Защита от коррозии элементов проточной части паровых турбин в зоне начала конденсации пара
ДЕЕВА 3. В., ГРИШКОВ А. Я,, кандидаты техн. наук, ЕГОРОВ А. В., ЕВТУШЕНКО В. М., ЛЕЩИК Е. М., ГУСЬКОВ Ю. Л., МОРЕНА Т. В., инженеры, ВТИ им. ф. Э. Дзержинского — НПО ЦКТИ им. И. И. Ползунова — ТЭЦ-21 Мосэнерго
Предотвращение коррозионного разрушения элементов проточной части паровых турбин чрезвычайно актуально для отечественной энергетики. Элементы паровых турбин повреждаются прежде всего в зоне начала конденсации (ЗНК), где образуются первые капли конденсата — первичный конденсат.
Теоретические предпосылки и практические исследования показывают, что первичный конденсат имеет повышенную коррозионную агрессивность. В сочетании с повышенными механическими напряжениями в рабочих лопатках и дисках паровых турбин это приводит к их разрушению в результате коррозионного растрескивания под напряжением или коррозионной усталости.
Одним из методов снижения интенсивности коррозионных процессов на конструкционных материалах дисков и лопаток в проточной части турбины является регулирование качества первичного конденсата с помощью щелочных реагентов, обладающих высоким коэффициентом распределения между жидкостью и паром (гидразина, пиперидина, морфолина и др.), а также пленкообразующих аминов типа октадециламина.
При выборе реагента следует учитывать его стоимость, наличие в промышленности, допустимые концентрации в сбросных водах (ПДК), термостойкость и, конечно, возможность обеспечения ингибирующего эффекта для конструкционных сталей элементов проточной части турбины.
Стендовые исследования ВТИ им. Ф. Э. Дзержинского показали, что в присутствии гидразина (концентрация примерно 500 мкг/кг) скорость общей коррозии углеродистых сталей в водной среде (‘/.,, = 0,254-0,3 мкСм/см и рН = = 6,5-6,8) в 2—3 раза ниже, чем без гидразина и не превышает 20 мг/(м?-ч) при температурах 80—100°С. Увеличение концентрации гидразина в водной среде до 2000 мкг/ кг практически не изменяет скорость коррозии стали в указанном диапазоне температур.
Снижение уровня общей коррозии в присутствии гидразина обусловливает повышение предела усталости стали, а образование в присутствии МоН4 наиболее надежного антикоррозионного защитного слоя магнетита Fe30 повышает устойчивость стали против коррозионного растрескивания.
Кроме того, в рассматриваемом диапазоне температур (80—130°С) гидразин-гидрат обладает благоприятным коэффициентом распределения между паром и жидкостью, достаточно высокой термостойкостью в зонах, подверженных коррозионным разрушениям в турбине, возможностью регулирования значения pH и другими необходимыми свойствами, которые определяют его применение в качестве ингибитора для элементов проточной части.
В ВТИ разработана промышленная система ввода парового раствора гидразина непосредственно перед зоной начала конденсации пара в проточной части турбины.
На рис. 1 представлен вариант системы, реализованной на турбине / типа Т-100-130. Водный раствор гидразина концентрацией 0,1—0,2% из бака 2 насосами-дозаторами 3 подается к инжектору-испарителю 4, в который поступает пар из I отбора турбины (давление примерно 3,4 МПа, температура 390СС). Расход пара на инжектор-испаритель — 2 т/ч. В нем раствор гидразина испаряется и вместе с рабочим паром инжектора вводится в турбину перед 12-й ступенью, где пар имеет температуру примерно 350°С, через специальный кольцевой коллектор 5, установленный перед сопловым аппаратом 12-й ступени. Назначение кольцевого коллектора — обеспечить равномерное распределение парового раствора гидразина по сечению проточной части турбины.
Рис. 1, Система ввода гидразин-гидрата в проточную часть турбины
Т а б л и ц а 1
Таблица 2
Система эксплуатируется в автоматическом режиме и рассчитана на аварийное автоматическое отключение при сбросе нагрузки или останове турбины: при понижении давления пара из отбора ниже заданного, измеряемого манометром 6, плунжерные насосы 3 автоматически отключаются, а их напорная линия перекрывается вентилем с электроприводом 7. Защита турбины в этой ситуации дублируется механическим прерывателем 6, срабатывающим при понижении давления в отборе за 17-й ступенью.
В ходе исследований эффективности системы качество среды по проточной части турбины, на входе в ЦСД 12, за 17-й и 9 и за 19-й 10 ступенями ЦСД, контролировалось с помощью отбора проб пара и анализа его качества на автоматических приборах — рН-метре 201, pNa-MeTpe 201 и кондуктометре АК-310.
Кроме того, на отборе пара за 17-й ступенью установлен адиабатический концентратор ВТИ 11, позволяющий моделировать процесс концентрирования соединений в первичном конденсате в ЗНК турбины. Для этой же цели (определения возможного концентрирования соединений во влаге, образующейся в ЗНК) за 21-й ступенью установлено пробоотборное устройство, разработанное в НПО ЦКТИ и основанное на принципе сбора конденсата из трубопровода отбора пара, расположенного за ЗНК.
Исследования эффективности системы ингибирования коррозионных процессов в проточной части турбины получены в условиях, когда водно-химический режим отличался высокой стабильностью, а качество пара по проточной части турбины, характеризуемое электропроводимостью Н-катионированной пробы, по средним значениям составляло 0,4—0,45 мкСм/см (табл. 1).
Опыт эксплуатации системы в течение 7000 ч показал: система обеспечивает равномерное распределение гидразина по сечению проточной части турбины;
коэффициент распределения гидразина КР = Сп/Сж в ЗНК турбины Т-100-130 (t= 116-f- 130°С) по средним значениям составляет примерно 0,08. Согласно установленному Kv в первичном конденсате ЗНК турбины коэффициент концентрирования гидразина К по средним данным составляет 12, изменяясь от 8 до 24 (табл. 2). Абсолютные значения Л'р и К зависят от ряда факторов: параметров среды, длительности контакта фаз «пар — влага», концентрации вещества и пр.;
коэффициент термического разложения гидразина Kt от места ввода раствора N2H4 в инжектор-испаритель (t = = 350-390°С) до ЗНК в турбине (t== 116-i- 130°С) составляет примерно 0,5. При движении пара от 19-й до 23-й ступени термическое разрушение гидразина должно уменьшаться в связи с падением температуры среды. Однако концентрация N2H4 в паре продолжает падать из-за расхода гидразина на реакцию с кислородом, который может присутствовать в ступенях турбин Т-100-130, работающих под разрежением (22, 23-я), а также расхода, на восстановление окислов и уменьшения Л'р с падением температуры;
коэффициент распределения аммиака Knh3 =Сж/Сп в первичном конденсате ЗНК турбины составляет 0,5 (табл. 2). Установленный Knh, для аммиака соответствует условиям эксплуатации блока с поддержанием аммиачно-гидразинного режима в конденсатно-питательном тракте и дозированием фосфатов в барабан котла. При этом концентрация аммиака в питательной воде котла и паре по проточной части турбины составляет 250—1000 мкг/кг и обеспечивает значение pH примерно 8,9—9,4 (табл. 1).
Содержание аммиака в первичном конденсате ЗНК на уровне 110—500 мкг/кг соответствует значению рН = 8,0-4-9,1 (табл. 1). Наличие гидразина в первичном конденсате увеличивает его значение pH лишь на 0,1—0,3 единицы при абсолютной средней концентрации N2H4 приблизительно 450—500 мкг/кг.
Таким образом, при указанных условиях, обеспечивающих в теплоносителе блока значение pH на уровне 8,9—9,4 поддержание в первичном конденсате ЗНК значения pH >7,0 практически регулируется аммиаком. При рН< <7,0 повышение его значения сверх 7,0 будет обеспечиваться с помощью гидразина. Так, при значении pH первичной влаги в ЗНК примерно 6,0 (t — 100°С) для повышения его до 7,0 концентрация гидразина должна составлять 600 мкг/кг, а в потоке пара в ЗНК — 50 мкг/кг при /Cn2h4 = 12. Таким образом, с учетом коэффициента термического распада гидразина (Kt = 0,5) при выбранных параметрах дозирования в проточную часть содержание N2H4 в растворе, подаваемом насосами-дозаторами на вход в инжекторы-испарители, должно поддерживаться на уровне 100 мкг/кг.
Рис. 2. Изменение концентрации соединений железа в теплоносителе блока с турбиной Т-100-130:
X — пар перед ЦВД; □ — пар перед ЦСД: А — пар за 17-й ступенью; О — пар за 19-й ступенью; А — питательная вода за деаэратором; Л — конденсат турбины за конденсатором
Влияние гидразина на скорость коррозии конструкционных материалов проточной части турбины Т-100-130 при дозировании с помощью системы ВТИ в ЗНК может быть оценено по изменению концентрации соединений железа в паре и конденсате (рис. 2). При дозировании гидразина наблюдается тенденция к снижению содержания железа в теплоносителе по тракту блока и стабилизация его во всех потоках на уровне примерно в 2 раза более низком, чем в отсутствии гидразина.
Образование магнетита в присутствии гидразина в зоне фазового перехода обеспечивает противокоррозионную защиту поверхности конструкционных элементов проточной части турбин практически при любом водно-химическом режиме, в том числе и при снижении значения pH первичной влаги ниже 7,0, что обусловливается устойчивостью Fe304 при низких значениях pH.
Следует отметить, что все вопросы, связанные с вводом различных добавок в паровой поток внутри турбины и установкой механических устройств в проточной части турбины были согласованы с заводом — изготовителем турбин.
