ПОВЫШЕНИЕ ЭРОЗИОННО-КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ИСПАРИТЕЛЕЙ КОТЛОВ-УТИЛИЗАТОРОВ ПГУ

INCREASING THE EROSION-CORROSION RESISTANCE OF THE EVAPORATOR ELEMENTS OF THE CCGT BOILERS

Karim Zharasuly

Master's student, Department of Heat & Power Units, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

Nina Borisova

Supervisor, Cand. Sc. Physics and mathematics, docent, Department of Heat & Power Units, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications named after G. Daukeev,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены методы повышения эрозионного-коррозионного износа элементов испарительного контура котлов-утилизаторов ПГУ.

ABSTRACT

This article presents methods for increasing the erosive-corrosive wear of the elements of the evaporative circuit of the CCGT boilers.

Ключевые слова: испаритель, котел-утилизатор (КУ), эрозионно-коррозионный износ, водно-химический режим.

Keywords: evaporator, hear recovery steam generator (HRSG), erosion-corrosion wear, water-chemical regime.

Одним из перспективных направлений развития современной энергетики является создание и совершенствование энергоблоков с парогазовыми установками (ПГУ) с использованием котлов-утилизаторов для утилизации тепла на выходе из газовых турбин. Применение ПГУ позволяет достичь коэффициента полезного действия до 50–62 %. Однако, как и для обычных энергетических блоков, надежность работы тепломеханического оборудования ПГУ в значительной мере зависит от степени его износа. Наиболее распространённый вид – эрозионно-коррозионный износ (ЭКИ) трубной системы котла-утилизатора (КУ). Опыт эксплуатации ПГУ показывает, что основные эрозионно-коррозионные повреждения КУ происходят в контурах низкого давления, а именно на гибах трубопроводов в испарительном контуре (двухфазная среда). Данные повреждения приводят к утонению стенок трубопроводов и, как следствие, к образованию свищей, что влечет за собой останов оборудования и дорогостоящий ремонт [1].

Для предотвращения ЭКИ необходимо решить следующие задачи:

1. Модернизация контура низкого давления (НД) методом повышения давления в контуре;
2. Изменение конструкции испарительного тракта НД;
3. Использование хромосодержащих сталей при изготовлении испарителя низкого давления (ИНД).

При реализации данных задач повышается эрозионно-коррозионная стойкость элементов трубной системы котлов-утилизаторов ПГУ и, соответственно, повышается надежность, что существенно сокращает риск аварийных остановов основного оборудования.

Котел-утилизатор (П-132)

Котел-утилизатор горизонтального профиля, барабанный, трёх давлений (высокое, среднее и низкое), с естественной циркуляцией в испарительных контурах, с промперегревом. На выходе из котла установлен газовый подогреватель конденсата. Секции поверхностей нагрева в таком котле размещены вертикально. Утилизационные газы из ГТУ проходят через входной газоход в КУ и омывают последовательно все поверхности нагрева и через выходной газоход попадают в дымовую трубу [2].

ЭКИ подвержен контур низкого давления, а именно испаритель. Там происходит переходный процесс парообразования (преобразование жидкости в пар).

Питательная вода от автономного деаэратора с Т = 137 °С подается питательными насосами в барабан низкого давления (БНД) котла-утилизатора. Из барабана котловая вода через систему трубопроводов подается в ИНД, где происходит парообразование. После ИНД пароводяная смесь поступает обратно в барабан Т = 150 °С, р = 0,4 МПа. Отсепарированный в барабане пар направляется в ППНД на перегрев, а после ППНД пар поступает в паросборный коллектор для подачи на паровую турбину.

ИНД располагается в четвертом по ходу газов модуле КУ и состоит в общей сложности из 430 труб диаметром 38×3, сталь 20, включенных в коллекторы из труб диаметром 168×10, сталь 2.

Одна из ключевых ролей по предотвращению ЭКИ – ведение водно-химического режима.

Для ведения водно-химического режима на блоке ПГУ-800 используется комплексный аминосодержащий реагент марки Cetamine V-211.

В состав реагента включены в определенных пропорциях пленкообразующие и нейтрализующие амины.

Скорость коррозии зависит от pH котловой воды, поэтому для ее уменьшения необходимо поддерживать этот показатель в рекомендуемых заводом-изготовителем пределах.

Проблема образования ЭКИ в испарителе низкого давления

Основными факторами, влияющими на возникновение и развитие ЭКИ, являются:

1. фазовое состояние среды (двухфазное);
2. гидродинамические характеристики течения среды (скорость потока, турбулентность, направление потока);
3. параметры среды (температура, давление);
4. водно-химический режим;
5. состав конструкционных материалов;
6. геометрические характеристики оборудования (диаметр трубопроводов, наличие изгибов на трубопроводах и др.) [2, 3].

Рисунок 1. Контур циркуляции котла-утилизатора

В зоне гиба на входе в выходной коллектор ИНД по ходу движения пароводяной смеси значительно возрастает ее скорость.

В паровом пространстве упомянутых гибов присутствует влага в виде отдельных капель. Оторвавшись от водяной пленки, образованной на внутренней поверхности трубы при движении двухфазного потока, капли разгоняются до высокой скорости (30 м/с) и ударяются о стенки гибов перед выходом в выходной коллектор. В этих местах наблюдается высокий эрозионно-коррозионный износ, в результате которого происходит недопустимое утонение стенок и возникновение свищей (рис. 1). Это ведет к аварийному останову КУ и длительному дорогостоящему ремонту.

На рис. 2 приведены зависимости, показывающие, что максимальная скорость ЭКИ в воде W_ЭКИ наблюдается в диапазоне температур t = 120–180 °С при следующих параметрах: давление p = 0,4 МПа, скорость потока W = 20–30 м/с, продолжительность контакта металла со средой τ = 200 ч.

Рисунок 2. Влияние температуры рабочей среды на скорость эрозии-коррозии различных металлов в воде: 1 – Ст. 3; 2 – 15Мо3; 3 – 15NiCuMoNb5; 4 – 13CrMo44; 5 – 10CrMo910

Рисунок 3. Влияние скорости потока на скорость эрозии-коррозии в воде при p = 0,4 МПа, t = 150 °С

Из рис. 2, 3 следует, что наиболее коррозионно-стойкими конструкционными материалами являются хромистые стали с содержанием хрома 1,25 или 2,25 %.

Особенно большое внимание следует уделить геометрическим характеристикам оборудования в зонах, в которых происходит изменение скорости и направления движения среды. Расчетным путем было установлено, что при движении воды в испарительных трубах со скоростью 0,3–0,9 м/с в зонах, где угол поворота трубы по отношению к горизонтальному участку составлял 17°, скорость ЭКИ увеличивалась примерно в 2 раз. Поэтому один из путей снижения ЭКИ – определение оптимальных гидродинамических характеристик потока в сочетании с конструктивными решениями, используемыми конструкционными материалами, качеством теплоносителя и водно-химическим режимом [4].

Пути решения проблемы

Первый этап: проведение анализа повреждаемости испарительных труб и штуцеров пароотводящих труб, а также работы над ИНД горизонтальных КУ.

Второй этап: увеличение давления в контуре НД до 0,7 МПа, при этом номинальная температура пара повысится на 2 оС, а расход уменьшится на 6,8 т/ч, скорость пароводяной смеси в верхней части теплообменных труб ИНД-1, ИНД-2 снизится ориентировочно в 1,5 раза, что позволит уменьшить вероятность эрозионно-коррозионных процессов и повысить надежность работы ИНД.

Для этого необходимо перенастроить предохранительные клапана по низкому давлению в количестве шести штук (ППНД – 2 шт., БНД – 2 шт., деаэратор – 2 шт.).

Поддержание давления пара в контуре НД, равного 0,7 МПа, предполагается осуществить с помощью регулирующих клапанов НД паротурбинной установки К-245-13,3 энергоблока ПГУ-800.

Третий этап: необходимо изменить конструкцию испарителя низкого давления.

Учитывая, что после ИНД в «теплом ящике» есть проём, достаточный для выполнения ремонтных работ (примерно 1600 мм по осям труб), предлагается изменить выходную часть ИНД (верхние коллекторы), включая подвески. При этом теплообменные поверхности секций и нижние коллекторы не требуют реконструкции.

Последовательность выполнения реконструкции ИНД следующая:

1. Выполняется технологическое закрепление элементов секций ИНД, проводится последовательный демонтаж верхних коллекторов секций испарителя низкого давления (ИНД-1, ИНД-2), для чего отрезаются отводящие трубопроводы (по штуцерам), теплообменных труб на прямом участке после гиба, разборка и демонтаж элементов, затрудняющих проведение работ.

2. Новые верхние коллекторы диаметром 219 мм с участками теплообменных труб изготавливаются из стали 12Х2М (с содержанием хрома 2,5 %) с приваренными в заводских условиях штуцерами и дополнительными смотровыми лючками для повышения ремонтопригодности.

Входные участки теплообменных труб, которые ввариваются в верхний коллектор, выполняются с увеличенной толщиной стенки до 3,5 мм. Из условий монтажа участки труб могут поставляться отдельно и привариваться последовательно к верхним коллекторам и теплообменным трубам с подгонкой по месту на монтаже.

3. Замену верхних коллекторов секций с участками прямых труб предлагается выполнять поэтапно, по два верхних коллектора в смежных секциях ИНД-1, ИНД-2 на каждом КУ при останове в ремонт (или при капитальном ремонте) по монтажным указаниям.

Монтажные стыки теплообменных труб с новыми участками труб, приваренные к верхним коллекторам, выполняют с помощью специального сварочного аппарата для орбитальной сварки.

Выводы

Для снижения ЭКИ и, как следствие, повышения надежности оборудования необходимо:

• увеличить давление в контуре НД до 0,7 МПа (изб.), скорость пароводяной смеси в верхней части теплообменных труб ИНД-1, ИНД-2 уменьшится ориентировочно в 1,5 раза, что позволит снизить эрозионно-коррозионных процессов и повысить надежность работы ИНД;

• изменить конструкцию испарителя низкого давления (ИНД), что позволит проводить диагностику и контроль за возникновением дефектов на ранней стадии;

• правильно организовывать водно-химический режим, что обеспечит работу основного оборудования блока ПГУ-800 без повреждений и снижения экономичности;

• использовать хромосодержащие стали при изготовлении ИНД, т. к. они являются наиболее коррозионно-стойкими материалами.

Список литературы:

1. Михайлов А.В. «Исследование эрозионно-коррозионной стойкости элементов пароводяного тракта котлов-утилизаторов парогазовых установок и разработка методов ее повышения» – Москва, 2010 – 162 с.
2. Проблемы эксплуатации котлов-утилизаторов парогазовых установок. Международная научно-техническая конференция, 26–27 апреля 2018 г. //cб. докл. / под общ. ред. докторов техн. наук А.Н. Тугова и Ю.А. Радина. − М.: ОАО «ВТИ», 2018 − 180 с.
3. Михайлов, В.А. Пути повышения эрозионно-коррозионной надежности котлов утилизаторов ПГУ-450 [Текст] / В.А. Михайлов, Г.В. Томаров, А.И. Новожилов, А.В. Михайлов // Тяжелое машиностроение. – 2009. – No 3.
4. Томаров, Г.В. Продление эрозионно-коррозионного эксплуатационного ресурса трубной системы котлов-утилизаторов ПГУ [Текст] / Г.В. Томаров, А.В. Михайлов, Е.В. Величко, В.А. Буданов // Теплоэнергетика. – 2010. – No 1