Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Роль водно-химического режима и систем химико-технологического мониторинга ВХР в повышении надежности работы ТЭС
1.1 Роль водно-химического режима в обеспечении надежной и экономичной работы электрических станций
1.2 Оценка состояния водно-химического режима электрических станций
1.3 Взаимосвязь различных показателей качества водно- химического режима
1.4 Математическое моделирование химико- технологических процессов в тракте ТЭС
1.5 Оптимизация ВХР с использованием систем химико-технологического мониторинга
Глава 2 Стационарная математическая модель распределения примесей по тракту ТЭС с барабанными котлами
2.2. Динамическая математическая модель развития нарушений ВХР по ионогенным примесям для барабанных котлов величины Описание математической модели Определение времени начала и возникшего в КПТ нарушения ВХР
Аналитическое описание связи различных показателей ВХР
2.4 Алгоритм оценки качества ведения ВХР с помощью индекса качества ВХР
Анализ поведения примесей в энергоблоке с использованием технологических алгоритмов
3.1. Результаты расчета по стационарной математической модели распределения примесей по тракту энергоблока
Анализ математической модели энергоблока с барабанным котлом в динамических условиях
Обработка экспериментальных данных с использованием моделей косвенных измерений
Анализ качества ведения ВХР с использованием алгоритма расчета ИК ВХР
Экспериментальные исследования ВХР в промышленных условиях с использованием СХТМ
4.1. Обследование ВХР ТЭС в стационарном режиме работы
Некоторые результаты обследования ВХР барабанных котлов ТЭЦ-3 ОАО «Тверьэнего»
Некоторые результаты обследования ВХР барабанных котлов Петрозаводской ТЭЦ в переходных режимах
Некоторые результаты обследования ВХР энергоблоков СКД 300 МВт Рязанской ГРЭС
Контроль качества ВХР ТЭС в пусковых и переходных режимах работы
Контроль проведения пуска и пассивации Трилоном
Б барабанного котла ТЭЦ-4 ОАО "Тверьэнерго"
4.2.2 Проведение технологических испытаний котла №8 Набережно-Челнинской ТЭЦ 153
4.2.3 Обследование ВХР при пуске блоков СКД Рязанской ГРЭС 160
Глава 5 Построение СХТМ как системы контроля и управления ВХР с использованием технологических алгоритмов для оценки состояния и прогнозирования поведения ВХР 167
Выводы 182
Список принятых сокращений 184
Список условных обозначений 185
Список использованных источников
- Оценка состояния водно-химического режима электрических станций
- Аналитическое описание связи различных показателей ВХР
- Анализ математической модели энергоблока с барабанным котлом в динамических условиях
- Некоторые результаты обследования ВХР барабанных котлов Петрозаводской ТЭЦ в переходных режимах
Введение к работе
Актуальность работы. Повышение надежности работы энергетического оборудования на ТЭС и АЭС во многом определяется состоянием систем контроля качества теплоносителя Внедрение систем химико-технологического мониторинга (СХТМ) позволяет не только получать текущую информацию о состоянии водно-химического режима (ВХР), но и использовать ее для предотвращения возможных нарушений ВХР путем применения технологических алгоритмов в СХТМ, в том числе методов математического моделирования, косвенных измерений и алгоритмов оценки состояния ВХР.
Цель работы. Разработка технологических алгоритмов оценки состояния ВХР, распределения примесей по тракту энергоблока, прогнозирования поведения ВХР в нестационарных условиях с целью использования алгоритмов в СХТМ.
Задачами данной работы являются:
-
Анализ роли ВХР, химического контроля и мониторинга технологических процессов в обеспечении надежной работы основного оборудования ТЭС.
-
Обоснование возможности и способов применения математического моделирования при анализе состояния и прогнозировании поведения ВХР ТЭС.
-
Анализ экспериментальных данных, полученных при обследовании ВХР ТЭС в различных режимах работы с использованием методов математического моделирования и уравнений взаимосвязи показателей качества ВХР.
- Научная новизна работы представлена результатами обследования ВХР
ТЭС в различных режимах работы с использованием СХТМ. Впервые
разработаны математическая модель распределения ионогенных примесей,
кремниевой кислоты и продуктов коррозии по тракту энергоблока с котлом с
естественной циркуляцией, учитывающая процессы образования отложений на
поверхностях нагрева и в проточной ЧШХіШурСОИЛЛІМІЛіІке математическая
модель динамики развития нарушения ВХР по содержанию указанных примесей в тракте барабанного котла. Предложена новая методика оценки состояния ВХР с использованием индекса качества (ИК). Разработаны диаграммы косвенного определения показателей качества ВХР, построенные на основе данных непрерывного автоматического химического контроля (АХК).
Степень достоверности результатов и выводов Степень достоверности результатов и выводов работы обеспечивается использованием современных методов и средств контроля ВХР. Результаты работы теоретически обоснованы и сопоставлены с экспериментальными данными, полученными во время обследования ВХР ТЭС в различных режимах работы.
Практическая значимость работы.
Значительный объем входной информации в СХТМ не позволяет оперативному персоналу адекватно воспринимать его, особенно в нестационарных условиях, что показывает необходимость применения новых методов оценки состояния ВХР.
Имеющиеся теоретические и опытные данные показывают возможность применения математических зависимостей для косвенного определения параметров ВХР, что может быть использовано не только с целью повышения информативности СХТМ, но и для оптимизации лабораторного химического контроля (ЛХК).
Методы математического моделирования, которые уже используются в различных областях науки, техники и производства, также могут быть применены в СХТМ в случае невозможности организации непрерывного контроля показателей качества ВХР, а также для определения динамических характеристик энергоблока с целью пропюзирования поведения ВХР при возникновении его нарушений.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всероссийском научно-техническом семинаре «Автоматизация химико-технологических процессов на ТЭС и АЭС», (г Тула, 2003г.) и на семинаре «Аналитический
контроль качества воды в теплоэнергетике» международной выставки-семинара «AnalyticaExpo-2004» (КВЦ «Сокольники», 2004г.).
Личное участие автора в получении результатов заключается в проведении обследований ВХР и анализе полученных результатов. Кроме того, разработаны уравнения для математических моделей распределения примесей по тракту энергоблока с барабанным котлом и динамики развития нарушений ВХР в тракте барабанного котла. Автором также предложена методика оценки ВХР на базе расчета ИК и варианты использования уравнений взаимосвязи параметров ВХР с целью организации косвенных измерений в СХТМ
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе один отраслевой руководящий документ и одно учебно-методическое пособие.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Основной материал изложен на 194 страницах машинописного текста, включает 43 рисунка, 31 таблицу и 81 формулу. Список литераіурьі включает 98 наименований.
На защиту выносятся следующие результаты выполненной работы:
-
Алгоритм прогнозирования динамики развития нарушений по содержанию ионогенных примесей, кремниевой кислоты и продуктов коррозии в тракте барабанного котла.
-
Алгоритм оценки состояния ВХР с использованием ИК.
-
Математическая модель распределения ионогенных примесей, кремниевой кислоты и продуктов коррозии по тракту энергоблока с барабанным котлом в стационарных условиях.
-
Алгоритм применение уравнений взаимосвязи показателей качества ВХР с целью организации косвенных измерений параметров в СХТМ.
Оценка состояния водно-химического режима электрических станций
Согласно руководящим документам, применяемым в отечественной тепловой и атомной энергетике [11, 39] химический контроль на электростанции должен обеспечивать: - своевременное выявление нарушений режимов работы водоподготовительного, теплоэнергетического и теплосетевого оборудования, приводящих к коррозии, образованию накипи и отложениям; - определение качества воды, пара, конденсата, отложений, реагентов, консервирующих и промывочных растворов, топлива, шлака, золы, газов, масел и сточных вод; - проверку загазованности производственных помещений, баков, колодцев, каналов и других объектов; - определение количества вредных выбросов электростанции в окружающую среду.
Как в отечественных документах, так и зарубежных публикациях [19], регламентирующих ВХР и химический контроль, определены основные точки контроля теплоносителя по тракту, основные показатели качества воды и их нормируемые значения в зависимости от типа энергоблока/турбоустановки, применяемого ВХР и режима работы. Кроме того, для обеспечения надежной работы энергетических объектов вводятся понятия «уровней действий», которые применяются для оценки значимости возникшего нарушения ВХР путем сравнения текущих значений контролируемых параметров с соответствующими нормируемыми значениями. «Уровни действия» определяют не только «величину», но и допустимую длительность нарушения. Так, например, согласно [11], в случае увеличения в паре прямоточных котлов значения удельной электрической проводимости до 0.5 мкСм/см, концентрации натрия до 10 мкг/дм , причина нарушения должна быть устранена не позже, чем за 24 часа. В случае же увеличения в паре прямоточных котлов значения удельной электрической проводимости более 1 мкСм/см, концентрации натрия более 15 мкг/дм3 или снижении рН ниже 5.5 турбина должна быть остановлена в течение не более 24 часов по решению технического руководителя электростанции с уведомлением диспетчера энергосистемы.
При этом следует отметить, что в руководящих документах приведены нормирующие значения только части параметров, контролируемых оперативным персоналом и персоналом центральных или дневных лабораторий химического цеха. Нормы для остальных параметров устанавливаются техническим руководством электростанции на основании тепло-химических испытаний и опыта эксплуатации.
В настоящее время для выявления негативных факторов, снижающих надежность работы, на отечественных ТЭС используется экспертная система контроля и оценки условий эксплуатации котлов [40]. В рамках данной экспертной системы уровень эксплуатации оценивается по 7 направлениям, в том числе состояние ВХР и наличие АХК. Каждое направление экспертной системы имеет подуровни, по которым производится определение уровня соответствия направления задачам производства. При этом следует отметить, что в данной экспертной системе вопросам ВХР и его контроля уделено значительное внимание - 8 из 28 подуровней направлений относятся к организации, контролю и поддержанию ВХР.
Как неоднократно было отмечено, поддержание оптимального ВХР является одним из факторов, повышающих надежность и безопасность работы ТЭС и АЭС. В ряде работ отмечается необходимость ужесточения норм ВХР, приведенных в руководящих документах. Так, например, авторы [41] отмечают, что для успешной организации нейтрально-кислородного ВХР значение удельной электропроводимости Н-катионированной пробы питательной воды энергоблоков сверх критического давления СКД не должно превышать 0.2 мкСм/см, при этом указанное в [11] предельно допустимое значение параметра составляет 0.3 мкСм/см.
Авторы другой работы [42] приводят результаты анализа опыта эксплуатации энергоблоков СКД на электростанциях Свердловэнерго. Традиционный нейтрально-кислородный водный режим (НКВР), применяемый на данных объектах, не предусматривает коррекцию рН питательной воды аммиаком. Однако, снижение рН и, как следствие, повышение удельной электропроводимости в остром паре обусловили проведение коррекции. Вероятной причиной закислення рН являлось присутствие органических соединений в питательном тракте, поступающих с добавочной водой. Оптимальность режима коррекции питательной воды проверялась по скорости роста удельной загрязненности в теплонапряженной поверхности НРЧ. Полученные данные показали, что оптимальное значение рН питательной воды находится в пределах 7.6 - 7.8. Превышение указанного предела изменения показателя приводило к резкому увеличению скорости накопления отложений в НРЧ. Результаты исследования показали, что найденный режим коррекции питательной воды обеспечивает надежную работу энергоблоков без проведения химических промывок в течение 10-12 лет. Кроме того, был сделан вывод, что путем коррекции питательной воды аммиаком нельзя решить проблему создания коррозионно-без опасной среды в паровом тракте энергоблока.
Аналитическое описание связи различных показателей ВХР
Повышение номинальных параметров установок и применение энергоблоков СКД в современной энергетике привело к пониманию значимости ВХР, средств и методов его контроля в обеспечении надежной и экономически эффективной работы оборудования [10, 19, 76]. Развитие и совершенствование СХТМ на ТЭС и АЭС идет одновременно с развитием приборной базы, методов контроля и информационных технологий.
Как было указано выше, накопленный опыт позволил выработать требования к системам мониторинга [21].
На рисунке 1 приведен один из вариантов принципиальной схемы построения СХТМ ВХР. Аналоговые сигналы приборов АХК, установленных на протоке в основных точках отбора проб тракта, преобразуются в цифровой код на технологических контроллерах, откуда далее направляются на сервер базы данных (БД). Результаты лабораторных анализов вводятся в БД вручную на соответствующих АРМ персонала химического цеха. На сервере организована первичная обработка и хранение данных. Представление информации о текущем состоянии ВХР осуществляется в табличном и графическом виде на всех АРМ СХТМ ВХР. Кроме того, программное обеспечение, используемое в СХТМ, позволяет просматривать данные за весь период работы системы с момента начала ее эксплуатации. Кроме того, предусматривается возможность обмена данными между СХТМ ВХР и АСУ ТП ТЭС с целью совместного взаимодействия обоих систем. Информация СХТМ может использоваться в следующих функциях, реализуемых управляющими подсистемами АСУТП: - автоматическое регулирование дозирования корректирующих реагентов (аммиака, гидразина, фосфатов, кислорода и т.п.); - формирование корректирующих воздействий для автоматической системы регулирования продувки котлов; — автоматическое программно-логическое управление блочной обессоливающей установкой; - дистанционное управление арматурой и механизмами, участвующими в поддержании качества химико-технологических процессов на ТЭС.
Необходимость внедрения СХТМ ВХР как подсистемы АСУТП с целью повышения надежности работы оборудования ТЭС отмечается в ряде работ [77, 78]. При этом наиболее актуальной проблемой является внедрение подсистем АСУ ТП [79, 80], в том числе СХТМ ВХР, путем интеграция всех технологических задач в рамках единого программно-технического комплекса на ТЭС с большим сроком службы, или так называемых «стареющих ТЭС». При этом основным условием успешного внедрения системы является возможность поэтапного ввода ее в эксплуатацию и расширения функциональности без длительных остановов системы и глобального перепрограммирования. Кроме того, обязательным условием является сохранение (по крайней мере, на начальном этапе) имеющегося на предприятии приборного парка.
В различных работах [76, 81, 82] приводится обоснование необходимости использования современных анализаторов качества в системах мониторинга ВХР, таких как анализатор общего органического углерода, измеритель редокс-потенциала, измеритель коррозионного потенциала и других приборов и систем. При этом следует отметить, что в отечественных руководящих документах отсутствуют нормирующие значения для параметров, измеряемых вышеуказанными приборами.
Авторы работы [83] приводят пример повышения информативности автоматизированной системы контроля и управления водно-химическим режимом (АСКУ ВХР) энергоблоков с реакторами ВВЭР-1000 путем использования алгоритма косвенного метода определения ионных примесей в обрабатываемой продувочной воде парогенераторов, а также в регенерационных и отмывочных водах ионитных фильтрах. В работе также дана оценка влияния точности измерений рН обработанной воды на расчетные значения концентраций примесей. Описанный в работе метод основан на расчете показателей качества теплоносителя по измеренным величинам рН и удельной электропроводимости с рядом допущений. Например, определяемая расчетным путем концентрация ионов на самом деле является суммарной концентрацией всех катионов присутствующих в анализируемой пробе, а расчетная концентрация хлоридов — суммарной концентрацией хлоридов, сульфатов и нитратов. По мнению авторов, данные допущения не искажают информацию о технологическом процессе и качестве обработанной воды и могут использоваться в АСКУ ВХР. Кроме того, результаты проведенной работы позволили авторам сделать вывод, что реализация разработанного метода косвенного определения концентраций ионных примесей в воде на установке спецводоочистки СВО-5 позволяет: - осуществить АХК поступающей и очищенной воды; - количественно определить концентрации катионов и анионов в поступающей и обработанной воде; - регистрировать срабатывание катионита и анионита на фильтрах установки; решить задачу полной автоматизации контроля и управления работой установки СВО-5.
Так, например, авторы [84] предлагают использование в современных системах мониторинга ВХР измерения удельной электропроводимости дегазированной пробы с целью выявления загрязнения теплоносителя электростанции неорганическими и/или органическими кислотами и/или их солями и вызванного углекислотой. В результате проведенных исследований авторы делают кроме прочих вывод о том, что единственной примесью, удаляемой из пробы при ее дегазации, является углекислота. На основании данного утверждения можно говорить о возможности непрерывного косвенного определения концентрации свободной углекислоты.
Авторы другой работы [85] приводят пример использования простой математической модели в системе мониторинга для оценки влияния присос ов охлаждающей воды в конденсаторе на общее состояние ВХР. Математическая модель была опробована на энергоблоке с барабанным котлом давлением 155 бар.
Анализ математической модели энергоблока с барабанным котлом в динамических условиях
В явном виде зафиксировать момент начала нарушения (возмущения), анализируя лишь показания приборов АХК, не представляется возможным, т.к. показатели состояния ВХР зависят от многих факторов. Для определения момента начала нарушения могут быть предложены несколько способов:
1. За точку начала нарушения можно принять момент достижения данным показателем нормируемого значения. Этот способ достаточно прост, однако он не учитывает динамики объекта, или, другими словами, историю развития нарушения в пределах допустимой зоны. При оценке процесса развития ситуации это может привести к неверным результатам.
2. С помощью ЭВМ на каждом шаге (после каждого опроса приборов) вычисляется математическое ожидание случайного процесса изменения параметра. При этом фиксируется момент изменения математического ожидания процесса в сторону ухудшения. В случае достижения показателем нормируемого предела с ненулевой скоростью (которая определяется в темпе с процессом, с учетом периодичности опроса приборов) зафиксированный ранее момент времени может быть принят за точку начала переходного процесса.
Стоит отметить, что методы 1 и 2 не позволяют оценить истинного значения возмущения C f. Сделать это путем непосредственного измерения также трудно, так как содержание примесей в питательной воде может изменяться в пределах чувствительности приборов АХК.
Предлагаемый далее метод определения Cjff и to, основан на следующем: в барабане котла происходит многократное концентрирование ионогенных примесей по сравнению с концентрацией в питательной воде; приборы АХК, анализирующие качество продувочной воды котла имеют меньшую абсолютную погрешность измерения, чем приборы, установленные на питательной воде; показания приборов АХК на начальной или ранней стадии переходного процесса в котле могут дать очень важную информацию о произошедшем в конденсатно-питательном тракте (КПТ) нарушении.
Рассмотрим процесс повышения концентрации примеси в барабане котла при ступенчатом возмущении в КПТ.
Если провести статистическую обработку фиксируемых приборами и ЭВМ данных на начальном участке переходной кривой и определить при этом вид зависимости, описывающей изменение показателя во времени, то можно дать прогноз развития ситуации. При этом, вид задаваемой функции должен соответствовать реальным физическим процессам, имеющим место в исследуемом объекте.
Математическая модель барабанного котла, а также реальный процесс можно представить в виде обрабатываемой функции: CKIA0 = F + (CQKIA-F)-e-G- (30) где: F и G - неизвестные коэффициенты; СК/А(0 И CQKIA - текущая и начальная концентрации примеси в котловой воде, мкг/дм3; t - текущее время. Заметим при этом, что коэффициенты F и G имеют следующий вид: (31) F = пв пв А + ВПРОД И(7 = А,+ Dnim МК1А
Зададим период опроса датчиков приборов АХК СХТМ равным t. КТС зарегистрировала устойчивое изменение параметра в сторону ухудшения в течение 3-х периодов опроса при превышении показателем нормируемого значения. Методом наименьших квадратов (МНК) обрабатываются п-точек, включая данные за последний час, хранящиеся в архиве. По результатам расчета получаем величину среднеквадратичного отклонения. Далее обрабатываются (п-1) точка (отбрасывается наиболее ранняя точка). Для обработки с (п-1) точкой так же определяем величину среднеквадратичной отклонения. Процесс повторяется до тех пор, пока количество рассматриваемых точек не сократится, как минимум, до 6. Далее выбираем зависимость, для которой среднеквадратичное отношение минимально.
Некоторые результаты обследования ВХР барабанных котлов Петрозаводской ТЭЦ в переходных режимах
В предыдущих разделах главы представлены варианты использования математических моделей для определения концентраций примесей в точках тракта по известному содержанию этих примесей в питательной воде в стационарных и динамических условиях, В данном разделе приведен пример использования уравнений взаимосвязи различных показателей, описанных в 2.3, для определения неизмеряемых показателей качества теплоносителя.
Для оптимизации объема автоматического химконтроля и уменьшения количества приборов целесообразно производить расчет одних показателей ВХР через другие. Проведение подобного рода расчетов не сопряжено с большими временами вычислительного процесса и может осуществляться в масштабе реального времени без существенной потери информативности результатов.
Основываясь на результатах автоматического химического контроля, как одного из наиболее надежных (при определенных допущениях), можно рассчитывать концентрации отдельных компонентов вносящих, вклад в общую электропроводимость. В частности с высокой точностью можно определить концентрацию анионов сильных кислот в пересчете на С1-ион и концентрацию угольной кислоты по известным значениям электропроводимости Н-катионированной пробы, рН и концентрации натрия.
Предполагается, что в исходном растворе присутствуют следующие примеси: NaCl, NH4OH и С02, т.е. данный расчет производится для кислородно-аммиачного водного режима, Учет вклада остальных примесей в электропроводимость не рассматривается в предположении, что он незначителен (данное допущение в последующем будет уточняться). После Н-фильтра в растворе будут присутствовать С1-ион и угольная кислота в концентрации равной (СОг). Соответственно в растворе после Н-фильтра будут присутствовать следующие виды ионов: Н1", ОН", СГ, НСО3", (СОз)2\
Для решения данной задачи используются уравнения 43—46 раздела 2.3. После соответствующих замен и подстановок исходная система уравнений в данном случае будет выглядеть следующим образом: (52)
Данная система представляет собой систему нелинейных уравнений, решить аналитически которую не представляется возможным. Для ее решения необходимо использовать численные методы. В данном случае неизвестными являются концентрация НҐ-иона после Н-катионитового фильтра, содержание анионов в пересчете на СГ, концентрация углекислоты в пробе, а также ожидаемое значение общей удельной электропроводимости,
В таблице 14 приведены исходные данные и результаты расчета. Обычно на ТЭС с прямоточными котлами поддерживается высокое качество теплоносителя. Значения электропроводимости Н-катионированной пробы питательной воды, пара находится на уровне 0.1 - максимум 0.3 мкСм/см, поэтому в расчете значение электропроводимости Н-катионированной пробы принято равным 0.1 мкСм/см. При этом концентрация натрия не должна превышать 5 мкг/дмЗ как в питательной воде, так и в паре. Величина рН питательной воды энергоблока с прямоточным котлом при подщелачивании аммиаком находится в диапазоне 7.5 - 8.5 ед. рН, что определило диапазон изменения рН в расчете. Обычно для поддержания требуемого значения рН в питательной воде поддерживается концентрация аммиака в диапазоне 40 - 80 мкг/дмЗ. В данном расчете задаются следующие концентрации аммиака: 20, 60, 80и100мкг/дм3.
Кроме того, в расчете использованы следующие константы [94]: - константа диссоциации воды Ксо=1,071 х10"и; - константа диссоциации угольной кислоты 1 ступени 1 =4.335; - константа диссоциации угольной кислоты 2 ступени К2=4.317х10"п; - константа диссоциации аммиака Ка=1.75х 10" ; - предельная эквивалентная проводимость ионов натрия L0NA+=0,00501, см /(Ом г-экв);
