Введение к работе
Актуальность темы. Одной из актуальных задач современной энергетики является повышение надежности работы энергетических систем, способствующее не только развитию отечественной энергетики в целом, но и определяющее важнейшие социально- технические признаки современного общества, а именно снижение рисков возникновения техногенных катастроф. Важнейшими частью таких систем являются энергетические комплексы (ЭК), обеспечивающие тепло и пароснабжение промышленных и коммунальных потребителей, включающие различные источники теплоты, теплообменное оборудование, сети теплоснабжения и теплопотребляющие установки. Известно, что надежность работы теплотехнического оборудования (ТТО) энергетических комплексов в значительной степени определяется качеством используемых в них рабочих и технологических сред (РиТС), определяющим интенсивность протекания коррозии и процессов образования отложений, приводящих к снижению эффективности эксплуатации и авариям, экономический ущерб от которых, как для отечественной энергетики, так и для энергетики ведущих развитых стран мира (США, Германия), составляет несколько миллиардов долларов в год.
Качество РиТС определяется значениями показателей, характеризующих концентрации присутствующих потенциально опасных веществ и соединений (ПОВС), предельные значения которых установлены федеральными и ведомственными нормативными документами. Обеспечение требуемого качества РиТС в процессе эксплуатации теплотехнического оборудования осуществляется реализацией комплекса мероприятий по поддержанию соответствующего водно-химического режима (ВХР), состояние которого определяется по результатам периодического химического контроля. Однако, на практике в современных условиях (устаревшие технологии и оборудование, низкая культура эксплуатации и др.), даже полное соблюдение норм ВХР не позволяет достичь расчетных значений надежности работы оборудования. Причины этого кроются в недостатках современных систем химического контроля, основными из которых являются:
значительные интервалы между измерениями значений параметров РиТС, характеризующих коррозионную повреждаемость функциональных поверхностей ТТО энергетических комплексов, сложность измерения названных параметров;
отсутствие контроля состава попадающих в РиТС органических ПОВС природного и техногенного происхождения, обладающих поверхностно-активными свойствами и оказывающих значительное негативное влияние на надежность работы оборудования.
Названные недостатки, обусловленные несовершенством применяемых технических средств и методов химического контроля, существенно увеличивают время работы ТТО в условиях нарушения ВХР, вызывая его повышенный износ, снижая эффективность и надежность работы энергетических комплексов теплоснабжения в целом. Кроме того, не возможность идентификации состава присутствующих ПОВС не позволяет принимать своевременные эффективные управляющие решения по выбору и реализации водокоррекционных мероприятий.
Острейшая необходимость совершенствования систем химического контроля отмечалась на проходившем в Чехии очередном симпозиуме Международной ассоциации по свойствам воды и водяного пара (IAPWS), подчеркнувшим важность разработки и внедрения современных автоматизированных систем мониторинга.
Цель работы - повышение надежности теплотехнического оборудования энергетических комплексов на основе оперативного мониторинга показателей качества РиТС с обеспечением автоматизированного измерения скорости коррозии, а также мониторинга состава и концентраций органических ПОВС, обладающих поверхностно-активными свойствами.
Основные задачи работы: o Анализ современного состояния проблемы снижения надежности теплотехнического оборудования энергетических комплексов теплоснабжения, методов и средств химического контроля ВХР;
o Классификация методов, технических средств определения, измерения и осуществления мониторинга показателей качества РиТС. Выбор и обоснование перспективных направлений и технических средств реализации оперативного мониторинга качества РиТС;
o Разработка экспериментального оборудования и методик проведения:
o сравнительных исследований методов измерения скорости коррозии функциональных поверхностей теплотехнического оборудования с использованием электрохимического и гравиметрического методов;
o экспериментальных исследований по определению влияния состава и концентраций органических поверхностно-активных ПОВС на изменение силы поверхностного натяжения исследуемой водной среды; o Определение влияния состава и концентраций нормируемых и ненормируемых ПОВС, присутствующих в РиТС, на скорость коррозии функциональных поверхностей теплотехнического оборудования;
o Определение влияния состава и концентраций присутствующих в РиТС органических ПОВС на изменение силы поверхностного натяжения и параметры кинетических зависимостей в условиях статической и динамической площади поверхности раздела фаз «исследуемая водная среда - воздух»;
o Разработка способа оперативного определения состава и концентрации присутствующих в РиТС органических поверхностно-активных ПОВС.
o Разработка структурной схемы системы оперативного мониторинга (СОМ) качества РиТС, технико-экономическое обоснование ее внедрения на базе фактических эксплуатационных данных теплотехнического оборудования Ставропольской ГРЭС. Научная новизна:
o Впервые определено влияние состава и концентраций нормируемых и ненормируемых ПОВС в широком диапазоне значений при двух температурах РиТС на скорость коррозии и характер коррозионных повреждений конструкционных материалов теплотехнического оборудования (сталь Ст10, 20Х13, латунь Л63);
o Экспериментально установлено, что значения скоростей коррозии конструкционных материалов теплотехнического оборудования, измеренные в РиТС, содержащих хлориды в концентрациях до 100 мг/дм3, уксусную кислоту в концентрациях до 1,0 мг/дм3, аммиак в концентрациях до 10,0 мг/дм3 с использованием метода линейного поляризационного сопротивления (ЛПС) близки к значениям, полученным с использованием традиционного гравиметрического метода с относительной погрешностью не превышающей 10 %;
o Экспериментально установлено, что поведение кинетической зависимости силы поверхностного натяжения исследуемой водной среды при уменьшении или увеличении площади поверхности раздела фаз «исследуемая водная среда - воздух» характеризуется наличием трех ярко выраженных линейных участков: на первом и третьем из которых скорость изменения силы поверхностного натяжения минимальна, на втором - максимальна;
o Экспериментально подтверждено влияние состава и концентраций присутствующих в РиТС потенциально-опасных веществ и соединений, обладающих поверхностно-активными свойствами, на основные параметры характерных участков кинетических зависимостей.
Практическая значимость работы.
o Выполнена классификация методов, технических средств определения, измерения и осуществления мониторинга показателей качества РиТС, используемых в системах химического контроля ВХР теплотехнического оборудования ЭК теплоснабжения;
o Разработан способ оперативного определения состава и концентрации поверхностно-активных ПОВС, применимый для автоматизированного мониторинга качества РиТС энергетического оборудования, а также экспресс-контроля и экологического мониторинга водных сред производственного и бытового назначения;
o Разработана структурная схема системы оперативного мониторинга качества РиТС, обеспечивающая автоматизированное определение скорости коррозии конструкционных материалов, а также мониторинг состава и концентраций органических ПОВС, обладающих поверхностно-активными свойствами в режиме реального времени.
Достоверность. Достоверность полученных результатов определяется их корреляцией с результатами исследований других авторов, многократной повторяемостью экспериментальных результатов, использованием высокоточных средств измерений, определением погрешности измерений.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на: III, IV и V Российской школе семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение теория и практика», г. Москва, 2008, 2010, 2012 гг.; XII, XIII, XIV международной научно- технической конференции студентов и аспирантов, Москва, «НИУ «МЭИ», 2006, 2007, 2008 г.; Международном форуме «Вода: экология и технология» (ЭКВАТЭК-2012), г. Москва, 2012 г.; Второй Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» (ЭНЕРГО-2012), г. Москва, 2012г.; заседаниях кафедры «Промышленные теплоэнергетические системы» и НТС Научного Центра «Повышение износостойкости энергетического оборудования электростанций» НИУ «МЭИ». Автор защищает:
Методику проведения экспериментальных исследований по определению влияния состава и концентраций органических поверхностно-активных ПОВС на изменение силы поверхностного натяжения исследуемой водной среды при статической и динамической площади поверхности раздела фаз «исследуемая водная среда - воздух», в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации теплотехнического оборудования;
Результаты экспериментальных исследований по определению влияния состава и концентраций ПОВС на скорость протекания коррозионных процессов, а также по измерению значений скорости коррозии с использованием методов ЛПС и гравиметрии;
Результаты экспериментальных исследований по определению влияния состава и концентраций органических ПОВС, обладающих поверхностно-активными свойствами, на изменение силы поверхностного натяжения и параметры кинетических зависимостей при статической и динамической площади поверхности раздела фаз «исследуемая водная среда - воздух»;
Способ оперативного определения состава и концентрации присутствующих в РиТС поверхностно-активных ПОВС;
Структурную схему системы оперативного мониторинга качества РиТС, обеспечивающую в режиме реального времени измерение скорости коррозии, определение состава и концентраций органических поверхностно-активных ПОВС;
Результаты расчета технико-экономического эффекта от внедрения СОМ, обусловленного увеличением значений показателей надежности работы теплотехнического оборудования энергетических комплексов теплоснабжения.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы и результаты, полученные в ходе ее выполнения, отражены в 12 публикациях, в том числе в 5 статьях, опубликованных в реферируемых журналах из перечня ВАК и двух патентах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Работа содержит 188 страниц, включая 61 рисунок и 17 таблиц. Список использованных источников состоит из 101 наименования.
