Вода, используемая в котельных установках в качестве рабочего тела, обладает свойствами активного и почти универсального растворителя. Содержащиеся в ней примеси, независимо от источников их появления, при определенных условиях могут образовывать на стенках труб твердые отложения. Наиболее интенсивное образование отложений происходит в трубах испарительных и перегревательных поверхностей нагрева, расположенных в зоне интенсивного обогрева. Причем даже небольшой слой этих отложений вследствие низкого коэффициента его теплопроводности может недопустимо повысить температуру металла, а следовательно, привести к разрушению труб.
Поэтому использование природных вод, содержащих большое количество солей, кремневой кислоты, газов, в качестве питательной воды недопустимо. Для приготовления питательной воды требуемого качества на ТЭС природную воду подвергают специальной обработке. Она заключается в удалении минеральных и органических твердых взвешенных в воде примесей, солей жесткости (Са, Mg) с заменой их легкорастворимыми солями щелочных металлов (К, Na); общем обессоливании в системе выпарных установок с получением обессоленного конденсата; обескремнивании; дегазации. Такая обработка позволяет существенно снизить содержание примесей в питательной воде. Однако при эксплуатации котла количество примесей в воде постоянно возрастает. Это происходит ввиду присосов природной воды в конденсаторе турбины, добавки воды при восполнении потерь рабочей среды, перехода в воду продуктов коррозии конструкционных материалов. Кислород и углекислота, попадающие в воду, вызывают коррозию металла труб поверхностей нагрева. Соединения кальция и магния, относящиеся к труднорастворимым, как и продукты коррозии железа, меди, образуют накипь. Отложения образуют и легкорастворимые соединения такие, как Na3PО4; Na2SО4, если концентрация их выше растворимости в рабочем теле (воде или паре). Часть примесей кристаллизуется в водяном объеме, образуя шлам. Надежная и экономичная работа котла достигается путем вывода части примесей из котла, а также ограничением коррозии конструкционных материалов организацией физико-химических процессов в рабочем теле, называемых водно-химический или водный режим котлов.
В парообразующих поверхностях нагрева барабанного котла одновременно с образованием пара ввиду низкой растворимости солей в паре происходит увеличение концентрации их в воде. Для поддержания концентрации примесей воды в пределах, определяемых качеством получаемого пара и образованием отложений на внутренних поверхностях труб, соли и взвешенные примеси выводят из контура циркуляции вместе с водой, путем организации непрерывной продувки. Продувочная вода выводится из последней ступени испарения в количестве 0,5-3 % паропроизводительности котла, в зависимости от применяемого метода обработки добавочной воды и схемы ступенчатого испарения.
Кроме непрерывной продувки, производят также периодическую продувку из нижних коллекторов экранов. Таким образом удаляют шлам. Режим продувок регламентируется качеством воды и рабочими параметрами среды. Нарушение режима или полное исключение периодической продувки может привести к прикипанию шлама к поверхностям экранных труб холодной воронки. В прямоточных котлах в экранах происходит испарение всей воды, поэтому отсутствует возможность организации продувки. Примеси ввиду различия их растворимости в воде и паре в том или ином количестве выпадают в виде отложений на внутренних поверхностях труб, а оставшаяся часть выносится с паром. Накопление этих отложений периодически удаляют путем проведения химической промывки котла. Процесс промывки трудоемок и выполним только при остановленном оборудовании. Поэтому в энергоблоках с прямоточными котлами после конденсатора турбины на водяном тракте устанавливается блочная обессоливающая установка (БОУ). Благодаря очистке конденсата в ней удается уменьшить содержание примесей в питательной воде и соответственно темпы роста отложений в трубах котла.
Снижение скорости протекания коррозии металла труб в современных прямоточных котлах на СКД достигается созданием в рабочем теле слабощелочной или нейтральной водной среды. Первая используется в том случае, если трубы подогревателей низкого давления выполнены из латуни, а вторая - если трубы ПНД изготовлены из коррозионно-стойкой стали. Слабощелочная среда имеет место при гидразинно-аммиачном комплексонном или гидразинном водном режиме. Нейтральная среда - при дозировании в конденсат газообразного кислорода или раствора перекиси водорода. Кратко рассмотрим основные из них.
Гидразинно-аммиачный водный режим котлов - традиционный водный режим котлов. До недавнего времени он был практически на всех энергетических блоках СКД. При его реализации в питательную воду дозируют гидразин и аммиак. Они связывают соответственно кислород и углекислоту, оставшиеся в воде после дегазации. При отсутствии примесей в воде реакция между гидразином и кислородом протекает следующим образом.
Присутствие в воде оксидов железа и меди способствует ускорению реакции. Гидразин подается в количестве, несколько превышающем стехиометрическое значение, так чтобы избыток N2H4 составлял 0,02+0,03 мг/кг. Аммиак вводят в питательную воду в количестве, обеспечивающем полную нейтрализацию СО4 с образованием карбонатов аммония и созданием небольшого избытка гидроокиси аммония, повышающего pH среды до pH = 9,1 ±0,1 (pH - показатель концентрации водородных ионов воды, характеризует реакцию воды). Принято различать следующие реакции воды: кислая при pH = 1+3; слабокислая pH = 3 + 6, нейтральная pH =7; слабощелочная pH =7 + 10 и сильнощелочная pH =10 + 14. При гидразинно-аммиачном водном режиме толщину отложений в НРЧ на допустимом уровне поддерживают путем периодических химических промывок. Для газомазутных котлов межпромывочный период составляет 4-6 месяцев.
Комплексонный водный режим котлов отличается тем, что в питательную воду кроме аммиака и гидразина, дозируемых в тех же количествах, что и при гидразинно-аммиачном режиме, после деаэратора непрерывно вводят комплексоны. Их количество эквивалентно содержанию железа и меди в воде. Комплексоны - это соединения, способные образовать с катионами (Са+, Mg+, Cu+, Fe+) растворимые в воде соединения. В качестве комплексона чаще всего применяют этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТК). Дозировка комплексонов зависит от нагрузки энергоблока. Аммонийная соль ЭДТК, получаемая путем добавления в водный раствор ЭДТК водного раствора аммиака, и аммиак подают в рабочее тело после деаэратора, гидразин - после БОУ. Аммонийная соль ЭДТК при взаимодействии с продуктами коррозии железа дает хорошо растворимые в воде комплексонаты железа. Под действием высокой температуры они разлагаются с образованием на стенке труб плотного слоя магнетита. Последний защищает металл от коррозии.
Наиболее интенсивное разложение комплексонатов железа в котлах СКД происходит в экономайзере (80%) и НРЧ (20%). Отложения в НРЧ плотные, с достаточно высоким коэффициентом теплопроводности, что позволяет увеличить межпромывочный период до полутора лет. Нейтральный водный режим котлов основан на способности кислорода при повышенном его содержании в нейтральной среде образовывать прочную защитную окисную пленку. Для организации нейтрального водного режима в питательную воду, которая после очистки турбинного конденсата в БОУ приближается к теоретически чистой нейтральной воде (pH = 7), дозируют газообразный кислород (в ряде случаев раствор перекиси водорода Н2О2). Количество кислорода должно быть таким, чтобы образовывалась пассивирующая сплошная защитная окисная пленка из магнетита (Fe3О4) и гематита (Fe2О3). Скорость коррозии перлитной стали резко снижается. Нейтральный водный режим требует очень чистой, не содержащей С0.4 питательной воды; отсутствия в питательном тракте элементов, выполненных из меди и медесодержащих сплавов.
Барабанные котлы питают водой, содержащей легкорастворимые соединения. В основном это соли натрия. Соли кальция и магния, попадающие в нее, в результате присоса охлаждающей воды в конденсаторе обладают малой растворимостью и в процессе парообразования могут давать накипь. Для предотвращения ее образования применяют коррекционный метод внутрикотловой обработки воды. Он заключается в том, что в котел вводят коррекционные добавки, способствующие переводу солей жесткости в неприкипающий шлам. В качестве таких добавок обычно применяют натриевые соли фосфатной кислоты (например, тринатрийфосфат Na3PО4). Водный режим котлов, основанный на вводе фосфатов, называют фосфатным.
Фосфатирование воды с подачей раствора в барабан может осуществляться по щелочно-солевому режиму или режиму чисто фосфатной щелочности. В первом случае для образования неприкипающего легкоподвижного шлама ввод фосфатов осуществляется в щелочную среду, а именно, в барабан. Здесь ввиду многократной циркуляции щелочность воды значительно больше, чем в питательной воде. Образовавшиеся соединения уходят вместе с продувочной водой. Основная масса шлама, находящегося в воде во взвешенном состоянии, удаляется непрерывной продувкой, а небольшая его часть, скапливающаяся в нижних коллекторах - периодической продувкой. Для надежного связывания солей кальция в воде поддерживают определенный избыток фосфатов, что однако приводит к существенному повышению щелочности воды (pH >11), вызывающей коррозию металла. Поэтому при питании барабанного котла турбинным конденсатом и маломинерализованной добавочной водой (химически обессоленной) используется режим чисто фосфатной щелочности. Для поддержания умеренной щелочности воды в ней дозируют не только Na3PО4, но и смесь Na3PО4 с кислой солью фосфорной кислоты Na2HPО4.