Identyfikacja zanieczyszczeń obecnych w oczyszczonym kondensacie turbinowym, z zastosowaniem metod badania składu fazowego i chemicznego

marzec

2016

strona 

170 (6)

głównych rurociągów parowych bloków typu 200MW, „Dozór

Techniczny” 2014, nr 3.

[14] PN-H-74252: Rury stalowe bez szwu kotłowe, 1998.

[15] PN-EN 10216-2:2009: Rury stalowe bez szwu do zastosowań

ciśnieniowych. Warunki techniczne dostawy. Część 2: Rury ze stali niestopowych i stopowych z określonymi własnościami w temperaturze podwyższonej.

[16] PN-75/H-84024: Stal do pracy przy podwyższonych

temperatu-rach – Gatunki, 1975.

[17] Instrukcja badań i oceny stanu technicznego rurociągów pra-cujących w warunkach pełzania, opracowanie „ENERGOPO-MIAR” Sp. z o.o., Gliwice 2012 (niepubl.).

[18] Zieliński A.: Metodyka, ocena i prognoza eksploatacji

powy-żej obliczeniowego czasu pracy złączy spawanych elemen-tów ciśnieniowych kotłów energetycznych, Sprawozdanie IMŻ

nr PB0006/2015 (niepubl.).

Jakość wody wykorzystywanej do celów energetycznych jest podstawowym wyznacznikiem prawidłowej pracy urządzeń energetycznych. Obecnie obserwuje się stałą tendencję do za-ostrzania wymagań dotyczących jakości wody i pary w wyso-koprężnych obiegach wodno-parowych, a zwłaszcza wymagań dotyczących wody zasilającej.

Woda zasilająca stanowi mieszaninę powracającego kon-densatu i wody dodatkowej doprowadzonej do kotła. Kondensat turbinowy może stanowić nawet 95 - 99% ilości wody zasilającej. Wynika z tego, iż wszelkie zawarte w nim zanieczyszczenia wpro-wadzone zostaną do układu wodno-parowego. Głównym źródłem zanieczyszczeń mogą być przebicia wody chłodzącej w konden-satorach. Wraz ze zmianami temperatury oraz ciśnienia w obie-gach wodno-parowych zachodzą złożone procesy fizykochemicz-ne, które mogą poważnie zakłócać pracę urządzeń energetycz-nych. Obecność dodatkowych zanieczyszczeń może być źródłem tworzenia się osadów, które będą odkładać się na powierzchniach poszczególnych urządzeń. Mogą być także powodem występowa-nia procesów korozyjnych o różnorakim charakterze (np. korozja podosadowa). W celu zapewnienia bezawaryjnej pracy urządzeń energetycznych należy w sposób ciągły monitorować skład che-miczny wody zasilającej i kondensatu turbinowego oraz możliwie jak najszybciej reagować na pojawiające się zanieczyszczenia.

Łukasz Kot, Janusz Skwara

„ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki

Identyfikacja zanieczyszczeń obecnych w oczyszczonym

kondensacie turbinowym, z zastosowaniem metod badania

składu fazowego i chemicznego

Identification of impurities present in a purified

turbine condensate with the use of phase

and chemical composition testing methods

Tabela 1

Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej według normy PN-EN 12952-12:2006

Parametr Jednostka Wartość

Ciśnienie robocze bary cały zakres

Wygląd - _{wolna od zawiesin}przejrzysta,

Przewodność elektryczna właściwa µS/cm nie określa się Przewodność elektryczna kwasowa µS/cm < 0,2

Odczyn pH w temp. 25o_{C - 7-10 *}

Zawartość sodu i potasu (Na + K) mg/l < 0,010

Zawartość żelaza (Fe) mg/l < 0,020

Zawartość miedzi (Cu) mg/l < 0,003

Zawartość krzemionki (SiO2) mg/l < 0,020

Zawartość tlenu (O2) mg/l ≤ 0,250 *

Zawartość substancji organicznych

(jako TOC) mg/l < 0,2

* – w zależności od stosowanego reżimu

Wymagania stawiane wodzie zasilającej określane są przez producenta urządzeń energetycznych i są ściśle związane z ich konstrukcją oraz stosowanym reżimem eksploatacyjnym.

marzec

2016

171 (7)

VGBR--450L oraz w normie PN-EN 12952-12:2006 (Kotły wodnorurko-we i urządzenia pomocnicze. Część 12: Wymagania wody doty-czące jakości wody zasilającej i wody kotłowej).

W zależności od wymienionych wymagań oraz parametrów jakościowych kondensatu powrotnego (brudnego) należy dobrać odpowiednią technologię jego oczyszczania.

Stosowane metody analityczne, w tym metody ruchowe do ciągłej kontroli jakości kondensatu, nie udzielają jednak pełnej informacji na temat struktury chemicznej tworzących się związ-ków lub bardziej złożonych kompleksów chemicznych. Wykazują jedynie obecność konkretnego pierwiastka w kondensacie. Taka informacja jest niewystarczająca do doboru odpowiedniej tech-niki oczyszczania, która ma być skuteczna i generować możliwie najniższe koszty eksploatacji.

Klasyczne technologie uzdatniania kondensatu turbinowe-go opierają się na układach mechanicznej filtracji oraz wymiany jonowej, obecnie najczęściej ograniczonej do wymienników dwu-jonitowych z żywicami przystosowanymi do pracy w podwyższo-nej temperaturze.

Filtracja powrotnego kondensatu turbinowego jest zgod-nie z dyrektywą VGBR-450L szczególzgod-nie zalecana w przy-padku kondensatów, które w sposób ciągły lub często są za-nieczyszczane większymi ilościami (w zakresie > 0,03 mg/l) produktów korozji, np. tlenkami żelaza lub substancjami sta-łymi.

Najczęściej stosowanymi urządzeniami do filtracji konden-satu są: • filtry żwirowe, • filtry świecowe, • filtry z pomocniczą warstwą filtracyjną, • filtry elektromagnetyczne.

Metodyka badań

Zaletą klasycznych oznaczeń fizykochemicznych jest moż-liwość ich wykonywania w warunkach ruchowych. Wyniki są otrzymywane na bieżąco, co pozwala na kontrolę obiegów wod-no-parowych w czasie rzeczywistym.

Badania zanieczyszczeń mechanicznych występujących w kondensacie są prowadzone w ograniczonym zakresie. Ze względu na ich śladową zawartość są one trudne do identyfi-kacji zarówno w zakresie ilościowym, jak i jakościowym. Do-datkowo określenie składu pierwiastkowego osadu jest niewy-starczające dla identyfikacji struktury i złożoności powstających kompleksów.

W trakcie diagnostyki obiegu wodno-parowego w jednej z elektrowni przeprowadzono dodatkowe rozszerzone badania zanieczyszczeń mechanicznych w celu dokładnej identyfikacji ich struktury oraz skuteczności ich usuwania w procesie oczysz-czania kondensatu [1, 2].

W ramach badań diagnostycznych nad skutecznością oczyszczania kondensatu turbinowego na filtrach świecowych do identyfikacji zanieczyszczeń wykorzystano następujące me-tody:

• dyfrakcji rentgenowskiej – do określenia składu fazowego, •

elektronowej mikroskopii skaningowej – do określenia skła-du chemicznego w wybranych mikroobszarach.

Dyfrakcja rentgenowska jest metodą służącą do analizy struktury substancji krystalicznych na podstawie ich obrazów dyfrakcyjnych przy wykorzystaniu promieniowania rentgenow-skiego. W badaniach wykorzystano dyfraktometr rentgenowski z zastosowaniem filtrowanego promieniowania kobaltu w konfi-guracji z detektorem Pixcel.

Elektronowa mikroskopia skaningowa wykorzystuje wiązkę elektronów przesuwającą się po powierzchni badanej próbki ru-chem skaningowym, co umożliwia określenie struktury badanej próbki. W badaniach wykorzystano wysokorozdzielczy elektro-nowy mikroskop skaningowy, a obserwację prowadzono w świe-tle elektronów wstecznie rozproszonych (BSE).

Wyniki badań

Badaniom poddano próbkę oczyszczonego kondensatu turbinowego po filtrze świecowym. Próbka zanieczyszczeń me-chanicznych z kondensatu oczyszczonego została uzyskana w wyniku filtracji próbki kondensatu przez sączek membranowy o średnicy porów 0,45 µm.

Skład zanieczyszczeń oznaczonych w badanej próbce osa-du metodą dyfrakcji rentgenowskiej przedstawiono w tabeli 2 i na rysunku 1.

Tabela 2

Wyniki jakościowej analizy fazowej badanego osadu Rodzaj próbki Skład fazowy (składniki krystaliczne)

Osad otrzymany z oczyszczonego kondensatu turbinowego Magnetyt Fe3O4 Hematyt Fe2O3 Goethyt FeO(OH) Lepidokrokit FeO(OH) Kwarc SiO2 Kaolinit Al2Si2O5(OH)4

ZnFe4(SO4)6(OH)2 × 18H2O

K0.78Al2.32Mg0.34Si3.35O10(OH)2(H2O)0.15

Zastosowanie metody dyfrakcji rentgenowskiej umożliwi-ło nie tylko określenie składu chemicznego zanieczyszczeń jak w przypadku klasycznej analizy jakościowej, lecz także identyfi-kację struktury krystalicznej tych zanieczyszczeń.

Wyniki analizy osadu poddanego badaniom składu che-micznego w wybranych mikroobszarach przy użyciu mikroskopu skaningowego przedstawiono na rysunkach 2 i 3.

marzec

2016

strona 

172 (8)

Wytypowano cztery mikroobszary obejmujące największe utwory krystaliczne w celu identyfikacji ich składu chemicznego (rys. 2).

PIŚMIENNICTWO

[1] Sprawozdanie oraz wyniki prac pomiarowych i badawczych, opracowanie „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Zakład Chemii i Diagnostyki, Gliwice 2015 (niepubl.).

[2] Raport z badań IMŻ, opracowanie Instytutu Metalurgii Żelaza, Gliwice 2015 (niepubl.).

Rys. 2. Mikroobszary przygotowanej próbki osadu zanieczyszczeń kondensatu [2]

Osad tworzą głównie tlenki żelaza o zróżnicowanym skła-dzie jakościowym i ilościowym domieszek innych atomów. Wy-stępują także tlenki zawierające nikiel, chrom i żelazo. Stwier-dzono obecność ziaren, w których dominują miedź, cynk oraz żelazo. Ponadto w osadzie znajdują się cząstki glinokrzemianów o zróżnicowanym składzie chemicznym, ziarna kwarcu, dolomitu oraz prawdopodobnie fosforanu wapnia.

Jako przykład przedstawiono następnie mikrografię poje-dynczych cząstek próbki osadu w mikroobszarze III na sączku (SEM) w świetle elektronów wstecznie rozproszonych (BSE) oraz wyniki analizy składu chemicznego w tych cząstkach (rys. 3: po lewej − rentgenowskie widma emisyjne, po prawej − ilościowa analiza składu chemicznego).

Podsumowanie

Wykorzystanie podczas prac badawczych ENERGOPOMIA-RU dodatkowych metod dyfrakcji rentgenowskiej oraz elektro-nowej mikroskopii skaningowej stwarza możliwości rozszerzenia badań zanieczyszczeń mechanicznych występujących w obiegu wodno-parowym, w tym w kondensacie turbinowym. Metody te stanowią doskonałe uzupełnienie stosowanych obecnie klasycz-nych metod analityczklasycz-nych. Pozwalają nie tylko na określenie skła-du chemicznego zanieczyszczeń, ale również na identyfikację ich złożonej struktury krystalicznej. Umożliwiają także ocenę skutecz-ności oczyszczania wód o wysokiej czystości (kondensaty) w celu doboru optymalnej technologii ich uzdatniania.

Rys. 3. Mikrografia oraz analiza składu chemicznego wybranych cząstek mikroobszaru III [2]

Wt% - procent wagowy, At% - procent atomowy

cząstka 1

cząstka 2

cząstka 3

„ENERGOPOMIAR” Sp. z o. o., ul. Sowińskiego 3, 44-100 Gliwice, tel. 32 237 68 00 – centrala, tel. 32 237 61 00 – sekretariat,

fax 32 231 65 42, e-mail: sekretariat@energopomiar.com.pl, www.energopomiar.com.pl

1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 Energy - keV CuLa O Ka C Ka _{S Ka} SiKa ClKa ClKb feKa CuKa ZnKa CuKb ZnKb feKb feLa 4.9 3.9 3.0 2.0 1.0 0.0 KCnt Element Wt% At% C 15.69 46.12 O 03.87 08.53 Si 00.23 00.28 S 00.15 00.16 Cl 00.63 00.63 Fe 06.81 04.30 Cu 48.24 26.80 Zn 24.39 13.17 SiKa feKa K Ka feKb O Ka C KaNaKa K Kb 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 Energy - keV 10.5 8.4 6.3 4.2 2.1 0.0 KCnt alKa 4.4 3.5 2.6 1.7 0.9 0.0 KCnt 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 Energy - keV O Ka feKa feLa C Ka feKb Element Wt% At% C 14.07 23.54 O 32.43 40.75 Na 00.96 00.84 Al 09.41 07.01 Si 29.75 21.29 K 11.32 05.82 Fe 02.05 00.74 Element Wt% At% C 29.06 47.69 O 31.01 38.21 Fe 39.94 14.10