Совершенствование технологии обработки водного теплоносителя на тепловых и атомных электро станциях на основе использования перспективных ионитов
_____________________________________________________________
На правах рукописи
Гостьков Владимир Васильевич
Совершенствование технологии обработки водного теплоносителя на тепловых И АТОМНЫХ Электростанциях на основе использования перспективных ионитов
Специальности: 05.14.14 – Тепловые электрические станции,
их энергетические системы и агрегаты
05.14.03 – Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Иваново
2008
Работа выполнена на кафедре Химии и химических технологий в энергетике ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Ларин Борис Михайлович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук Юрчевский Евгений Борисович
кандидат технических наук Рябов Михаил Иванович
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Московский энергетический
институт (технический университет)»
Защита состоится « 10 » апреля 2008 года в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.064.01 при Ивановском государственном энергетическом университете по адресу: 153003, Иваново, Рабфаковская, 34, корпус «Б», аудитория 237.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 153003, Иваново, Рабфаковская, 34, Ученый совет ИГЭУ. Тел.: (4932) 38-57-12, факс: (4932) 38-57-01. Е-mail: uch_sovet@ispu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного энергетического университета.
Автореферат разослан « ___ » ___________ 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор А.В. Мошкарин
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Энергетическая стратегия России предусматривает почти утроение производства электроэнергии с 2000 до 2020 г. с преимущественным ростом атомной энергетики: относительная доля выработки электроэнергии на АЭС за этот период должен увеличиваться с 13,8 до 20,8 %. Рост выработки электроэнергии на тепловых электростанциях планируется в значительной степени за счет строительства парогазовых блоков. Теплоносителем и рабочим телом в тепловом контуре энергоблоков ТЭС и АЭС является обессоленная вода, требования к качеству которой ужесточаются от предыдущего издания нормативных документов к следующему. При ухудшении качества исходной (природной) воды, прежде всего по органическим примесям, и появлении на Российском рынке новых технологий водоподготовки и ионитов возрастает потребность в исследовании их рабочих характеристик, правильной оценке пригодности для обработки воды в разных технологических схемах. При этом наибольшая удельная выработка обессоленной воды приходится на установки, использующие технологии ионного обмена. Такое состояние сохранится и в ближайшее десятилетие.
Особенно высокая потребность в ионите имеет место на АЭС с РБМК, например, на Смоленской АЭС потребность в ионитах разного вида и класса превышает 200 м3/год. Использование качественных ионитов повышает эксплуатационную надежность теплоэнергетического оборудования, снижает расходы на их приобретение и сокращает сбросы отработанных регенерационных растворов.
Целью диссертации является повышение эксплуатационной надежности водно-химического режима теплоэнергетического оборудования электростанций путем совершенствования технологии обработки воды и химического контроля ионитов на установках очистки водного теплоносителя.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
1. Разработка и испытание методик входного и оперативного эксплуатационного контроля качества ионитов, обеспечивающих высокую эффективность использования ионитов на ТЭС и АЭС.
2. Исследование физико-химических характеристик перспективных ионитов, применяемых в фильтрах химводоочистки и установок очистки турбинного конденсата (КО, БОУ) в условиях повышенного содержания железоорганических веществ в поступающей воде.
3. Лабораторные и промышленные исследования по эффективности очистки природных вод с повышенным содержанием органических примесей на установках химводоочистки электростанций.
4. Разработка рекомендаций по совершенствованию использования ионитов на установках обработки воды на электростанциях.
Научная новизна работы:
1. Разработана и испытана в промышленных условиях комплексная методика входного и эксплуатационного контроля ионитов, отличающаяся подбором и способом определения отдельных характеристик и обеспечивающая наблюдение динамики технологических показателей ионитов в течение всего времени их использования.
2. Получены новые данные о свойствах перспективных импортных ионитов и предложена эффективная технологическая схема для обработки вод с повышенным содержанием органических примесей.
Практическая ценность работы:
1. Разработано и реализовано методическое и техническое обеспечение входного и эксплуатационного контроля качества ионитов для установок ионитной очистки воды на электростанциях.
2. Составлена режимная карта эксплуатации анионитов А-845 и А-847 в ОН-анионитных фильтрах первой ступени химобессоливания природной воды.
3. Разработаны рекомендации по совершенствованию использования ионитов действующих химводоочисток.
Достоверность изложенных в диссертации положений и полученных результатов обеспечивается применением ГОСТированых методик анализа ионитов и водных сред, аттестованных приборов химического контроля, апробированных расчетных методов, а также проверкой характеристик ионитов и качества воды в промышленных условиях эксплуатации установок очистки теплоносителя энергоблоков ТЭС и АЭС.
Личное участие автора. Автор принимал активное участие на всех этапах работы, начиная от постановки задач исследования и заканчивая промышленными испытаниями ионитов, технологий и методов химического контроля.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика и результаты входного и эксплуатационного контроля качества ионитов.
2. Результаты лабораторных исследований и промышленных испытаний перспективных твердых сорбентов.
3. Комплекс мероприятий по совершенствованию технологии ионообменной обработки природных и технологических вод с использованием импортных ионитных смол.
Апробация работы. Результаты докладывались и обсуждались на 6-ом и 7-ом международных научно-технических совещаниях «Водно-химический режим АЭС» (г. Десногорск, 2003 г., г. Москва, 2006 г.), XIII Бенардосовских чтениях (г. Иваново, 2007 г.), НТС Смоленской АЭС (2000–2007 г.г.), НТС кафедр ХХТЭ и ТЭС ИГЭУ (2007 г.).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе монография (в соавторстве) и учебное пособие.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы из 100 наименований и 16 приложений, количество страниц 181 (без приложений), в том числе рисунков 51, таблиц 70.
Основное содержание работы
Во введении показана актуальность работы, ее научная новизна и практическая ценность, сформулирована цель исследования и основные положения, вынесенные на защиту.
В первой главе приведен обзор литературы по современным проблемам водообработки на тепловых электростанциях.
Показано отрицательное влияние органических примесей исходной (природной) воды на иониты и приведены примеры разной степени удаления органики на стадии предочистки, химводоочистки и конденсатоочистки. Установлено, что значительными проблемами современной ионообменной технологии на ТЭС являются: повышенные расходы реагентов на регенерацию ионитов и большой спектр используемых типов ионитов без достаточного обоснования.
До 70-х–80-х годов прошлого века на химводоочистках ТЭС и АЭС использовались преимущественно отечественные иониты: катионит КУ-2-8 и аниониты АН-31 и АВ-17-8. Их свойства хорошо изучены и описаны в руководящих документах и книгах. В конце прошлого века отечественный рынок начал интенсивно заполняться импортными ионитами, часто без достаточного технического сопровождения. При этом производство отечественных ионитов уменьшалось, не редко со снижением качества продукта. В этих условиях возросли требования к входному и эксплуатационному контролю ионитов. Однако, существующие методики по ГОСТу отвечали требованиям производства ионитов и мало подходили для характеристики использования ионитов в различных установках, включая установки химического обессоливания природной воды и установки очистки конденсата паровых турбин.
Появился первый опыт эксплуатации импортных ионитов на отечественных ТЭС при использовании природных вод средней и малой минерализации при повышенном содержании органических примесей. Сложившиеся условия потребовали вновь обратится к разработке методик и исследованию технологических показателей перспективных импортных ионитов по сравнению с отечественными ионитами, традиционно используемыми на химводоочистках ТЭС и АЭС.
На основании изложенного определены задачи исследования, основными из которых являются: разработка методики оперативного контроля качества новых и используемых ионитов, правильный выбор ионитов с учетом специфики обрабатываемой воды и автоматизация химконтроля за обработкой воды на ионитах.
Во второй главе представлена методика выполнения исследований, основной частью которых являются исследования технологических характеристик ионитов (входной и эксплуатационный контроль), а также исследования качества обрабатываемой воды и исследования сорбционных методов удаления органических примесей на порошкообразных сорбентах.
До конца прошлого века определение показателей качества ионитов при проведении входного и эксплуатационного контроля выполнялось по методикам ГОСТов, отвечающим условиям производства, а не эксплуатации ионитов. С участием автора были разработаны и в 2002 году метрологически аттестованы методики выполнения измерений показателей качества ионитов для условий эксплуатации их на АЭС и ТЭС. В 2003 году с участием автора был введен в действие руководящий документ РД ЭО 0368-02 «Методики входного и эксплуатационного контроля ионитов на АЭС». РД ЭО 0368-02 устанавливает общие требования к методам физико-химического анализа, обязательным при проведении входного или эксплуатационного контроля качества ионообменных смол на атомных электростанциях. Действие настоящего документа распространяется на все АЭС концерна «Росэнергоатом», а также на организации, выполняющие работы и предоставляющие услуги для атомных электростанций в области обеспечения их водно-химического режима.
Испытаниям ионитов предшествовал отбор представительной пробы и подготовка пробы к испытаниям (рис. 1), а вслед за испытаниями проводилась метрологическая оценка результатов с определением достоверных границ погрешности (, %) и воспроизводимости результата измерения. Например, при определении показателя «осмотическая стабильность» (ОС, %) результат измерений представляется в виде: ОС =±, а решение об удовлетворительной воспроизводимости принималось при выполнении условия:
(1)
где – результаты 1-го и 2-го параллельных измерений, %; Dотн – норматив оперативного контроля воспроизводимости; – среднее арифметическое значений двух измерений.
Подбор показателей качества ионитов производился на основании предварительных исследований в условиях использования ионитов в схемах водообработки на ТЭС и АЭС с учетом паспортных характеристик производителя. Например, перечень основных технологических показателей качества ионита при входном контроле составил: осмотическая стабильность (ОС, %), полная статическая обменная емкость (ПСОЕ, ммоль/см3), механическая прочность (МП, г/гранулу), время оседания гранул (с), объемная доля рабочей фракции (%), доля целых гранул (%), эффективный размер зерен (мм), коэффициент однородности, массовая доля влаги (%), динамическая обменная емкость (ДОЕ, моль/м3), содержание примесей. При этом ряд методик, например, «определение доли целых гранул» и «осмотическая стабильность» были ужесточены по сравнению с ГОСТом, а другие, например, «определение типа ионита», «механическая прочность», «время оседания гранул» и др. разработаны впервые. ГОСТов и методик выполнения измерений (МВИ) на них не было.
Для оценки качества обрабатываемой воды использовались известные методы химического анализа, лабораторные и промышленные приборы автоматического химконтроля, а для количественного контроля микроконцентраций отдельных примесей – лабораторные приборы тонкого химического анализа такие, как ионохроматографический анализатор «DIONEX», отечественный аналог «СТАЙЕР», оптический эмиссионный спектометр «Liberty Series II».
В третьей главе представлены результаты лабораторных исследований свойств перспективных импортных ионитов в сравнении с отечественными аналогами.
Выбор типа ионитов для исследований был основан на опыте работы с ними в теплоэнергетике, что для ионитов общего назначения нашло свое отражение в перечне, приведенном в табл. 1 и рекомендованном для АЭС распоряжением от 16.04.2004.
Таблица 1. Перечень импортных ионитов, разрешенных для применения на АЭС
| Тип ионита | Фирма-производитель, ^-, _ -^ | |||
| «BAYER» LEWATIT | «DOW EUROPE» DOWEX | «ROHM and HAAS» | «PUROLITE» | |
| Слабокислотный катионит | CNP 80 | MAC-3 | Amberlite IRC 86 | С 104; С 106 |
| Сильнокислотный катионит, тип КУ-2-8 | Monoplus S100 | Marathon C; Monosphere 650 С(H); Monosphere 575 С(Н) | Amberlite IR 120; Amberjet 1200; Amberjet 1500H; Amberjet 1600 H; Ambersep252H | SGC 100*10; SGC 650 |
| Слабоосновный анионит, тип АН-31 | Monoplus MP 64; МР 62 | Marathon WBA; Marathon WBA2; Monosphere 66 | Amberlite IRA 96; Amberlite 1RA 67; Amberlite IRA 70RF | A 100; A 845; A 847; A 123 |
| Сильноосновный анионит, тип АВ-17-8 | Monoplus M500; Lewatit S 6328 A | Marathon 11; Monosphere 550 A(OH) | Amberlite IRA 402Cl; Amberjet 4200 Cl; Amberjet 4400R OH; Ambersep 900 OH, SO4 | SGA 600; SGA 550; A 600; A 500P; A860 |
В лаборатории контроля качества ионитов Смоленской АЭС за 2002–2006 г.г. по программе входного контроля исследовано около ста проб отечественных и импортных ионитов. Усредненные результаты основных характеристик ионитов за один год представлены в табл. 2.
В среднем входные характеристики отечественных ионитов близки к таковым для импортных ионитов, заметно уступая в показателях: осмотическая стабильность и механическая прочность. Требования в полном объеме к качеству вновь загружаемых ионитов (входной контроль) составлены ВНИИ АЭС с участием автора и вошли в стандарт предприятия. С участием автора составлены объем и требования к эксплуатационному контролю ионитов, который должен проводиться:
- по истечению ориентировочного срока службы ионита;
- один раз в год после истечения ориентировочного срока службы ионита, в случае продления его эксплуатации;
- при возникновении нарушений качества обрабатываемой воды или нарушений в работе ионообменных установок.
Таблица 2. Усредненные изменения характеристик ионитов
| Марка ионита | ПСОЕ, моль/см3 | Объемная доля рабочей фракции, % | Доля целых гранул, % | ОС, % | МП, г/зерно | Время осаждения, с |
| Катиониты | ||||||
| КУ-2-8чс | 1,8–2,3 | 97–100 | 95–99 | 80–99 | 492–897 | 5–6 |
| Импортные аналоги | 1,8–1,9 | 99–100 | 98–100 | 97–100 | 521–1000 | 6–7 |
| Аниониты | ||||||
| АВ-17-8чс | 1,1–1,2 | 97–100 | 95–100 | 50–98 | 465–800 | 13–15 |
| Импортные аналоги | 1,15–1,30 | 98–100 | 96–98 | 96–98 | 530–1100 | 12–14 |
Объем эксплуатационного контроля сокращен по сравнению с входным контролем и подчинен основным задачам эксплуатации ионитов в фильтрах ХВО и БОУ (КО) тепловых электростанций по обеспечению требуемого качества теплоносителя. На основании множественных испытаний ионитов с участием автора разработаны допустимые изменения качества гранульных ионитов (табл. 3) оформленные в виде требований стандарта предприятия. Если изменения показателей качества ионообменных смол, загруженных в фильтры данной установки, находятся в допустимых пределах, то они подлежат дальнейшей эксплуатации. Если изменение хотя бы одного показателя качества ионита выходит за допустимые пределы – ионит подлежит замене. Как видно из табл. 3 требования стандарта организации для химводоочисток (ХВО) и блочных обессоливающих установок (БОУ) ТЭС, существенно слабее, по крайней мере, по нормируемым показателям «динамическая обменная ёмкость» и «доля целых гранул», по сравнению с требованиями на качество ионитов для АЭС. При этом, наиболее жёсткие требования предъявляются к ионитам, работающим в фильтрах смешанного действия (ФСД) установок очистки конденсата (КО, БОУ) паровых турбин энергоблоков, как последней ступени очистки водного теплоносителя перед парогенератором, от железа, органических и минеральных примесей.
Таблица 3. Требования стандарта предприятия (объём обязательного эксплуатационного контроля) – допустимые изменения показателей качества гранульных ионитов по истечении ориентировочного срока службы
| Наименование показателя | Фильтрующие установки | ||||||||||||
| ХВО | ФСД (КО, БОУ) | ||||||||||||
| Первая ступень | Вторая ступень | ФСД | |||||||||||
| ROH | RH | ROH | RH | ROH | RH | ROH | RH | ||||||
| Снижение полной статической обменной емкости, %, не более | 30 | 30 | 20 | 20 | |||||||||
| Снижение динамической обменной емкости, %, не более | – (50) | – (30) | 30 (50) | – (30) | 30 (50) | – (30) | 20 (30) | – (20) | |||||
| Снижение доли целых гранул, %, не более, чем до | 80 (60) | 80 (60) | 85 (60) | 85 (80) | |||||||||
| Изменение разницы во времени оседания катионита и анионита, с | – | – | Снижение не более чем до 6 | ||||||||||
| Содержание слабоосновных групп в сильноосновном анионите, %, не более | – | – | 10 | – | 10 | – | 10 | – | |||||
Примечание: ROH – анионитные фильтры; HR – катионитные фильтры; в строках 2 и 3 в скобках приведены соответствующие значения допустимых изменений ДОЕ и «доли целых гранул», рекомендуемые для ХВО ТЭС
Как видно из рис. 2 ежегодный эксплуатационный контроль ионитов фирмы «Purolite» показывает, что в первые 2–3 года эксплуатации в фильтрах смешанного действия БОУ (КО) энергоблоков САЭС основные показатели качества (ПСОЕ и ОС) ионитов SGC 100*10 (катионит) и SGА 550 (анионит) не ухудшаются, а улучшаются. Это можно отнести на счёт отмывки от некачественных включений. В дальнейшем наступает стабилизация и возможно снижение значений отдельных показателей. При длительной работе ионитов в ФСД БОУ (КО) особое внимание уделяется таким показателям, как механическая прочность, осмотическая стабильность (ОС) и длительность отмывки после регенерации. Исследования показали, что наиболее полно этим показателям отвечают смолы Purolite класса «Супергель»: SGC 100*10 и SGА 550 (рис. 2).
а)
б)
Рис. 2. Результаты входного и эксплуатационного контроля для катионита SGC100*10 (а) и аниониты SGA550 (б) фирмы «Purolite» для работы в фильтрах ФСД БОУ (КО):
1 – ПСОЕ; 2 – ОС
На рис. 3 приведены в графическом виде показатели отмывки ионитов от продуктов регенерации в условиях промышленной эксплуатации смол. Откуда видно, что для отмывки катионита из ФСД от кислых продуктов регенерации требуется 100 м3 конденсата, или не более 30 м3/м3 загрузки, а для отмывки анионита от щелочных продуктов – не менее 50 м3/м3 загрузки. Измерение электропроводности эффективно контролирует отмывку ионитов. Результаты эксплуатационного контроля ионитов оформляются протоколом по установленной форме, часть которого представлена в табл. 4.
Рис. 3. График зависимости показателей отмывки после регенерации катионита Purolite SGС 650 от объёма промывочной воды:
1 – кислотность; 2 – удельная электропроводность
Таблица 4. Результат эксплуатационного контроля катионита Purolite SGC 650 (протокол №85/07)
| Наименование показателя | Входного контроля Протокол № 829 | До регенерации | Норма по СТП ЭО 0005-01 |
| Дата отбора | 21.06.2006 | 03.07.2007 | |
| Доля целых гранул, % | 99,00 | 98,80 | Не менее 90 % |
| Объёмная доля рабочей фракции, % | 100,00 | 99 | |
| МП, г/гранула | 648,00 | 600,00 | Не менее 350 г/гранул |
| ПСОЕ, ммоль/см3 | 1,90±0,13 | 1,72±0,12 | Снижение не более, чем на 20 % (до 1,44 ммоль/см3) |
Для химводоочисток тепловых электростанций, использующих природную воду с повышенным содержанием органических примесей, стоит проблема подбора слабоосновного анионита для загрузки в анионитный фильтр первой ступени (АI). Отечественный анионит
АН-31, обладая высокой обменной ёмкостью по анионам сильных кислот, слабо сорбирует органические примеси и часто не отвечает требованиям по механической прочности. Для замены отработавшего анионита АН-31 в данной работе исследовались аниониты Purolite
А-845 и Purolite А-847. Сравнительные результаты входного контроля этих анионитов показаны в табл. 5. Сравнение технологических показателей этих анионитов в условиях работы в фильтрах АI химводоочистки Смоленской АЭС дало следующее: через 2 года эксплуатации анионита АН-31 его обменная ёмкость снизилась на 40 % (в год в среднем на 20 %), а механическая прочность стала ниже 300 г/гранулу, тогда как через 3 года эксплуатации анионита А-845 показатель ОС не опустился ниже 98 % от исходного, механическая прочность – ниже 650 г/гранулу при сохранении на одном уровне ПСОЕ.
Таблица 5. Сравнительные характеристики слабоосновных анионитов
| Наименование показателей | Тип слабоосновной ионообменной смолы | ||
| АН-31 | Purolite А-845 | Purolite А-847 | |
| Структура полимерной матрицы | Поликонденсациионная, гелевая (блочный тип гранул) | Акриловая, гелевая | Акриловая, гелевая |
| Объемная доля рабочей фракции, % | 94,5±0,945 | 99±0,99 | 100±1 |
| ПСОЕ, ммоль/см3 | 2,03±0,122 | 1,636±0,098 | 1,94±0,1164 |
| Осмотическая стабильность, % | 93,4±1,214 | 99,5±1,294 | 100±1,3 |
| Механическая прочность, г/гранула | 350 | 801±77,647 | 839,35±81,392 |
Часто на зарубежных, иногда на отечественных установках очистки турбинного конденсата и конденсата, возвращаемого с производства, встречаются намывные патронные фильтры. Основное их назначение – очистка конденсата от продуктов коррозии и от нефтепродуктов, относящихся, как и природная органика, к потенциально кислым веществам. В рамках данной работы проведено исследование в лабораторных условиях ионообменного порошкообразного сорбента Microionex МВ 210 В (фирмы «Rohm and Haas») для намыва на патроны механического фильтра. При концентрации нефтепродуктов в поступающей воде 1,35 мг/л – в фильтрате содержание «следовых» концентраций нефтепродуктов составляло 130–150 мкг/л, что соответствовало эффективности очистки воды сорбентом фильтрперлитом.
В четвёртой главе представлены результаты лабораторных и промышленных испытаний по удалению из природных вод железа, органических соединений и минеральных солей на установках химического обессоливания воды.
При различном качестве исходной природной воды на химводоочистках ТЭС и АЭС должна быть получена практически одинаково глубоко обессоленная вода. При высоком содержании железо-органических примесей в исходной воде значительная их часть должна быть удалена на стадии предочистки. Автором проведён анализ работы предочисток на установках ХВО ряда электростанций, в том числе Киришской ГРЭС, Конаковской ГРЭС, ТЭЦ-ЭВС-2 ОАО «Северсталь» и Смоленской АЭС. При очень высоком содержании органических веществ в исходной воде (до 40–50 мгО/л и выше) на ХВО Киришской ГРЭС степень удаления органики на предочистке составляет в среднем 70–80 % и обеспечивается рациональной организацией технологии коагуляции в осветлителях. При высоком содержании органики в волжской воде (до 15 мгО/л и выше) на ХВО Конаковской ГРЭС высокий эффект снижения окисляемости воды в осветлителях
(до 3–5 мгО/л) достигается автоматизацией дозирования реагентов и химконтроля процессов осветления, а также реконструкцией осветлителей ВТИ. Однако, при меньшей окисляемости исходной воды (р. Шексна, ПО=8–15 мгО/л) на ХВО ТЭЦ-ЭВС-2 ОАО «Северсталь» и такой же – на ХВО Смоленской АЭС не удавалось получить высокого эффекта снижения концентрации органических примесей и особенно железа в отрабатываемой воде (рис. 4). В связи с этим, автором проведено исследование по повышению степени очистки воды от железоорганических соединений на стадии предочистки путём совмещения коагуляции и сорбции на твёрдом порошкообразном сорбенте – фильтрперлите. Было получено снижение содержания железа до 50 % от исходного для воды с исходной концентрацией железа 400 мкг/л и выше. Однако, при исходных концентрациях железа 150–200 мкг/л эффект удаления из воды соединений железа резко снижается.
В подобных случаях удаление железо-органических примесей из воды осуществляется на ионитных фильтрах ХВО. В июле 1998 года в один из анионитных фильтров I ступени (AI) ХВО Смоленской АЭС была сделана пробная загрузка слабоосновного анионита Purolite
А-845 (вместо отработавшего АН-31). Наблюдение за работой опытного фильтра проводилось при использовании исходной воды (р. Десна ) без предварительной очистки в осветлителе, а только прошедшей фильтрацию на механических фильтрах. При объёме загрузки анионита
А-845 равной 7 м3 количество NaOH на одну регенерацию составило 450–700 кг. Время регенерации – 1 час 10 минут. Фильтроцикл в среднем 5300 м3. Снижение окисляемости воды составило 99 % – в начале фильтрации и 86 % – в конце. Был сделан вывод о возможности использования анионита Purolite А-845 взамен АН-31 в фильтрах АI при обработке природной воды без предварительной её обработки в осветлителях.
Рис. 4. Содержание соединений железа в исходной (1) и коагулированной воде (2) (р. Шексна 2002–2003 г.г.)
С 1998 по 2004 год на
САЭС последовательно все ОНанионитные фильтры I ступени были загружены слабоосновными анионитами Purolite А845 (или его аналогом Purolite А847). В течение всего времени эксперимента шло сравнение технологических характеристик этих анионитов с анионитом
АН-31. Результаты показаны на рис. 5–8. В результате перехода на аниониты Purolite А-845 и Purolite А-847 в фильтрах АI получено:
- фильтроциклы фильтров АI возросли до 5500 м3;
- возросла степень очистки воды от органических соединений (рис. 5);
- в 4 раза сократилось общее количество регенераций фильтров АI (рис. 6);
- в 4 раза сократился общий расход щелочи на регенерации фильтров АI (рис. 7);
- в 4,5 раза сократился объём сбросных вод ХВО (рис. 8).
На рис. 9 приведено изменение перманганатной окисляемости по ступеням обработки воды на ХВО САЭС в течение года, откуда следует высокая и устойчивая сорбция органики из природной воды на ОНанионитных фильтрах I ступени, загруженных анионитами Purolite А845 и Purolite А-847.
Рис. 8. Изменение объема сбросных вод ХВО
Рис. 9. Средне годовые (2006–2007 г.г.) значения окисляемости воды по стадиям химобессоливания на ХВО Смоленской АЭС при работе без осветлителей и с загрузкой в фильтр AI анионитов Purolite A-845 и А-847
Автором проведен анализ использования анионитов Purolite
А-845 и Purolite А-847 в сравнении с анионитом Amberlite IRA-67 на химводоочистках Киришской ГРЭС, ТЭЦ-12 ОАО «Мосэнерго», Кольской АЭС и др. Результаты подтвердили данные автора на ХВО САЭС.
В пятой главе приводятся обобщённые результаты работы в виде рекомендаций по совершенствованию технологии ионного обмена действующих ХВО тепловых электростанций.
Так, рекомендуется использование методики и техники входного и эксплуатационного контроля ионитов. Пробное использование методики было выполнено автором для анализа ионитов ХВО и БОУ ряда ТЭС. Результаты эксплуатационного контроля сильноосновного анионита АВ-17-8 из ФСД БОУ и ХВО Конаковской ГРЭС приведены в табл. 6.
По данным табл. 6 сделано следующее заключение:
1) Сильноосновный анионит АВ-17-8 из ФСД №2 БОУ-5 не соответствует установленным требованиям по показателям «Доля целых гранул» и «Время оседания гранул»;
2) Сильноосновный анионит АВ-17-8 из ФСД №2 БОУ-3 не соответствует установленным требованиям по показателю «Доля целых гранул», кроме того, отмечается высокое содержание железа, требуется отмывка;
3) Сильноосновный анионит АВ-17-8 из ФСД ХВО не соответствует установленным требованиям по показателю «Время оседания гранул» (при использовании совместно с катионитом КУ-2-8, время оседания которого по результатам входного контроля соответствует 5,256 сек).
В качестве другого примера можно привести результаты входного контроля партии китайских ионитов. В табл. 7 представлены некоторые результаты входного контроля в сравнении с данными сертификата.
Таблица 6. Результаты эксплуатационного контроля сильноосновного
анионита АВ-17-8 из ФСД БОУ и ХВО Конаковской ГРЭС (отбор 03.09.07 г.)
| Наименование показателя | Наименование оборудования | Требования при эксплуатационном контроле | |||
| ФСД №2 БОУ-5 Срок службы – 11 лет | ФСД №2 БОУ-3 Срок службы – 9 лет | ФСД ХВО Срок службы – 0,5 года | |||
| Тип и форма товарного ионита | Сильноосновный анионит технического класса | ||||
| Внешний вид | Сферические зерна коричневого цвета | ||||
| Объемная доля рабочей фракции (0,315–1,25 мм), % | 99,5 | 98,5 | 99,5 | Не нормируется | |
| Доля целых гранул, % | 85,60 | 82,50 | 85,54 | Не менее 90 – ФСД БОУ 85– ФСД ХВО | |
| ПСОЕ, ммоль/см3 | 1,086±0,08 | 1,05±0,07 | 1,17±0,08 | Не менее 0,88 – ФСД БОУ 0,92 – ФСД ХВО | |
| Осмотическая стабильность, % | 97,20±1,65 | 89,96±1,53 | 88,67±1,51 | Не менее 91 – ФСД БОУ 85 – ФСД ХВО | |
| Время оседания гранул, с | 10,7 | 12,4 | 10,0 | Снижение разницы времени оседания катионита и анионита не более, чем до 6 с | |
| Механическая прочность, г/зерно | 400,4 | 454,0 | 462,5 | Не менее 350 – БОУ 250 – ХВО | |
Из данных табл. 7 видно, что иониты не отвечают характеристикам сертификата по отдельным показателям. Особое опасение вызывает низкая осмотическая стабильность ионита 201х7 – 79,6 % против 95 % заявленных в сертификате. Такой анионит быстро потеряет сорбционную способность, внося продукты деструкции в обрабатываемую воду. Ионит не может использоваться в анионитных фильтрах ФСД БОУ и ХВО.
Таблица 7. Результаты входного контроля партии ионитов (2006 г., Китай)
| Показатель контроля | Тип ионита | |||
| D301G – слабоосновной анионит (Cl-форма) | D313 – слабоосновной анионит (ОН-форма) | 201х7 – сильноосновной анионит (Cl-форма) | 001х8 – сильнокислотный катионит (Na-форма) | |
| ПСОЕ, мг-экв/см3 мг-экв/г | 1,40±0,03 4,0±0,1 | 1,50±0,03 4,8±0,1 | 0,90±0,02 2,50±0,05 | 1,90±0,03 4,9±0,1 |
| ПСОЕ (сертификат), мг-экв/г | 4,8 | – | 3,6 | 4,5 |
| Осмотическая стабильность, % | 100 | 94,2±0,1 | 79,6±0,5 | 94,5±0,5 |
| Осмотическая стабильность (сертификат), % | 90 | 90 | 95 | 95 |
| Гранулометрический состав (метод мокрого рассева), % на сите: N – 1,4 N – 0,8 N – 0,63 N – 0,315 дно | 0 16 38,8 45,0 0,2 | 0,6 77,0 13,0 9,2 0,2 | 0 49,8 25,2 24,8 0,2 | 0 18,4 41,0 40,4 0,2 |
Подобная экспертиза качества ионитов была проведена автором для ХВО Владимирской ТЭЦ и ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго». Результаты переданы персоналу электростанций.
Одним из основных результатов данной работы является длительный промышленный эксперимент по работе на ХВО без предочистки природной воды в осветлителях, но с использованием органоёмких анионитов Purolite А-845 и Purolite А-847. Химводоочистка Смоленской АЭС устойчиво работает в таком режиме по настоящее время. Особую ценность такой опыт имеет для химводоочисток ТЭС, работающих со сниженной нагрузкой.
Подтверждением эффективности работы ФСД в составе установок очистки турбинного конденсата энергоблоков при загрузке исследованными ионитами является автоматическая запись качества конденсата турбины №4 (блок №2) САЭС (рис. 10) до (ОК-41) и после (ОК-42) ФСД по показаниям кондуктометра.
Рис. 10. Работа конденсатоочистки ТГ-4 (загрузка ФСД – иониты фирмы «Purolite»)
Из рис. 10 видно, что конденсат после ФСД приближается по качеству к абсолютно чистой воде.
В заключительной части работы приведены результаты использования современных методов автоматического химконтроля для оценки качества теплоносителя.
Основные выводы и результаты
1. Выполнен анализ состояния технологии обессоливания природных вод и конденсатов паровых турбин энергоблоков ТЭС. Показано, что для природных вод невысокой минерализации со средним и повышенным содержанием органических примесей перспективным остаётся метод химического обессоливания воды на ионитах. Отмечено, что в условиях свободного рынка необходим качественный входной контроль ионитов, а при обилии форм и типов ионитов – правильный выбор ионитов для тех или иных установок на базе эффективного эксплуатационного контроля их качества.
2. Разработана комплексная методика контроля качества ионитов, включающая входной и эксплуатационный контроль. Методика составлена на базе ГОСТов по определению отдельных свойств производимых ионитов с учётом специфики их использования для очистки теплоносителя энергоблоков электростанций в установках обессоливания природных вод и конденсатов паровых турбин. Методика эксплуатационного контроля качества ионитов прямо связана с требованиями стандарта предприятия как к качеству водного теплоносителя, так и к качеству самих ионитов. Выполнена метрологическая оценка достоверности и точности каждой методики определения свойств ионитов. Укомплектована и аттестована лаборатория анализа ионитов. Составлена и реализована программа входного и эксплуатационного контроля каждого поступающего типа ионита на весь период его эксплуатации.
3. Сравнение свойств импортных ионитов фирм «Purolite» и «Dowex» с отечественными аналогами позволили рекомендовать перспективные иониты Purolite А-845 и А-847 для замены отработавшего отечественного анионита АН-31 в фильтрах первой ступени обессоливающих установок, а также иониты класса «супергель» SGC-100-10 и SGC-550 – для загрузки в фильтры смешанного действия установок очистки турбинного конденсата.
Результаты эксплуатационного контроля качества ионитов, выполненные после 2–4 лет работы их в фильтрах I ступени химводоочистки показали: осмотическая стабильность (ОС) анионитов А-845 и
А-847 не опускалась ниже 98 %, механическая прочность – ниже
650 г/гранулу (при норме – 90 % и 300 г/гранулу соответственно). Полная статическая обменная ёмкость (ПСОЕ) осталась на одном уровне.
Отмечено устойчивое высокое качество катионитов Purolite
(NRB-100 R) и Dowex (650 C) по показателям ПСОЕ, ОС, механическая прочность для загрузки в фильтры установок очистки конденсата.
Входной контроль и лабораторные испытания порошкообразного ионита Mikroionexs МВ-210 F (фирмы «Rohm and Haas») показали, что он сопоставим с отечественным фильтрперлитом по степени очистки вод типа конденсата от нефтепродуктов, но даёт меньше собственных примесей в обрабатываемую воду.
4. Лабораторные исследования и промышленные испытания установок химобессоливания по удалению из природных вод железа, органических соединений и минеральных солей показали, что присутствие в природной воде техногенной органики снижает эффект очистки воды от железоорганических соединений, а при невысоких (менее 200 мкг/л) концентрациях железа в исходной воде не даёт желаемого эффекта и добавление к коагуляции в осветлителе порошкообразных твёрдых сорбентов. При этом высокий эффект очистки природной воды от железоорганических соединений получен на анионитах Purolite А-845 и А-847. Собственные исследования и анализ опыта промышленных испытаний импортных анионитов на Киришской ГРЭС, ТЭЦ-26 ОАО «Мосэнерго», Кольской АЭС позволяет рекомендовать пару анионитов: Purolite А-845 (А-847) – Purolite А-500(600), наряду с парой анионитов Amberlite IRA-67 – Amberlite IRA-900 для загрузки в анионитные фильтры I и II ступеней установок химобессоливания при обработке вод с повышенным содержанием органических примесей.
5. Проведённые исследования позволяют рекомендовать к широкому применению в теплоэнергетике разработанную методику контроля качества ионитов. Анализы проб ионитов из фильтров обессоливающих установок Конаковской ГРЭС, Владимирской ТЭЦ, ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго» обеспечили своевременную рекомендацию о качестве ионитов и возможности их использования в фильтрах ХВО и БОУ. Промышленные испытания свойств анионитов Purolite А-845 и А-847 в фильтрах I ступени анионирования позволили отказаться от предочистки природной воды (р. Десна) в осветлителях на ХВО Смоленской АЭС, что является ценным практическим опытом в условиях работы ХВО ТЭС и АЭС при сниженных нагрузках. Применение отобранных на базе входного и эксплуатационного контроля ионитов для фильтров установки очистки турбинного конденсата дало высокое качество питательной воды энергоблока.
Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:
Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:
1. Гостьков В.В., Ларин Б.М. Контроль и восстановление свойств ионитов блочной обессоливающей установки // Вестник ИГЭУ. 2006. Вып. 6. С.12–16.
2. Анализ ведения водно-химических режимов АЭС с РБМК-1000 и основные направления их совершенствования / В.В. Гостьков, В.Г. Крицкий, В.Ф. Тяпков и др. // Теплоэнергетика. 2005. № 7. С. 26–35.
3. Гостьков В.В., Ларин Б.М. Входной контроль ионитов // Вестник ИГЭУ. 2003. Вып. 6. С.12–16.
4. Гостьков В.В., Ларин Б.М. Обоснование испытания ионообменных смол // Вестник ИГЭУ. 2003. Вып. 6. С. 9–11.
Публикации в других изданиях
5. Гостьков В.В. Эксплуатация и контроль импортных ионитов на электростанциях // Сб. тезисов междунар. науч.-техн. конф. «Состояние и перспективы развития электротехнологии». Иваново. ИГЭУ. 2007. С.209.
6. Повышение эксплуатационной надежности и радиационной безопасности АЭС средствами ВХР / Б.М. Ларин, В.В. Гостьков, В.С. Щебнев и т.д. // Иваново. ИГЭУ. 2005. 192 с.
7. Гостьков В.В., Ларин Б.М. Опыт эксплуатации импортных ионитов на ХВО и БОУ / Сб. тезисов 7-го междунар. совещания «Водно-химический режим АЭС». М.: ВНИИ АЭС. 2006. С.37–38.
8. Анализ ведения водно-химического режима АЭС с РБМК и основные направления совершенствования ВХР / В.В. Гостьков, Т.М. Егорова, В.Ф. Тяпков и др. // Сб. тезисов 7-го междунар. совещ., посвященного памяти В.А. Мамета. М.: ВНИИ АЭС. М.: 2003. С.7–10.
9. Гостьков В.В. Режимы и нормы эксплуатации оборудования по химико-радиационному цеху АЭС. Учебное пособие // Иваново, 1999. 258 с.
«