Trawienie i dmuchanie kotła-ich rola w dotrzymaniu odpowiednich parametrów gwarancyjnych kotłów

Istnieje wiele źródeł zanieczyszczeń kotłów. Proces produkcji hutniczej pozostawia na wewnętrznych powierzchniach rur warstwę tlenków (zendrę). W czasie składowania oraz transportu rur i elementów kotła, do ich wnętrza dostają się różnorodne zanieczyszczenia, powstają nowe warstwy korozyjne. Podczas montażu kotła nie jest możliwe całkowite wyeliminowanie zanieczyszczeń. Wyżarzanie połączeń spawanych elementów grubościennych, może spowodować powstawanie warstewek korozyjnych na wewnętrznej powierzchni, już po zakończeniu montażu. Dlatego w ramach przygotowania kotła do uruchomienia, wymagane jest podjęcie działań mających na celu zapewnienie odpowiedniego stopnia czystości parownika, przegrzewaczy pary i rurociągów parowych.

Oczyszczenie i przygotowanie do eksploatacji wewnętrznych powierzchni kotła następuje w trakcie przeprowadzania procesu trawienia i dmuchania.

Trawienie kotła

Dla należytej eksploatacji kotła niezbędne jest powstanie i utrzymanie cienkiej, ciągłej, ochronnej warstewki magnetytu szczelnie przylegającej do rodzimego materiału. Warstewka, aby spełniała te warunki, musi być wytworzona na powierzchni całkowicie wolnej od osadów, rdzy, smarów i innych zanieczyszczeń. Uzyskuje się to poprzez trawienie zmontowanego kotła, którego ostatnim etapem jest proces pasywacji. Z kolei proces pasywacji stanowi pierwsze stadium wytworzenia się warstewki ochronnej, a jej ukształtowanie następuje podczas kilkudniowego normalnego ruchu kotła. Przyjmuje się, że wszystkie kotły o ciśnieniu powyżej 4MPa muszą być poddane procesowi pomontażowego trawienia. Każdy proces trawienia składa się z trzech podstawowych etapów:

  • wstępne płukanie i odtłuszczanie za pomocą detergentów,
  • kwasowanie,
  • płukanie i pasywacja.

W energetyce przyjęły się trzy główne grupy metod trawienia. Pierwsza grupa obejmuje trawienie kwasami mineralnymi, zwłaszcza solnym i siarkowym. W drugiej grupie znajdują się kwasy organiczne. Trzecia grupa dotyczy szeroko dziś stosowanego kwasu fluorowodorowego i jego soli.

Głównymi substancjami, które należy usunąć w procesie trawienia są tlenki żelaza i krzemu. Stąd istotne znaczenie dla przydatności danego kwasu mineralnego do trawienia ma jego zdolność do rozpuszczania tlenków żelaza. Najłatwiej ulega rozpuszczeniu FeO (wustyt), znacznie wolniej Fe2O3 (hematyt), a Fe3O4 (magnetyt) bardzo trudno jest przeprowadzić do roztworu.

Kwas solny. W kwasie solnym szybkość rozpuszczania tlenków w zakresie stężeń kwasu na poziomie 2–20% wzrasta, a dodatek fluorków znacznie zwiększa szybkość ich rozpuszczania.
Kwas siarkowy. W odróżnieniu od kwasu solnego powoduje raczej oderwanie zendry przyczepionej do metalu niż jej chemiczne rozpuszczenie. Stosowanie kwasu siarkowego jest więc związane z niebezpieczeństwem pozostania w układzie znacznych ilości osadu, który można usunąć tylko przez intensywne płukanie.
Kwas fosforowy. Nie znalazł szerokiego zastosowania w procesach trawienia. Związane jest to z powstaniem warstewek fosforanu żelaza, które są nieodporne na działanie gorącej wody i pary, przez co w trakcie ruchu kotła ulegają hydrolizie, odrywają się i zostają przenoszone dalej do układu. Natomiast kwas fosforowy znalazł zastosowanie w trawieniu rozmontowanych układów olejowych (metoda trawienia w wannie).
Kwasy organiczne. Wiele kwasów organicznych nadaje się do stosowania w procesach trawienia. Najbardziej rozpowszechnione to: cytrynowy, szczawiowy, octowy, amidosulfonowy, askorbinowy, mrówkowy itd. Kwasy organiczne, w odróżnieniu od mineralnych, są mniej agresywne w stosunku do metalu, lecz wymagają dłuższego czasu oddziaływania. Stosowane są również roztwory tych kwasów o pH ok. 5. Działanie trawiące tych związków polega na kompleksowaniu jonów żelaza, co wyklucza ich ponowne wytrącanie się.
Kwas fluorowodorowy. Jest szeroko stosowany w procesach trawienia już od ponad 40 lat, kiedy to stwierdzono katalizujące działanie fluorków przy rozpuszczaniu żelaza. Dodatkową zaletą jest rozpuszczanie zanieczyszczeń krzemonośnych. Są technologie, które wykorzystują również jon fluorkowy jako dodatek do innych kwasów, takich jak: solny, siarkowy, kwasy organiczne.

Z porównania szybkości rozpuszczania magnetytu wynikają następujące zależności dotyczące czasu rozpuszczania próbki:

Fluorowodorowy : solny : siarkowy : mrówkowy : cytrynowy = 1:50:85:850:2000

Ze względu na sposób przepływu roztworu trawiącego można wyróżnić dwie metody trawienia: cyrkulacyjną i OC.

Metoda cyrkulacyjna polega na przetłaczaniu roztworu przez wszystkie elementy kotła w obiegu zamkniętym przy pomocy pomp pomocniczych lub istniejących pomp cyrkulacyjnych. Zamknięcie obiegu uzyskuje się poprzez budowę instalacji pomocniczej. Cyrkulację prowadzi się do ustalenia stężenia kwasu i żelaza w roztworze trawiącym.

↓ Kliknij w schemat, aby powiększyć ↓

Rys. 1 Schemat trawienia kotła metodą cyrkulacyjną.

Rys. 1 Schemat trawienia kotła metodą cyrkulacyjną.

Metoda OC, czyli metoda otwartego obiegu, umożliwia przeprowadzenie trawienia bez budowy instalacji pomocniczej. Polega na wprowadzeniu na tłoczenie pomp wody zasilającej kwasu fluorowodorowego i jednokrotnym przepychaniu roztworu przez układ wodno-parowy kotła.

↓ Kliknij w schemat, aby powiększyć ↓

Rys. 2 Schemat trawienia kotła metodą OC.

Rys. 2 Schemat trawienia kotła metodą OC.

Dmuchanie kotła

Zapewnienie odpowiedniej jakości pary podawanej na turbinę jest dla bezawaryjnej pracy bloku sprawą najwyższej wagi. Podczas montażu bądź remontu przegrzewaczy pary, pomimo zastosowania reżimu czystego montażu, nie jest możliwe całkowite wyeliminowanie zanieczyszczeń mechanicznych z układu. Obróbka termiczna, tj. wyżarzanie połączeń spawanych elementów grubościennych, może spowodować powstawanie warstewek korozyjnych na wewnętrznej powierzchni już po zakończeniu montażu. Dlatego w ramach przygotowania bloku do uruchomienia wymagane jest podjęcie działań mających na celu zapewnienie odpowiedniego stopnia czystości przegrzewaczy pary i rurociągów parowych.

Szeroko rozpowszechnioną i stosowaną w świecie metodą czyszczenia przegrzewaczy pary kotłów parowych jest oczyszczanie za pomocą pary własnej. Proces ten w nomenklaturze branżowej zwany jest dmuchaniem parą (ang. steam blowing). Skuteczne oczyszczenie przegrzewaczy oraz rurociągów parowych parą własną kotła ma ogromne znaczenie dla późniejszej bezawaryjnej pracy turbiny. W przypadku obiektów nowych bądź modernizowanych uzyskanie odpowiedniego stopnia czystości pary jest warunkiem udzielenia gwarancji przez dostawcę turbiny.

Podczas dmuchania następuje rozkonserwowanie wewnętrznych powierzchni rur (jeśli przegrzewacze nie były odtłuszczane i trawione po montażu) oraz wyniesienie z oczyszczanego układu zanieczyszczeń, takich jak zendra, piasek, perły spawalnicze czy pozostałości po procesie trawienia i płukania. Pomiędzy kolejnymi operacjami dmuchania przegrzewacze są intensywnie studzone. Rozszerzalność temperaturowa stali jest większa niż obecnej na jej powierzchni warstewki tlenkowej. Dzięki temu możliwe jest termiczne naruszenie spoistości przylegającej zendry i jej usunięcie podczas kolejnych dmuchnięć. Przeprowadzenie skutecznego dmuchania wymaga wytworzenia w rurach przegrzewaczy i rurociągach parowych sił zrywających większych niż podczas pracy bloku na parametrach nominalnych. W celu uzyskania odpowiednich sił zrywających konieczne jest ustalenie optymalnych parametrów temperatury, ciśnienia i wydajności kotła. Generalnie proces dmuchania jest prowadzony przy parametrach znacznie niższych od nominalnych. Zastosowanie parametrów niższych od eksploatacyjnych przyczynia się do niższego zużycia paliwa i wody oraz pozwala na zastosowanie tańszych materiałów do zbudowania pomocniczej instalacji dmuchania. Dobór właściwych parametrów dmuchania pozwala na uzyskanie wyższych prędkości przepływu pary niż w czasie ruchu bloku, a co za tym idzie – wyższych sił zrywających, które umożliwiają efektywne oczyszczenie rur przegrzewaczy i rurociągów parowych. Wielkością pozwalającą ocenić dobór właściwych parametrów dmuchania jest współczynnik zakłócenia k.

wzór art. Energopomiar

gdzie:
Qd – natężenie przepływu pary w czasie dmuchania [kg/s],
Q – natężenie przepływu pary w czasie pracy bloku [kg/s],
Vd – objętość właściwa pary w czasie dmuchania [m3/kg],
V – objętość właściwa pary w czasie pracy bloku [m3/kg].

Aby dmuchanie było skuteczne, liczba k musi być większa od 1. Wartość współczynnika k bywa przedmiotem negocjacji lub jest narzucana przez producenta turbiny.

Skuteczność procesu dmuchania jest weryfikowana przy pomocy płytek kontrolnych umiejscowionych na wylocie rurociągu parowego. Płytki kontrolne ocenia się po każdym dmuchnięciu. Szczegółowe warunki odbioru prac są każdorazowo ustalane z klientem. Kryteria zakończenia dmuchania zależą od materiału, z jakiego wykonana jest płytka kontrolna. W przypadku wypolerowanej płytki miedzianej o wymiarach 100x40mm przyjmuje się, że dmuchanie można zakończyć, jeżeli nie występują uderzenia o wielkości powyżej 1mm, a ilość uderzeń o wymiarach 0,5–1mm nie przekracza 20. Z kolei według zaleceń VGB stosuje się płytki ze stali węglowej o długości wynoszącej 0,85 średnicy rurociągu i szerokości 40mm. Zakończenie dmuchania następuje, kiedy nie występują uderzenia o wielkości powyżej 1mm, ilość uderzeń powyżej 0,5mm nie przekracza 4, a liczba uderzeń o rozmiarze powyżej 0,2mm nie przekracza 9.

Stosowanych jest kilka wariantów procesu dmuchania różniących się parametrami prowadzenia procesu. Każdorazowo konieczne jest rozwiązanie zagadnienia odbioru powstającej pary, która wraz z zanieczyszczeniami musi być wyprowadzona poza oczyszczany układ. Można to zrobić wykorzystując następujące metody:

  • wydmuch do wody,
  • wydmuch do kondensatora,
  • wydmuch do atmosfery.

Zastosowanie wydmuchu pod powierzchnię wody wymaga obecności dużego zbiornika wodnego w bezpośrednim sąsiedztwie bloku. Wydmuch do kondensatora jest operacją stosowaną w ostateczności, ponieważ niesie za sobą ryzyko jego uszkodzenia. Podczas dmuchania do kondensatora poziom hałasu jest zbliżony do hałasu generowanego przez normalnie pracujący blok.

Najpowszechniej stosowana jest metoda wydmuchu do atmosfery. Z punktu widzenia wpływu na efektywność procesu bezpośredni wydmuch z rurociągu prowizorycznego powoduje najmniejsze opory przepływu pary na wylocie. Swobodny wypływ pary do atmosfery odbywa się z prędkością krytyczną, co wywołuje hałas o znacznym natężeniu. Efektem tego jest powstanie fali dźwiękowej o natężeniu od 140 do nawet 168 decybeli, co jest szczególnie kłopotliwe w przypadku zakładów umiejscowionych na gęsto zaludnionych terenach miejskich. W celu zmniejszenia uciążliwości procesu stosuje się różnego rodzaju tłumiki hałasu. Jedną z bardziej efektywnych metod jest technologia tłumienia hałasu poprzez wtrysk wody chłodzącej. Metoda ta, zwana cichym dmuchaniem, poza zastosowaniem tradycyjnych, suchych tłumików na wylocie pary z rurociągu prowizorycznego dodatkowo przewiduje wtrysk wody chłodzącej do wydmuchiwanego strumienia pary. Wtrysk wody powoduje obniżenie temperatury pary, a co za tym idzie – zmniejszenie objętości właściwej pary wylotowej, a więc obniżenie prędkości wypływu do atmosfery. Zastosowanie wtrysku wody chłodzącej pozwala na zwiększenie efektywności tłumienia hałasu.

Poziom natężenia przepływu podawanej wody chłodzącej jest automatycznie regulowany w zależności od temperatury panującej w schładzaczu pary. W efekcie działania mokrego tłumika na wylocie do atmosfery emitowana jest para mokra.

Podczas dmuchania jednego z kotłów BB-1150 wykonano pomiary natężenia hałasu. Operację przeprowadzono dla następujących parametrów: ciśnienie w separatorze pary wynosiło około 4MPa, a natężenie wypływu pary około 900ton/h. Uzyskano następujące wyniki:

  • 96,2 dB w odległości 20 metrów od tłumików,
  • 90 dB w odległości 40 metrów od tłumików,
  • 72 dB w odległości około 250 metrów.

Podczas dmuchania kolejnego kotła BB-1150 uzyskano podobne wyniki pomiaru natężenia hałasu, a podczas pomiaru w pobliżu bramy głównej uzyskano wynik 65dB. Był to poziom hałasu zbliżony do tła hałasu elektrowni, czyli można powiedzieć, że hałas związany z procesem dmuchania nie był słyszany poza elektrownią.

Rys. 3 Instalacja pomocnicza „cichego” dmuchania kotła.

Rys. 3 Instalacja pomocnicza „cichego” dmuchania kotła.

Podsumowanie

W celu uzyskania parametrów gwarancyjnych kotła niezbędne jest oczyszczenie i właściwe przygotowanie wewnętrznych powierzchni kotła. Oczyszczanie i przygotowanie do eksploatacji powierzchni grzewczych i rur kotłowych składa się z procesów trawienia i dmuchania. Opracowanie właściwych technologii, a następnie przeprowadzenie tych procesów w sposób zapewniający otrzymanie zakładanego stopnia czystości i stanu powierzchni, umożliwia uzyskanie parametrów gwarancyjnych. Zapewnia również długoletnią, bezawaryjną pracę kotła i turbiny.

Autor: Edward Goj, „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o. Zakład Chemii i Diagnostyki

Fot.,rys.: „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.

Literatura

  1. Bania A., Filipczyk K.: Analiza techniczno-ekonomiczna metod oczyszczania i trawienia urządzeń energetycznych, V Konferencja Naukowo-Techniczna „Udział chemii energetycznej we wzroście efektywności urządzeń”, Bielsko-Biała 26–27.05.1994.
  2. Bania A., Filipczyk K.: Przegląd aktualnych metod chemicznego oczyszczania i trawienia kotłów energetycznych, „Energetyka” 2004, nr 5.
  3. Goj E.: Technologia cichego dmuchania kotłów, „Nowa Energia” 2009, nr 4.