Zanieczyszczenia w oczyszczonym kondensacie turbinowym. Identyfikacja z zastosowaniem metod badania składu fazowego i chemicznego

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

Woda zasilająca stanowi mieszaninę powracającego kondensatu 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 wprowadzone zostaną do układu wodno-parowego. Głównym źródłem zanieczyszczeń mogą być przebicia wody chłodzącej w kondensatorach. Wraz ze zmianami temperatury oraz ciśnienia w obiegach wodno-parowych zachodzą złożone procesy fizykochemiczne, które mogą poważnie zakłócać pracę urządzeń energetycznych. Obecność dodatkowych zanieczyszczeń może być źródłem tworzenia się osadów, które będą odkładać się na powierzchniach poszczególnych urządzeń. Mogą być także powodem występowania procesów korozyjnych o różnorakim charakterze (np. korozja podosadowa). Dla zapewnienia bezawaryjnej pracy urządzeń energetycznych należy w sposób ciągły monitorować skład chemiczny wody zasilającej i kondensatu turbinowego oraz możliwie jak najszybciej reagować na pojawiające się zanieczyszczenia.

Wymagania stawiane wodzie zasilającej określane są przez producenta urządzeń energetycznych i są ściśle związane z ich konstrukcją oraz stosowanym reżimem eksploatacyjnym. Dodatkowo ogólne wymagania zawarte są w dyrektywie VGBR-450L oraz w normie PN-EN 12952-12:2006 (Kotły wodnorurkowe i urządzenia pomocnicze. Część 12: Wymagania wody dotyczące jakości wody zasilającej i wody kotłowej).

Tabela 1. Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej według normy PN-EN 12952-12:2006.

Tabela 1. Wymagania dotyczące jakości wody zasilającej według normy PN-EN 12952-12:2006.

W zależności od powyższych 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 związków lub bardziej złożonych kompleksów chemicznych. Wykazują jedynie obecność konkretnego pierwiastka w kondensacie. Taka informacja jest niewystarczająca do doboru odpowiedniej techniki oczyszczania, która ma być skuteczna i generować możliwie najniższe koszty eksploatacji.

Klasyczne technologie uzdatniania kondensatu turbinowego opierają się na układach mechanicznej filtracji oraz wymiany jonowej, obecnie najczęściej ograniczonej do wymienników dwujonitowych z żywicami przystosowanymi do pracy w podwyższonej temperaturze.

Filtracja powrotnego kondensatu turbinowego jest zgodnie z dyrektywą VGBR-450L szczególnie zalecana w przypadku kondensatów, które w sposób ciągły lub często są zanieczyszczane większymi ilościami (w zakresie >0,03 mg/l) produktów korozji, np. tlenkami żelaza lub substancjami stałymi.

Najczęściej stosowanymi urządzeniami do filtracji kondensatu są:

  • filtry żwirowe;
  • filtry świecowe;
  • filtry z pomocniczą warstwą filtracyjną;
  • filtry elektromagnetyczne.

Metodyka badań

Zaletą klasycznych oznaczeń fizykochemicznych jest możliwość ich wykonywania w warunkach ruchowych. Wyniki są otrzymywane na bieżąco, co pozwala na kontrolę obiegów wodno-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 identyfikacji zarówno w zakresie ilościowym, jak i jakościowym. Dodatkowo określenie składu pierwiastkowego osadu jest niewystarczające 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 oczyszczania kondensatu.

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

  • metodę dyfrakcji rentgenowskiej – do określenia składu fazowego;
  • elektronową mikroskopię skaningową – do określenia składu chemicznego w wybranych mikroobszarach.

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

Elektronowa mikroskopia skaningowa wykorzystuje wiązkę elektronów przesuwającą się po powierzchni badanej próbki ruchem skaningowym, co umożliwia określenie struktury badanej próbki. W badaniach wykorzystano wysokorozdzielczy elektronowy mikroskop skaningowy, a obserwację prowadzono w świetle elektronów wstecznie rozproszonych (BSE).

Wyniki badań

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

Skład zanieczyszczeń oznaczonych w badanej próbce osadu próbkach metodą dyfrakcji rentgenowskiej przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2. Wyniki jakościowej analizy fazowej.

Tabela 2. Wyniki jakościowej analizy fazowej.

(kliknij w grafikę, aby powiększyć)

Rys. 1 Dyfraktogram rentgenowski badanego osadu [2].

Rys. 1 Dyfraktogram rentgenowski badanego osadu [2].

Zastosowanie metody dyfrakcji rentgenowskiej umożliwiło nie tylko określenie składu chemicznego zanieczyszczeń jak w przypadku klasycznej analizy jakościowej, lecz także identyfikację struktury krystalicznej tych zanieczyszczeń. Wyniki analizy osadu poddanego badaniom składu chemicznego w wybranych mikroobszarach przy użyciu mikroskopu skaningowego przedstawiono poniżej. Wytypowano cztery mikroobszary obejmujące największe utwory krystaliczne w celu identyfikacji ich składu chemicznego.

(kliknij w grafikę, aby powiększyć)

Rys. 2 Wytypowane mikroobszary przygotowanej próbki osadu zanieczyszczeń kondensatu [2].

Rys. 2 Wytypowane mikroobszary przygotowanej próbki osadu zanieczyszczeń kondensatu [2].

Osad tworzą głównie tlenki żelaza o zróżnicowanym składzie jakościowym i ilościowym domieszek innych atomów. Występują także tlenki zawierające nikiel, chrom i żelazo. Stwierdzono 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.

Na rysunku 3 jako przykład przedstawiono mikrografię pojedynczych cząstek próbki osadu w mikroobszarze III na sączku (SEM) w świetle elektronów wstecznie rozproszonych (BSE) oraz wyniki analizy składu chemicznego tych cząstek (rentgenowskie widma emisyjne, a pod spodem wynik ilościowej analizy składu chemicznego).

Rys. 3 Mikrografia oraz analiza składu chemicznego wybranych cząstek mikroobszaru III [2]. Wt% - procent wagowy; At% - procent atomowy. Cząstka 1.

Rys. 3 Mikrografia oraz analiza składu chemicznego wybranych cząstek mikroobszaru III [2]. Cząstka 1.

tabela-czastka-1

Tabela do rys. 1. Wt% – procent wagowy; At% – procent atomowy.

Rys. 3 Mikrografia oraz analiza składu chemicznego wybranych cząstek mikroobszaru III [2]. Wt% - procent wagowy; At% - procent atomowy. Cząstka 2.

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

tabela-czastka-2

Tabela do rys. 2. Wt% – procent wagowy; At% – procent atomowy.

Rys. 3 Mikrografia oraz analiza składu chemicznego wybranych cząstek mikroobszaru III [2]. Wt% - procent wagowy; At% - procent atomowy. Cząstka 3.

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

tabela-czastka-3

Tabela do rys. 3. Wt% – procent wagowy; At% – procent atomowy.

Podsumowanie

Wykorzystanie w trakcie prac badawczych Energopomiaru dodatkowych metod dyfrakcji rentgenowskiej oraz elektronowej mikroskopii skaningowej stwarza możliwości rozszerzenia badań zanieczyszczeń mechanicznych występujących w obiegu wodno-parowym, w tym w kondensacie turbinowym. Metody stanowią doskonałe uzupełnienie stosowanych obecnie klasycznych metod analitycznych. Pozwalają nie tylko na określenie składu chemicznego zanieczyszczeń, ale również na identyfikację ich złożonej struktury krystalicznej. Umożliwiają także ocenę skuteczności oczyszczania wód o wysokiej czystości (kondensaty) w celu doboru optymalnej technologii ich uzdatniania.

Autorzy: Łukasz Kot, Janusz Skwara, Zakład Chemii i Diagnostyki, „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.

Grafika oraz rys.: „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o.

Bibliografia

  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 Instytut Metalurgii Żelaza, Gliwice 2015 (niepubl.).

Artykuł ukazał się w czasopiśmie „Energetyka” nr 3/2016