Основой стабильного функционирования и развития любой страны мира является степень развития ее электроэнергетики. От ее устойчивой и слаженной работы зависит как промышленный сектор, так и непосредственно население. Напрямую зависит социально-экономическое развитие страны.

В России имеется более 700 различных типов электростанций, с общей установленной нормой выработки порядка 225 ГВт. Большая часть из этих электростанций является тепловыми (более 68 %), работающими на органическом топливе (природный газ, мазут, ископаемые угли).

Громадную роль тепловая электроэнергетика играет в Восточной части страны, за Уралом, особенно на территории Арктической зоны России, имеющей сложные природно-климатические условия для функционирования промышленности и проживания граждан.

В данном контексте тепловые электростанции, часто обеспечивающие огромные по протяженности площади с большой численностью населения, являются важнейшими стратегическими объектами жизнеобеспечения, особенно в зимний период. Исходя из того, что одним из важнейших элементов для генерации электроэнергии на электростанциях подобного типа являются паровые котлы высокого и сверхвысокого давления актуальность глубокого анализа факторов, негативно сказывающихся на эффективности работы данного оборудования и разработки мер по предупреждению аварий с соблюдением правил и норм котлонадзора является несомненно актуальной научно-производственной задачей.

Современный паровой котел высокого давления, созданный для генерации пара, имеющего определенный физические характеристики и предназначенного для обеспечения вращения турбины, вырабатывающей электроэнергию, является, несомненно, сложным технологическим производственным объектом повышенной опасности.

В гармоничной и безаварийной работе парового котла высокого давления имеет большое значение множество факторов: качество материала из которого изготовлен котел и все его элементы, качество конструкций соединений и креплений элементов, режим его эксплуатации.

Столь сложный механизм, как паровой котел высокого давления, относящийся к ОПО 2 группы, должен обслуживаться высококвалифицированным персоналом и содержаться (обслуживаться, ремонтироваться и налаживаться) исключительно в соответствии с “Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов” [1]. Экономия на обучении персонала, нарушение режимов обслуживания и карт ремонта данного оборудования, либо отказа от его поддержки и ремонта вовсе неизбежно приведут со временем к авариям и повреждениям котлов, с возможным травмированием персонала и нанесением большого ущерба электростанции и потребителям.

К сожалению, на сегодняшний момент на российских теплоэнергетических станциях (ТЭС), включаю ТЭЦ (теплоэнергоцентрали) сложились два негативных для поддержания безопасности функционирования оборудования, в частности паровых котлов, тренда:

- лавинообразное нарастание процесса старения основного оборудования электростанций;

- резкое сокращение научно-технического потенциала отрасли [2].

Анализ факторов, позволяет констатировать, что:

1) в настоящее время, происходит максимальная экономия инвестиций в обновление и поддержание на соответствующем технологическом уровне оборудования ТЭС;

2) не вкладываются достаточные средства в исследования и разработку новых методов и приборов, позволяющих не только обнаруживать отдельные дефекты, но и оценивать состояние и остаточный ресурс оборудования в целом.

Это в совокупности наносит колоссальный ущерб безопасности объектов котлонадзора на ТЭС России и ставит под угрозу стабильное снабжение электроэнергией потребителей на весьма значительной территории.

В настоящее время в научной литературе и публицистике недостаточно, на наш взгляд, проработан анализ причин, вызывающих аварий паровых котлов и мер для их предупреждения с современной точки зрения.

В данной работе посредством проведения причинно-следственного анализа указанной проблематика мы постараемся в определенной мере восполнить этот пробел.

Причины, приводящие к авариям различной тяжести при эксплуатации котлов высокого давления, можно дифференцировать на пять основных групп:

- аварии, являющиеся следствием определенных нарушений водоподготовки и водного режима питания парового котла;

- аварии, связанные с упуском воды при эксплуатации котла;

- аварии паровых котлов, связанные с превышением рабочего давления выше заданного эксплуатационного;

- аварии, связанные с межкристаллической коррозией металлов конструкции;

- аварии, связанные с износом элементов парового котла [3].

Рассмотрим каждую группу причин, приводящих к тем или иным авариям паровых котлов высокого давления в отдельности.

1. Аварии, являющиеся следствием определенных нарушений водоподготовки и водного режима питания парового котла.

а) важность правильной водоподготовки питательной воды для котла высокого давления

Надежность работы поверхностей нагрева котельных агрегатов зависит от качества питательной и подпиточной воды. Вода является универсальным растворителем и вместе с ней в котел поступают различные минеральные примеси. Данные примеси делятся на трудно- и легкорастворимые.

К числу труднорастворимых примесей относят соли гидроксида Ca и Mg. Основные накипеообразователи характеризуются тем, что при повышении температуры их растворимость падает. Таким образом, накапливаясь в котле, по мере испарения воды, эти примеси после прохождения точки насыщения выпадают в воде. Прежде всего это соли жесткости – Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, CaCO₂, MgCO₂.

Их центрами кристаллизации являются различные шероховатости на поверхности нагрева, взвешенные и коллоидные частицы, находящиеся в воде котла. Вещества, которые кристаллизуются в объеме воды, образуют взвешенные в ней частицы, так называемый шлам. Вещества, кристаллизующиеся на поверхности нагрева, образуют плотные и прочные отложения – накипь.

Одним из самых отрицательных свойств накипи является ее весьма низкая теплопроводность (0,1-0,2 Вт/м*К). Поэтому даже малый слой накипи приводит к резкому ухудшению условий охлаждения металла поверхностей нагрева и вследствие этого к повышению его температуры, что может привести к потере прочности стенки котла и его разрушению.

Кроме солей жесткости вредным фактором, создающим опасность безаварийного функционирования парового котла, является щелочность воды. Она приводит к явлению вспенивания воды в барабане. При этом сепарационные устройства не могут эффективно обеспечить отделение капель воды от пара, соответственно, щелочная вода из барабана, может поступать в пароперегреватель, тем самым создавая опасность его загрязнения. Кроме того, повышенная щелочность может являться причиной щелочной коррозии металла и возникновению трещин в местах вальцовки труб в коллекторы и барабан.

Также весьма важным фактором качества воды, которое необходимо контролировать при ее использовании для питания паровых котлов высокого давления – это содержание агрессивных газов, например, таких как, кислород и диоксид углерода. Они вызывают коррозию металлов, это в свою очередь ведет к потере их прочности и созданию потенциальной аварийной ситуации [4].

Таким образом, основной задачей водоподготовки является борьба с коррозией и накипью. В данном случае в качестве эффективного метода предотвращения аварии парового котла высокого давления является учет химического состава используемой питательной воды для котла, так как в каждом регионе России вода имеет свои водно-щелочные и солевые свойства.

Учитывая это обстоятельство, необходимо грамотно подбирать процессы, способствующие удалению вредных примесей и агрессивных газов из воды: фильтрация, умягчение воды способом катионного обмена, деаэрация воды.

б) важность правильной организации водного режима для эффективной работы парового котла высокого давления

Водный режим питания парового котла должен рассчитываться и поддерживаться на оптимальном уровне в зависимости от его паропроизводительности и рабочего давления. Эксплуатация котла должна вестись согласно Правилам по эксплуатации котлов.

Учет указанных факторов, позволит обеспечить безаварийную и экономичную работу паровых котлов высокого давления.

2. Аварии, связанные с упуском воды при эксплуатации котла.

Согласно правил и требований, приведенных в работе [5] в отношении уровня воды для парового котла, существует следующее требование – “…верхний допустимый уровень воды в паровых котлах устанавливается разработчиком проекта котла…”. Таким образом, уровень воды в паровых котлах должен быть выдержан оператором котельного оборудования в пределах, указанных в технической документации к той или иной марке котла.

Значительный процент аварий паровых котлов высокого давления, происходит именно из-за упуска воды при эксплуатации. Согласно [6] основными причинами упуска воды являются:

- неисправность (отказ в работе) питательных устройств;

- неисправность питательного вентиля, обратного клапана или авторегулятора подачи питательной воды в котел;

- сильная утечка воды из котла в результате разрыва труб, коллекторов, появление свищей в барабанах и т.п.;

- отказ запорной арматуры на линиях продувки в момент продувки котла;

- невнимательного операторов котельного оборудования;

- нарушение производственной инструкции.

Упуск воды в котле высокого давления может иметь самые тяжелые последствия, вплоть до взрыва котла. В связи с тем, что часть барабана котла и кипятильных труб перестают охлаждаться, возникает локальный перегрев металла. Если после упуска воды попытаться продолжить подачу воды до регламентированного уровня, то в результате термических перенапряжений могут произойти разрывы стенок труб, коллекторов, барабанов. Для ликвидации опасной ситуации необходимо произвести аварийную остановку котла, отключить котел от паропровода и питательного трубопровода и медленно охлаждать котел при остановленном дымососе и вентиляторе.

Эффективным методом предупреждения аварий паровых котлов по рассмотренной причине является установка на котлах автоматической производственной сигнализации, фиксирующей уровень питательной воды в котле. Эта задача частично решена – в новых конструкциях котлов высокого давления предусмотрена автоматическая звуковая и световая сигнализация, срабатывающая при упуску воды из парового котла. Однако большинство котлов в нашей стране являются морально устаревшими, при функционировании которых вся ответственность за соблюдением уровня воды ложится на оператора установки. Этот субъективный фактор, ведет к росту аварий и необходимости внедрения современного оборудования.

3. Аварии паровых котлов, связанные с превышением рабочего давления выше заданного эксплуатационного.

Главными причинами роста давления в котле выше разрешенного являются:

- внезапное уменьшение (прекращение) расхода пара;

- чрезмерная форсировка топки (особенно данная причина актуальна при работе котла на мазуте и газообразном топливе).

Согласно информации, приведенной в работе [2] порядка 80 % генерирующих мощностей тепловых электростанций в Европейской части России (включая Урал) работают на газе и мазуте, в то же время в Восточной части России более 80 % генерирующих мощностей ТЭС работают на угле.

Таким образом, учет данной причины, при анализе промышленной безопасности парового котла высокого давления (котлонадзор), наиболее актуален для теплоэнергетических предприятий Европейской части России.

Эффективной мерой для нивелирования опасности в работе котла, которую может спровоцировать неконтролируемый рост давления являются предохранительные клапаны, установленные на котле и отрегулированные на давление в соответствии с указаниями Правил.

Данные клапаны обязаны защищать котлы и пароперегреватели от превышения в них давления более чем на 10 % от расчетного. Работа котлов с неисправными или неотрегулированными предохранительными клапанами запрещается. Невыполнение указанных требований приводит к взрыву котлов от превышения давления [3].

4. Аварии, связанные с межкристаллической коррозией металлов конструкции.

Коррозия – одна из основных причин отказов в работе паровых котлов. Согласно выводам, приведенным в работе [7], интенсивной коррозии подвержены даже высоколегированные и аустенитные стали. Как уже отмечалось выше, в анализе правильной водоподготовки питательной воды для котла вода, а точнее примеси которые она содержит и ее pH негативно влияют на состояние металла конструкции котлового оборудования.

Химическое действие на металл котла щелочной воды приводит к коррозионным разъеданиям, которые значительно ослабляют конструкцию котла.  Интегральный эффект от термохимического и механического воздействий приводит к тому, что в металле барабана котла появляется межкристаллическая коррозия (коррозионное) растрескивание и иные дефекты структуры металла.

Межкристаллическая коррозия возникает в металле под воздействием близких к пределу текучести механических и растягивающих напряжений. Вследствие этого металл приобретает хрупкость и в нем возникают микротрещины, со временем трансформирующиеся в сквозные. Данный вид коррозии может возникать в вальцовочных, заклепочных, сварных соединениях барабанов и коллекторов котлов. Как правило, изначально обнаружить данный вид коррозии очень сложно, так как, во-первых, она возникает в местах недоступных непосредственному осмотру, во-вторых, при внутреннем осмотре котла, коррозию можно обнаружить только по явно выраженным трещинам.

Таким образом, межкристаллическая коррозия, является фактором, который негативно действует на конструкцию котла и может создавать опасность его стабильной работы. Эффективной мерой профилактики в данном случае – тщательная водоподготовка, профилактические работы, осмотры, а также разработка новых способов и приборов для своевременного выявления межкристаллической коррозии.

5. Аварии, связанные с износом элементов парового котла.

Данные аварии можно разделить на два вида: технические и организационные. К организационным причинам можно отнести следующие: 1) некачественное проведение плановых и текущих ремонтов, внутренних осмотров и диагностики; 2) неисполнение требований котлонадзора [3].

Число аварий по указанной причине сравнительно невелико, необходимо отметить, что они сопровождаются большими разрушениями и травмированием обслуживающего персонала.

Таким образом, подводя итоги причинно-следственного анализа аварий паровых котлов и эффективных методов их предупреждения можно заключить, что соблюдение требований и правил котлонадзора и разработка новых приборов и методов диагностики неполадок котлов являются залогом их надежного функционирования и безаварийной работы.

1. Баранов П.А. Предупреждение аварий паровых котлов. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 272 с.
2. Баринов А.А. Перспективы развития электроэнергетики России // Анализ и прогнозы. – 2010. – №3 (322). – С. 13-14.
3. Прядченко Д.В. Анализ аварий паровых котлов высокого давления и причин их вызывающих // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2010. – №3/1 (45). – 20-24.
4. Моисеев Б.В. Водоподготовка и водный режим котельных установок: учебное пособие. – Тюмень: РИО ГОУ ВПО ТюмГАСУ, 2010. – 100 с.
5. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов (ПБ 10-574-03). Серия 10. Выпуск 24. / Колл.авт. – ГУП “Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России”, 2003. – 216 с.
6. Жуковский В.В. Пособие для машинистов и операторов котельной. – СПб.: ЦОТПБСП, 2003. – 108 с.
7. Васильев А.А., Дромиади А.А., Иванов Д.С., Ирдынчеев Г.Л., Толстой К.В. Межкристаллическая коррозия и ее развитие на основных элементах котла на примере парового двухбарабанного котла типа ДЕ-25-24-380-ГМО // Научные труды КубГТУ. – 2015. – №9. – С. 1-8.

Все статьи автора «Oleg sever»