Введение.
Применение воды в теплоэнергетике
В настоящее время вода широко используется в различных областях промышленности в качестве теплоносителя, чему способствуют широкое распространение воды в природе и ее особые термодинамические свойства, связанные со строением молекул. Полярность молекул воды, характеризуемая дипольным моментом, определяет большую энергию взаимного притяжения молекул воды (ориентационное взаимодействие) при температуре 10—30 °С и соответственно большую теплоту фазового перехода при парообразовании, высокие теплоемкость и теплопроводность. Значение диэлектрической постоянной воды, также зависящей от дипольного момента, определяет своеобразие свойств воды как растворителя.
Основным хранилищем воды на Земле являются океаны, в которых сосредоточено более 98 % всего количества воды. Океанская вода содержит до 35 г/кг растворенных солей, главным образом ионов натрия и хлора. На долю вод с солесодержанием менее 1 г/кг (пресных вод) приходится лишь 1,7 %, причем в речных водах находится около 0,001 % всех пресных вод, так как их основная масса сосредоточена в ледниках. Но и имеющаяся в распоряжении людей вода не может без очистки (обработки) являться теплоносителем в теплоэнергетических установках, поскольку современные ТЭС и АЭС в энергетическом цикле используют воду высокого качества с содержанием примесей в пределах 0,1—1,0 мг/кг.
Оборудование современных ТЭС и АЭС эксплуатируется при высоких тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения толщины отложений на поверхностях нагрева по условиям температурного режима их металла в течение рабочей кампании. Такие отложения образуются из примесей, поступающих в циклы электростанций, в том числе и с добавочной водой, поэтому обеспечение высокого качества водных теплоносителей ТЭС и АЭС является важнейшей задачей. Использование водного теплоносителя высокого качества упрощает также решение задач получения чистого пара, минимизации скоростей коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и оборудования конденсатнопитательного тракта. Таким образом, качество обработки воды на ТЭС и АЭС тесным образом связано с надежностью и экономичностью эксплуатации современного высокоинтенсивного котлотурбинного оборудования, с безопасностью ядерных энергетических установок.
Для удовлетворения разнообразных требований к качеству воды, потребляемой при выработке электрической и тепловой энергии, возникает необходимость специальной физико-химической обработки природной воды. Эта вода является, по существу, исходным сырьем которое после надлежащей обработки (очистки) используется для следующих целей: а) в качестве исходного вещества для получения пара в котлах, парогенераторах, ядерных реакторах кипящего типа, испарителях, паропреобразователях; б) для конденсации отработавшего в паровых турбинах пара; в) для охлаждения различных аппаратов и агрегатов ТЭС и АЭС; г) в качестве теплоносителя в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения.
Одновременно с очисткой природной воды для подготовки используемой на электростанциях чистой воды необходимо решать комплексно вопросы, связанные с утилизацией различными методами образующихся при этом сточных вод. Такое решение является мерой защиты от загрязнения природных источников питьевого и промышленного водоснабжения.
Источники загрязнения и методы обработки воды на ТЭС и АЭС
Существует несколько источников загрязнений теплоносителя в пароводяных трактах ТЭС и АЭС: примеси добавочной воды, вводимой в цикл для покрытия внутренних и внешних потерь пара и конденсата; присосы в конденсат пара охлаждающей воды в конденсаторах или сетевой воды в теплообменниках; примеси загрязненного конденсата, возвращаемого от внешних потребителей пара на ТЭЦ; примеси, искусственно вводимые в пароводяной тракт для коррекции водного режима (фосфаты, гидразин, аммиак, другие разнообразные добавки); продукты коррозии конструкционных материалов, переходящие в теплоноситель. На АЭС примеси, кроме того, могут поступать в тракт в виде продуктов деления ядерного топлива через негерметичные участки оболочек тепловыделяющих элементов и образовываться в активной зоне реакторов за счет процессов радиолиза воды, а также протекания радиационных превращений и радиационно-химических реакций. В зависимости от типа основного теплоэнергетического оборудования и условий работы вклад и влияние каждого из перечисленных источников в суммарное загрязнение водного теплоносителя ТЭС и АЭС могут значительно варьироваться.
Присос охлаждающей воды в конденсаторах турбин обусловлен более высоким давлением с водной стороны конденсатора по сравнению с паровой, находящейся под глубоким вакуумом. Необходимо иметь в виду, что присосы воды наблюдаются практически во всех конденсационных установках (исключая воздушно-конденсационные, так называемые «сухие» градирни) и составляют обычно 0,005—0,003 % количества конденсирующегося пара, повышаясь до 0,01—0,02 % при наличии коррозионных свищей или микротрещин в конденсаторных трубках и примерно до 0,2 % при разрыве одной трубки.
В качестве конструкционных материалов ТЭС на органическом топливе широко применяются стали перлитного и аустенитного классов, сплавы на основе меди, в том числе латуни, а также алюминиевые сплавы., Для контуров АЭС наиболее характерно использование нержавеющих аустенитных сталей, высоколегированных хромом и никелем. В активных зонах реакторов применяются обычно циркониевые сплавы. Продукты коррозии конструкционных материалов переходят в теплоноситель большей частью в виде коллоидных и грубодисперсных форм.
В воде реакторных контуров обычно присутствуют радионуклиды хрома, марганца, железа, кобальта, йода, цезия и другие радионуклиды, определяющие удельную активность в пределах 106—108 Бк/кг.
Повышение температуры и давления в контурах ТЭС и АЭС значительно изменяет способность воды растворять содержащиеся в ней примеси. Это связано с перестройкой структуры, проявляющейся, в частности, в уменьшении диэлектрической проницаемости воды, что отражает ослабление полярности ее молекул. При высокой температуре растворяющей способностью обладает не только жидкая вода, но и водяной пар, сближение растворяющих свойств которых обусловлено уменьшением разности их плотностей (соотношение 1050: 1 при 100 °С и 1:1 при критической температуре 374,15 °С на линии насыщения). Способность пара растворять примеси и осложнение в связи с этим работы пароперегревателей котлов и паровых турбин за счет образования отложений и интенсификации коррозионно-эрозионных процессов вызывают необходимость поддерживать чистоту питательной воды энергетических блоков за счет как приготовления подпиточной воды высокого качества, так и очистки' питательной воды от растворенных и взвешенных примесей.
При эксплуатации современного энергетического оборудования ТЭС и АЭС используются разнообразные методы обработки воды. Так, приготовление добавочной воды для различных теплоиспользующих контуров осуществляется обычно в две основные стадии. На первой из них из природной воды удаляются главным образом взвешенные примеси, на второй вода подвергается очистке химическими (умягчение, обессоливание) или термическими (получение дистиллята) методами. При обработке контурных вод высокой чистоты (конденсатов) обе стадии очистки могут протекать одновременно в одном аппарате. В ряде случаев водоиспользования в низкотемпературных контурах достаточным бывает только физическое воздействие на водный теплоноситель. Физико-химические основы процессов обработки воды (природной, сточной, конденсатов), схемы, аппараты и технологические процессы, используемые в этих целях, достаточно полно рассматриваются в этой книге применительно к различным типам и контурам ТЭС и АЭС.
Общие положения
Расчет ВПУ и конденсатоочисток различного назначения начинают с определения их производительности и выбора схемы на основе данных, приведенных в гл. 25, с учетом характеристик основного и вспомогательного энергетического оборудования и источника водоснабжения. При проектировании необходимо вначале повторно проработать те разделы книги, в которых приведено описание технологии и конструкций соответствующего оборудования, что позволит четко представить работу оборудования технологической схемы во взаимосвязи с типом ионитов и с такими параметрами, как рабочие емкости, удельный расход и доза реагентов, расход воды собственных нужд на различные операции и т. п. Необходимо также, использовав учебные пособия и справочную литературу, оценить, а для некоторых показателей и рассчитать (например, концентрацию СО2 в воде перед декарбонизатором) изменение качества обработанной воды по ступеням очистки при определенных технологических параметрах. При проектировании ВПУ производят расчет погрешности анализа исходной воды по уравнению электронейтральности, которая не должна по абсолютному значению превышать 1 %, при проектировании конденсатоочисток оценивают качество исходного конденсата по растворенным и взвешенным примесям с учетом расчетного присоса охлаждающей воды в конденсаторах и эксплуатационных данных по качеству и количеству продуктов коррозии, нефтепродуктов и других загрязняющих примесей. Далее по приведенным методикам проводят расчет выбранной технологической схемы водробработки с определением числа и типов основного и вспомогательного оборудования, необходимого расхода воды, реагентов и электроэнергии на собственные нужды установки, выполняют чертежи развернутой схемы водоочистки с включением основного и вспомогательного оборудования, заполнением всех позиций спецификации на оборудование, составляют расчетно-пояснительную записку к проекту с обязательными разделами по обезвреживанию сточных вод, приемами их утилизации, физико-химическими и технико-экономическими расчетами. В дополнение к чертежам технологической схемы выполняют компоновочные чертежи или чертежи нестандартного оборудования (осветлителей, баков, мерников, мешалок, эжекторов различного назначения, декарбонизаторов и т. п.) в соответствии с заданием на проектирование. Качество воды после ее предварительной очистки рассчитывают применительно к конкретному типу исходной воды на основе данных.