Число отказов в работе барабанных котлов высокого давления продолжает оставаться довольно значительным. Одной из наиболее важных причин такого положения является внутренняя коррозия металла. Коррозионное повреждение любой из многих сотен котельных труб, включенных в пароводяной тракт, приводит к аварийной остановке котла. В статье рассмотрены и проанализированы возможные пути защиты поверхностей нагрева от коррозии оборудования современных ТЭЦ.
Ключевые слова: ТЭЦ, водно-химический режим, коррозия металла, остановка котла, пуск котла, котлоагрегат, парогенератор, накипеобразование
В течение многих лет борьба с накипеобразованием и внутренней коррозией паровых котлов сводилась главным образом к улучшению качества питательной воды. Опыт эксплуатации современных барабанных котлов с форсированной теплопередачей показал недостаточность такого подхода. В зонах высоких тепловых нагрузок нередко обнаруживается интенсивная внутренняя коррозия парогенерирующих труб котлов даже при соответствии качества питательной и котловой воды действующим нормам. Установлено ускоренное образование в таких зонах железоокисных, железофосфатных, медистых и других отложений.
Согласно современным представлениям внутрикотловая коррозия обусловлена рядом взаимосвязанных факторов. К важнейшим из них относятся физико-химические гидродинамические характеристики рабочей среды, тепловая нагрузка, конструктивные факторы, качество металла. Центральная задача в предупреждении коррозии — создание на всей внутрикотловой поверхности качественных защитных пленок и поддержание их в неповрежденном состоянии, как в процессе эксплуатации, так и при простоях котлов. В решении этой задачи важная роль отводится вопросу рационализации режимов коррекционной водообработки. Поэтому кроме фосфатов на ряде ТЭС для внутри котловой коррекционной обработки находят применение нелетучие щелочи, комплексоны, полимеры. На некоторых ТЭС с теплонапряженными котлами проведены работы по оптимизации топочных режимов, снижению максимума и повышению равномерности распределения тепловых нагрузок в топочной камере.
Вместе с тем масштабы и уровень борьбы с коррозией барабанных котлов недостаточны. Проблема является комплексной, и ее решение требует совместных усилий специалистов по коррозии, химиков-водников, котельщиков, металловедов.
Основное загрязнение пароводяного тракта окислами железа происходит именно при пусках оборудования. Нередко после пуска котла непрерывная продувка поддерживается максимальной в течение нескольких суток для осветления котловой воды. Однако снижение в ней концентрации железа связано не столько с продувкой, сколько с осаждением окислов железа на внутрикотловой поверхности (преимущественно в зонах высоких тепловых нагрузок). Поэтому необходимо принятие мер по максимальному улучшению котловой воды до набора нагрузки.
Это может обеспечиваться, например, за счет применения гидразинной обработки котла в процессе его пуска. При этом за сравнительно короткий период времени удается не только удалить из котла основное количество «пусковых загрязнений», но и одновременно восстановить защитную окисную пленку на внутриэкранной поверхности.
В питательной и котловой воде присутствуют разнообразные окислы железа: магнетит Fe3O4, гематит — Fe2O3, и их гидрированные формы Fe(OH)2, Fe(OH)3, FeOH и т. д. Частицы магнетита легче удерживаются на поверхности, чем частицы гематита; металлическое железо является «не прилипающим» шламом.
На скорость реакций гидразина и окислов железа и меди существенно влияет температура и рН среды.
Избыточный гидразин в условиях работы котла разлагается с образованием аммиака и азота:
3N2H4 → 4NH3 + N2;
3N2H4 → 2NH3 + 3H2 + 2N2.
В условиях, характерных для питательной и котловой воды, значительная часть N2H4 успевает вступить в реакцию с оксидами железа и меди, прежде чем завершится реакция его разложения.
Образующийся азот относится к числу безвредных примесей, поступающих в рабочую среду основного цикла ТЭЦ. Вместе с другими легколетучими примесями азот удаляется из цикла при отсосе газов из конденсаторов турбин и подогревателей, уходит с выпаром из деаэраторов.
Гидразин способствует созданию защитных пленок на латунных и медных трубках и способствует предотвращению медистых отложений на теплопередающих поверхностях котла и лопаточном аппарате турбины.
Гидразин обеспечивает создание защитных пленок на стальных поверхностях и уменьшает загрязнение среды соединениями железа:
6Fe2O3 + N2H4 → 4Fe3O4 + N2 + 2H2O.
Скорость образования защитной пленки определяется избытком гидразина, температурой и рН среды.
Образование защитной пленки на поверхности металла под действием гидразина может произойти только после полного удаления продуктов коррозии с трубопроводов поверхностей нагрева.
Гидразин применяется так же для предотвращения нитритной и нитратной коррозии, которая вызывает разрушение металла питательных и экранных труб котлов. Эта коррозия имеет внешнее сходство с кислородной коррозией.
При взаимодействии гидразина с нитритами и нитратами в питательной воде происходит следующая реакция:
2NaNO2 + N2H4 → N2O + N2 + H2O + 2NaOH;
NaNO3 + N2H4 → NH3 + 2H2O +N2 + NaOH.
Концентрация гидразина в пусковом режиме котла согласно норм ПТЭ (правила технической эксплуатации) может быть увеличена до 3000 мкг/кг.
Применение увеличенной дозировки гидразина при растопке позволит решить проблему снижения содержания железа. Однако, дозирование гидразина на некоторых ТЭЦ (например, Омская ТЭЦ-5) ведется с общего трубопровода на все работающие котлы одновременно. Так как ТЭЦ-5 станция с поперечными связями, то повышенная концентрация гидразина при растопке даже на одном котле приведёт к росту рН питательной воды по всем работающим котлам. Гидразин-гидрат при высокой температуре (более 300 °С) разлагается с образованием аммиака, который легко распространяется по всему конденсатно-питательному тракту. Исходя из этого, использование штатной схемы для дозирования коррекционного раствора при пуске может применяться с существенными ограничениями, которые не позволят в полной мере решить проблему снижения содержания железа и образования защитной пленки.
Для подачи раствора реагентов может быть использована схема гидразинно-аммиачной консервации оборудования.
Подачу реагентов необходимо начинать одновременно с началом постоянной подачи питательной воды в котел.
Раствор аммиака увеличивает значение рН среды и тем самым подавляет термическое разложение гидразина при повышенных температурах.
Расход 100 %-го гидразина 
(мг/дм3) определяем по формуле:
,
где 
, 
, 
, 
, — концентрация соответственно растворенного в воде кислорода, окислов железа, меди, нитритов и нитратов, мг/дм3; 
— избыточное содержание гидразина, мг/дм3.
Количество концентрированного раствора гидразина определяем по формуле:
k / 10 / C /p,
где 
— объем воды на заполнение и пуск котла, м3; — доза гидразина в растворе, заполняющем котел, мг/дм3; k — коэффициент запаса, учитывающий потери гидразина и его термическое разложение (для энергоблоков коэффициент запаса должен приниматься в пределах от 1,2 до 1,3 в зависимости от мощности блока); C — концентрация крепкого раствора гидразина (в баке хранения), %; p — плотность раствора гидразина, г/см3.
Аналогично определяем количество концентрированного раствора аммиака.
Оптимальная концентрация раствора подбирается опытным путем.
В график химического контроля при пуске котла дополнительно включается:
‒ в котловой воде определение содержания фосфатов, гидразина, соединений железа, значения рН;
‒ в питательной воде определение соединений железа;
‒ в перегретом паре определение содержания железа, гидразина, рН.
На основании данных научно-технической литературы [1, 2] можно сделать следующие выводы:
‒ при растопке котла подачу раствора гидразина и аммиака в котел необходимо начинать одновременно с началом постоянной подачи питательной воды в котел либо во время заполнения котла перед растопкой.
‒ ввод фосфатов во время растопки котлоагрегата при высоком содержании железа начинать при снижении содержания железа до 100 мкг/дм3 или при полном отсутствии фосфатов в котловой воде;
‒ при снижении рН котловой воды во время пуска котла, корректировку рН котловой воды необходимо проводить едким натром до значений не ниже 9,0.
Режим обработки поверхностей нагрева раствором гидразина и аммиака при пуске котла проходит в настоящее время промышленные испытания при включении оборудования после длительного простоя.
Разработанные мероприятия по защите поверхностей нагрева позволят снизить содержание соединений в конденсатно-питательном тракте при пуске оборудования и сократить количество повреждений поверхностей нагрева.
Литература:
- Гужулев Э. П. Водоподготовка и водно-химические режимы в теплоэнергетике / Э. П. Гужулев, В. В. Шалай, В. И. Гриценко, М. А. Таран. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. — 383 с.
- Копылов А. С. Процессы и аппараты передовых технологий водоподготовки и их программированные расчеты: учеб. пособие для вузов / А. С. Копылов, В. Ф. Очков, Ю. В. Чудова. М: Изд-во МЭИ, 2009. — 220 с.
