Содержание к диссертации
Введение
Литературный обзор существующих технологий консервации теплоэнергетического оборудования . .
Теоретические предпосылки образования коррозионно-стойкой оксидной пленки .
Результаты стендовых исследований. 48
Результаты промышленного внедрения . 73
Экономическая эффективность от внедрения в энергетике паров до-кислород ной консервации, пассивации и очистки .
Выводы. 126
Список используемой литературы. 128
- Литературный обзор существующих технологий консервации теплоэнергетического оборудования .
- Теоретические предпосылки образования коррозионно-стойкой оксидной пленки
- Результаты промышленного внедрения
- Экономическая эффективность от внедрения в энергетике паров до-кислород ной консервации, пассивации и очистки
Введение к работе
Актуальность темы. В процессе эксплуатации котлоагрегатов, на внутренних стенках поверхностей нагрева в результате протекания коррозионных процессов и из-за поступления в тракт котла с теплоносителем различных примесей образуются отложения, которые ухудшают теплообмен и интенсифицируют коррозию во время вывода котлов в резерв.
Проблема сохранения поверхностей нагрева котлов во время эксплуатации и, особенно, при выводе в резерв очень актуальна для электроэнергетической отрасли.
В настоящее время на электростанциях применяются различные технологии, которые позволяют частично или полностью удалять отложения с внутренних поверхностей нагрева котла. Наибольшее распространение получила кислотная химическая очистка с последующей пассивацией поверхностей нагрева. После нее для предотвращения коррозионных процессов необходимы дополнительные мероприятия для защиты внутренних поверхностей нагрева.
В исследованиях известных коррозионистов, таких как Эванс Ю.Р., Жук Н.П., Акользин П.А. и др., было отмечено пассивирующее свойство газообразного кислорода. На этих данных была разработана и внедряется технология оксидирования сталей при высоких температурах, свыше 600С, что не соответствует параметрам работы оборудования ТЭС. В последние годы широкое распространение получила технология паро-водо-кислородной очистки и пассивации внутренних поверхностей нагрева котлов, разработанная в 80-х годах в ВТИ. Исследования этого метода обеспечения надежной и длительной консервации поверхностей нагрева котлов послужили мотивом для постановки данной работы.
Цель работы. Проведение исследований устойчивости оксидных защитных пленок, созданных при воздействии паро-кислородной или водо-кислородной среды на поверхность металла труб котлов и определение зависимостей коррозионной стойкости защитных пленок от температуры рабочей среды, скорости потока, продолжительности воздействия на металл рабочей среды, содержащей кислород, и концентрации кислорода для использования их в промышленных условиях при выполнении паро-водо-кислородной консервации котлов различного типа.
Научная новизна:
—впервые получены экспериментальные зависимости коррозионной стойкости защитных пленок от температуры, скорости потока
|РР0оа1іА^он!ІА0ЙЯУ,рации
оГЖ^
кислорода, а также от продолжительности воздействия водо-кислородной или паро-
кислородной смеси на металл труб;
—разработаны методики проведения опытов, которые позволили получить эти зависимости;
—разработана и опробована в промышленности оригинальная система по организации бесперебойной дозировки кислорода в тракт котла;
—разработана методика исследований устойчивости защитных пленок с течением времени, созданных на металле труб котлов;
—проведены стендовые и промышленные испытания метода паро-водо-кислородной консервации котлоагрегатов различного типа на время вывода их в резерв или ремонт.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечены:
—использованием надежных методов измерений;
—повторяемостью результатов большого числа экспериментов;
—сопоставлением результатов исследований в стендовых и промышленных условиях;
—практической проверкой полученных в стендовых условиях оптимальных параметров режима консервации на электростанциях с котлами прямоточного и барабанного типа.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Результаты работы используются наТЭС для проведения консервации, пассивации и частичной очистки внутренних поверхностей нагрева котлов прямоточного и барабанного типа с целью обеспечения защиты от стояночной коррозии во время простоя в резерве различной продолжительности и перед выполнением ремонтных работ, а также для обеспечения защиты от коррозионных процессов во время эксплуатации.
В настоящее время паро-водо-кислородная технология консервации, пассивации и очистки внедрена более чем на 100 котлоагрегатах как прямоточного, так и барабанного типа энергоблоков мощностью от 100 до 800 МВт.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях и семинарах.
1 Научно-технический семинар. "Очистка от отложений и консервация теплоэнергетического оборудования", г.Тула, 11-13 ноября 1997г.
2.Научно-технический семинар. "Водоподготовка и водно-химические режимы ТЭС ", г.Москва; декабрь 2001г.
3. Научно-техническая конференция. "Методы консервации энергооборудования", г.Львов, Украина, апрель 2001г.
Публикации. По результатам работ и теме диссертации опубликовано 6 статей в энергетических журналах и получено свидетельство на полезную модель.
Личный вклад автора заключается в разработке методики проведения стендовых и лабораторных исследований, в частности в разработке специальных устройств для дозировки кислорода, в проведении опытов, обработке и анализе их результатов, получении экспериментальных зависимостей, в промышленном внедрении технологии консервации на ТЭС, а также в обобщении результатов этих исследований и внедрения.
Автор защищает:
—полученные экспериментальные зависимости коэффициента коррозионной стойкости защитных оксидных пленок от параметров теплоносителя;
—зависимости коэффициента коррозионной стойкости защитных оксидных пленок от концентрации кислорода в теплоносителе и продолжительности воздействия водо-кислородной и паро-кислородной смеси;
—усовершенствованную технологию консервации, основанную на использовании механизма взаимодействия растворенного кислорода с металлом поверхностей нагрева котлов ТЭС.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 128 и состоит из введения, пяти глав и выводов. Работа содержит 35 рисунков, 8 таблиц. Список литературы содержит 75 наименований.
Литературный обзор существующих технологий консервации теплоэнергетического оборудования
Современная энергетика несет значительный ущерб от снижения-надежности работы и ресурса тепломеханического оборудования электрических станций1 из-за коррозионного разрушения поверхностей конструкционных материалов. Процесс коррозионного разрушения, обусловлен как воздействием рабочего тела, так и действием окружающей среды в период простоя. Результатом такого воздействия является снижение надежности и экономичности работы: тепломеханического оборудования, что, в свою очередь,, влечет за собой нарушение графика отпуска электрической и тепловой энергии, а в некоторых случаях является причиной серьезных аварии на электрических станциях.
Особую актуальность эта проблема приобрела в России в последние годы. Это связано с тем, что существенно снизился коэффициент использования оборудования, резко уменьшилась необходимость, в потреблении электрической и: тепловой энергии. Большая: часть оборудования несет полную нагрузку только с наступлением зимнего максимума; Поэтому с целью»сохранения в работоспособном состоянии г мощностей электростанций в период простоя энергоблоков ТЭС необходимо проводить мероприятия по защите оборудования от коррозии. В связи с этим, технологиям консервации оборудования уделяется особое внимание..
В: соответствии с ПТЭ электрических станций и сетей; Российской: Федерации [1]тепломеханическое оборудование, выводимое в ремонт, резерв, или после проведения химических очисток должно быть законсервировано для обеспечения защиты пароводяных трактов от атмосферной коррозии.
В отечественной и зарубежной; практике разработаны различные способы консервации оборудования [2-6; 55-60] на: период простоев и ремонтов. Все известные на данный момент способы защиты оборудования от атмосферной коррозии; в период его простоя или ремонта можно, с некоторой долей условности, разделить на четыре принципиально различных метода: /. Удаление одного из агентов процесса стояночной; коррозии (влаги или кислорода) из внутреннего объема теплоэнергетического оборудования (ТЭО). К этим методам консервации относятся такие, как заполнение консервируемого объема азотом для; удаления кислорода; поддержание в котле избыточного давления, деаэрированной воды - — удаление кислорода; "сухой" останов котла для удаления воды и консервация теплоэнергетического оборудования осушенным воздухом для удаления влаги. /Л Заполнение внутреннего объема ТЭО защитными растворами. Эти способы консервации основаны на применении защитных щелочных растворов. Заполнение внутреннего объема оборудования осуществляется аммиачным раствором, нитритом натрия. Кроме этого в эту группу могут быть включены и технологии консервации водогрейных.котлов» при помощи раствора гидроокиси кальция или силиката натрия. III. Нанесение на внутренние поверхности: металла тонкой гидрофобной пленки. Обеспечивается следующими технологиями: консервация котлов контактными ингибиторами; консервация: летучими ингибиторами; консервация с применением пленкообразующих аминов. IV. Создание защитных пленок на внутренней поверхности металла. В эту группу входят следующие технологии: гидразинно-аммиачная обработка поверхностей нагрева котла; трилонная обработка и кислородная обработка поверхностей нагрева на рабочих параметрах. Все перечисленные способы имеют свою область применения, являются достаточно распространенными технологиями и обладают как преимуществами, так и недостатками.
Способ консервации следует выбирать в зависимости от причины и длительности простоя, а также типа и конструктивных особенностей оборудования. Простои оборудования по продолжительности можно разделить на две группы: 1 .кратковременные, не более 10 суток; 2. длител ьн ые, более 10 суток. В-свою очередь кратковременные остановы подразделяются на два вида: а) плановые остановы, связанные с выводом в резерв по диспетчерскому графику; б) вынужденные — из-за выхода из строя труб поверхностей нагрева или повреждений других узлов оборудования, для устранения которых не требуется более длительный останов;, В зависимости от цели длительные простои подразделяются на следующие типы: а) вывод оборудования в резерв; б) текущие ремонты;. в) капитальные ремонты. При выводе оборудования в кратковременный резерв, не связанный с необходимостью проведения ремонта, в настоящее время в основном используют такие технологии консервации, как заполнение деаэрированной водой с поддержанием избыточного давления или заполнение азотом, т.е. технологии, относящиеся к первой группе.
Теоретические предпосылки образования коррозионно-стойкой оксидной пленки
При эксплуатации оборудования на нейтрально-кислородном водно-химическом режиме в тракт дозируется только кислород, также на всас бустерного насоса. Концентрация кислорода поддерживается в пределах от 200 до 400 мкг/кг. Водно-химический режим позволяет защитить внутренние поверхности энергооборудования только в период его эксплуатации: и не создает необходимой, защиты, от атмосферной и; стояночной коррозии: во время-резерва. В настоящий момент на некоторых энергоблоках применяется метод дозировки повышенных концентрации кислорода m режиме останова? в. диапазоне от 500мкг/кг до 1000 мкг/кг в тракт с целью создания окисной; пленки на внутренних поверхностях нагрева котла на время резерва. Но как показывает опыт внедрения этой технологии; на энергоблоках с прямоточными котлами т исследования, проведенные в ВТИ окисные пленки, созданные: на внутренних поверхностях нагрева при дозировке повышенных, концентраций; кислорода (до 1000 мкг/кг) [2;, 2б]в: тракт энергоблока, не дают необходимой защиты металла от стояночной коррозии. Наиболее интересной; на тот момент являлась технология; парокислородной очистки и пассивации; разработанная во ВТИ- под руководством к.т.н. НН.Манькиной в 1980 году.
Сущность; парокислородной технологии: заключается в дозировке кислорода в пар, подаваемый к контурам; котла, в; количестве 1-1,5 г/кг. Дозировка кислорода осуществлялась, от кислородной рампы, расположенной поблизости от обрабатываемого котла[12]і Парокислородная оч истка и пассивация (ГЖО) была впервые внедрена на пусковом энергоблоке ТЭЦ-25 Мосэнерго (энергоблок ст.№ 4) Перед проведением парокислородной очистки и; пассивации-внутренних поверхностей нагрева; котел был разбит на ряд контуров. Парокислородная очистка и пассивация вновь смонтированного котла; производилась последовательно для каждого контура; Пар от стороннего источника (расположенного рядом котла) подавался; в каждый контур поочередно, прш этом топка обрабатываемого котла была погашена. Кислород подавался непосредственно в подводящую к контуру котла паровую линию, после прохождения всего контура пар с кислородом; сбрасывался;,в атмосферу. Так как кислород и пар не содержат химических реагентов иЇ не могут загрязнять окружающую-среду, то дополнительных схем для нейтрализации и утилизации, сбросов монтировать не потребовалось.
Внедрение ПКО" на энергоблоке: ТЭЦ-25 Мосэнерго: позволило сократить срок его ввода в эксплуатацию, не потребовались дополнительные затраты на; сооружение: схемы кислотной; очистки; и не потребовалось утилизации сто ков. После проведения парокислородной очистки и пассивации внутренних поверхностей нагрева котла, были проведены вырезки; образцов труб для исследования образованной защитной; пленки; Внедрение технологии обеспечило: —надежную очистку поверхностей нагрева; зо —пассивацию внутренней поверхности труб за счет создания прочных оксидных пленок на поверхностях нагрева; —отсутствие переноса продуктов коррозии по пароводяному тракту при растопке энергоблока; —экологическую чистоту; —возможность ускоренного ввода мощности в эксплуатацию; —практическое отсутствие применения химических реагентов, например, органических и неорганических кислот для проведения предпусковой химической промывки; Тем не менее, внедрение парокислороднои технологии выявило и ее недостатки такие как: —необходимость разбивки поверхЕюстей нагрева котла на несколько контуров; —монтаж трубопроводов подвода и отвода стороннего пара к каждому из контуров котла. Все это усложняло и удорожало технологию, а также сокращало возможность ее применения для энергоблоков 800 МВт, находящихся в эксплуатации. Учитывая, полученный опыт внедрения парокислороднои технологии, во ВТИ были продолжены исследования по возможности совершенствования и упрощения технологии.
Результатом этих исследований; выполненных в 1988 г., стала технология паро-во до-кислородной очистки и пассивации (ПВКО и ГТ) [10-13; 43; 48; 55-58]. В основе паро-водо-кислородной очистки и пассивации лежит применение молекулярного кислорода для дозировки в тракт и: создания на внутренних поверхностях нагрева надежной защитной пленки.
В настоящее время паро водо кислородная очистка и пассивация широко применяется- при выводе энергооборудования из ремонта с целью его очистки1 и создания пассивных пленок, предотвращающих или:значительно тормозящих коррозионные процессы металла во время его эксплуатации.
В то же время до настоящего момента отсутствовали детальные исследования метода, не было достаточно изучено влияние отдельных факторов на эффективность консервации и очистки. Необходимо было знать, влияние температуры, концентрации окислителя, скорости потока, продолжительности обработки, начальной загрязненности поверхностей нагрева, на результат паро-водо-кислородной и; паро-кислородной; консервации и очистки.
Результаты промышленного внедрения
Как уже отмечалось ранее технология паро-водо-кислородой консервации, пассивации и очистки не требует сложных схемных решений и выполняется на штатном оборудовании энергоблока или котла;
Единственным отличием является то, что при внедрении технологии на прямоточном; котле, исходя из его конструктивных особенностей, требуется только одна точка ввода кислорода в тракт энергоблока перед питательным насосом. При проведении паро-водо-кислородной консервации и пассивации на барабанном; котле, также исходя: из его особенностей; в. конструкции, необходимы дополнительные линии, подводящие кислород в тракт котла:
Первоначально для обеспечения дозировки кислорода в: тракт котла при выполнении паро-водо-кислородной обработки использовались кислородные рампы из баллонов объемом порядка 700 м . Это несколько осложняло процесс дозировки кислорода в тракт, т.к. требовалось периодическое пополнение запаса кислорода в баллонах.
Поэтому по-1 мере накопления? опыта проведения паро-водо-кислородной технологии возникала необходимость в разработке и опробовании мобильной установки, обеспечивающей непрерывную дозировку кислорода в тракт котла. В 1998 году автором в составе группы специалистов отделения ввод но-химичєс кого отделения вти; и; представителей "Криотехники" (000"Россцентр") была: разработана и опробована передвижная кислородная; установка [П]. Разработанная кислородная установка позволяла обеспечить необходимую концентрацию кислорода в тракте котла и, что весьма важно непрерывную его дозировку; Схема установки представлена на рисунке 12. Кислородная установка состоит из двух емкостей, одна из которых является рабочей (3) емкостью оборудованной насосом, компрессором создающим необходимое давление кислорода и испарителем, превращающим жидкий кислород в газообразный. Вторая емкость обеспечивает (Зт) дозаправку кислорода во время работы первой, причем без отключения дозировки кислорода, а при необходимости может быть отправлена за дополнительным объемом кислорода. Такая конструкция позволяет обеспечивать непрерывность процесса паро-водо-кислоордной консервации и пассивации котла любой конструкции.
Экологически чистая кислородная установка для очистки и пассивации энергетического обрарудавания. Одновременно проводились исследования с образцами труб, вырезанных из котлов (прямоточных и барабанных) после проведения паро-водо-кислородной очистки, пассивации и консервации.
Одной из первых электростанций на которой была проведена; паро-водо-кислородная пассивация и консервация была Черепетская ГРЭС см:рис.12.
Внедрение паро-водо-кислородной консервации, пассивации и очистке на Черепетской ГРЭС выполнялось на энергоблоке 300МВт с двухкорпусным котлом прямоточного типа П-50.
Паро-водо-кислородная консервация и пассивация внутренних поверхностей нагрева выполнялась по штатной схеме энергоблока, при 40% нагрузке от номинальной, с расходом питательной воды и пара на котле 170-180 т/ч.
Дозировка кислорода осуществлялась непрерывно в течение: 12 часов на всас питательного насоса. Концентрация кислорода поддерживалась на уровне 1,0-=-1,5 г/дм в питательной воде иостром паре за котлом.
По окончании паро-водо-кислородной консервации котел был выведен в резерв. После проведения на нем данной обработки энергоблок не был взят в эксплуатацию, вследствие отсутствия топлива, и. простоял в резерве в течение года. Сотрудниками ГРЭС, в плане совместных работ с ВТИ; были вырезаны образцы труб со всех поверхностей нагрева, котла- сразу после проведения паро-водо-кислородной очистки, пассивации и консервации и через год простоя энергоблока.
Защитная пленка- после паро-во до-кислородной очистки и пассивации весьма устойчива, не разрушается с течением; времени (в; стояночных условиях), при колебаниях температуры (при переменных, режимах эксплуатации), а также защищает металл от коррозии при ; определенных колебаниях водного режима.
Снятие поляризационных кривых подтвердило эти: результаты.. Результаты исследования коррозионной стойкости труб Черепетской ГРЭС котла П-50 энергоблока 300 МВт (котел 11, корпус 2) приведены нарис 13.
При исследовании образцов сразу после проведения обработки и после года простоя в резерве, было установлено, что при наложении , потенциала коррозионные токи практически не увеличиваются, т.е. на поверхности трубы имеется устойчивая защитная? пленка, предохраняющая металл о коррозии в данном случае в стояночном режиме в течение года.
Таким образом, паро-водо-кислородная пассивация и консервация, может применяться для- надежной консервации внутренних поверхностей: нагрева в течение длительного времени; по крайней мере, одного года:.
Экономическая эффективность от внедрения в энергетике паров до-кислород ной консервации, пассивации и очистки
В настоящее время существует необходимость вывода энергоблоков (котлов) в длительный резерв, в связи; с сокращением: потребности в. электрической и тепловой энергии. В;связи с этим в.современной,энергетике применяются различные технологии [58-64; 66; 67; 70-72]для обеспечения, консервации энергетического оборудования; при выводе его в резерв, например консервация оборудования при помощи о ктадецил амином ОДА..
Экономическое сопоставление консервации паро-водо-кислородной; технологией и о ктадецил амином (ОДА), выполненное на основании; усредненных данных полученных в разных энергосистемах, показывает, что затраты на паро-водо-кислородную обработку составляют порядка 350 тысяч, рублей (в расчете учтена стоимость кислорода, топлива и обессоленной воды);
Затраты на консервацию и расконсервацию с применением ОДА. составляют порядка 610 тысяч рублей (в затратах учтена стоимость обессоленной воды топлива и стоимость реагента при проведении консервации).
В сравнении с консервацией ОДА технология1 паро-водо-кислородной\ консервации имеет ряд преимуществ, т.к. только ТШКО, П и К создает на поверхностях нагрева надежную защитную пленку на: поверхностях нагрева; оборудования; обеспечивающую надежную; эксплуатацию оборудования во: всех режимах работы оборудования (переменные режимы, частые пуски и остановы, стабильные режимы: эксплуатации); Кроме этого ПВКО, П и К не, требует проведения расконсервации при выводе энергоблока или: котла- из резерва. ПВКО,П1 и К обеспечивает надежную консервацию оборудования на длительное время, сроком не менее 3 лет.
В настоящее время наряду с паро-водо-кислородной консервацией, пассивацией и очисткой широкое распространение получила технология консервации оборудования на основе октадециламина; Поэтому был проведен сравнительный анализ затрат на проведение консервации паро-водо-кислородной технологией и технологией на основе ОДА. По результатам внедрения консервации по технологии с применением ОДА для энергоблока 250 МВт можно сказать, что усредненные затраты составляют порядка 287100 рублей. Следует учитывать и тот факт, что консервация ОДА проводится только на период вывода в резерв оборудования и требует проведения расконсервации, то потребуются дополнительные затраты.
В ряде случаев на электростанциях применяется химическая кислотная очистка поверхностей нагрева от отложений, с применением кислоты.
Затраты на пароводокислородную очистку учтены в разделе расчета на консервацию оборудования (см. раздел 2), поэтому в данном разделе учитываются прямые затраты на кислотную очистку без учета необходимости проведения ПВКО, П и К для создания защитной пленки ан внутренних поверхностях нагрева оборудования после проведения кислотной очистки.
Стоимость реагентов и обессоленной воды, расходуемых на; проведение химической очистки прямоточного котла с применением кислоты. Стоимость серной кислоты—60 руб/кг. Необходимо 6 тонн. 6000x60=360000 рублей Стоимость аммиака 25% — 53 руб/кг. Необходимо 6 тонн. 6000x53=318000 рубля. Стоимость бифторида аммония 296 руб/кг. Необходимо 5 тонн. 5000x296=1480000 рублей. Стоимость каптакса 252 руб/кг. Необходимо 60 кг. 60x252=15000 рублей. Стоимость обессоленной воды 28,4 руб/тонна. Необходимо 4000 тонн. 4000x28,4=113600 рублей.
Причем проведение кислотной очистки не обеспечивает защиты поверхностей нагрева от коррозионных процессов, в то время как проведение ПВКО, П и К обеспечивает не только очистку, но и создает защиту поверхностей нагрева от коррозионных, процессов во время; эксплуатации и резерва оборудования.
С учетом того, что химическая очистка проводится один раз в 4 года, то ежегодные затраты составляют 2016600/4=504150 тысяч рублей. В данном расчете не учтена экологическая чистота пароводокислородной обработки, т.е. отсутствие дополнительных затрат для сооружения сточных сооружений для захоронения и переработки сточных вод после химических очисток энергоблоков.
