Конденсатоочистительные установки, предназначенные для глубокого обезжелезивания и обессоливания всего турбинного конденсата, являются обязательным элементом отечественных и зарубежных энергоблоков с прямоточными котлами. Кроме конденсата турбин, через конденсатоочистку проходит конденсат, возвращаемый из систем собственных нужд, а также обессоленная вода, добавляемая в цикл для восполнения потерь,— так называемый добавок. Необходимость 100%-ной очистки всей питательной воды обусловлена жесткими требованиями к ее качеству.
Благодаря конденсатоочистке уменьшается загрязненность питательной воды котла продуктами коррозии конструкционных материалов, а также ионодисперсными примесями; снижается загрязненность внутренней поверхности парообразующих труб и проточной части турбины, что удлиняет рабочую кампанию энергоблока между эксплуатационными промывками котла и проточной части турбины; ускоряется пуск и выход на расчетные параметры энергоблока после капитальных и текущих ремонтов.
Загрязнения конденсата содержатся в нем как в растворенном состоянии, так и в виде взвеси различной степени дисперсности, вплоть до коллоидной.
Основную массу нерастворенных загрязнений конденсата составляют продукты коррозии конструкционных материалов пароводяного тракта, в первую очередь соединения железа, меди и цинка. Содержание в конденсате продуктов коррозии может существенно колебаться, особенно возрастая в периоды изменения режима эксплуатации и при тюках энергоблока. Некоторое количество загрязнений, в том числе и находящихся во взвешенном состоянии, может поступать в конденсат из охлаждающей природной воды в результате ее присосов через неплотности конденсаторов.
При истощении фильтров конденсатоочистки в фильтрат может попасть некоторое количество соединений кремниевой кислоты, вытесняемых анионами сильных кислот. Кроме того, соединения натрия и силикаты попадают в турбинный конденсат в результате подсоса охлаждающей воды через неплотности конденсаторов. Если силикаты находятся в виде взвеси или в коллоидной форме, то они лишь частично могут быть задержаны фильтрами конденсатоочистки. Полностью эти примеси удаляются только после их разложения в котле и появления их в гурбинном конденсате уже в растворенном виде.
Турбинный конденсат загрязняется кремниевой кислотой в начальный период эксплуатации энергоблока вследствие остающихся после монтажа котла веществ и неполного их удаления в процессе предпусковой (послемонтажной) промывки. Обычно это силикаты и кремнекислота (песок), которые постепенно переходят в паровой раствор, частично задерживаются на лопатках турбины, но большей частью поступают в турбинный конденсат.
«Самопромывка» турбины от веществ, задержанных на лопаточных аппаратах, происходящая при снижении параметров пара в энергоблоке, вызывает иногда резкое повышение концентрации кремниевой кислоты и различных солей в турбинном конденсате.
Конденсатоочистка обеспечивает также необходимое количество питательной воды при коррозионном разрушении конденсаторной трубки в период поиска места повреждения и отключения аварийной части конденсатора. При нормальной непрерывной работе энергоблока только аммиак при гидразинно-аммиачном режиме, дозируемый в питательную воду для поддержания в ней заданного pH, является основной примесью, определяющей ионный состав турбинного конденсата.
Особенность любой схемы конденсатоочистки— применение высокоскоростной фильтрации, вызванной большими объемами конденсата (1000 м3/ч и более), подлежащего очистке, и необходимость создания малогабаритной установки. Возможность применения высокоскоростной фильтрации обусловливается относительно невысокой загрязненностью турбинного конденсата.
Очистка конденсата осуществляется в две стадии: на первой — от взвешенных загрязнений с помощью механических фильтров, на второй— от растворенных примесей на ионитных фильтрах.
Некоторые конденсатоочистки США (например, на электростанциях Мидлтаун, Кинсоид и др.), эксплуатируемые в режиме базовой нагрузки, работают без механических предвключенных фильтров. В этом случае функция задержания взвеси из очищаемого конденсата перекладывается на обессоливающую часть конденсато- очистки, состоящую обычно из фильтров смешанного действия (ФСД). Такое упрощение схемы стало возможным благодаря появлению товарных макропористых ионитов, устойчивых к механическому и осмотическому воздействиям. Иониты этого типа позволяют осуществлять без значительных потерь от истирания их многоразовую барботажную промывку, которая по сравнению с обычным воздуховодяным взрыхлением позволяет более эффективно удалять из фильтрующего слоя задержанную взвесь и увеличивать межрегеперацноиный период работы ФСД. Подобная обработка практически невозможна при употреблении ионитов гелевой структуры, поскольку вызывает большие потери, связанные с недостаточной механической прочностью этих материалов.
Надо полагать, что освоение отечественной химической промышленностью массового выпуска ионитов макропористой структуры в необходимых количествах позволит перейти к упрощенной схеме очистки турбинного конденсата базовых блоков. На блоках с. к. д., несущих полупиковую нагрузку, для которых характерны остановы и пуски, обычно сопровождающиеся значительным ростом концентрации окислов железа, применение обезжелезивающих фильтров перед ФСД всегда обязательно. Необходимость установки механических фильтров на таких электростанциях подтверждается эксплуатационным опытом энергоблоков и за рубежом.
На первых блоках с. к. д. преимущественное распространение получил гидраэинно-аммиачный режим при поддержании в обессоленной питательной воде рН= = 9,1±0,1 путем дозирования в нее аммиака в количестве 350—500 мкг/л и гидразина до 100 мкг/л. Технологические схемы очистки турбинного конденсата, описываемые ниже, проверены в условиях гидраэинно-аммиачного режима работы энергоблоков.
Для очистки турбинного конденсата от продуктов коррозии (взвешенных загрязнений) используются механические фильтры различных типов. Однако технические возможности современного оборудования (сульфоугольные или целлюлозные намывные фильтры) не обеспечивают достаточно глубокого обезжелезивания. Стабильно· норма ПТЭ по содержанию окислов железа в питательной воде энергоблоков не достигается: дополнительное загрязнение
обессоленного конденсата продуктами коррозии по тракту ПНД и ПВД приводит к тому, что содержание окислов железа в питательной воде обычно превышает нормы· ПТЭ (табл. 3-5).
Для того чтобы обеспечить требуемое качество питательной воды с учетом возможного дополнительного загрязнения конденсата окислами железа после БОУ, необходимо стремиться к глубокому обезжелезиваиию основной массы конденсата на БОУ (до концентрации не выше 5 мкг/л).
Увеличение степени обезжелезивания конденсата обеспечивает защиту ионитов обессоливающей части БОУ от «зажелезивання», а понятные фильтры освобождает от выполнения «посторонней» функции — удаления из конденсата продуктов коррозии.
Особенно необходима надежно работающая обезжелезивающая часть в схеме БОУ в переходные периоды работы, т. е. во время пусков, снижения и последующего подъема нагрузки, когда требуется быстрое и глубокое улавливание значительных количеств продуктов коррозии.
Средние данные о содержании железа в водах ТЭС
|
| Содержане Fe, шг/л | ||
ГРЭС | Схема конденсатоочистки | на в оде в БОУ | на выходе из БОУ | перед экономайзером |
Троицкая | Сульфоугольные механические фильтры-!- ФСД | 19,6 | 7,2 | 14,0 |
Криворожская | То же | 11,0 | 4,0 | 14,0 |
Средне-Уральская | Целлюлозные намывные фильтры + ФСД | 29,5 | 12,5 | 12,0 |
Лукомльская | То же | 14,0 | 3,0 | 10,0 |
Практически осуществить глубокое обезжелезивание турбинного· конденсата довольно сложно, поскольку удалению подлежат частицы высокой дисперсности, в основном мельче 1 мкм. В зависимости от условий работы энергоблока может меняться фазовый, химический и дисперсный состав примесей, находящихся в конденсате, поступающем на БОУ. Наблюдения показывают, что, например, во время пуска энергоблока, а также при неустановившемся водно-химическом режиме в очищаемом конденсате присутствуют главным образом гидратированные окислы железа, а также крупные частицы двух- и трехвалентных окислов железа как с магнитными, так и диамагнитными свойствами. В этом случае визуальная проба на бумажном мембранном ультрафильтре с размерами пор 0,45 мкм имеет желтую и желто-коричневую окраску, свойственную перечисленным формам окислов железа. Установившийся же режим непрерывно работающего энергоблока характеризуется присутствием в очищаемом конденсате продуктов коррозии в виде тонкодисперсной взвеси ферромагнитного характера, в составе которой преобладает магнетит. При этом визуальная проба на бумажном ультрафильтре приобретает черную окраску. Наличие в турбинном конденсате устойчиво работающего с постоянной нагрузкой энергоблока ферромагнитной железоокисной взвеси (FeaOi, yFe203, 6Fe203) дает основание считать целесообразным использование магнитного метода очистки. Этот способ глубокого обезжелезивания турбинного конденсата может быть выполнен в двух вариантах. Первый состоит в том, что в схеме БОУ сохраняются механические фильтры, а повышение глубины обезжелезивания достигается предварительным магнитным укрупнением тонкодисперсных железоокисных частиц до размеров, позволяющих эффективно задерживать их в
зернистой насадке или в слое намытой волокнистой целлюлозы. Функцию укрупнения осуществляет магнитный аппарат — флокулятор. Во-втором варианте глубокого обезжелезивания электромагнитный фильтр с намагниченной шариковой загрузкой устанавливается в схеме блочной конденсатоочистки как единственный обезжелезивающий аппарат.
Физическая сущность работы электромагнитного флокулятора основана на соединении между собой ферромагнитных частиц в магнитном поле. При этом образуются удлиненные цепочки — флокулы. Вырастая в рабочей зоне флокулятора до размеров, необходимых для их задержания в зернистой или волокнистой загрузке (50—150 мкм), укрупненные частицы выносятся из флокулятора потоком конденсата и оседают в фильтрующем слое механического сульфоугольного или целлюлозного фильтра. На формирующуюся в рабочей зоне аппарата флокулу одновременно действуют магнитная сила потокосцепле- ния Fa, равная Fa—χΗ grad Я, где χ —удельная магнитная восприимчивость частиц; Н—напряженность внешнего магнитного поля, и механическая сила движущегося потока конденсата FMex, пропорциональная квадрату скорости. При данной магнитной силе потокосцепления железоокисных частиц скорость потока конденсата должна, с одной стороны, обеспечить рост флокул до нужных размеров, с другой — не допустить накопления (задержания) частиц в магнитной зоне флокулятора. Иначе говоря, условия рабочей зоны флокулятора должны соответствовать неравенству Fuen>FMar.
Рис. 3-10. Устройство электромагнитного флокулятора.
Аппарат, необходимый для практического осуществления процесса, разработан ЦКБ Главэнергоремонта Минэнерго СССР совместно со ВТИ. Это устройство производительностью 1200 т/ч для БОУ энергоблока мощностью 300 МВт изображено на рис. 3-10. Аппарат имеет проточную камеру / с находящимся внутри нее небольшим (до 100 мм) слоем ферромагнитных шариков 2 и надетой на ее наружную поверхность электромагнитной катушкой 3,.
Слой шариков заключен между полюсами 4 и 5 замкнутого магнитопровода с вертикальными каналами для прохода жидкости.
Аппарат устанавливается перед механическими фильтрами в схеме БОУ, и через него проходит весь поток очищаемого конденсата в направлении снизу вверх. Перепад давления на аппарате составляет 0,4—0,5 кгс/см2 при производительности 900—1000 т/ч и чистом рабочем слое. Если перепад давления увеличивается, то это указывает на оседание в рабочей магнитной зоне аппарата железоокисных частиц. При перепаде, равном 1—1,2 кгс/см2, требуется промывка флокулятора потоком очищаемого конденсата при отключенном электрическом токе в обмотке электромагнитной катушкн. В течение 10—15 мин флокулятор работает без магнитного поля в шариковой зоне, в которой в это время образуется «кипящий» слой загрузки. В результате она освобождается от взвеси, выносимой потоком конденсата и улавливаемой механическим фильтром. По окончании промывки включается питание катушкн и создаются рабочие условия флокулятора.
В периоды длительных остановов энергоблока внутренняя поверхность аппарата и шариковой загрузки консервируется заполнением проточной камеры 3%-ным раствором аммиака нлн смесью 0,05%-ного раствора гидразина и 0,3%-ного раствора аммиака. Химический контроль за эффективностью работы обезжелезнвающей установки с предварительной магнитной флокуляцией проводится путем аналитических определений содержания железа в конденсате на входе в аппарат и на выходе из механических фильтров.
Освобождение фильтрующей загрузки механического фильтра от задержанной железоокисной взвеси должно производиться путем гидроперегрузки отработавшего фильтрующего материала в один из вспомогательных фильтров, в котором он отмывается взрыхляющим потоком воды и воздуха. Осуществлять эту операцию в рабочем фильтре нежелательно во избежание оседания верхнего, наиболее «зажелезненного» слоя сульфоугля на нижнюю дренажную систему, что приводит к ухудшению качества фильтрата во время работы фильтра.
Схема глубокого обезжелезивания турбинного конденсата на сульфоугольных фильтрах с предварительной магнитной флокуляцией успешно прошла эксплуатационную проверку в системе БОУ энергоблока мощностью 300 МВт Новочеркасской ГРЭС. Включение в головную часть работающей БОУ электромагнитного флокулятора повысило эффективность работы сульфо- угольных механических фильтров в 2 раза (с 35 до 70,6%); остаточное содержание железа в конденсате после фильтров снизилось с 12 до 5 мкг/л Fe.
На рис. 3-11 изображен рабочий цикл фильтра до и после включения флокулятора, наглядно подтверждающий более глубокое обезжелезивание конденсата во втором режиме.
Сравнительные эксплуатационные данные по двум энергоблокам
Новочеркасской ГРЭС, один из которых имеет в схеме БОУ флокулятор, полученные во время пуска агрегатов после непродолжительного останова, показаны на рис. 3-12. Размеры площадей St и 5г, выделенных на графиках штриховкой, показывают, что количество продуктов коррозии, поступивших в контур энергоблока с питательной водой за период его вывода на эксплуатационный режим, было уменьшено примерно в 2,5 раза в результате включения в схему конденсато- очистки электромагнитного флокулятора.
Физическую основу работы обезжелезивающего электромагнитного фильтра, разработанного в ФРГ, составляет закономерность, заключающаяся в том, что сила притяжения намагниченных частиц задерживаемой взвеси к сферическим магнитным полюсам (шарикам) должна превышать механическую силу движущегося потока, стремящегося вынести частицы из рабочей зоны фильтра. Соблюдение этого условия позволяет получать высокий эффект задерживания ферромагнитной железоокисной взвеси в слое намагниченных шариков, составляющих загрузку фильтра, и обеспечить остаточное содержание железа в очищенном конденсате меньше -5 мкг/л.
Наиболее рационально устанавливать электромагнитный фильтр (ЭМФ) на БОУ перед ФСД и через него пропускать весь ток очищаемого конденсата. При таком включении ЭМФ на нем будет лежать основная нагрузка по выводу железоокисной взвеси из контура энергоблока. Электромагнитный фильтр будет служить защитой от попадания железоокисной взвеси в ионитную загрузку ФСД и, следовательно, увеличит срок службы этих достаточно дорогих и дефицитных материалов. В схеме БОУ эксплуатация ЭМФ наиболее удобна и надежна, поскольку позволяет арматуре и автоматике фильтра работать в нормальных температурных условиях. Кроме того, возможно осуществить индивидуальную промывку загрязненной загрузки фильтра с любой требуемой интенсивностью, используя имеющиеся на БОУ насосы «грязного» конденсата.
Рис. 3-12. Сравнительные эксплуатационные данные по содержанию железа по двум блокам без флокулятора (а) и с флокулятором (б).
Рис. 3-11. Рабочий цикл обезжелезивающего фильтра до и после включения ЭМФЛ#
/ — до сульфоугольного фильтра; 2 — после сульфоугольного фильтра.
Эксплуатационные возможности ЭМФ как единственного обезжелезивающего аппарата в схеме БОУ были проверены в течение трехлетней работы экспериментального образца производительностью до 1000 т/ч конструкции ЦКБ Главэнергоремонта Минэнерго СССР, установленного на энергоблоке мощностью 300 МВт Средне-Уральской ГРЭС. В отличие от аппарата немецкой фирмы «Крафтверкунион» экспериментальный ЭМФ был заполнен шариками из магнитно мягкого металла, что упрощало промывку загрузки вследствие исключения стадии дополнительного размагничивания. «Кипящий» слой шариков, необходимый для удаления задержанной взвеси, получается при интенсивной промывке восходящим потоком воды после снятия внешнего магнитного поля. Размагничивание облегчено низкой остаточной индукцией металла шариков. Такими свойствами магнитно- мягких материалов обладают специальные коррозионно-стойкие легированные стали (ШХ-15, ШХ-15СГ, ШХ-20СГ и др.), не прошедшие термообработку. По данным анализов шарики, изготовленные из сталей этих марок, обладают коэрцитивной силой Яе=84-14 Э и низкой остаточной индукцией (1— 2 Э).
Фильтр имеет цилиндрический корпус, изготовленный из листовой стали 1Х18Н9Т толщиной 13 мм и снабженный фланцами для присоединения трубопроводов. В нижней части корпуса дырчатый лист из стали вышеуказанной марки покрыт двумя слоями нержавеющей сетки с ячейками 4 мм. На этом дренажном устройстве размещена шаровая насадка высотой 1000 мм и массой около 3,5 т. На кольцо, приваренное снаружи корпуса фильтра, опирается катушка соленоида.
72
Как показывает длительный промышленный эксплуатационный опыт, ЭМФ, включенный в схему БОУ, устойчиво обеспечивает глубокое удаление железоокисной взвеси до остаточного содержания 5 мкг/л Fe и менее. Лучшие показатели по глубине обезжелезивания достигаются в периоды устойчивой работы энергоблока без частых остановов и изменения нагрузки (эффективность железоокисной взвеси достигает 70% при остаточном содержании железа в фильтрате до 3—3,5 мкг/л).
С первых месяцев работы ЭМФ в схеме энергоблока прослеживались тенденции к постепенному снижению содержания железоокисных продуктов коррозии в пароводяном тракте котла, проявляющиеся в уменьшении концентрации железа в конденсате, поступающем на БОУ. Постепенный вывод продуктов коррозии из контура энергоблока приводит к очистке его поверхностей и уменьшению содержания железа в питательной воде до 5—7 мкг/л.
Объективным показателем результативности включения ЭМФ в схему БОУ служит снижение загрязненности НРЧ котла и уменьшение количества промывок. Так, по энергоблоку, в схему БОУ которого был включен экспериментальный ЭМФ, число промывок НРЧ сократилось с 2,5 в 1973 г. до 1 в 1976 г. Уменьшение удельной загрязненности поверхностей труб НРЧ особенно существенно на необогреваемой стороне труб, где зафиксировано снижение поверхностной плотности отложений со 130 в 1973 г. до 11 г/м2 в 1976 г. На обогреваемой части труб загрязнения составили в 1973 г. 225 и в 1976 г. 97 г/м2.
Каждая из рассмотренных выше схем глубокого обезжелезивания турбинного конденсата в эксплуатационных условиях работы энергоблоков с. к. д. может обеспечить остаточное содержание железа в фильтре 5 мкг/л и менее. Однако эти схемы отличаются некоторыми технологическими и экономическими показателями, что позволяет наметить рациональные области их практического использования.
Схема с электромагнитным фильтром отличается большей магнитной специфичностью, поскольку намагниченная шаровая загрузка улавливает из конденсата главным образом взвесь окислов железа, обладающих ферромагнитными свойствами. Такие окислы железа преобладают в условиях гидразинно- аммиачного водно-химического режима и при стационарной эксплуатации энергоблока. Следовательно, схема глубокого обезжелезивания на ЭМФ представляется наиболее перспективной для энергоблоков с. к. д., работающих систематически с постоянной нагрузкой и график эксплуатации которых не планирует частые остановы и пуски.
Присутствие в схеме обезжелезивания с электромагнитным флокулятором механических обезжелезивающих фильтров уменьшает специфичность магнитного метода, поскольку помимо ферромагнитных флокул эти фильтры могут задерживать и частицы взвеси немагнитного характера. Значительным технологическим преимуществом обладает схема с сульфоугольными обезжелезивающими фильтрами еще и потому, что в ионогенные группы зерен загрузки может быть введен обменный ион водорода, который позволяет удалять из очищаемого конденсата аммиак и этим существенно облегчить работу обессоливающей части БОУ.
Перечисленные технологические преимущества схемы глубокого обезжелезивания на сульфоугольных фильтрах с предварительной магнитной флокуляцией позволяют успешно использовать эту схему для энергоблоков, работающих в полупиковом режиме. Именно в условиях такой эксплуатации в составе взвеси, удаляемой на БОУ из очищаемого конденсата, появляются значительные количества немагнитных составляющих, которые могут быть задержаны сульфоугольными механическими фильтрами. Очевидно, что схема с флокулятором в условиях энергоблока, работающего с постоянной нагрузкой, также может обеспечить получение глубоко обезжелезненного конденсата. .
Обессоливание турбинного конденсата на ионитных фильтрах, как правило, осуществляется по схеме Н-ОН-ионирования на фильтрах смешанного действия с регенерацией ионитов вне рабочих фильтров (выносная регенерация).
Обрабатываемый конденсат после очистки от механических примесей поступает на ионитные фильтры смешанного действия, где катионит находится в Н-форме, анионит — в ОН-форме. Очищенный конденсат направляется во всасывающую линию конденсатных насосов второй ступени. По окончании цикла обессоливания конденсата истощенную смесь ионитов перегружают гидротранспортом из ФСД в фильтр для разделения ионитов и их регенерации. Эта операция, выполняемая вне ФСД, длится более 6 ч. Во избежание простоя ФСД его немедленно вновь загружают готовой смесью Н-катионита и ОН-анионита, отрегенерированных ранее и хранящихся в другом фильтре-регенераторе. Основное преимущество процесса обессоливания воды — вывод продуктов реакции, т. е. водородного и гидроксильного ионов, из сферы обратимого процесса ионного обмена с образованием воды, чем обеспечивается сдвиг равновесия в сторону глубокого эффекта удаления ионов из обрабатываемого раствора даже в том случае, если предварительная регенерация ионитов была осуществлена заметно неполно. Такая неполная регенерация ионитов, а также не очень тщательная их отмывка от продуктов регенерации и от избытка регенерирующих реагентов может повлечь за собой значительное сокращение длительности фильтроцикла при сохранении удовлетворительной глубины обессоливания обрабатываемого конденсата. На практике количество глубоко обессоленного конденсата за один фильтроцикл колеблется от 10 тыс. до 25 тыс. м3 на 1 м3 смеси ионитов, загруженной в ФСД. Известную трудность представляет достаточно полное отделение анионита от катионита перед их раздельной регенерацией. Его обычно осуществляют путем взрыхления восходящим потоком воды, в котором слой зерен ионитов приводится в псевдоожиженное состояние. При этом взвешенные в воде зерна анионита с меньшей плотностью, чем у зерен катионита, располагаются в верхней части слоя, а в нижней сосредоточивается более тяжелый катионит. Если в процессе заводского изготовления Н-катионит и ОН-анионит не подготовлены специально к использованию их в ФСД, то одной из причин, затрудняющих их разделение взрыхлением, является слипание зерен Н-катионита и ОН-анионита вследствие электростатического притяжения между ними. Это явление объясняется тем, что сильнодиссоциированные катионит в Н-форме и анионит в ОН-форме теряют при контакте ионы соответственно водорода и гидроксила. При этом частицы катионита заряжаются отрицательно, а анионита — положительно, что и обусловливает их слипание. Такое слипание зерен Н-катионита и ОН-анионита нетрудно устранить, например путем обработки катионита в Н-форме взвесью мелко размолотого анионита в ОН-форме или же ОН-анионита взвесью размолотого Н-катионита. При этом частицы взвеси анионита налипают на зерна катионита (или взвеси катионита на зерна анионита), нейтрализуя их свободные электрические заряды, и остаются там практически на всех стадиях эксплуатации, что существенно облегчает в дальнейшем разделение их смеси по плотности.
Однако трудности разделения смеси при этом устраняются не полностью: зерна ионитов в процессе эксплуатации измельчаются, а мелкие зерна катионнта не отделяются в воде от более крупных зерен анионита, расположенных в нижней части слоя, несмотря на разницу в их плотностях. В дальнейшем при регенерации анионита раствором едкого натра зерна катионита, не отделенные от анионита, полностью переводятся в Na-форму, что может в значительной мере уменьшить межрегенерационный период работы ФСД в схеме Н-ОН-ионирования конденсата даже при высоком удельном расходе реагентов на регенерацию ионитов и таким образом существенно понизить экономичность эксплуатации конденсатоочистки.
Разумеется, длительность фильтроцикла зависит и от ионной нагрузки на ФСД, практически определяемой дозировкой аммиака в питательную воду энергоблока. Наименьшая ионная нагрузка на Н-ОН-ФСД соответствует нейтральному водному крежиму при рН«7. Экономически необременительной можно считать работу конденсатоочистки и в гидразинно-аммиачном режиме при дозировке аммиака 350—400 мкг/л (рН=9,1±1), особенно при включенных перед ФСД сульфоугольных фильтрах. Последние совмещают при этом функции механических, обезжелезивающих и Н-катионитных, поглощающих в основном аммиак, фильтров, что существенно облегчает работу ФСД, снимая с них основную ионную нагрузку и соответственно увеличивая длительность их межрегенерационного периода. Последнее обстоятельство особенно важно, так как регенерация ФСД значительно сложнее и менее экономична по сравнению с регенерацией отдельных ионитных фильтров.
При использовании вместо цветных металлов более дешевой и менее дефицитной углеродистой стали требуется организовывать антикоррозионный водно-химический режим, характеризующийся поддержанием в питательной воде рН = =9,5+0,1 путем дозирования в нее 1500—2000 мкг/л аммиака и 30— 60 мкг/л гидразина.
Хотя такой режим и может быть выдержан при работе конденсатоочистки по схеме Н-ОН-нонирования, эта схема в данных условиях становится неэкономичной и нетехнологичной, так как за конденсато-очисткой в питательную воду приходится непрерывно вводить большое количество аммиака, который затем полностью выводится из турбинного конденсата на ионитных фильтрах конденсатоочистки. Эксплуатация ФСД значительно усложняется вследствие резкого сокращения длительности фильтроцпклоз до проскока аммиака. Рассчитывать на продолжение работы ФСД после проскока катионов аммония при обычной (неполной) регенерации загруженных в фильтр ионитов не приходится, так как одновременно с проскоком аммония в фильтрате появляется также натрий, а иногда и силикаты. Это связано с вытеснением в фильтрат тех катионов натрия (в обмен на катионы аммония), которые остались в ионите при его предварительной регенерации. Этот процесс протекает тем активнее, чем менее полно был удален натрий из регенерируемого ионита.
Установлено, например, что при обработке конденсата на ФСД с катионитом в ЫН4-форме и анионитом в ОН-форме для получения фильтра с концентрацией натрия не более 5 мкг/л при pH = 9 количество ионогенных групп в отрегенерированном катионите, находящихся в Na-φορме, не должно превышать 1,25% количества групп в ΝΗ4-φορΜε. При рН=9,6 количество ноногенных групп в Na-форме в отрегенерированном катионите допустимо лишь в· размере 0,4%, что реализовать при обычном методе регенерации ФСД не удается, главным образом из-за трудности полного отделения катионита от анионита. Не отделенный же от анионита катионит при регенерации щелочью полностью переводится в Na-форму и является основным источником натрия в шихте отрегенерированного ФСД.
Известен способ, по которому анионит вместе с примесью катионита, захваченного им в процессе предварительного разделения шихты ФСД, регенерируют сначала раствором едкого натра, а после отмывки от продуктов регенерации и избытка едкого натра его повторно регенерируют раствором аммиака. Тем самым катионит, примешанный к аниониту, переводится из Na-φορ- мы в МН4-форму. Кроме того, из слоя анионита раствором аммиака более полно вытесняется недоотмытый водой едкий натр.
С целью экономии аммиачного отмывочного раствора из него удаляют натрий путем рециркуляции этого раствора через слой катионита, ранее отделенного от анионита перед регенерацией шихты ФСД. После регенерации и отмывки слоя анионита растворами едкого натра и аммиака выполняют регенерацию катионита раствором кислоты, а затем переводят его из Н-формы в ΝΗι-форму раствором аммиака. Фильтр смешанного действия, загруженный смесью 1ЧН4-катионита и ОН-анионита, отрегенерированных описанным выше способом, обеспечивает очистку турбинного конденсата, загрязненного примесями, вносимыми в него с присосами охлаждающей воды, в том числе натрием и силикатами.
Рис. 3-13. Выходная кривая отмывки анионита АВ-17-8 0,5%-иым раствором аммиака от регенерационного едкого натра.
Рис. 3-14. Высокоскоростное обескремнивание конденсата при высоких значениях pH.
Существенным преимуществом такой системы обработки турбинного конденсата является отсутствие вывода из цикла на конденсатоочистке аммиака, который транзитом проходит через ФСД, что особенно ценно при высоком значении pH конденсата, обеспечиваемом большой концентрацией в нем аммиака. Были проведены стендовые испытания отечественных ионитов: анионита АВ-17-8 в ОН-форме и катионита КУ-2-8 в МН4-форме, отрегенерированных по описанному методу в схеме обескремнивания конденсата и поглощения из него натрия при повышенном значении pH.
На рис. 3-13 показана дополнительная отмывка от натрия товарного анионита АВ-17-8 0,5%-ным раствором аммиака после предварительной его регенерации 4%-ным раствором едкого натра и отмывки конденсатом до остаточного содержания натрия 200 мкг/л в отмывочной воде. Такая дополнительная (аммиачная) отмывка анионита от натрия оказывается эффективной даже при отсутствии примеси катионита в анионите, отрегенерированном щелочью. Так, при расходе 0,5%-ного раствора аммиака в количестве. около 8 м3 на 1 м3 анионита дополнительно вымывается до 220 г/м3 натрия.
Т а б л и ц а 3-6
Результаты лабораторного обескремнивания модельных растворов
Номер опыта | Расход | Расход | Количество вытесненного натрия, г/м3 | Конечная | Скорость фильтрования, м/ч | Среднее | Кремнесодержание, | Объемная емкость, г/см3 | |
исходное | фильтрата | ||||||||
1 | 400 | 110,4 | 80 | 100 | 75 | 10,18 | 90 | 9,85 | 760 |
2 | 300 | 50 | 50 | 200 | 130 | 9,8 | 100 | 6,0 | 1500 |
3 | 400 | 80 | 240 | 130 | 75 | 10,18 | 90 | 8,1 | 870 |
4 | 400 | 50 | 220 | 270 | 60 | 9,8 | 200 | 7,0 | 2120 |
Отмывку можно считать законченной, так как в девятом кубометре отмывочного раствора содержание натрия в анионите падает до 3 мг/м3, что вполне достаточно для окончания удаления натрия из анионита. При наличии же примеси катионита в анионите, как это обычно бывает при регенерации анионита из ФСД, аммиачная отмывка практически полностью переводит Na-катионит в ПН4-форму.
На рис. 3-54 показано обескремнивание аминированного конденсата при рН=10,0-4- 10,2 на анионите АВ-17-8, отрегенерированном 4%-ным раствором едкого иатра и дополнительно промытом 0,25%-ным раствором аммиака. Скорость фильтрования 75 м/ч, высота загрузки 1 м. В табл. 3-6 приведены результаты стендовых опытов по обескремнивания) аминированного конденсата при рН=9,8 и 10,18 на образце товарного анионита АВ-17-8 (опыты № 1 и 2) и на образце анионита АВ-17-8, бывшего в эксплуатации в ФСД в течение года (опыты № 3 и 4), Образец анионита из ФСД был предварительно отделен от примеси катионита в 18%-ном растворе едкого натра.
Оба образца анионитов регенерировались 4%-ным раствором едкого натра и дополнительно отмывались 0,25—0,5%-ным раствором аммиака.
Во всех опытах был нарочито применен избыточный удельный расход едкого натра на регенерацию анионита, на который, естественно, не следует ориентироваться при промышленной эксплуатации кондеисатосчисток.
Обращает на себя внимание тот факт, что количество натрия, вытесненного раствором аммиака из образца анионита (см. табл. 3-6), эксплуатировавшегося в ФСД (опыты № 3 и 4), в 3—4 раза превышает количество натрия, вытесненного из товарного анионита. Это, по-видимому, объясняется тем, что анионит из ФСД содержит примесь катионита, несмотря на то что разделение их выполнялось одним из самых эффективных способов — в растворе электролита (едкого натра).
На рис. 3-15 показано поглощение натрия катионитом КУ-2 в ΝΗ4-φορΜβ из аминированного конденсата при pH=9,8-f-10,2, обусловленном дозировкой аммиака. Экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что сильноосновный анионит марки ЛВ-17-8 в ОН-форме способен обескремнивать аминированный турбинный конденсат при pH до 10, обеспечивая остаточное кремнесодержание фильтра менее 10 мкг/л при обменной емкости примерно 760 г/м3 (20 г-экв/м3 Si02).
Сильнокислотный катионит КУ-2-8 в МНгформе способен поглощать катионы натрия в обмен на катионы аммония из аминированного конденсата при значениях pH до 10, обеспечивая при этом остаточное содержание натрия в фильтрате менее 5 мкг/л при обменной емкости более 126 г-экв/м3.
Рис. 3-15. Динамика удаления натрия NH4- катионитом.
Рис. 3-16. Схема конденсатоочистки энергоблоков с. к. д., работающих в режиме переменных
нагрузок.
/ — конденсатор; 2 — конденсатный насос первой ступени; 3— электромагнитный флокулятор; 4 — механический фильтр; S — ФСД; 6 — конденсатный насос второй ступени.
Такие свойства сильноосновного анионита и сильнокислотного катионита надежно обеспечивают возможность глубокой и экономичной очистки турбинного конденсата по схеме МН4-ОН-ионирования при значениях pH среды до 10, обусловленных поддержанием в питательной воде дозы аммиака до 3000 мкг/л, т. е. при работе блока в режиме, близком к режиму его консервации.
Если этот процесс осуществляют в ФСД, неизбежна высокая степень загрязнения его шихты натрием вследствие насыщения им примеси катионита, не отделенного от анионита перед его регенерацией щелочью. Этого недостатка нет в схеме раздельного МН4-ОН-ионирования конденсата. Следует отметить, что смешанная загрузка имеет особые технологические преимущества лишь в схеме совместного Н-ОН- ионирования воды, когда продукты ионного обмена практически в каждой ее точке выводятся из сферы обратимого процесса ионного обмена (с образованием воды). В схеме же МН4-ОН-ионирования воды продукты реакции не связываются с образованием малодиссоциированного вещества, поэтому раздельное NEU-OH-ионирование может рассматриваться в качестве отдельной схемы конденсатоочистки, учитывающей только ей присущие преимущества.
Метод МН4-ОН-обессоливания внедрен на ряде зарубежных блочных обессоливающих установок. На некоторых электростанциях этот метод обеспечивает, например, остаточное содержание натрия & фильтрате около 3,5 мкг/л в присутствии 2300 мкг/л аммиака.
В отечественной практике МН4-ОН-обессоливание. турбинного конденсата будет опробовано на одном из блоков электростанций Мосэнерго, результаты опытной эксплуатации позволят определить, масштабы дальнейшего распространения этой схемы.
На рис. 3-16 показана наиболее перспективная схема блочной конденсатоочистки, включающая для механической очистки электромагнитный флокулятор со следующим за ним сульфоугольным механическим фильтром, а обессоливающую часть составляет ФСД. Схема может быть применена для блоков с любым графиком работы, но особенно рационально ее использование для блоков с полупиковым режимом эксплуатации. В условиях частых пусков и остановов энергоблоков, характерных для названных режимов, механический фильтр задерживает различные примеси, появляющиеся в этот момент в значительных количествах в питательной воде блока. В условиях установившегося режима работы комплекс флокулятора и механического фильтра также будет обеспечивать глубокую очистку конденсата от окислов железа.
Рис. 3-17. Схема конденсатоочистки энергоблоков с. к. д., работающих в режиме постоянных нагрузок.
1 — конденсатор; 2 — конденсатный насос первой ступени; 3 — бак «грязного» конденсате; 4 — насос; 5 — электромагнитный фильтр; 6 — ФСД; 7 — конденсатный насос второй ступени.
Для блоков, систематически работающих с постоянной нагрузкой, может быть применена схема, изображенная на рис. 3-17. Она включает электромагнитный фильтр, задерживающий железоокисную взвесь, а обессоливающую функцию выполняет ФСД. Возможность глубокой очистки турбинного конденсата по этой схеме, осуществленной на БОУ, а также надежность работы при этом энергоблока, систематически эксплуатируемого с максимальной нагрузкой, подтверждена трехлетним опытом работы одного из энергоблоков Средне- Уральской ГРЭС.
При эксплуатации иониты постепенно загрязняются различными примесями воды. Для их очистки предложен ультразвуковой метод.
Сущность использования механических колебаний для очистки ионообменных материалов заключается в том, что при регенерации истощенного ионита он перемешивается с частотой вибрации в пределах инфразвукового, звукового и ультразвукового диапазонов. В результате с поверхности зерен удаляются механические примеси, которые затем выносятся водой.
. В первых аппаратах вибратор прикреплялся к емкости с наружной стороны и вибрация передавалась цилиндрической стенке емкости, которая далее передавала их жидкости и зернам ионита. Глубина регенерации ионита при работе в звуковой области значительно возрастала по сравнению с обычной технологией. Применение ультразвуковых колебаний также увеличивало глубину, пузырьки, исчезающие в зоне сжатия. Процесс кавитации пузырьков сопровождается возникновением ударных воли с высоким местным мгновенным давлением.
Кавитация имеет решающее значение в ультразвуковой очистке. Поэтому нужно уметь управлять этим процессом. Известно, что сила кавитационного воздействия возрастает при повышении давления в жидкости. Повышение же частоты ультразвуковых колебаний приводит к увеличению порога кавитации, т. е. к увеличению минимального значения звукового давления, необходимого для возникновения кавитации в заданных условиях.
С увеличением интенсивности ультразвуковых колебаний увеличивается и размер кавитационных пузырьков. Часть из них не успевает кавитировать в зоне сжатия, в результате чего сила воздействия уменьшается. Исчезновение пузырьков происходит быстро. Например, пузырек радиусом 0,05 мм при атмосферном давлении исчезает за 5 мкс.
Сферические ударные волны с большими импульсными давлениями, возникающие в результате кавитации пузырьков, отрывают с поверхности зерен фильтрующих материалов частицы загрязнений или разрушают пленку.
Эффективность очистки фильтрующих материалов от железа в диапазоне частот 15—35 кГц и интенсивности 0,2-10-7 эрг/(с-см2) примерно одинакова. В то же время степень очистки различных по природе и продолжительности эксплуатации материалов неодинакова. Так, иониты АН-31, АВ-17 и КУ-2, находившиеся в эксплуатации 3 года, очистились от загрязнений на 75—85%, в то время как сульфо- уголь — на 65%, а зеролит ФФ, находившийся в эксплуатации 8 лет, лишь на 48%. В результате обработки ионитов соляной кислотой, проведенной для сравнения эффектов очистки, было удалено от 24 до 45% железа.
Основное количество железа удаляется из материала за несколько секунд обработки ультразвуком при интенсивности (0,2-s-0,4) · 10~7 эрг/(с-см2). С увеличением давления в жидкости и уменьшением толщины обрабатываемого слоя эффективность очистки возрастает,
Путем варьирования различных факторов была определена оптимальная область ультразвуковой обработки, в которой высокий эффект очистки сочетается с незначительными потерями фильтрующего материала вследствие истирания. Для этого необходимо обеспечить следующие условия: интенсивность ультразвука 0,2 10—7 эрг/(с-сма); давление 1,5 кгс/см2; толщина слоя зерен 60—70 мм; частота ультразвука 22 кГц; продолжительность обработки, т. е. продолжительность нахождении зерен в ультразвуковом поле, 2 с.
Испытания на истираемость фильтрующих материалов в ультразвуковом поле проводились в более жестких условиях: интенсивность 1-10-7 эрг/(с-см2) и продолжительность 60 мин. По ряду ионитов: АВ-17, КУ-2, АН-31, активированный уголь, сульфоуголь — истираемость возрастает. Наибольшей механической прочностью обладают аниониты АВ-17 и КУ-2, что можно объяснить упругостью их зерен. Потери этих материалов в год составляют 2,5 и 8% соответственно, что было подтверждено результатами промышленных испытаний. Истираемость хрупких материалов: анионита АН-31, активированного угля, сульфоугля — выше и при интенсивности ЫО-7 эрг/(с-см2) колеблется от 10 до· 40%. Осмотр зерен этих материалов под микроскопом показал, что они приобретают обкатанную шарообразную форму. С уменьшением интенсивности ультразвука истираемость перечисленных материалов уменьшается: потери массы не превышают 15% в год.
Потери фильтрующих материалов в зависимости от продолжительности ультразвукового воздействия могут быть определены по формуле
где х — продолжительность ультразвукового воздействия, мин; у — потери фильтрующего материала, %; а и Ь — Коэффициенты-
Значения этих коэффициентов определяются экспериментально: для анионита АВ-17
Следовательно, воздействие ультразвука на анионит АВ-17 в течение минуты приводит к износу всего 0,0226% материала.
Химическая структура ионитов не нарушается. Это было установлено инфракрасной спектроскопией зерен, снятых до и после их ультразвуковой обработки.
В результате исследований были получены необходимые данные для изготовления промышленной ультразвуковой установки, очищающей фильтрующие материалы. Она состоит из ультразвуковой камеры, соединенной с фильтрами трубопроводами, и генератора ультразвука, В камеру встроены магнитострикционные преобразователи ПМС-6-22. Генератор повышает частоту с 50 до 22 000 Гц, а магнитострикционные преобразователи создают механические колебания той же частоты. Ширина ультразвуковой камеры 320, длина 1400 и высота 70 мм.
Рис. 3-18. Схема включения ультразвуковой установки во время гидроперегрузки ионита.
1 — фильтр» из которого ведется выгрузка материала; 2 — линия подачи отмывочной воды; 3 — регулировочные устройства; 4— ультразвуковой аппарат; 5 — фильтр для перегрузки материала; 6 — сборник отмывочной воды.
При наличии в камере четырех преобразователей ПМС-6-22, излучающая поверхность которых изготовлена из пластин 300X300 мм, на 1 см1 площади поверхности приходится 0,2 -107 эрг/с.
Устройство камеры позволяет очищать фильтрующий материал в тонком слое в процессе его гидроперегрузки. Камера легко встраивается в схему гидроперегрузки любых фильтров с помощью резинотканевых рукавов. Наблюдение за ходом обработки пульпы ведется через пластинку из плексигласа, укрепленную на крышке камеры.
При очистке один из штуцеров рабочей камеры (рис. 3-18) соединяют с люком гидроперегрузки фильтра № 1, в котором находится загрязненный материал. Второй штуцер соединяют с люком гидроперегрузки фильтра № 2, свободного от фильтрующего материала. Фильтры и рабочую камеру заполняют водой. Воздух из камеры выпускают через пробоотбориые точки.
За 15 мин до начала перегрузки включают ультразвуковой генератор и настраивают магнитострикционные преобразователи на резонансную частоту непосредственно перед перегрузкой. При перегрузке фильтрующего материала устанавливают расход взрыхляющей воды 20—30 м3 /ч. Давление в системе при этом не превышает 2 кгс/см2. С изменением давления или расхода воды на гидроперегрузку изменяется частота колебаний, о чем можно судить по ослаблению кавитационного шума. Поэтому необходимо во время работы настроить ручкой «Плавная регулировка частоты» частоту электрического генератора в резо· нанс с собственной частотой преобразователей по максимальному показанию прибора «Ток анода».
В зоне ультразвука разрушаются загрязнения, находившиеся на зернах фильтрующего материала в виде пленок, наростов и пр., а также измельчаются комки грязи. На выходе из установки пульпа состоит из воды, зерен фильтрующего материала и диспергированных частиц загрязнений и в таком виде через люк гидроперегрузки поступает в фильтр № 2. В этом фильтре зерна находятся во взвешенном состоянии в восходящем потоке воды, благодаря чему частицы загрязнений и мелочь выносятся водой черев верхнюю часть фильтра в бак для отстоя. Продолжительность перегрузки и очистки 10—12 м3 фильтрующего материала около 30 мин..
1 Промышленные испытания проводились иа Полоцкой и Бобруйской ТЭЦ, а также иа химводоочистках Гродненского и Новгородского ПО «Азот».
Во время ультразвуковой очистки дренажные воды из фильтра № 2 контролируются на отсутствие выноса зерен материала. При необходимости ультразвуковую очистку материала можно повторить. Для этого, не перестраивая схему, изменяют направление движения пульпы.
В результате ультразвуковой обработки из фильтров удалялось 80—90% загрязнений. Обработка ультразвуком катионита КУ-2 и анионита АВ-17 привела к практически полному восстановлению их обменной емкости, снизившейся в процессе 3—5 лет эксплуатации материала у катионита на 15—30, у анионита — на 50—60%. Обработка анионита АВ-17 ультразвуком в 4%-ном растворе едкого натра позволила, кроме того, снизить концентрацию кремнекислоты в обессоленной воде до 20—30 мкг/л (вместо 90—100 мкг/л) до обработки. Это свидетельствует об улучшении эффекта регенерации.
В этот же период проводилась обработка катионита КУ-2, эксплуатировавшегося около 4 лет. Обменная емкость его после ультразвуковой обработки повысилась и приблизилась к обменной емкости нового анионита, а в некоторых случаях даже превысила ее. Продолжительность фильтроциклов увеличилась в 1,5—2 раза; резко сократились расходы химических реагентов на регенерацию и воды на собственные нужды. Столь высокие показатели очистки, а также простота ее выполнения и незначительный износ ионита позволяют ставить вопрос о совмещении обезжелезивания и обессоливания воды на ионитах при периодической их ультразвуковой очистке. Совмещение обоих процессов позволит не устанавливать механические фильтры, что значительно уменьшит капитальные затраты. Так как такое совмещение будет приводить к загрязнению ионитов железом (1 м3 ионита поглощает до 2,5—3 кг железа), то в последующих фильтроциклах необходима периодическая глубокая очистка ионитов.
