Водоподготовка на ТЭС: применение установок обратного осмоса

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

Водоподготовка на ТЭС: применение установок обратного осмоса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

1. Введение
2. Понятие о ТЭС
3. Водоподготовка на ТЭС
4. Установки обратного осмоса
5. Комплексное применение технологии мембранной очистки воды в энергетике на примере Адлерской ТЭС
6. Выводы
7. Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение

В последнее время в Российской Федерации в процессе проектирования новых электростанций,  преимущество отдают энергоблокам, основанным на парогазовой технологи, (парогазовым установкам). К качеству  добавочной подпиточной воды контура парогазовых установок (ПГУ) предъявляются особо высокие требования. Это в свою очередь привело к быстрому развитию такой особой отрасли химической технологии, как обработка воды на тепловых электростанциях (ТЭС ). Большое количество тех. процессов обработки воды, не относят к разряду новой техники, а уже давно известны и используются, периодически совершенствуясь.

В настоящие время характерно преобразование данной отрасли технологии в науку, которая опирается на теоретический расчет тех или иных процессов  и аппаратов, а не только на эмпирическое их описание.

Следует отметить процессы, наиболее важные с точки зрения получения высокоочищенной воды:

  - сорбция;

- ионный обмен;

  - метод фильтрования (очистка воды от взвешенных примесей).

Абсолютно новым тех. процессом является удаление растворенных и взвешенных примесей воды на намывных фильтрах.

  В большинстве промышленных стран  высокого уровня технического  развития имеется проблема непрерывного роста дефицита пресной воды. В таком случае данные методы обработки воды должны стать пригодны и для обработки высокоминерализованных, а так же морских вод. Характерной чертой для этой отрасли технологии опреснения воды есть использование вместе со старыми методами применения испарителей нескольких новых методов. Из которых следует отметить мембранный метод обработки воды, к его числу можно отнести метод гиперфильтрации (обратный осмос), а так же электродиализ.

Большую роль в технологии очистки воды на тепловых электростанциях играют процессы удаления растворенных газов. Таких методов два:

1. метод десорбции (термическая деаэрация);
2. химическое обескислороживание воды, обескислороживание на редокситах (путем использования окислительно-восстановительных процессов).

Имеющаяся в природе  вода, условно разделяется на:

  - атмосферную (дождь, туман, снег);

- поверхностную (реки, озера, пруды);

- подземную (артезианские скважины, шахтные колодцы);

- соленую (моря, океаны).

Эта природная вода всегда содержит различные примеси. Количество и состав примесей содержащихся в воде и определяют ее качество, то есть характеризуют возможность использования данной воды для тех или иных целей в быту и в промышленности.

Все примеси, которые находятся в воде поступают в нее из окружающей ее среды.

Таким образом, разработка технологии водоподготовки на ТЭС является на сегодняшний день очень актуальной задачей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Понятие о ТЭС

  Тепловые электростанции (ТЭС) – это электростанции, которые вырабатывают электроэнергию путем преобразования химической энергии топлива в механическую энергию, которая используется для вращения вала электрогенератора.

  Первые ТЭС появились еще в конце XIX века в Соединенных Штатах Америки в Нью-Йорке (1882 год). В России первая тепловая электростанция была построена в 1883 году в С.Петербурге.

 После своего появление, ТЭС получили наибольшее распространение в мире, так как с каждым днем энергетическую потребность наступившего техногенного века увеличивалась. До середины 70-х годов прошлого века, эксплуатация именно тепловых электростанций была доминирующим способом получения электроэнергии.

  В США и СССР часть ТЭС среди всей получаемой электроэнергии составляла 80%, а во всем мире – порядка 73-75%.

 

Принцип работы тепловых электростанций любого типа.

 Выработка электричества в ТЭС происходить поэтапно, но общий принцип её работы сравнительно прост. На первом этапе топливо сжигают в камере сгорания (паровом котле), при этом выделяется достаточное количество тепла, которое и превращает воду, циркулирующую по специальным системам труб расположенным внутри котла, в пар. Таким образом давление пара постоянно нарастает. Направив это давление на лопатки паровой турбины получаем, вращение всего ротора турбины,  которое передается на вал генератора, и в результате этого начинает вырабатывается электрический ток.

  Система «вода-пар» замкнутая. Пар, после того, как прошел через турбину, конденсируется в конденсатосборнике и вновь преобразуется в воду, проходящую через систему подогревателей и вновь попадающую в паровой котел.

 

В связи с этим требования к качеству воды используемой на ТЭС  достаточно высоки.

3. Водоподготовки ТЭС

 В Российской Федерации, принято, что доля растворённых в воде  веществ должна составлять не более 10 мкг/л. Для удовлетворение данного требования к качеству воды осуществляется ее специальная физико-химическая обработка.  

   Водоподготовку ТЭС производят в специальном цехе «химводоочистки».

Процесс водоподготовки состоит из нескольких этапов:

• Первый этап – предварительное умягчение воды, для снижения концентрации примесей (в воду добавляют реагенты, а также коагулянты, флокулянты). Следует обратить внимание на то, что методы обработки, и особенности технологического процесса, получения необходимого качества воды зависят от начального ее состава, типа и параметров самой электростанции, которая и использует эту воду.
• Второй этап – осветление. Воду пропускают через большое количество фильтров, (песочные и ионные), что позволяет очистить ее до– 10 мкг примесей на один литр. Следует помнить и о постоянном интенсивном перемешивании воды с реагентами. Это очень важная необходимость.

  Как мы видим, задача водоподготовки ТЭС достаточно сложна, но вполне решаема. Многолетний опыт использования энергоблоков во всем мире показал, что самым важным условием долгосрочной, экономичной и наиболее надёжной эксплуатации ТЭС есть организация водоподготовки.

 

Цели и задачи водоподготовки ТЭС

Цели и задачи водоподготовки:

• предотвращение образование окислов железа и кальцевидных отложений– на внутренней стороне пароперегревательных (парообразующих) трубопроводов, а так же, натрия, кремниевой кислоты и меди, – в проточных частях паровых турбин;
• защита от коррозии основного и вспомогательного оборудования, при его контакте с водой и паром;
• защита от коррозии турбин, котлов, оборудования конденсатно-питательного тракта при нахождении их в резерве путем применения качественного водного теплоносителя, который уменьшает скорость коррозии материалов).

 

 Химически очищенная вода является сырьём для использования на ТЭС , которое в дальнейшем применяют, как исходный материал для образования пара в испарителях и котлах, конденсировании отработанного пара и агрегатного  охлаждения. Еще эту волу используют в качестве теплоносителя (в теплосетях и системах горячего водоснабжения).

  Для того, что бы  парогенератор работал без отложений в течение приблизительно пяти часов необходимо осуществление особых мероприятий водоподготовки ТЭС. Каждая тепловая электростанция заинтересована проводить данные мероприятия с минимальными капитальными затратами.

  Термические методы водообработки ТЭС , их экономичность напрямую зависят от параметров оборудования и характеристик системы водоподготовки и водоочистки.

   На данный момент  пред тепловыми электростанциями  наряду с материальной выгодой поставлены задачи, по увеличению экономичности электростанций, сокращению количества обслуживающего персонала, внедрению новых технологий. Но на самом первом месте всё же остаётся подготовка используемой воды, которая должна осуществляться на очень высоком уровне.

  При очищении большого количества природной воды, ТЭС должна помнить ещё об одном аспекте, а именно о проблемах утилизации образующихся в процессе эксплуатации сточных водах.  Сточные воды содержат шлам, который состоит из карбонатов кальция и магния, железа, гидроксида магния, песка, органических веществ, алюминия, различных солей серной и соляной кислот, которые в процессе регенерации фильтров перемещаются в стоки. Это необходимая процедура для того, чтобы обеспечить защиту от загрязнения источников питьевого и промышленного водоснабжения.

  Итак, ТЭС потребляет большое количество воды. Основное потребители воды на ТЭС – это конденсаторы турбин.

Воду применяют для охлаждения:

• подшипников вспомогательных механизмов и водорода генераторов;
• охлаждения воздуха электродвигателей;
• восстановления паропотерь и конденсата в цикле ТЭС

 Вода в этом случае - это «жизненная необходимость». Вот поэтому, водоподготовка ТЭС требует к себе особого внимания и контроля.

 

4. Установки обратного осмоса

Технологии обратного  осмоса для обессоливания воды в  некоторых развитых странах мира начали применять со средины шестидесятых годов, а в бывшем Советском Союзе - с конца восьмидесятых годов  прошлого столетия.

 Однако широкое распространение  эта технология не получила  из-за  дорогостоящих мембран изготовлявшихся в то время и соответственно низкой  производительности.

  "Мембранный бум"  начался уже в начале девяностых, после появления более дешевых,  надежных и высокопроизводительных  мембран. 

  По результатам внедрения  установок обратного осмоса было  определено, что удаление солей  из воды, прошедшей через данную  установку составило 95-97 %. Кроме  этого установки обратного осмоса  компактные, могут работать в автоматическом режиме, очень просты в эксплуатации, имеют достаточно длительный цикл непрерывной работы.

  Установлено, что эта новая технология имеет значительное преимущество, перед ионообменной и испарительной при удалении из воды природных и техногенных органических соединений, которые оказывают негативное воздействие на оборудование ТЭС.

 

Даная технология привлекательна еще и тем, что в ней исключено  присутствие человеческого фактора.

 Т.е. применение на  системах водоподготовки ТЭС  технологии обратноосмотического обессоливание воды является на сегодняшний день очень перспективным.

Установки обратного осмоса применяются в тех технологических процессах, где нужно уменьшить общее солесодержание  воды до необходимого значения, т.е. для обессоливания и опреснения воды.

Мембранные системы  обратного осмоса. Принцип действия

 Обратный осмос  это – процесс отделение деминерализованной воды от минерализованной путем прохождения ее через тонкопленочную полупроницаемую мембрану под давлением выше осмотического (при  баромембранном процессе).

 В зависимости от  типа применяемых мембран и  заданных условий давление может  быть:

• для слабоминерализованных вод - от 8-12 Бар
• для морской воды до -  55 – 60 Бар

 На этом принципе и основана деминерализация начальной воды в обратноосмотическом модуле.

Рис 1 КИП и А Установки обратного осмоса

 

 Через поры синтетической композитной мембраны проходят молекулы чистой воды, а гидратированные солеобразующие ионы: НСО3-, SO2-, С1-, Са2+, Mg2+, Na+, K+, Fe2+, Cu2+ и ряд других микроэлементов, имеющие значительно больший размер -  задерживаются. Соли, растворенные в воде, органические соединения, тяжелые металлы и микроорганизмы не могут проникнуть через мембрану. Их удаляют в дренаж в виде концентрата. Концентрат может быть повторно использован либо сброшен в канализацию.

 После прохождения установки обратного осмоса вода в зависимости от своего состава, схемы оборудования и типа используемых обратноосмотических мембран очищается от солей 80 – 99.7%.

Конструкция установки обратного осмоса

Установка обратного осмоса (мембранный модуль) состоит из:

• фильтра (патронного или мультипатронного) тонкой очистки воды, 5 мкм
• насоса высокого давления
• мембранной группы
• средств автоматики и регулировки
• контрольно измерительных приборов
• дистанционного пульта управления
• рамы
• системы промывки мембранных элементов CIP

Рис 2 Установка обратного осмоса

 

  Конструкция установки обратного осмоса зависит от состава исходной воды, содержания солей и мехпримесей и количества мембранных элементов необходимых для того, чтобы получить требуемую производительность установки. В основу конструкторского решения заложен способ организации мембранной группы, который, определяет процентное отношение очищенной воды и концентрата.

Обратноосмотический модуль можно подключить в составе установки водоподготовки к трубопроводу исходной воды, трубопроводу деминерализованной воды и сливу в канализацию.

 

 

 

 

 Использование технологий обратного осмоса требует от обслуживающего персонала высокого уровня культуры производства и тщательной предварительной подготовки воды.

 Водоподготовка обуславливается размером пор обратноосмотических мембран. Мембрана, конечно, будет задерживать все примеси и соединения, имеющие размер больше чем 0,001 мкм, хотя при этом сама будет интенсивно загрязняться. А если в воде будет иметь место высокое содержание органических соединений, то и отравляться ими. А это в свою очередь потребует частых промывок, а в некоторых случаях - и замен мембранных элементов.

 В связи с этим многие производители мембранных элементов - предъявляют очень жёсткие требования к качеству исходной воды, которая поступает на установку.

Несоблюдение требований к качеству исходной воды, поступающей  на установках обратного осмоса, приводит:

• к быстрому загрязнению мембранных элементов и увеличению количества химических промывок;
• . к снижению производительности установки;
• к возрастанию количества засоленных стоков по отношению к количеству вырабатываемой воды;
• к снижению работоспособности мембран и появлению необходимости их досрочной замены (срок службы обратноосмотических мембран составляет 5 лет);
• к резкому возрастанию себестоимости обессоленной воды.

 

 

5. Комплексное применение технологии мембранной очистки воды в энергетике на примере Адлерской ТЭС

Одним из самых эффективных способов обеспечения необходимых показателей качества обессоленной воды - это использование аппаратов, построенных по технологии мембранного разделения. При этом наибольшую эффективность имеют установки, составленные из мембранных модулей различного назначения (так называемые интегри ИМТ): ультрафильтрация, обратный осмос, электродеионизация [1]. Достоинства мембранных технологий связаны с малой энергоемкостью процесса разделения, незначительным расходом реагентов, простотой эксплуатации, компактностью оборудования. Рост привлекательности мембранных технологий (особенно в последние годы) обусловлен повышением цен на реагенты, иониты, исходную воду и связан также с ужесточением норм по качеству засоленных стоков [2].

С учетом вышеперечисленного при проектировании водоподготовительных установок на Адлерской ТЭС , было выбрано применение мембранных технологий для получения всех типов технологических вод, таких как:

- обессоленной;

 - химочищенной);

- частично обессоленной.

  Обессоленная вода  используется для подпитки пароводяного  контура, а для подпитки теплосетей используют химочищенную воду.

  Частично обессоленная  вода на ТЕС используют для  применения в установках увлажнения  охлаждающего воздуха и для  градирен.

  Адлерская ТЭС это один из объектов, которые строятся для проведения Зимней Олимпиады 2014 года. Расположена она в Адлерском районе города Сочи.

Суммарная электрической мощностью ТЭС равна 360 МВт, максимальная теп-

ловая нагрузка 227 Гкал/ч (264 МВт).

КПД этой электростанции в конденсационном режиме составляет 52 %.

 Состав ТЭС - две  ПГУ.

В каждом из энергоблоке расположены две газовые турбины мощностью 65,8 МВт, эти турбины изготовлены итальянской компанией Ansaldo Energia , а так же по одной паровой турбине мощностью до 62,8 МВт изготовленной ОАО «Калужский турбинный завод», и два двухконтурных котла-утилизатора барабанного типа с давлением 7,7 МПа и 0,55 МПа изготовленных  на ОАО «Подольский машиностроительный завод».

 Генеральным проектировщиком ТЭС – проектным институтом «Мосэнергопроект» совместно с ЗАО «НПК Медиана-Фильтр» были разработаны схемы и выбрано соответствующее оборудование оборудование. Требования, предъявляемые к работе проектируемых установок:

1. Высококачественная глубоко обессоленная вода.

2. Независимость и стабильность показателей качества обессоленной воды

3. Организация охраны окружающей среды должна быть на высоком уровне

4. Повышенные экологические требования к установкам и агрегатам.

5. Сброс сточных вод с минерализацией не должен превышать ПДК водоемов. .

6. Широкий спектр изменения производительности  ВПУ (50-100%).

 7. Изготовление обессоленной воды для увлажнения охлаждающего воздуха сухих вентиляторных градирен.

8. Необходимо разместить основное и вспомогательное оборудование на небольших площадях.

9. ТЕС должна иметь достаточно высокую степень автоматизации.

 

На рис. 3 представлена принципиальная схема водоподготовительной установки (ВПУ) для получения обессоленной воды, которая используется для подпитки котлов, а так же химочищенной воды для использования теплосетях.   

   ВПУ Адлерской ТЭС - одна из первых в России, где в таком составе применились интегрированные мембранные технологии.

   Для того, что бы схема стала технологически устойчивой была спроектирована 2-ступенчатая установка обратного осмоса с промежуточной декарбонизацией. До этого времени на тепловых электростанциях в похожих схемах на основе мембранных технологий применялся только одноступенчатый

обратный осмос  (Путиловская ТЭЦ , Ноябрьская ТЭЦ, [1]).

Принцип действия

  Исходная вода с солесодержанием приблизительно180 мг/дм³  отбирается от источника река Мзымта, предварительно нагревается в подогревателях до температуры 20 °С. Дальше вода поступает на а установку дисковой фильтрации, которая состоит из шести дисковых фильтров типа Arkal производства (Израиль). На этих фильтрах задерживаются вещества размером крупнее 200 мкм. После дисковых фильтров вода поступает на установку ультрафильтрации , в которо й производится удаление из воды разных микроорганизмов и веществ размером до 0,01 мкм. После этого она собирается в баках осветленной воды.

  Состав установки ультрафильтрации :

  - три модуля напорного типа, в каждом из 12 мембранных элементов. (В каждом модуле комплектуется насос рециркуляции для обеспечения устойчивой работы установки в широком диапазоне содержания очищаемых

 веществ в исходной  воде.

  При выборе производительности  установки  ультрафильтрации учитывался отбор части осветленной воды на подпитку теплосетей.

  Для удаления загрязнений, которые накапливаются внутри капилляров мембран УУФ, в определенные периоды производят обратную промывку осветленной водой, длительность которой составляет 40–60 с и частота каждые 20–60 мин.

  Для того, чтобы удалить образовавшиеся биопленки периодически проводят обратную промывку с применением таких реагентов – растворов NaOH и NaClO.

  Для у того, чтобы удалить неорганические отложения 3 раза в месяц предусмотрена химическая мойка мембран растворами лимонной кислоты и едкого натра. Химическая мойка производится путем циркулирования моющего раствора в мембранном блоке на протяжении нескольких часов.

  Из опита внедрения технологии ультрафильтрации в энергетике видим, что,  при использовании ультрафильтрации в качестве предочистки перед обратным осмосом по сравнению с традиционной технологией (осветлитель + механический фильтр) позволило получить отфильтрованную воду со значением коллоидного индекса SDI от 0,9 до 3 (при использовании традиционной технологии SDI > 5). При этом качество отфильтрованной воды не зависит от того, какого качества является исходная вода.

 Пониженное значение SDI позволяет снизить количество химических моек УОО [3].

  Пройдя  установку ультрафильтрации, очищенная вода поступает на первую ступень установки обратного осмоса (УОО1), в которой производится удаление солей растворенных в воде. Для предотвращения образованиям минеральных отложений на мембранах перед УОО1 предусмотрено дозирование раствора антискаланта, а для исключения попадания свободного хлора на мембранные элементы – дозирование раствора бисульфита натрия.

  Пермеат, полученный на УОО1, проходит декарбонизацию в вакуумно-эжекционных декарбонизаторах.

  Декарбонизатор - это водовоздушный эжектор, который состоит вакуумно-распылительной головки и нескольких ступеней. Они выполнены из труб , которые расположены соосно.

  В декарбонизированной воде СО₂ содержится в количестве  1–2 мг/дм³. После этого декарбонизированный пермеат собирают в баки пермеата.  

  Концентрат, который образовался в УОО1 с содержанием солей - 800–900 мг/дм³ сбрасывают в канализацию.

 При выборе производительности установки УОО1 учитывается подача части пермеата на подпитку теплосетей.

 

 

 

Рис. 3. Принципиальная схема ВПУ для получения обессоленной воды

(для подпитки котлов) и химочищенной воды (для подпитки теплосети) 

 

 

Состав установки обратного  осмоса:

-  5 мкм фильтр тонкой  очистки 

- насоса высокого давления

- мембранный блок

 Мемембранный блок состоит из трех корпусов. В каждом корпусе содержится 6 мембранных элементов.

  Из баков пермеата очищаемая вода поступает на вторую ступень установки обратного осмоса (УОО2) , а после - на установку электродеионизации (УЭДИ).

  На установке электродеионизации производится глубокое обессоливание воды.

 Вторую ступень установки  обратного осмоса  и установка электродеионизации соединяются параллельно в две работающие цепочки.

  В мембранном блоке УОО2 производится дозирование щелочи в поток воды. Это сделано для проведения химической декарбонизации воды.

  Химическая декарбонизация - это коррекция рН в щелочной области на входе в обратноосмотическую мембрану.

    В  случае подачи на вход второй ступени установки обратного осмоса воды со значением рН > 8,4 вся углекислота будет находиться в бикарбонатной форме и впоследствии удалится . Это в свою очередь предотвращает попадание СО2 в пермеат.

  Основным назначением установки обратного осмоса второй ступени – это обеспечение воды потребного качества, которая поступает на установку электродеионизации.

 Электродеионизация в настоящее время- это самый современный метод финишной очистки воды, представляет собой процесс который использует постоянное электрическое поле в комбинации с ионоселективной мембраной для деминерализации воды с непрерывным восстановлением ионообменной способности смол.

Концентрат из второй ступени установки обратного осмоса поступает в бак осветленной воды, а концентрат из установки электродеионизации – в бак пермеата.

   Глубоко обессоленная вода полученная на установки электродеионизации поступает в баки обессоленной воды, из них вода насосами подается в баки запаса конденсата.

Схема получения  химочищенной воды для подпитки закрытой теплосети, интегрированной в схему обессоливания.

Эта схема применена впервые.

Химочищенная вода образуется в следствии перемешивания потоков осветленной воды и пермеата установки обратного осмоса первой ступени в баках химочищенной воды. В зависимости от того, какое задано значение карбонатного индекса расход пермеата и осветленной воды автоматически регулируется. Автоматический контроль карбонатного индекса предусматривается как автоматическое измерение жесткости, возведенной

в квадрат, с дальнейшим регулированием соотношения потоков.

  При смешивании потоков воды с различными показателями жесткости получается требуемое качество воды для подпитки теплосети.

  Для подпитки пароводяного  тракта ПГУ существуют определенные  показатели качества обессоленной  воды, некоторые из них представлены  в таблице.

 

Показатели качества обессоленной воды для подпитки котлов-утилизаторов ПГУ

 

Показатель качества	Нормируемое значение показателя	Фактическое значение показателя
Удельная электропроводность	0,2 мкСм/см	0,07–0,1 мкСм/см
Содержание натрия	10 мкг/дм3	3 мкг/дм3

 

 

 

На рис. 4  представлена принципиальная схема получения частично обессоленной воды для установки увлажнения охлаждающего воздуха в сухих вентиляторных градирнях.

  Работа установки попадает на летние (жаркие) месяцы. Частично обессоленную воду распыляют в градирне для понижения температуры охлаждающего воздуха, что позволяет поддерживать необходимую температуру охлаждающей воды и, в результате получается стабильный вакуум в конденсаторе.

  В процессе проектирования была разработана следующая схема обессоливания: для того, что бы достичь требуемое качество частично обессоленной воды, предусмотрено двухступенчатую установку обратного осмоса, а в качестве предварительной очистки использованы механические фильтры с двухслойной загрузкой.

  Это решение позволило уменьшить материальные затраты на предварительную очистку, но увеличились эксплуатационные расходы на химические мойки мембран.

 В нашем случае это приемлемо, так как установка работает периодически, а не круглогодично.

 Производительность этой установки составляет  80 м³/ч.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Принципиальная схема ВПУ для получения частично обессоленной воды