Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса. Задачи исследования 16
1.1. Химико-технологическая характеристика водного теплоносителя ТЭС и АЭС 16
1.1.1. Минеральные и органические примеси природных вод 16
1.1.2. Требования к качеству отдельных потоков теплоносителя 19
1.2. Математическое моделирование химико-технологических процессов и использование его в теплоэнергетике 23
1.2.1. Ограничения и перспективы развития расчетных методов в химико-технологических системах 23
1.2.2. Предпосылки и направления разработки математических моделей химико-технологических процессов на ТЭС и АЭС 29
1.3. СХТМ ВХР энергоблоков электростанций 41
1.3.1. Структураи содержание СХТМВХР 41
1.3.2. Проблемы развития СХТМ 51
1.4. Разработка расчетных методов ионных равновесий научной школы ИГЭУ 54
1.5. Цель и задачи исследования 61
ГЛАВА 2. Обоснование выбора измерительной базы и метода математического моделирования химико-технологических процессов на ТЭС 62
2.1. Классификационная характеристика технологических вод и водных растворов, используемых на ТЭС 62
2.2. Обоснование выбора измерительной базы 67
2.3. Обоснование выбора метода математического моделирования химико-технологических процессов 73
2.4. Методика выполнения лабораторных исследований и промышленных испытаний 74
2.4.1. Методика выполнения лабораторных исследований 74
2.4.2. Методика проведения промышленных испытаний 79
2.5. Метрологическая оценка результатов измерения и расчетов 82
2.5.1. Оценка погрешности расчета косвенных показателей 88
2.6. Выводы по второй главе 90
ГЛАВА 3. Разработка и исследование математической модели электропроводности водных растворов 91
3.1. Математическая модель электропроводности растворов электролитов, используемых на ТЭС 91
3.2. Разработка алгоритма и программы расчета удельной электропроводности водных растворов электролитов 107
3.2.1. Расчет удельной электропроводности по известному составу ионных примесей 108
3.2.2. Оценка адекватности ММ электропроводности технологических вод ТЭС 110
3.3. Примеры использования расчетного метода для технологических нужд 112
3.4. Расчет концентрации ионов (электролита) по измеренной электропроводности 120
3.5. Математическая модель АХК регенерации ионитов с использованием измерения электропроводности 122
3.6. Выводы по третьей главе 131
ГЛАВА 4. Разработка математических моделей ионных равновесий примесей теплоносителя на основе измерения удельной электропроводности и РН 132
4.1. Обобщенная математическая модель ионных равновесий для теплоносителя ТЭС и вторых контуров АЭС 132
4.1.1. Описание обобщенной ММ 132
4.1.2. Температурные зависимости основных констант ионных равновесий 135
4.1.3. Метод решения ММ на базе принятой измерительной системы 140
4.2. ММ ионных равновесий отдельных потоков конденсатно-питательного тракта водного теплоносителя 145
4.2.1. ММ ионных равновесий в обессоленной воде (добавочной воде энергоблоков) 145
4.2.2. ММ ионных равновесий в конденсате и питательной воде энергетических котлов ТЭС при аммиачной обработке 149
4.3. ММ ионных равновесий в котловой воде барабанных котлах при фосфатном ВХР 155
4.4. ММ ионных равновесий в питательной воде прямоточного котла с целью определения потенциально-кислых веществ 162
4.5. Разработка компьютерной программы по косвенному определению ионных примесей в теплоносителе основе измерения удельной электропроводности и рН 171
4.6. Выводы по четвертой главе 173
ГЛАВА 5. Экспериментальная проверка и практическая реализация математических моделей ионных равновесий в теплоносителе энергоблоков ТЭС 175
5.1. Лабораторные исследования 175
5.2. Промышленные испытания 181
5.2.1. Результаты измерений и расчетов качества теплоносителя энергоблока на Костромской ГРЭС 181
5.2.2. Результаты измерений и расчетов качества теплоносителя энергоблока на Канаковской ГРЭС 186
5.2.3. Результаты измерений и расчетов качества теплоносителя, энергоблока на Печорской ГРЭС 187
5.2.4. Результаты измерений и расчетов качества теплоносителя энергоблока на ТЭЦ-26 ОАО «Мосэнерго» 190
5.2.5. Результаты измерений и расчетов качества теплоносителя энергоблока на ТЭЦ-9 ОАО «Мосэнерго» 194
5.2.6. Результаты измерений и расчетов качества теплоносителя энергоблока на Ивановской ТЭЦ-3 205
5.2.7. Применение методики расчета ПКВ в питательной воде и паре промышленных энергоблоках с прямоточных котлов 208
5.3. Разработка анализатора примесей конденсата и питательной воды энергетических котлов ТЭС (АПК-051) 212
5.4. Метрологическая оценка результатов расчета 217
5.5. Разработка метода калибровки кондуктометра в условиях сверхчистых вод 222
5.6. Разработка метода калибровки рН-метра в условиях сверхчистых вод 226
5.7. Совершенствование СХТМ ВХР энергоблоков ТЭС 231
5.8. Выводы по пятой главе 236
ГЛАВА 6. Разработка и исследование математических моделей схем обработки воды на ТЭС 238
6.1. Математическая модель схемы обработки воды на ТЭС 238
6.1.1. Составление ММ изменения показателей качества воды по стадиям обработки 244
6.1.2. Обоснование критериев выбора оптимальных схем ВПУ 252
6.2. Разработка инструментального средства для проектирования и анализа работы действующих ВПУ 255
6.3. Расчет и анализ основных и перспективных схем обессоливания воды на ТЭС 266
6.3.1. Исследование изменения технологических, экологических и технико-экономических характеристик обессоливания воды в широком диапазоне минерализации 266
6.3.2. Расчет и анализ основных схем обессоливания воды при изменении производительности установки 279
6.4. Анализ состояния водоподготовки и возможные пути ее совершенствования на действующих ТЭС 284
6.5. Выводы по шестой главе 289
ГЛАВА 7. Результаты внедрения в промышленность и в учебный процесс отдельных разработок с использованием математических моделей 291
7.1. Разработка компьютерного тренажера по организации ВХР на ТЭС с прямоточными котлами 291
7.1.1. Разработка динамических ММ оценки состояния ВХР на энергоблоках ТЭС и АЭС 292
7.1.2. Использование математической модели для поиска нарушений ВХР конденсатно-питательного тракта 295
7.1.3. Реализация компьютерного тренажера 300
7.2. ММ системы АХК обработки продувочной воды парогенераторов наАЭСсВВЭР -. 305
7.3. Реализация ММ в учебном процессе 310
7.4. Выводы по седьмой главе 311
Основные результаты и выводы 312
Список литературы 315
Приложение 333
- Ограничения и перспективы развития расчетных методов в химико-технологических системах
- Расчет удельной электропроводности по известному составу ионных примесей
- ММ ионных равновесий в конденсате и питательной воде энергетических котлов ТЭС при аммиачной обработке
- Результаты измерений и расчетов качества теплоносителя энергоблока на ТЭЦ-26 ОАО «Мосэнерго»
Введение к работе
Актуальность проблемы. Надёжность, экономичность и безопасность работы энергоблоков ТЭС в значительной степени зависят от состояния водно-химического режима (ВХР), регулируемого Правилами технической эксплуатации и другими нормативными документами. Повышенные присосы охлаждающей воды в конденсаторах паровых турбин или сетевой воды в сетевых подогревателях, ухудшение качества добавочной воды или нарушение режима дозирования реагентов (например, аммиака или фосфатов) способны привести к нарушениям ВХР, что должно непрерывно отслеживаться приборами автоматического химического контроля (АХК) по всему водопаровому тракту энергоблока.
Уверенно реагировать на эти нарушения на ранней стадии их развития способны кондуктометры и отчасти рН-метры. При этом различные нарушения ВХР могут вызывать одинаковую реакцию этих приборов, например увеличение удельной электропроводности питательной воды. Различить отдельные виды нарушений ВХР по показателям основных приборов АХК: кондуктометров и рН-метров, – можно, используя алгоритм расчета концентраций ионных компонентов в питательной, котловой водах и составляющих их потоках. Такой алгоритм основан на анализе математических моделей ионных равновесий в обессоленной, питательной и котловой водах энергетических котлов и представлен в данной работе.
Математические модели (ММ) ионных равновесий в разных технологических потоках водного теплоносителя, изменения этих равновесий в процессах обработки природных вод и коррекционных дозировок реагентов, например аммиака и фосфатов натрия, позволяют контролировать качество теплоносителя, проектировать установки водоподготовки, управлять водно-химическим режимом. Построение математических моделей такого рода требует знания химико-технологических и теплотехнических процессов, особенностей конструкции аппаратов, возможностей приборных методов химического контроля. При этом надежных методов АХК, характеризующихся высокой точностью и достоверностью измерений в условиях пароводяного цикла ТЭС, очень немного.
Во второй половине прошлого века большое внимание уделялось разработке расчетных методов косвенного определения химического состава примесей водного теплоносителя на ТЭС. Это нашло свое отражение в работах МЭИ, ИГЭУ, ВТИ, ВНИИ «ВОДГЕО» и др. Однако ограниченность приборного парка и вычислительных систем отодвинула решение задачи разработки математических моделей и систем химико-технологического мониторинга высокого уровня на начало XXI века.
Обоснование соответствия диссертации паспорту специальности. В соответствии с формулой специальности 05.14.14 – «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты», охватывающей вопросы физико-химических процессов, водоиспользования и водных режимов, проблемы обеспечения надежности, безопасности и требуемого рабочего ресурса оборудования ТЭС и т.д., в диссертационном исследовании разработаны математические модели ионных равновесий водного теплоносителя энергоблока и методы их решения, позволяющие по минимальному количеству надежных измерений определять содержание нормируемых примесей (аммиака, ионов натрия, хлоридов, форм диссоциации угольной кислоты) в питательной воде, фосфатов в котловой воде. Такие модели могут быть частью математического обеспечения систем химико-технологического мониторинга энергоблоков ТЭС и позволяют диагностировать нарушения ВХР на ранней стадии их развития.
Целью работы является совершенствование методов и разработка новых средств и систем химико-технологического мониторинга на базе математических моделей водного теплоносителя для обеспечения эксплуатационной надежности водно-химического режима и экологической безопасности теплоэнергетического оборудования ТЭС.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:
1. Разработать ММ электропроводности водных растворов электролитов, используемых на ТЭС.
2. Разработать обобщенную математическую модель ионных равновесий водных потоков, составляющих питательную воду энергетических котлов.
3. Разработать и исследовать частные математические модели поведения минеральных и органических примесей водного теплоносителя, адаптированные к условиям автоматического химического контроля с измерением удельной электропроводности и рН для природной, обессоленной, питательной, котловой вод и турбинного конденсата, обеспечивающие количественное определение основных (нормируемых) показателей качества потоков теплоносителя на ТЭС.
4. Составить инженерные методики и алгоритмы косвенного определения хлорида и гидрокарбоната натрия в обессоленной воде, конденсате и паре, аммиака – в питательной воде, фосфата натрия – в котловой воде.
5. Создать опытно-промышленный образец измерительной системы нового поколения с использованием разработанных математических моделей.
6. Разработать методики и алгоритмы расчета технологических показателей ионитных фильтров в условиях проектирования и эксплуатации водоподготовительных установок ТЭС.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана и исследована математическая модель электропроводности, структурированная по типам технологических водных потоков на ТЭС.
2. Создана не имеющая аналогов обобщенная математическая модель ионных равновесий водных потоков, составляющих питательную воду энергетических котлов.
3. Разработаны и исследованы частные математические модели поведения минеральных и органических примесей водного теплоносителя, адаптированные к условиям автоматического химического контроля с измерением удельной электропроводности и рН для природной, обессоленной, питательной, котловой вод и турбинного конденсата, обеспечивающие количественное определение основных (нормируемых) показателей качества потоков теплоносителя на ТЭС.
4. Составлены расчетные методики и алгоритмы косвенного определения хлорида и гидрокарбоната натрия в обессоленной воде, конденсате и паре, аммиака – в питательной воде, фосфата натрия – в котловой воде на основе измерений удельной электропроводности и рН.
5. Разработана методика и алгоритмы расчета технологических показателей ионитных фильтров в условиях эксплуатации и проектирования с использованием математических моделей.
6. Составлены и использованы математические модели ионных равновесий для косвенных измерений концентраций нормируемых примесей по измерениям удельной электропроводности и рН, в рамках анализатора примесей конденсата, а также для калибровки кондуктометра и рН-метра, подтвержденные патентами на изобретение.
7. Разработана и проверена методика оперативного определения содержания в питательной воде прямоточных котлов потенциально кислых веществ по измерениям удельной электропроводности
Н-катионированной пробы.
Практическая значимость работы. Разработанные автором математические модели и алгоритмы могут широко использоваться для автоматического химического контроля качества водного теплоносителя на ТЭС и АЭС в целях определения химического состава ионогенных примесей (в том числе органических потенциально кислых веществ) по измерению удельной электропроводности и рН. Так, с участием автора разработан автоматический прибор химического контроля нового поколения – анализатор примесей конденсата АПК-051, отмеченный золотыми медалями Всемирных инновационных салонов в Брюсселе (Бельгия) в 2007 г. и Женеве (Швейцария) в 2009 г., Румынской академии наук в 2007 г.
Основные теоретические положения и практические результаты работы легли в основу книги «Основы математического моделирования химико-технологических процессов обработки теплоносителя на ТЭС и АЭС» – победителя Общероссийского конкурса рукописей учебной, научно-технической и справочной литературы по энергетике 2007 г., организованного РАО «ЕЭС России» и Московским энергетическим институтом (техническим университетом). В 2009 году книга была издана в издательстве «Издательский дом МЭИ».
Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается комплексным, системным подходом к описанию ионных равновесий водного теплоносителя разных технологических потоков, использованием классической теории электропроводности, большим объемом опытных лабораторных данных и промышленных испытаний, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, совпадением отдельных результатов с данными других авторов.
Автор защищает:
1. Математическую модель электропроводности и результаты ее измерений в различных технологических потоках водного теплоносителя на ТЭС.
2. Обобщенную математическую модель, алгоритм и методику количественного определения концентраций ионогенных примесей водного теплоносителя энергоблоков по измерению удельной электропроводности и рН.
3. Частные математические модели, методики и результаты косвенного определения концентраций минеральных, включая аммиак и фосфаты, и органических примесей в питательной, котловой водах и паре энергетических котлов.
4. Методику и результаты расчетов технологических показателей ионитных фильтров для условий их эксплуатации и проектирования.
5. Расчетный алгоритм и результаты использования опытно-промышленного автоматического анализатора примесей конденсата.
6. Динамические модели оценки состояния водно-химического режима, положенные в основу автоматизированных обучающих систем.
Личный вклад автора заключается:
в разработке структурной математической модели электропроводности водных потоков на ТЭС и алгоритма поиска решения уравнения электропроводности для растворов смеси электролитов от вод типа конденсата до регенерационных растворов ионитных фильтров;
разработке обобщенной математической модели ионных равновесий водного теплоносителя энергоблоков и частных математических моделей отдельных технологических потоков на базе измерений удельной электропроводности и рН;
разработке математических моделей и технологических алгоритмов ионитных фильтров и схем химического обессоливания воды, позволяющих производить также экологическую оценку эффективности решений;
участии в проведении лабораторных исследований и промышленных испытаний по проверке адекватности математических моделей;
разработке вычислительного алгоритма автоматического прибора нового поколения АПК-051;
разработке ряда алгоритмов и расчетных программ с использованием математических моделей химико-технологических процессов на ТЭС;
внедрении в учебный процесс новых разработок и математических моделей в дисциплинах «Оптимизация и математическое моделирование химико-технологических процессов на ТЭС и АЭС» и «АСУ и САПР энергоустановок».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись на следующих конференциях: VIII, IХ, X, XI, XII, XIV, XV международных научно-технических конференциях «Состояние и перспективы развития электротехнологии» («Бенардосовские чтения») (г. Иваново, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009 гг.), II, III Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» (г. Иваново, 2000, 2002 гг.), международной конференции «Instrumentation for power plant chemistry» (г. Цюрих, Швейцария, 2006 г.), международной конференции «Properties of Water and Steam» (г. Берлин, Германия, 2008 г.), международной научно-технической конференции «Экология энергетики 2000» (г. Москва, 2000 г.), IV российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (г. Ульяновск, 2003 г.), международном совещании «Водно-химический режим АЭС» (г. Десногорск, Смоленская АЭС, 2003 г.), 7-м международном научно-техническом совещании «Водно-химический режим АЭС» (г. Москва, ВНИИАЭС, 2006 г.), международной научно-технической конференции «Энергетика-2008: инновация, решения, перспективы» (г. Казань, 2008 г.), Всемирных инновационных салонах в Брюсселе (Бельгия) в 2007 г. и Женеве (Швейцария) в 2009 г.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 73 публикациях, в том числе в 3 монографиях (в соавторстве), 30 научных статьях, 4 патентах на изобретение, 3 свидетельствах на интеллектуальный продукт, 2 свидетельствах на программные продукты для ЭВМ, 31 тезисе докладов.
Содержание и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы, включающего 236 наименований и приложений. Работа изложена на 334 страницах, содержит 82 рисунка и 67 таблиц.
Ограничения и перспективы развития расчетных методов в химико-технологических системах
Под водно-химическим режимом (ВХР) понимают совокупность мероприятий, обеспечивающих работу основного и вспомогательного оборудования электростанций без повреждений и снижения, экономичности, вызванных коррозией внутренних поверхностей, образованием отложений на теплопередающих поверхностях и в проточной части турбин, шлама в оборудовании. Нормальное состояние ВХР регламентируется нормами качества конденсата, питательной, добавочной м котловой воды и пара [1]. Требования, предъявляемые к основным потокам рабочей среды для прямоточных и барабанных котлов, а также второго контура АЭС с ВВЭР для РУ В-320 приведены в Приложении 1 [1, 9, 10]. Причем с повышением параметров теплоэнергетического оборудования требования к качеству технологических потоков резко ужесточается. Так например, в питательной воде котлов с давлением рб 11 МПа показатель удельная электропроводность не нормируется, для барабанных котлов с рб=13,8 МПа нормируемое значение Хн 1,5 мкСм/см, для прямоточных котлов СКД - х 0,3 мкСм/см.
Сравнивая нормы качества конденсата и питательной воды на ТЭС и АЭС, можно сделать вывод, что нормируются, в основном, одни и те же показатели качества с использованием одних и тех же приборов АХК: кондуктометров, рН-метров и кислородомеров. Нормируются показатели содержания компонентов влияющих на скорость коррозионных процессов (рН, [02] и т.д.) и образование отложений (Ж0, Щ0), а также показатели характеризующие глубину протекания коррозии ([Н2], [Fe], [Си]). Нормируются дозировки корректирующих агентов: NH3, фосфатов; показатели, отражающие быстротекущие нарушения ВХР.
Надежность, экономичность и безопасность работы оборудования ТЭС и, в частности поверхностей нагрева, зависят от старения металла, теплогидравли-ческих параметров и применяемого ВХР. С учетом экономической ситуации в целом по России, в том числе длительных остановов и частых пусков оборудования на ТЭС, ограниченных возможностей по замене металла, разносортности топлива и, как следствие колебания температур стенок труб поверхностей нагрева, особую роль приобретает ВХР [9, 11—13].
В условиях старения основного оборудования энергоблоков требуется значительное ужесточение норм и диагностики ранних нарушений ВХР. Поэтому, при эксплуатации особо важным является оперативный химический контроль, результаты которого позволяют прогнозировать состояние оборудования электростанции в отношении возможности протекания коррозионных процессов и образования отложений на поверхностях, омываемых водой, паром и конденсатом. Судить о состоянии оборудования можно по прямым показателям, т.е. по количеству и составу отложений, снимаемых с поверхностей вырезанных образцов оборудования во время его останова. Эти показатели дают представления о физико-химических процессах, протекавших в течение длительного времени, но они не могут быть использованы для оперативного выявления нежелательного направления этих процессов во время эксплуатации. Только оперативный контроль за показателями качества воды, пара и конденсата по тракту работающего теплоэнергетического оборудования дает возможность вмешиваться в технологический процесс при его нарушениях. При этом только контроль, производимый непрерывно действующими автоматическими приборами, дает оперативную информацию о фактическом состоянии ВХР в данный момент и поэтому является единственно целесообразным с точки зрения быстродействия при устранении возникающих нарушений.
Отличием нормирования качества водных потоков для АЭС по сравнению. с ТЭС, состоит в том, что для них сформулированы более жесткие требования, с указанием возможного времени работы при каком-либо нарушении, т. е. определяется глубина нарушения и уровни действия.
В настоящее время в России нормы качества воды для ТЭС с ПТУ с различными типами котлов-утилизаторов не разработаны: качество добавочной и питательной воды устанавливается, исходя из требований заводов-изготовителей паровых котлов.
На зарубежных и отечественных ТЭС с ПТУ предъявляются очень высокие требования к качеству добавочной воды [14]. Из табл. ШЛО видно, что требования к качеству добавочной воды как для контуров прямоточного, так и барабанного типов выше, чем для ТЭС России с прямоточными котлами (табл. 1.4).
В последние годы в международной технической литературе [15-25] интенсивно обсуждается вопрос негативного влияния органических веществ на процессы коррозионных разрушений конструкционных материалов пароводяного тракта энергоблоков, работающих на нейтрально-кислородном (НКВР) или кислородно-аммиачном режимах (КАВР).
На зарубежных ТЭС в отличие от отечественных, нормируется содержание органических примесей в питательной воде и паре в пересчете на содержание общего органического углерода (ООУ или ТОС - total Organic carbon).
В энергетике России определение органики в станционных водах выполняется методом перманганатной оки сляемости. Главным недостатком метода перманганатной окисляемости является его низкая чувствительность и невозможность, вследствие этого, определять содержание органики уже на последних ступенях подготовки добавочной воды, не говоря о тракте энергоблоков. Кроме того, метод можно назвать достоверным только для1 вод, содержащих гумусовые соединения, а для вод, загрязненных техногенными продуктами, чтобы иметь более, точные данные, следовало бы применять определение би 23
хроматным методом. Обе эти методики пригодны для определения органических соединений в исходных водах и на первых стадиях предочистки. Что же касается измерений органики в тракте энергоблока, то ни один из нормированных методов не может дать достоверных результатов [23].
За рубежом для определения органики в водах электростанций уже давно используют приборы для измерения общего органического углерода, а для определения компонентного состава широко внедрен метод ионной хроматографии [19].
Расчет удельной электропроводности по известному составу ионных примесей
Были сформулированы следующие требования к функциям СХТМ [130]: отбор представительных проб рабочей среды; автоматический сбор и обработка аналоговых сигналов с приборов АХК; контроль достоверности автоматически измеряемых параметров (рис. 1.12); возможность ввода результатов ручного химического контроля; наглядное отображение информации в реальном масштабе времени; предупредительная и аварийная сигнализация; сохранение (архивация) поступающей информации; вывод на экран монитора результатов химического и теплотехнического контроля. Предусматривается также дополнение СХТМ элементами диагностической системы, в том числе системы оценки состояния следующих процессов в рамках ВХР: поведения органических примесей теплоносителя в тракте энергоблоков и контроля концентрации органических веществ; решения оперативных задач по диагностике нарушений ВХР и коррозионной диагностике; формирования и выдачи советов оператору; анализа качества ведения ВХР; обучения (тренировки) оперативного персонала. При создании СХТМ реализованы следующие основные принципы построения [131]: исследование теплотехнических параметров, влияющих на качество ВХР; установка наиболее простых и надежных приборов АХК в наиболее уязвимых местах пароконденсатного тракта; обязательное применение и ввод в ПЭВМ данных диагностического сменного и дневного лабораторного контроля; поэтапность внедрения СХТМ, начиная с создания «пилотных» установок с небольшим количеством минимально необходимых приборов АХК; с дальнейшим наращиванием приборного парка по мере появления у заказчика необходимых средств; возможность расширения СХТМ; осуществление монтажа систем по возможности в пределах имеющихся щитов АХК; максимальное использование имеющегося парка на ТЭС; применение тренажеров, предназначенных для оперативного персонала и моделирующих возможное нарушение ВХР, их причины и методы устранения; формирование базы данных на конкретных ТЭС, позволяющей определить «узкие» места в химико-технологическом процессе и разработать стратегию их ликвидации с использованием СХТМ.
Принимая требования к функциям СХТМ как руководство к действию, следует отметить, что современный уровень состояния комплекса технических средств позволяет реализовать значительную часть требований, связанных с обработкой и выводом оператору результатов приборных измерений. С достаточной для оперативного контроля надежностью может быть организован отбор представительных проб и сбор данных с приборов АХК. Наибольшую сложность в реализации СХТМ вызывают контроль достоверности измеряемых и контролируемых химических параметров, а также диагностические функции системы мониторинга.
Как отмечалось ранее [130, 131, 134], задачей систем мониторинга является не только своевременная идентификация отклонений ВХР от нормируемых значений, но и определение точного времени начала нарушения, выяснение причины и источника нарушения, прогнозирование развития нарушения во времени и принятие решения по результатам выявленного отклонения показателей ВХР. Таким образом, при разработке программных продуктов систем мониторинга ставится задача не только восполнения тех пробелов, которые возникают в рамках существующего приборного парка, но и анализа возникшей ситуации, заканчивающейся советами оператору [130, 131, 134], который позволяет оперативно оценить ситуации по ТЭС в целом и по её отдельным энергоблокам и отдельным узлам тепловой схемы.
При создании систем мониторинга ВХР ТЭС совершенно необходимо использовать значительную часть показаний классической системы АСУ ТП [131]. В этом смысле СКУ ВХР является подсистемой АСУ ТЭС. Это означает, что при развитии и модернизации последней необходимо закладывать единые подходы к системе сбора и обработки информации, единые форматы и единые схемы архивации данных. Таким образом, при создании СКУ ВХР необходимо использовать приборный парк существующих систем АСУ. На основе существующих систем АСУ можно создать следующую систему сбора и обработки информации (рис. 1.13). Этот вариант можно использовать, если на ТЭС отсутствуют АСУ ТП, нет ПЭВМ, но есть щиты АХК и некоторые приборы прошлого поколения. В этом случае на щите АХК или щите ХВО устанавливается контроллер, и сигналы приборов АХК и теплотехнических параметров выводятся на ЭВМ химцеха.
Сопоставление результатов развития СХТМ по итогам работы «Экспертной системы контроля и оценки условий эксплуатации котлоагрегатов ТЭС» [128] в, 1996-1998 гг. приводит к выводу, что персонал ТЭС начали вставать на путь применения одного из существенных малозатратных и быстроокупаемых элементов системы обеспечения и повышения надежности поверхностей нагрева котлоагрегатов ТЭС - системы химико-технологического мониторинга. Аналогичный вывод получен по итогам анализа отчетных материалов за период 1999-2002 гг.
Следует отметить, что на электростанциях США и Европы [11, 133], а также на всех АЭС России наличие и функционирование СХТМ обязательно. Такую обязательность предстоит ввести и для всех ТЭС России.
ММ ионных равновесий в конденсате и питательной воде энергетических котлов ТЭС при аммиачной обработке
В случае смеси электролитов, содержащих ионы одного заряда, но разной подвижности, например, НС1 и NaCl, теоретически и практически подтверждено, что эквивалентная электропроводность более подвижного иона (ЕҐ) уменьшается, а менее подвижного (Na+) — возрастает. При этом удельная электропроводность для разбавленного раствора достаточно точно определяется, как суммарная величина, по уравнению (1.1) с определением значения Х\, по упрощенному уравнению (1.11) с использованием множителя W [156], т.е. считая независимым движение ионов в растворе.
Заслугой Ларина Б.М, является то, следуя по пути классической теории растворов электролитов [156-163] и учитывая не только электростатическое влияние ионов, но и такие свойства водных растворов электролитов, как вязкость и образование ионных пар, ему удалось получить аналитическое выражение для расчета эквивалентной электропроводности отдельного иона (А,;) в растворе смеси электролитов во всем диапазоне концентраций, применимых в энергетической химии (вплоть до 1 моль/л) в виде [165]
Результаты сравнения расчетных значений удельной электропроводности, полученные по уравнению (1.1) с использованием выражения Х\ по уравнению (1.31), с опытными данными для монорастворов и для растворов смеси электролитов показывают, что отклонение расчетных и опытных значений удельной электропроводности находится в пределах 1,5-2,0 %, что отвечает точности приборных измерений удельной электропроводности водных растворов и применимо для оперативного химического контроля в теплоэнергетике.
Полученное профессором Лариным Б.М. аналитическое выражение (1.31) позволило использовать простое выражение уравнения электропроводности (1.19) в конкретных разработках по расчетному определению контролируемых (и нормируемых) показателей качества природной, осветленной воды и воды по стадиям ее химического обессоливания [165, 166]. С использованием разработанной расчетной модели были выполнены научные работы и защищены кандидатские диссертации сотрудниками кафедры ТВТ ИГЭУ Голубковой Н.А. (1987 г., МЭИ) [167], Коротковым А.Н. (1989 г., МЭИ) [172], Опариным М.Ю. (1997 г., ИЭИ) [31] и защищена докторская диссертация Лариным Б.М. (1991 г., МЭИ) [165].
Разработанный вычислительный метод позволял рассчитывать концентрации ионов по измеренным значениям рН и удельной электропроводности в исходной и Н-катионированной пробе [165] (рис. 1.16). Этот метод был применен к определению качества исходной, осветленной, обессоленной воды, а также по стадиям обессоливания, а также испарителей на ВПУ.
При всех достоинствах расчетных методов, разработанных Б.М. Лариным и его сотрудниками в 80-90-х годах, следует отметить ограниченность их использования для отдельных технологических установок химического и термического обессоливания воды. Не была разработана обобщенная теоретическая модель электропроводности водных растворов, не предпринимались попытки использования расчетного метода для автоматического контроля качества водного теплоносителя энергоблоков ТЭС и АЭС, для автоматизированного проектирования и обучения: Потребовалась разработка обобщенной математической модели ионных равновесий водного теплоносителя, что и является основной целью данной работы.
На основании проведенного анализа целью данной работы является совершенствование методов и разработка новых средств и систем химико-технологического мониторинга на базе математических моделей водного теплоносителя для обеспечения эксплуатационной надежности водно-химического режима и экологической безопасности теплоэнергетического оборудования ТЭС.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд практических и теоретических задач. К числу таковых можно отнести следующие: 1. Для того, чтобы использовать в разрабатываемых ММ показания удельно го электропроводности необходимо разработать ММ электропроводности вод ных растворов электролитов, используемых на ТЭС. 2. Разработать обобщенную математическую модель ионных равновесий водных потоков, составляющих питательную воду энергетических котлов. 3. Разработать и исследовать частные математические модели поведения минеральных и органических примесей водного теплоносителя, адаптированные к условиям автоматического химического контроля с измерением удельной электропроводности и рН для природной, обессоленной, питательной, котловой вод и турбинного конденсата, обеспечивающие количественное определение основных (нормируемых) показателей качества потоков теплоносителя на ТЭС. 4. Составить инженерные методики и алгоритмы косвенного определения хлорида и гидрокарбоната натрия в обессоленной воде, конденсате и паре, аммиака — в питательной воде, фосфата натрия - в котловой воде. 5. Создать опытно-промышленный образец измерительной системы нового поколения с использованием разработанных математических моделей. 6. Разработать методики и алгоритмы расчета технологических показателей ионитных фильтров в условиях проектирования и эксплуатации водоподгото-вительных установок ТЭС.
Результаты измерений и расчетов качества теплоносителя энергоблока на ТЭЦ-26 ОАО «Мосэнерго»
Из числа приборов АХК с прямой индикацией контролируемого параметра достаточную для СХТМ надежность имеют кислородомеры и, отчасти, pNa-меры. Контроль достоверности этих измерений обеспечивается калибровкой и поверкой приборов по паспортным методикам. Неправильная калибровка дает систематическую ошибку измеряемого параметра, но мало влияет на отклонение показаний, связанных с нарушением ВХР энергоблока. Прибор в этом случае надежно определяет нарушение ВХР, работая как сигнализатор.
Ограниченные возможности прямого измерения контролируемых параметров рабочей среды вынуждают сузить объем приборов АХК до небольшого числа надежных измерений, в значительной части косвенного характера. В первую очередь к числу таких измерений следует отнести измерение удельной электропроводности и рН среды.
В кондуктометре определение удельной электропроводности основано на измерении сопротивления раствора. Контроль достоверности значений удельной электропроводности в условиях рабочей среды выполняется сравнением с результатом параллельного измерения другим, образцовым кондуктометром, что достаточно легко осуществимо (при наличии переносного кондуктометра). Показания кондуктометра можно считать наиболее достоверными из рассматриваемых приборов АХК. Измерение показателя рН при помощи рН-метра основано на потенциометрическом методе анализа с использованием- ионоселективного электрода, менее достоверно, особенно в чистых, нейтральных средах. На том же принципе основано определение концентрации ионов натрия pNa-мером, который ненадежно измеряет ее, особенно в сильноразбавленных растворах.
Причиной меньшей точности измерений концентраций ионов Na+ pNa-мером по сравнению с измерением ионов ЬҐ pNa-мером по сравнению с измерением ионов КҐ рН-метром являются свойства ионоселективного измерительного натриевого электрода и его ограниченный ресурс [1]. Кроме того, в предельно разбавленных растворах, какими являются конденсат и питательная вода энергоблоков, исчезает электролитный «мостик» между электродами, для восстановления которого требуется увеличение расхода раствора КО, содержащего катион К+ близкий электрохимическим, химическим свойствам к катиону Na+. Все это создает помехи измерениям содержания ионов натрия, осо-бенно при предельно малых концентрациях от 0 до 5 мкг/дм . Даже для более устойчивых измерений концентрации ионов ЬҐ" рН-метром фирмой SWAN (Швейцария) предложен- и более 10 лет присутствует на российском рынке прибор «FAM Deltocon рН», позволяющий получать косвенное (расчетное) измерение рН по автоматическим измерениям удельной электропроводности в проточной пробе [2]. Технические характеристики последнего, приведены в приложении 2.
До настоящего времени фирмами-производителями pNa-меров не представлена методика калибровки прибора в зоне отмеченных выше малых концентраций. Поэтому для автоматической, постоянно-действующей измерительной системы химического состава примесей турбинного конденсата и питательной воды энергоблока ТЭС и АЭС могут быть приняты кондуктометры и, с некоторыми оговорками, рН-метры.
В составе существующих автоматизированных систем мониторинга приборы АХК работали в большей мере, как сигнализаторы, поэтому можно сказать, что развитие СХТМ на ТЭС и АЭС идет одновременно с развитием приборной базы и информационных технологий.
В качестве основы для косвенного определения нормируемых и диагностических показателей в водах типа конденсата выбрана измерительная система наиболее надежных измерений: удельной электропроводности прямой и Н-катионированной проб, а также показателя рН, определяемые практически одновременно из одной пробы охлаждённого теплоносителя. При этом точность и достоверность измерений показателя рН для сверхчистого водного теплоносителя значительно уступает точности и достоверности измерений удельной электропроводности [48, 151, 164, 224]. Однако, для оценки состояния ВХР важно иметь даже приближённое значение рН, тем более, что другие автоматические измерения таких сред практически невозможны или очень дороги. Аналогичный подход принят за рубежом в производстве измерительных систем АХК нового поколения и реализован в частности, в дифференциальном измерителе «FAM Deltocon рН» фирмы SWAN, Швейцария (Приложение 2).
С учетом условий подготовки пробы водного теплоносителя на ТЭС может быть предложена измерительная, система (рис: 2.1), в состав которой входят: устройство подготовки пробы (УПП) (1), клапаны переключения потоков проб (2, 3, 4), термометр (5), последовательно установленные датчики кондуктометров (6, 9), Н-катионитная колонка (7), и рН-метр (8), ротаметр (10), устанавливающий расход пробы. Ввод данных на ЭВМ может осуществляться непосредственно с приборов или в ручном режиме.
Работа измерительной системы осуществляется следующим образом: пройдя устройство подготовки пробы через клапан разделения потоков проб вода поступает на датчик кондуктометра (измеряется удельная электропроводность и температура исходной пробы), затем пройдя Н-катионитную колонку проба поступает на следующий датчик кондуктометра, где измеряется удельная электропроводность и температура Н-фильтрата. Другой поток поступает на датчик рН-метра:
Надежность работы такой системы обеспечивается применением простых и надежных приборов для измерения удельной электропроводности и рН. Наряду с измерениями удельной электрической проводимости (с помощью кондуктометра) измеряется так же и температура.
Достоверность измеряемых параметров отвечает достоверности измерений отдельными приборами и обеспечивается надежной калибровкой и единовременными измерениями в одном потоке. Согласно методическим указаниям и паспарту прибора калибровка рН-метра осуществляется по буферным растворам с величиной рН от 1,68 до 9,18. В связи с тем, что необходимо измерять удельную электропроводность исходной и Н-катионированной пробы требуется применение двух кондуктометров (или двух датчиков). Для того, чтобы исключить ошибку в измерении удельных электропроводностей, проводились следующие мероприятия: оба кондуктометра были установлены последовательно (без Н-колонки, на исходную пробу), затем эта проба с датчиков калибруемых кондуктометров поступала на датчик образцового кондуктометра, показание которого считалось истинным, разность между ними устранялась с помощью изменения постоянной датчика (у измеряющих - показания кондуктометра).
