Парогенераторные установки атомных электростанций - Отложения примесей воды - водный режим

Отложение примесей на поверхностях теплообмена парогенераторов может происходить не только при полном испарении воды, но и при достижении в ней определенных для различных примесей концентраций. Все вещества, присутствующие в парогенераторной воде, делятся на две группы: труднорастворимые и легкорастворимые. Характеристикой способности веществ к растворению в воде является коэффициент растворимости, под которым понимается количество вещества, образующее в 100 г воды при заданной температуре насыщенный раствор.
Коэффициенты растворимости бывают положительные и отрицательные. Положительные коэффициенты с ростом температуры повышаются, отрицательные понижаются. Как правило, легкорастворимые вещества имеют положительные коэффициенты растворимости, а труднорастворимые — отрицательные. Вещества с положительными коэффициентами растворимости могут отлагаться на поверхностях теплообмена только при полном упаривании воды.
Вещества, имеющие отрицательные коэффициенты растворимости, могут выпадать из растворов в двух случаях: при превышении состояния насыщения в связи с подъемом температуры или при упаривании раствора постоянной температуры.
Насыщение растворов наступает при достижении соответствующей концентрации ионов, характеризуемой произведением растворимости. Под произведением растворимости ПР, моль/кг, понимают определенное для рассматриваемого вещества произведение концентраций катиона Kt+ и аниона Ап-. В общем виде оно может быть записано следующим образом:
(10.3)
При упаривании парогенераторной воды из растворов начнут выпадать те вещества, которые достигли своего произведения растворимости. Выпадения вещества из раствора не будет при условии
(10.4)
где индекс i относится к рассматриваемому веществу. Выпадающие из растворов вещества могут кристаллизоваться или на стенках поверхности теплообмена, или в водяном объеме. В первом случае центрами кристаллизации являются шероховатости стенок» во втором — взвешенные в воде частицы, коллоиды, кристаллы веществ, пузырьки газов. Отложения на стенках называют накипями, а вещества, их образующие, — накипеобразователями. Кристаллические образования в водяном объеме называют шламом.
Образование отложений в парогенераторы с многократной циркуляцией. Из веществ накипеобразователей в парогенераторной воде могут присутствовать соединения Са и Mg, хотя даже их относительно невысокая концентрация (общая жесткость) крайне нежелательна. Несмотря на применение в системах подготовки добавочной воды и очистки конденсата достаточно эффективных методов вывода солей жесткости, следует предполагать, что их присутствие в парогенераторной воде, хотя и в малых количествах, будет всегда иметь место. В связи с этим целесообразно представлять себе поведение солей жесткости в процессе производства пара.
Выпадения из растворов кальциевых и магниевых соединений не будет, если не достигнуто произведение растворимости катионов кальция и магния со всеми присутствующими в парогенераторной воде анионами. Для этого в любом случае должны соблюдаться неравенства типа
(10.5)
Произведение растворимости кальциевых и магниевых соединений при температуре 310°С составляет примерно 10-6 моль/кг. Из кальциевых соединений накипеобразователями во всех случаях являются сульфат и силикат кальция. Эти вещества весьма плотно «прикипают» к стейкам поверхности теплообмена, что вызывает возникновение дополнительных термических сопротивлений.
Кальциевые соединения в зависимости от щелочности воды могут выпасть в виде или накипи (СаСОз), или легкоподвижного шлама [гидроксилапатит Са(Р04)6(ОН)2]. СаСОз может образоваться только в экономайзерах, где щелочность воды невысокая. Са(Р04)в(ОН)2 может образовываться в воде испарителей при ее фосфатировании, где щелочность существенно выше как за счет коррекционной обработки воды, так и вследствие активного уноса диоксида углерода с паром.
Магниевые соединения также могут образовывать как накипи, так и шлам. Накипью, плохо растворимой в воде, является гидроксид магния. Первоначально она выпадает из раствора в виде шлама. Этот шлам быстро осаждается на теплопередающих поверхностях с образованием довольно прочных, но весьма пористых отложений. Последнее способствует развитию подшламовой коррозии.
Силикатные соединения магния кристаллизуются в объеме воды в виде силиката магния MgSiО3 или серпентина 3MgO-2$iО2X Х2Н2 О. Оба этих соединения малоподвижные, не прикипающие к поверхностям теплообмена.
Скорости отложения кальциевых и магниевых соединений пропорциональны их концентрации в воде и местному удельному тепловому потоку. При значениях рН=7:11 скорости отложения Аса, Mg, мг/(м2-ч), могут быть рассчитаны по эмпирическому соотношению
(10.6)
где массовая доля кальция или магния в воде, мг/кг; q—удельный тепловой поток через поверхность теплообмена, Вт/м2.
Из продуктов коррозии в воде парогенератора могут присутствовать оксиды железа и меди в количествах, имеющих практическое значение. Их отложения могут образовываться на поверхностях теплообмена с довольно высокими значениями тепловых потоков.
Накипи, основой которых является железо, делятся на железооксидные, железофосфатные и железосиликатные. Железооксидные накипи состоят из различных оксидов железа, но главным образом из магнетита Fe3O4. Железофосфатные и железосиликатные накипи образуются при наличии в воде кроме оксидов железа больших концентраций фосфатов и силикатов. Интенсивность отложений «железных» накипей зависит от содержания железа в воде и теплового потока.
«Медные» отложения возможны на участках поверхности теплообмена, имеющих значительные тепловые потоки (не менее
400· 103 Вт/м2). В этих отложениях практически присутствует только металлическая медь, что обусловливается электрохимическими процессами. Ионы меди, достигающие стенок поверхности теплообмена, восстанавливаются на ней до молекул:
Cu2+ + Fe = Fe2+ + Cu. (10.7)
Концентрация меди в парогенераторной воде на интенсивность медных отложений, видимо, не оказывает влияния. В котельных агрегатах наблюдались случаи, когда отложения образовывались при сравнительно малых содержаниях меди в воде (около 20 мкг/кг) и отсутствовали при существенных содержаниях (около 100 мкг/кг). Основным фактором, влияющим на образование медных отложений, является тепловой поток.
Из легкорастворимых веществ в парогенераторной воде необходимо считаться с сульфатами, хлоридами, фосфатами, силикатами и гидроксидами натрия. Они попадают в парогенераторную воду с химически очищенной добавочной водой (кроме фосфатов, которые могут образовываться при коррекционной обработке парогенераторной воды). Незначительное количество их (так же как и солей Са и Mg) может попасть в конденсат с присосом охлаждающей воды в конденсаторе. Источником поступления их в парогенераторную воду может стать также фосфатирование воды.
Все легкорастворимые вещества имеют пределы растворимости значительно выше их действительного содержания в любом нормально работающем участке поверхности теплообмена. Однако при нарушениях гидродинамики (например, расслоении пароводяного потока) или ухудшенных режимах теплообмена может начаться интенсивное отложение и легкорастворимых веществ. Для этого необходимо повышение температуры раствора по сравнению с температурой кипения на определенную для каждого вещества величину tS. Величина tS зависит от физико-химических свойств раствора и давления. При нормальном протекании процессов теплообмена и гидродинамики достижение tS невозможно для любого легкорастворимого вещества.
Удаление отложений с поверхности теплообмена. Удаление отложений с поверхностей теплообмена парогенераторов производится при помощи отмывок. Отмывочными средами могут быть чистая вода и вода, содержащая химические реактивы.
В связи с этим отмывки разделяются на водные и химические. Обязательна промывка парогенератора после монтажа (предпусковая) и периодическая при эксплуатации (эксплуатационная). Как правило, только водные промывки не дают необходимого эффекта и практически всегда дополняются химическими промывками.
Выбор правильной технологии промывок парогенераторов имеет большое значение для надежной и экономической эксплуатации парогенераторов, особенно при высоких, сверхвысоких и закритических параметрах.
В настоящее время широко практикуются промывки парогенераторов с применением комплексонов, предложенные МОЦКТИ им. И. Ползунова и МЭИ. Особо следует отметить эффективность отмывок поверхностей нагрева с применением комплексонов «на ходу», т. е. при работе оборудования на штатных режимах. Этот метод разработан и внедрен МЭИ в содружестве с работниками НВАЭС и Шевченковской АЭС.