестве добавочной используется химически очищенная вода после двух ступеней Н-ОН-ионирования.

Теплофизические свойства водного теплоносителя

На рис. 8.2a показана зависимость давления от удельного объема водного теплоносителя и температуры. При постоянной температуре удельный объем с ростом давления уменьшается, причем при докритической температуре имеется область двухфазного (пароводяного) состояния, заключенная между кривыми v' (объем воды на линии насыщения) и v" (объем пара на линии насыщения). При сверхкритической температуре водный теплоноситель считается однофазной средой, хотя переход от состояния воды к пару происходит постепенно, а не скачкообразно.

Параметры критического состояния воды:

давление р_КР=2,2115·10⁷Па=22,115 МПа; температура t_КР= 374,12°С;

удельный объем V_КР= 0,003147 м³/кг; удельная энтальпия h_КР=2095,2 кДж/кг.

Изотермы на рис. 8.2a проведены для температур, характерных для перегретого пара (440, 510, 540, 570°С) паровых котлов. Горизонтальные линии соответствуют характерным для энергетики давлениям воды и пара, применяемым в паровых котлах.

Зависимость удельной теплоемкости с_Р, кДж/(кг·К), от температуры показана удельного объема v и плотности r от температуры, характеризующие состояние теплоносителя на (рис. 8.2б) (при постоянном давлении). При докритическом давлении теплоемкость воды и пара ограничена своими значениями на линии насыщения (с_Р' и с_Р" соответственно). При сверхкритическом давлении теплоемкость имеет максимальное значение при температуре, которая называется температурой максимальной теплоемкости t_МТили псевдокритической температурой.

Условно на диаграмме с_Р- t рис. 8.2б) выделяют по ординате t при сверхкритическом давлении диапазон температур - зону большой теплоемкости (ЗБТ).

Зона большой теплоемкости соответствует диапазону температур, при которых с_Р> 8 кДж/(кг·К). Диапазон температур до зоны большой теплоемкости условно называют областью состояния жидкости, после зоны - областью состояния пара (рис. 8.2б), (рис. 8.2 в).

При проведении различных расчетов необходимо знать зависимости удельной энтальпии h, удельного объема v и плотности r от температуры, характеризующие состояние теплоносителя (рис. 8.2б), (рис. 8.2 в).