Фильтрация турбинного конденсата - принципы и способы оценки эффективности применяемых методов фильтрации
ВВЕДЕНИЕ
Фильтрация конденсата является технически и экономически важным элементом работы любого энергоблока. Хотя данный тип фильтрации и является необходимым и приносит существенную экономию, в настоящее время он еще не занял подобающего места в промышленной практике.
В предлагаемой Вашему вниманию статье авторы хотели бы обратить внимание на некоторые наиболее важные параметры, дающие возможность правильно оценить применения конкретной фильтрационной системы.
Если присмотреться внимательнее к сформулированному таким образом понятию, легко обнаружить его неоднозначность. Следовательно, для максимального уточнения понятия эффективности необходимо дать ответ на два дополнительных вопроса:
a. что мы подразумеваем под количеством загрязнений: количество частиц, задержанных в процессе фильтрации или их массу?
b. с какой точностью мы хотим определить количество загрязнений, указанных в пункте «a»?
Очевидно, что использование понятия эффективности без точного определения указанных выше параметров является неоднозначным и может привести к ошибочным выводам.
При оценке степени загрязнения конденсата стоит воспользоваться понятием TSS (от англ. total suspended solids) - общее содержание взвешенных частиц. Для определения его значения измеряют массу загрязнений, задержанных на мембранах с тонкостью фильтрации 0,45 мкм. А для расчёта эффективности системы фильтрации необходимо провести два измерения - перед фильтром и после него. Преимуществами такого подхода являются:
a. легкость выполнения измерений в условиях технологического процесса;
b. регистрация всех постоянных загрязнений (в рассматриваемом случае - больших по размеру, чем 0,45 мкм), присутствующих в рабочем потоке;
c. возможность дальнейшего исследования загрязнений, собранных на мембранах.
Следует отметить, что для полной характеристики загрязнений, присутствующих в турбинном конденсате, имеет смысл определять наличие в массе загрязнений различных групп химических соединений, например, железа общего Fe(общ), или SiO2.
Тонкость и эффективность фильтрации
Тонкость фильтрации является главным параметром, характеризующим фильтрующий элемент.
Вокруг этого понятия накопилось множество неточностей и ошибочных интерпретаций.
В этой статье мы подробно разъясним это понятие и понятие эффективности фильтрации, сформулируем для них точные определения, а также наглядно представим взаимосвязь этих величин.
Для определения размеров частиц, задерживаемых фильтрующим элементом, используется понятие «тонкость фильтрации», характеризующее минимальный размер частиц (выраженный в мкм), задерживаемых рассматриваемым фильтрующим элементом с данной степенью эффективности. Из указанного определения вытекает тот факт, что применение понятия, например: «тонкость фильтрации = 15 мкм» является неточным, так как не указана эффективность задержания частиц размером 15 мкм.
Таким образом, принимаем, что, используя термин «тонкость фильтрации», необходимо одновременно указывать эффективность фильтрации (выражаемую в %, или в виде коэффициента эффективности фильтрации ).
Эффективность фильтрации определяется как:
турбинный конденсат тонкость фильтр
(1)
Чаще используют коэффициент эффективности фильтрации , являющийся обратной величиной дроби в приведенной выше формуле:
(2)
Абсолютная тонкость фильтрации (например, 5 мкм) указывает на то, что все частицы размером x 5 мкм будут задержаны с эффективностью 99.98 % , то есть только 1 частица из 5000 ( = 5000) сможет пройти через фильтрующий элемент. (Внешняя противоречивость определения «абсолютный», подразумевающего 100%, в сочетании со значением меньшим, чем бесконечность, является результатом ограниченности методики измерений даже с использованием счетчиков частиц последнего поколения).
Для определения абсолютной тонкости фильтрации фильтроэлементов, производители должны использовать модифицированный тест эффективности OSU-F2 (Oklahoma State University), применяя для этой цели тонкодисперсную тестовую кремниевую пыль для воздухоочистителей ACFTD (Air Cleaner Fine Test Dust), диспергированную в воде, и проводя измерения при помощи прецизионных счетчиков частиц.
Тем не менее, множество других фирм не проводит таких испытаний, указывая для своих элементов произвольно принятые значения эффективности, которые оказываются существенно меньшими при применении вышеуказанного теста или при практическом применении фильтрационных приложений.
Часто вместо абсолютной тонкости фильтрации производители указывают номинальную тонкость фильтрации, которая характеризует степень улавливания частиц указанного размера при эффективности 90 - 98 % ( = 10 - 50), при этом само значение эффективности не указывается.
Массовая эффективность
Эту величину можно определить аналогично уравнению (1), подставляя вместо количества частиц их массу:
Точное определение массовой эффективности, установленной таким образом, представляет собой сложную задачу даже в лабораторных условиях. Поэтому в условиях измерений на конкретном объекте можно воспользоваться приближенной величиной:
(3)
где : масса частиц, задержанных на мембране с тонкостью фильтрации (?), означает: масса частиц, задержанных на мембране с абсолютной тонкостью фильтрации ?
Несмотря на приблизительный характер этой величины, следует признать, что ее значения в полной мере характеризуют свойства фильтрующих элементов.
Практические аспекты использования понятий «тонкость фильтрации» и «эффективность фильтрации»
Тонкость фильтрации.
Для наглядного представления отличий между понятиями абсолютной тонкости фильтрации и точно неопределенной, хотя обозначенной, как абсолютная тонкость, были проведены сравнительные испытания элементов A (10 мкм абс.) и других элементов B (обозначенных, как 10 мкм) в потоке технологического конденсата. Соответствующие данные приведены ниже на Рис. 1.
Рис. 1 Зависимость массовой эффективности улавливания загрязнений фильтрующим элементом в зависимости от тонкости фильтрации применяемой испытательной мембраны
Анализ представленных данных на Рис. 1 приводит к однозначному выводу: элементы B не являются элементами с абсолютной тонкостью фильтрации 10 мкм. Согласно приведенным выше определениям они представляют собой элементы с эффективностью 90% для размера частиц 10 мкм (при этом = 10, а не 5000).
Существенна ли разница между фильтрами с тонкостью фильтрации 90 % и 99.98 %?
Правильный ответ звучит так: Да, и очень существенна!
Хотя в повседневной жизни мы очень часто пользуемся понятием процентов, их истинное значение часто ускользает от нас, и мы полагаем, что «все, что больше 90%, - это одинаково много». Насколько ошибочным является такой подход, мы покажем далее.
При определении эффективности фильтрации (хотя обсуждаемое здесь понятие имеет общий характер), следует помнить, что величина этой эффективности, например, S = 80, 90, 95, 99, 99,5, 99,8, 99,98% означает соответственно 5, 10, 20, 100, 200, 500, 5000-кратное уменьшение количества загрязнений (в массовом или количественном измерении). На практике это означает, что из 1000г загрязнений фильтр с абсолютной тонкостью фильтрации (эффективность = 99,98 %) «пропустит» 0,2г (и уловит 999,8 г) загрязнений, в то время как фильтр с номинальной тонкостью фильтрации (эффективность = 90%) «пропустит» 100г (уловит 900 г). Следовательно, масса загрязнений после «абсолютного» фильтрующего элемента будет в 500 раз меньше, чем после фильтрующего элемента с эффективностью S=90%.
Поэтому с практической точки зрения удобнее пользоваться понятием коэффициента эффективности фильтрации , которое более наглядно характеризует степень снижения содержания загрязнений.
Эффективность фильтрации.
Данные, показанные на Рис.1, подчеркивают еще один важный аспект использования фильтрующих элементов. Элементы с заявленной тонкостью фильтрации 10 мкм удерживают также частицы с размерами намного меньшими, чем 10 мкм. Для приведенных здесь исследований массовая эффективность улавливания для элементов „A”, при уровне задержания 0,45 мкм составила около 93,5 %, следовательно, при помощи такого элемента из фильтруемого потока эффективно удаляется подавляющее большинство загрязнений во всем диапазоне размеров частиц, а частицы размером >10 мкм таким фильтром удаляются полностью.
Почему так происходит?
Фильтрующий элемент, а особенно, глубинный элемент, задерживает загрязнения не только подобно сетке с заданным размером ячеек (такое улавливание называют прямым захватом). В его структуре, соответствующим образом профилированной, действуют также и другие механизмы задержания, в том числе: инерционное задержание, абсорбция на волокнах и диффузионные механизмы. Все эти факторы приводят к тому, что правильно сконструированный фильтрующий элемент обеспечивает очень высокую эффективность задержания загрязнений в широком диапазоне размеров частиц. Следует отметить, что на эффективность фильтрации могут, помимо размера частиц, влиять также параметры плотности потока на единицу поверхности фильтрующего элемента и характер присутствующих загрязнений.
Практические применения фильтрующих элементов и подбора подходящего фильтрующего элемента для данного потока мы будем детально рассматривать на примере исследований потока турбинного конденсата.
Характер и количество загрязнений, присутствующих в турбинном конденсате
Всякий раз перед потенциальным применением системы фильтрации необходимо провести тестовые исследования, позволяющие определить свойства конденсата и надлежащим образом оптимизировать предполагаемую систему фильтрации. Такие исследования проводились для ряда электростанций, их результаты приведены в [1,2]. В процессе исследований особое внимание уделялось значению TSS, количеству частиц, их размерам, а также химической природе загрязнений в зависимости от фазы работы энергоблока.
Далее приведены лишь отдельные, наиболее интересные данные из собранных на протяжении более чем 10 лет исследований.
Характер загрязнений.
С целью изучения химической природы загрязнений осадок, скопившийся на тестовых мембранах (после фильтрации турбинного конденсата, полученного в процессе устойчивой работы блока и на этапе пуска) анализируется при помощи сканирующего электронного микроскопа, оснащенного рентгеновским детектором. Далее на Рис. 2 и 3 показаны снимки поверхности тестовых мембран (абсолютная тонкость фильтрации 5 мкм) и результаты анализа скопившихся на них загрязнений. Эти результаты получены с интервалом примерно 4 часа в процессе исследований турбинного конденсата в течение одного пуска.
Рис. 2
Количество минеральных загрязнений, встречающихся в потоках турбинного конденсата, зависит от фазы работы энергоблока: на этапе пуска, особенно после длительного простоя, их концентрация может кратковременно возрастать, до значений свыше 5 ppm (масс.)((1) ppmw - весовых частей на миллион (parts per million by weight - 1/1 000 000),
ppbw - весовых частей на миллиард (parts per billion by weight - 1/1 000 000 000),1), в то время как в период стабильной работы блока она, обычно, не превышает 50-80 ppb (масс.). На Рис. 4 показаны зафиксированные концентрации загрязнений в турбинном конденсате для нескольких польских электростанций в периоды пуска их энергоблоков. Как видно из рисунка, максимальные значения могут достигать и 10 ppm (масс.) (около. 10 мг/л), в то же время средние значения, осредненные для проб, отбираемых каждые 2 часа, существенно ниже.
Рис. 4 Максимальные и средние значения концентрации загрязнений в турбинном конденсате в периоды пуска на трех польских электростанциях - A, B, C
Распределение размеров частиц загрязнений
Здесь можно воспользоваться либо понятием количественного распределения загрязнений и, таким образом, определить отношение количества частиц загрязнений из заданного интервала размеров к общему количеству частиц, присутствующих в конденсате, либо понятием массового распределения загрязнений, определяющего массовую долю загрязнений, имеющих частицы данного размера.