Nové způsoby řízení chemického režimu u kotlů nadkritických parametrů, případně vysokotlakých kotlů

• Foto

NOVÝ ZDROJ VELEKTRÁRNĚ LEDVICE, ČEZ, A.S.

Elektrárna Ledvice se nachází v Ústeckém kraji na spojnici mezi městy Most a Teplice v těsné blízkosti města Bíliny. Tato elektrárna patří do portfolia klasické energetiky Skupiny ČEZ. Jedná se o jednu z takzvaných pánevních elektráren, jako jsou například Elektrárny Tušimice, Prunéřov, Tisová. Elektrárna Ledvice, sousedí s Dolem Bílina a doprava paliva se zajišťuje po dopravním pase z Úpravny Uhlí Ledvice, která zajišťuje smluvní kvalitu vytěženého uhlí pro potřeby výrobních bloků. V rámci obnovy energetických zdrojů společnosti ČEZ, a.s. bylo rozhodnuto o výstavbě nového zdroje (dále jen NZ) právě v lokalitě Ledvic. Výhodnost této lokality je v nízkých nákladech na dopravu paliva, zároveň i dostupnosti dostatečného množství paliva pro celou dobu životnosti plánovaného zdroje. V souladu s energetickou koncepcí České republiky a BREF o zvyšování účinnosti energetických bloků, bylo stanoveno, že NZ bude koncipován jako nadkritický s výkonem 660 MW.

Parametry NZ:

• Instalovaný výkon 660 MW.
• Parametry pracovního média 600°C/610°C/28MPa.
• Parní výkon 1678 t/h.
• Projektovaná účinnost bloku 42 %.

Pro zajištění vysoké účinnosti přestupu chemicky vázané energie z paliva do pracovního média vody je třeba zajistit v parokondenzátním okruhu energetického bloku vhodné podmínky, které zajistí minimalizaci vzniku úsad na teplosměnných plochách a zároveň minimalizují nežádoucí korozní reakce, které nepříznivě ovlivňují jak životnost zařízení, tak jeho kondici. Způsobem ovlivňování podmínek v pracovním médiu (pH, O₂, vodivost, SiO₂ apod.) rozumíme řízení chemického režimu. Rozsah příslušného měření, vyhodnocování, limitní hodnoty a příslušná doba, jak dlouho je možné v dané úrovní kontaminace okruhu setrvat, jsou uvedeny v normativních dokumentech. Pro NZ 660 MW jsou řídícími normativními dokumenty ČSN 07 7403, vnitropodnikový technický standard ČEZ, a. s., VGB-S-010-T 00; 2011-12. EN a kvalitativní požadavky dodavatele kotle a turbíny.

TVORBA OXIDICKÝCH VRSTEV V PAROKONDENZÁTNÍM OKRUHU

Ne všechny korozní procesy probíhající v okruhu energetického bloku jsou škodlivé. Vznik ochranné magnetitové vrstvy (Fe₃O₄) je na vodní straně parokondenzátního okruhu žádoucí, protože má bariérový efekt, který brání další korozi základního materiálu. Přirozeně i v nepřítomnosti kyslíku v napájecí vodě, dochází k rozpuštění železa, které následně reaguje s vodou za vzniku hydroxidu a plynného vodíku.

Fe+2H₂O →Fe(OH)₂+H₂

Následně vlivem tepla z hydroxidu železnatého vzniká magnetit a uvolňuje se voda a další molekula plynného vodíku.

3Fe(OH)₂→Fe₃O₄+2H₂O+H₂

V parní části okruhu je chemismus vzniku magnetitu odlišný od vodní části. Struktura magnetitu neposkytuje bariérový efekt, protože není homogenní. V parní části přirozeně dochází k termickému rozkladu vody.

8H₂O ↔8H₂+4O₂

Následně se molekula kyslíku štěpí na jednomocné aniony, které se chemisorpcí váží na základní materiál za vzniku magnetitu.

8O^-_chemisorp + 8e-↔8(O^2-)Fe₃O₄ + 8H₂

SLEDOVANÉ PARAMETRY CHEMICKÉHO REŽIMU BLOKU

Základní požadavky jsou stanoveny pro vyrobenou demineralizovanou vodu, která se používá jako přídavná voda do okruhu bloku. Obvykle stanovované parametry kvality jsou pro nadkritický zdroj rozšířeny o koncentraci celkového organického uhlíku.

Požadovaná kvalita přídavné vody

• Přímá vodivost při 25°C. . . . . . . . .μS/cm < 0,10
• Oxid křemičitý (SiO2) . . . . . . . . ...μg/kg < 10
• Celkové železo (Fe) . . . . . . . . . . .μg/kg < 5
• Celková měď (Cu) . . . . . . . . . . . . μg/kg < 3
• Celkový organický uhlík (TOC) . . . μg/kg < 100

Aby standardní demineralizační technologie pro výrobu přídavné vody mohla dosáhnout takto vysoké kvality, musel být do technologie dodatečně implementován stupeň úpravy s reversně osmotickou stanicí. Pro první najetí NZ 660 MW se stanovil chemický režim blízký standardnímu alkalickému chemickému režimu - AVT (All Volatile Treatment), ale se zvýšenou alkalizací napájecí vody.

V důsledku vysokých nároků na čistotu okruhu bloku se rozšířilo spektrum sledovaných parametrů o hodnotu TOC do 100 μg/kg. A pro hodnocení tvorby magnetitové vrstvy se doplnil ještě parametr H₂. Po ukončení fáze tvorby magnetitové vrstvy se mělo přejít na standardní alkalický AVT režim.

Cílovým chemickým režimem pro provoz bloku byl stanoven kyslíkový režim – OT (Oxidising Treatment).

Veškerá sledovaná místa chemického režimu parovodního okruhu jsou uvedena na Obr. 1.

OPERACE PŘEDCHÁZEJÍCÍ OŽIVOVÁNÍ BLOKU NZ 660 MW

Po ukončená výstavby NZ 660 MW a před samotným uvedením do provozu předcházely čistící a pomontážní operace, které výrazně ovlivňují čistotu i životnost v budoucnu užívaného zařízení. Musely být provedeny dekonzervace zařízení. Následně chemické čištění napájecí nádrže, kondenzátoru a tlakového celku kotle. Na závěr se provedly vysokorychlostní proplachy demineralizovanou vodu a profuky.

PRVOTNÍ TVORBA MAGNETITOVÉ VRSTVY

Provozní zkoušky s cílem vytvořit homogenní ochrannou magnetitovou vrstvu byly zahájeny 31. 3. 2014. Pro ukončení tvorby vrstvy byly určeny dva parametry. Jeden kvalitativní a to pokles koncentrace vodíku pod 50 μg/kg. Druhý časový a to udržení parametrů v napájecí vodě 500 hodin provozu. Dosažené parametry kvality v napájecí vodě jsou uvedeny v tabulce níže.

Po zahájení provozu zdroje byla počáteční koncentrace vodíku 230 μg/kg a poměrně strmě klesala. Čtvrtý den provozu se hodnota dostala na úroveň koncentrace vodíku 88 μg/kg. Z provozně technických příčin musela být operace přerušena na 24 hodin a po opětovném spuštění se začínalo s koncentrací 103 μg/kg vodíku. Po necelém týdnu provozu protnula koncentrace vodíku limitní hodnotu 50 μg/kg a ustálila se na nižší úrovni.

NÁSLEDNÝ PROVOZ

Dosahované výsledky hodnoceného chemického režimu v parovodním okruhu byly uspokojivé a k ověření kompaktnosti ochranné oxidické vrstvy posloužila tří měsíční odstávka v roce 2016. Blok byl odstaven na konci června 2016. Tlakový celek byl naplněn inertním plynem, aby se zabránilo vniku kyslíku a atmosférické vlhkosti. Za tímto účelem byl použit dusík. K opětovnému najetí došlo na začátku října 2016. Počáteční koncentrace vodíku v systému byla identická s hodnotou na konci provozního období v červnu. Z toho je možno implikovat, že vytvořená magnetitová vrstva je souvislá a plní svůj účel.

ZÁVĚR A DISKUZE

Prvotním předpokladem dobrého chemického režimu bloku a tím i zajištění jeho dobré kondice, je kvalitní přídavná voda. Výroba v Elektrárně Ledvice, ČEZ, a. s. musela být modifikována, aby se zajistily nadstandardní kvalitativní požadavky pro provoz nadkritického zdroje. Monitorováním koncentrace vodíku v systému, za pomoci nové generace online analyzátorů, se vhodným způsobem dá sledovat úspěšnost tvorby ochranné magnetitové vrstvy a v případě porušení této vrstvy provozovatel získává včasnou informaci o vznikajícím problému. Na ten pak může adekvátně reagovat, čímž se předchází nežádoucím odstávkám zdroje. Informace může být zužitkována i pro informovaný přechod z alkalického chemického režimu na kyslíkový chemický režim. Způsob monitoringu a jeho vyhodnocování není vhodný jen pro nadkritický zdroj, ale je možné jej úspěšně aplikovat i na vysokotlaké zdroje.

APENDIX

Zajímavým doplnění kontroly kondice okruhu je sledování suspendovaných korozních produktů pomocí izokinetického vzorkovače. Zařízení funguje na principu ustáleného průtoku a filtrace média, kde na filtračním materiálu se zachytávají nerozpuštěné formy Fe. Ty potom můžeme analyzovat a podle množství protečeného média i stanovit průměrnou koncentraci Fe za daný odběrový čas.

New ways to control the chemical conditions of supercritical parameters in boilers or high-pressure boilers
Controlling the chemical conditions of the steam-condensate loop is an essential part of the economic and secure operation of energy units. The reason is to maintain the long-term durability of the materials in boilers and turbines while maintaining the desired efficiency. So far, the most widely used norm in the Czech Republic for chemical conditions in high-pressure boilers is ČSN 07 7403 from the late 1980s, which also provides for supercritical boilers. But this document has been largely superseded by the newer internationally recognized norms of VGB and EPRI. Last but not least, the declared recommendations for controlling chemical conditions have to and must reflect the latest findings from engineering practice, which can be obtained from the commissioning of new units. Such findings regarding the creation of a new protective layer of magnetite in boilers and an online evaluation of its integrity was obtained for supercritical power at the Ledvice Power Plant, ČEZ. The additional value is the ability to apply the newly acquired knowledge to any steam boiler at energy plants operating with high-pressure steam.

Autoři

• Ing. Seydl Richard Ph.D.
• Ing. Otáhal Vlastimil
• Sedlák Bohumil