Экспериментальное определение испарения воды в градирнях системы оборотного охлаждения ТЭС Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСПАРЕНИЯ ВОДЫ В ГРАДИРНЯХ СИСТЕМЫ ОБОРОТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ТЭС

А.А. ЧИЧИРОВ, А.Ю. СМИРНОВ, В.А. ВАСИЛЬЕВ, Н.Д. ЧИЧИРОВА

Казанский государственный энергетический университет

Предложено рассматривать систему оборотного охлаждения на ТЭС как проточный (непрерывно действующий) химический реактор с нестационарным режимом работы. Разработаны математическая модель и методика расчета материальных потоков и химических процессов в системе. Проведен эксперимент и выполнены количественные расчеты на примере Набережночелнинской ТЭЦ.

В настоящее время на тепловых электрических станциях (ТЭС) для конденсации пара в конденсаторах паровых турбин наибольшее распространение получила система оборотного охлаждения (СОО) с испарительными градирнями. В водном балансе ТЭС расход воды на охлаждение составляет основную часть и значительно превосходит расходы на другие нужды. Другой аспект связан с тепловой эффективностью работы ТЭС. Поскольку в СОО используется техническая необработанная вода, на поверхностях теплообмена в конденсаторах турбин образуются отложения малорастворимых веществ (накипь). По данным ВТИ толщина накипи в 1 мм приводит к перерасходу топлива на ТЭС на 7%, а перерасход топлива по этой причине на электростанциях России в среднем составляет 2% и на некоторых ТЭС достигает 10% [1]! Причина - концентрирование малорастворимых компонентов воды в результате испарения в градирнях. Для контроля за названными процессами необходимо решить проблему оперативного определения материального баланса СОО.

В качестве конкретного примера выбрана вторая очередь СОО НЧ ТЭЦ. Она отличается сравнительно простой схемой - замкнутый контур содержит одну градирню и два конденсатора. Принципиальная схема СОО приведена на рис. 1.

Рис 1. Принципиальная схема материальных потоков в системе оборотного охлаждения с градирней (вторая очередь СОО НЧ ТЭЦ): Г-6 - градирня №6; ЧГ - чаша градирни; В -воздушный поток; ИВ - испарение воды; КУ - капельный унос; ДВ - добавочная (сырая) вода; От - отложения; Пр - продувка (отбор воды); ЦН - циркуляционный насос; ТО -теплообменное оборудование на ТЭЦ (маслогазоохладители); КТ -10,11 - конденсаторы турбин 10,11; ® - точки контроля; К - коллектор циркуляционной воды; КТВ - коллектор

технической воды

© А.А. Чичиров, А.Ю. Смирнов, В.А. Васильев, Н.Д. Чичирова Проблемы энергетики, 2007, № 5-6

В рабочем состоянии СОО представляет собой замкнутую систему, заполненную водой. Vо, Учг - водяные объемы СОО в целом и чаши градирни, соответственно, м3. Циркуляционная вода содержит химические вещества (компоненты). Всего я (у = 1,..., я) компонент (веществ). Поскольку имеется вещественный обмен с окружающей средой, с точки зрения термодинамики система является открытой материальной системой. В системе два материальных входа. Вход добавочной воды (ДВ) с известным расходом (V д, м3/ч) и составом

(с у д) (вход 1) и приток воздуха (В) неизвестного объема (V в, м3/ч) с известной

влажностью (вход 2). Из системы четыре материальных выхода. Выход влажного воздуха с испарившейся водой (В+ИВ) неизвестного объема (Vв и V исп) и влажности (выход 1). Капельный унос (КУ) циркуляционной воды (Vку , с у,ц) из

градирни с воздушным потоком (выход 2). Продувка (Пр) циркуляционной воды (V пр , м3/ч, су ц моль/м3) (выход 3) и образование отложений в конденсаторе (пу -

отложения у -го компонента, моль/(м3*ч)) неизвестного количества и состава

(выход 4). Рабочая зона ограничена циркуляционной водой в пределах СОО. Движение воды в системе осуществляется циркуляционными насосами (ЦН) со скоростью Vц. В общем случае в системе могут быть утечки циркуляционной

воды с трубопроводов и оборудования, а также протечки в конденсатор. На практике эти потоки незначительны и ими можно пренебречь.

По существу СОО можно рассматривать как проточный (непрерывно действующий) химический реактор с нестационарным режимом работы, в котором есть вход реагентов (с добавочной водой), выход реагентов (капельный унос, продувка) и химические реакции (образование отложений) (рис. 1) [2]. Зона реакции ограничена водой СОО. Осадки в виде отложений покидают зону реакции. Осадки в других формах (взвешенные вещества, коллоиды и др.) находятся в зоне реакции. Отложения образуются в результате химических реакций, протекающих в системе. Основным компонентом отложений по экспериментальным данным является карбонат кальция [3].

Для вывода уравнений материального баланса предположим идеальную структуру потока. По внешним признакам структура потока СОО больше соответствует режиму идеального смешения. Циркуляционный насос выполняет роль перемешивающего устройства, создающего высокую кратность циркуляции (Vц >> Vд). Водяные объемы СОО в целом и отдельных ее частей (Vо,^г ) -величины постоянные (константы), а все интенсивные величины - водные потоки и концентрации компонентов (V ц , V д , V в , V ку , V пр , с Уд , с уц ) меняются во

времени сложным, непредсказуемым образом и являются функциями от т. Вследствие нестационарности процесса в СОО возможно накопление веществ. Если пренебречь изменениями растворимости воздуха в циркуляционной воде, входящий и выходящий воздушные потоки можно исключить из уравнения материального баланса. С учетом изложенного уравнение материального баланса по веществу у для СОО в дифференциальной форме будет

V д (т )•су,д (т ) ■ йт = V ку (т ) ■ су,ц (т )• ^т + Vпр (т )• су,ц (т )• ^т + V0 •Лсу,ц + у . (1)

В уравнении (1) скорость химической реакции образования осадка связана с

1 dNj

количеством отложений N: вещества j уравнением w : = П : =---. Выражения

' ; J V dт

v j (т) и с j I (т) представляют собой временные функции г-го потока и концентрации j-го вещества в г-м потоке. Уравнение баланса потоков

vд ‘ р д = vку ‘ рку + vисп ' рисп + vпр ' рц , (2)

где р г - плотность воды г-го потока. Соответственно, массовый расход (щ) г -го потока тг = VI ' р г.

Интегрируем уравнение (1) в пределах Ат = т 2 — т 1. Учитывая, что граничные условия: при т = т 1, с j,ц = с j,цl, Nj = N j,l; при т = т 2, сj,ц = с j ц2 , N j = N j 2, получаем выражение:

т 2

JVд (т)• j (т)-dx =

т 1

т 2 т 2 с 2 ц N 2

= JVКУ (тV СУ,Ц (т)•dт + JVпр (т)^ су,ц (т V dт + JV0 •dc],ц + JdNj • (3)

т1 т1 с1 N1

Поскольку вид функциональных зависимостей от времени априори неизвестен, но есть экспериментальные данные, уравнение (3) можно разрешить относительно средних значений по методу механических квадратур. В результате уравнение материального баланса можно аппроксимировать алгебраическими уравнениями. Например, для неосаждаемого компонента (для него N j = 0) относительно

неизвестной массы испаряющейся воды уравнение имеет вид

— — (сj^ - сj^ ) , V0 Асj,ц (4)

— исп = — д •(--1-------) +------1----• (4)

сj,ц Ат сj,ц

Особенностями данного способа решения задачи является то, что возможно рассчитать только среднее значение неизвестного параметра за промежуток времени Ат, и, второе, точность определения неизвестного параметра зависит от протяженности временного отрезка и количества экспериментальных данных по концентрациям веществ для этого отрезка.

Определение параметров баланса по разработанной методике было проведено на работающей СОО НЧ ТЭЦ. Вторая очередь СОО НЧ ТЭЦ соответствует схеме рис. 1. Схема включает одну градирню и два параллельно присоединенных конденсатора турбин. Также параллельно присоединены маслогазообменное оборудование (по схеме на рис.1 обозначены как ТО). Поскольку теплообмен через маслогазообменное оборудование незначителен (не более 1 % от общего теплообмена), в дальнейших расчетах его не учитывали. Бетонная градирня противоточного типа с естественной тягой имеет характеристики приведенные в таблице. Общий водяной объем СОО второй очереди НЧ ТЭЦ - 10200 м3. Подача добавочной воды изменяется в диапазоне от 100 до 800 м3/ч. Скорость циркуляции воды в системе устанавливают в зависимости от тепловой нагрузки и времени года в пределах от 4000 до 25000 м3/ч.

© Проблемы энергетики, 2007, № 5-6

Краткая техническая характеристика градирни №6 НЧ ТЭЦ

Площадь орошения градирни, м2 - 3200

Плотность орошения, м3/м2 - 8

Высота градирни, м - 81,06

Диаметр водосборного бассейна, м - 71,07

Диаметр вытяжной башни в верхней части, м - 40,94

Глубина бассейна, м - 2,0

Максимально-допустимый уровень (абсолютная отметка), м - 1,9

Минимально-допустимый уровень (абсолютная отметка), м - 0,9

Количество пластмассовых разбрызгивателей, шт. - 3080

Диаметр сопла разбрызгивателя, мм - 22

Количество магистральных распределительных лучей разбрызгивателя, шт. - 10

Количество оросительных труб с разбрызгивающим устройством, рядов - 28

Количество ветровых перегородок, шт. -10

Отметка расположения оси магистральных лучей разбрызгивающих устройств, м - 7,0

Запас воды в бассейне, м3. -6950

Расчетный расход циркуляционной воды на градирню, м3/час - 26000

В период 12.07.06-20.07.06 на второй очереди СОО проводился эксперимент с целью определения размеров продувки и ее влияния на концентрирование веществ в циркуляционной воде. В ходе эксперимента выполнялся замер основных показателей воды (рН, ЖСа , ЖМё, Щобщ, Щф/ф, сРе, с , с8Ю2 )

и параметров в системе (расход и температура воды). Скорость циркуляции устанавливалась на уровне 20000 м3/ч. Из определяемых компонентов воды безусловно неосаждаемым является хлорид-ион. Все остальные компоненты участвуют или могут участвовать в реакциях с образованием отложений. На рис. 2 показано изменение концентрации хлоридов в добавочной воде и в разных точках СОО - в чаше градирни и в турбинном цехе около конденсатора.

80

12.7.06 13.7.06 14.7.06 15.7.06 16.7.06 17.7.06 18.7.06 19.7.06 20.7.06 21.7.06

Дата

Рис. 2. Концентрация хлоридов в добавочной воде (1), чаше градирни (2) и циркуляционной воде (3) второй очереди СОО НЧ ТЭС в период 13.07.06 - 20.07.06 гг

Из концентрационной зависимости рис. 2 можно сделать выводы о макроструктуре потока в СОО. Концентрации хлорид-иона в разных частях СОО практически не отличаются, но сильно отличаются от концентрации на входе (в добавочной воде). Такая концентрационная зависимость характерна для режима идеального смешения. Таким образом, основное допущение, сделанное при выводе уравнений, оказывается верным. С использованием концентрационной зависимости и уравнения (4) был проведен расчет испарения с градирни. Параллельно проводился расчет испарения по уравнению Крушеля [4]. Уравнение Крушеля является базовым в теплоэнергетике и основано на количестве отдаваемой водой теплоты в градирне:

Р1 = 0,16 • х • At,

(5)

где р1 - доля испаряющейся воды, в % от объема циркуляции; х - доля теплоты, отдаваемая воздуху испарением; А* - разность температур циркуляционной воды до и после ее охлаждения.

Для рассматриваемого периода рассчитанное среднее значение испарения по предложенной методике составило 213,2 т/ч, по уравнению Крушеля - 242,3 т/ч. Отношение - 0,88, т.е. испарение примерно на 12% меньше, чем по уравнению Крушеля. Подобная тенденция сохраняется во все времена года (рис. 3). Наблюдаемые различия можно объяснить следующим образом. По предложенной методике через концентрации растворенных веществ возможно прямое определение количества испаряемой воды по уравнению (4). По уравнению Крушеля в расчете принимается общая теплопередача, а для распределения общей теплопередачи между процессом испарения и процессом прямой теплопередачей межу водой и воздухом включен коэффициент х. Вероятно коэффициент х имеет отличия для различных типов градирен, но в уравнении Крушеля это не учитывается.

Рис. 3. Сравнительные данные по расчету испарения воды с градирни № 6 второй очереди СОО НЧ ТЭС в период с 2.11.05 - 23.06.06 (в рамках указан коэффициент корреляции между значениями, полученными по двум методикам расчета)

С использованием предложенной методики был проведен расчет материальных потоков в СОО второй очереди НЧ ТЭЦ на каждый день в период

12.07.06 - 20.07.06. Поскольку, в соответствии с особенностью методики, точность определения неизвестных потоков должна снижаться с уменьшением временного интервала, для расчета использовались концентрационные зависимости разных компонентов воды. В частности, использованы зависимость по хлоридам и общей жесткости. Полученные данные представлены на рис. 4. На рисунке v у - это

утечка циркуляционной воды, равная сумме капельного уноса и продувки. Результаты хорошо согласуются с условиями проведенного эксперимента. В период 12.07.06 - 17.07.06 задвижка продувки была полностью открыта. По расчетным данным размер продувки - около 200 т/ч. 18.07.06 задвижка была полностью закрыта. Расчетная продувка - нулевая. И 20.07.06 задвижка открыта наполовину. Расчетная продувка примерно 90 т/ч (рис. 4).

350.00

Дата

Рис. 4. Материальные потоки в СОО второй очереди НЧ ТЭЦ в период13.07.06 - 20.07.06, рассчитанные по концентрационной зависимости хлоридов, общей жесткости и температуре

циркуляционной воды

Таким образом, математическое моделирование СОО ТЭС как проточного химического реактора с нестационарным режимом работы и использование растворенных веществ как своеобразных меток позволяет предложить методику расчета всех материальных потоков в системе. Прямое определение объема испарения воды по концентрационным зависимостям показывает, что принятые в теплоэнергетике методики удовлетворительно, но недостаточно точно оценивают объем испарения.

Summary

It is offered to consider a system of back cooling on power station as flowing (continuously operational) chemical reactor with non-steady operational mode. The mathematical mode and the methode of calculation of material flows and chemical processes in a system are designed. The experiment and quantitative calculations were executed in the Naberejnochelniskaya power station.

Литература

1. Бродов Ю.М., Савельев Р.З. Конденсационные установки паровых турбин. - М.: Энергия, 1994. - 287 с.

2. Закгейм А. Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. - М.: Химия, 1982.

3. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ.

- СПб.: Изд. ДЕАН, 2004. - 336с.

4. Крушель Г.Е. Образование и предотвращение отложений в системах водяного охлаждения. - М.: Госэнергоиздат, 1965.

Поступила 19.02.2007