Chemiczne usuwanie osadów z wirników turbin i maszyn wirujących.

Wojciech Majka - Ecol Sp. z o.o.
Charles D. Foster, James F. Harvey, and Jack W. Horvath - Aquilex HydroChem Inc.

 

 

Wprowadzenie

Obecna sytuacja gospodarcza na świecie i naturalne wyzwania związane z konkurencyjnością we wszystkich branżach, wymuszają na przedsiębiorstwach uważne monitorowanie swoich procesów produkcyjnych. Poszukiwane są nowe pomysły i metody, które umożliwiają utrzymanie tych procesów w maksymalnej wydajności. Generowanie zysków często osiągane jest za pomocą obniżania kosztów zamiast podnoszenia cen za produkty. Poprawa metod utrzymania ruchu jest znakomitą sposobnością osiągania długoterminowych oszczędności, jak również podniesienia niezawodności majątku produkcyjnego. Czyszczenie chemiczne pianą turbin parowych i gazowych jest jedną z praktyk utrzymania ruchu dającą wymierne korzyści w krótkim okresie czasu.

Przed energetyką stają coraz to większe wyzwania. Parametry pracy elektrowni, takie jak wytwarzana moc, sprawność (jednostkowe zużycie ciepła) oraz dyspozycyjność wytwarzania nigdy wcześniej nie były tak ważne. Oczywistym jest, że każde urządzenie w zakładzie wpływa na ogólną efektywność operacyjną, jednakże niektóre kluczowe urządzenia wymagają szczególnej uwagi. Turbiny są na szczycie tej listy. Zanieczyszczone układy przepływowe turbin kosztują ich użytkowników wiele pieniędzy utraconych na skutek powstawania strat w produkcji wynikających z pogorszenia sprawności i dyspozycyjności.

Czyszczenie chemiczne pianą jest od 25 lat uznaną i atrakcyjną ekonomicznie metodą usuwania osadów z układów przepływowych turbin, bez konieczności ich demontażu. Cały proces czyszczenia może być zrealizowany w ciągu 24 godzin w ramach kilkudniowego (z reguły 4-5 dni) postoju na czas wystudzenia turbiny do niezbędnego poziomu i na prace przyłączeniowe agregatu do płukania pianą. Po przeprowadzeniu procesu czyszczenia, turbina zostaje szybko przekazana do dalszej eksploatacji. Niniejszy artykuł prezentuje możliwości metody wynalezionej i proponowanej przez wiodącego na świecie dostawcy usług oczyszczania turbin - firmy Aquilex HydroChem z Houston, USA, której wyłącznym partnerem na terenie Europy Centralnej jest od 1 września 2011r. Ecol Sp. z o.o. z Rybnika. W artykule zaprezentowano metodykę prowadzenia procesu oczyszczania oraz zdjęcia i przykłady z realizacji.

Konkurencyjny rynek wymaga niskokosztowej produkcji. Operatorzy elektrowni starają się maksymalnie wydłużać okresy pomiędzy remontami kapitalnymi. Turbiny w trakcie pracy powinny generować maksymalnie dużo mocy, gdyż jej spadek o kilka lub kilkadziesiąt MW w dłuższej perspektywie czasu prowadzi do milionowych strat. W związku z tym wydajność musi być przywracana w sposób ekonomiczny, bez oczekiwania na planowany remont kapitalny. Kiedy spadek wydajności jest związany z pogorszonymi parametrami pracy turbiny (i jeżeli monitoring nie wskazuje na uszkodzenia mechaniczne) spadek ten często związany jest z obecnością osadów na elementach przepływowych turbiny. Tradycyjne rozwiązanie wymaga postoju remontowego, podczas którego dokonany zostaje demontaż turbiny, wyjęcie wirnika i poddanie obróbce strumieniowo ściernej zanieczyszczonych osadami elementów. Proces ten mimo że jest efektywny, jest również długotrwały i kosztowny.

Znakomitą alternatywą na szybkie i skuteczne przywrócenie nominalnych parametrów pracy turbiny jest metoda chemicznego czyszczenia za pomocą aktywnej piany. Nie wymaga ona demontażu turbiny, przez co gwarantuje znaczne oszczędności w porównaniu z konwencjonalnymi metodami czyszczenia. Chociaż technika ta znalazła uznanie jako optymalne rozwiązanie realizowane przy okazji planowanych remontów, obecnie jej zalety coraz częściej wykorzystywane są do przywracania nominalnych parametrów turbiny w trakcie eksploatacji. Takie podejście pozwala na duże uelastycznienie planowania okresów eksploatacji poprzez wydłużanie okresów międzyremontowych oraz na utrzymanie w miarę stałej wydajności pracy turbiny, bez oczekiwania na remont główny. Zastosowanie prezentowanej metody usuwania osadów za pomocą czyszczenia chemicznego pianą, zapewnia 100% skuteczność i uzyskanie nominalnej mocy w przeciągu zaledwie kilku dni.

Problem osadów w turbinie

W przypadku turbin parowych część zanieczyszczeń, które przejdą przez kocioł wraz z parą osadza się na elementach układu przepływowego. Łopatki turbin posiadają odpowiednio zaprojektowany kształt zapewniający najbardziej sprawną konwersję energii. Wydajność turbiny charakteryzowana jest m.in. wielkością jednostkowego zużycia ciepła oraz generowaną mocą. Wraz z przyrastaniem osadów na łopatkach ich kształt ulega zmianie, co ujemnie wpływa na parametry przepływu pary przez kanały łopatkowe. Prowadzi to do zmniejszenia generowanej mocy oraz w przypadku zatykania kanałów dyszowych, ogranicza przepływ pary. W sytuacji kiedy pogorszona jest przelotność turbiny ubytek jej mocy może być do pewnego stopnia skompensowany podwyższeniem ciśnienia na wlocie do turbiny. Niesie to za sobą jednak ryzyko dla części ciśnieniowej kotła i negatywnie wpływa na sprawność bloku.

Rozpuszczone tlenki miedzi i innych metali powstające w wyniku korozji elementów układu parowo-wodnego bloku (np. z rurek kondensatorów, podgrzewaczy regeneracyjnych, rur kotła etc.) oraz zanieczyszczenia wprowadzane razem z wodą kotłową, transportowane w parze osadzają się w różnych elementach obiegu. W wielu przypadkach osady te narastają w układzie przepływowym turbiny zmieniając jego aerodynamikę, co skutkuje pogorszeniem sprawności i obniżeniem osiąganej mocy.

Rozwiązanie problemu

Najlepszą metodą unikania problemu osadów w turbinach jest zapobieganie ich powstawania w eksploatacji układu wodno-parowego. W praktyce jest to bardzo trudne do osiągnięcia. Poprawnie prowadzona eksploatacja pozwala na znaczne zredukowanie transportu zanieczyszczeń, jednakże doświadczenie wskazuje, że nie eliminuje go całkowicie. Dlatego też okresowe czyszczenie układów przepływowych jest niezbędne w celu utrzymania odpowiednich parametrów eksploatacyjnych turbiny.

Osady w turbinach z reguły pojawiają się na blokach energetycznych, w których w układy wodno-parowe wykonane są ze stopów miedzi (w wymiennikach regeneracyjnych oraz kondensatorach). Osady te powstają w trakcie eksploatacji, gdy tlenki miedzi rozpuszczają się w wodzie kotłowej i są rozprowadzane po obiegu. Wypłukana miedź może się akumulować zarówno w postaci metalicznej jak również odkładać się w postaci fosforanów i innych soli. Takie zanieczyszczenie pogarsza przepływ pary przez turbinę, skutkując zmniejszoną mocą i wpływając na jednostkowe zużycie ciepła. Miedź, która w postaci metalicznej osadza się na elementach stalowych może przyspieszać korozję elektrochemiczną (miedź działa jak katoda, podczas gdy anoda- stop żelaza-stal ulega korozji). Substancje stosowane do eliminacji związków miedzi zazwyczaj oparte są na HCl, chelatach i utleniaczach alkalicznych. Technologia HydroChem wykorzystuje opatentowany rozpuszczalnik (CuSol TM) składający się z węglanu amonu, wody amoniakalnej i dodatku pianotwórczego. Poprzez utlenianie spienionego roztworu za pomocą czystego tlenu lub nadtlenku wodoru, miedź metaliczna jest utleniana do postaci tlenku miedzi, by móc być rozpuszczona przez CuSol TM. W zależności od natury osadów technologia przewiduje dodawanie lub pomijanie dodawania innych utleniaczy dla podniesienia skuteczności procesu.

Osady miedzi mogą się pojawiać na dyszach wlotowych, łopatkach i w innych miejscach w turbinie. Ponieważ charakterystyka rozkładu osadów może się różnić, niezbędne jest zapewnienie dokładnego kontaktu aktywnej piany z zanieczyszczonymi powierzchniami. Poprzez wtłaczanie spienionych chemikaliów do turbiny cały układ przepływowy aż do wylotu z czyszczonej części turbiny jest omywany aktywną pianą.

Po ostudzeniu turbiny do pożądanej temperatury wynoszącej 65÷75°C cały proces czyszczenia chemicznego zajmuje 24-36 godzin, włączając w to podłączenie agregatu pianowego do turbiny, płukanie pianą aktywną, płukanie pianą neutralizującą i płukanie parą. Podczas gdy turbina pozostaje na obracarce a jej temperatura pozostaje w zakresie 65-75°C piana jest wprowadzana bezpośrednio do skrzyni dyszowej przez zdemontowane zawory regulacyjne turbiny WP. Po usunięciu związków miedzi z turbiny, do jej wnętrza wprowadzona zostaje piana wodna (woda + dodatek pieniący) w celu wypłukania pozostałości aktywnych chemikaliów. Po tym etapie turbina jest przepłukiwana za pomocą nasyconej pary o niskiej temperaturze tak długo, aż przewodność kondensatu za turbiną jest równa przewodności pary wprowadzanej do turbiny. Parametry czystości są określane przez wydział chemiczny elektrowni nadzorujący projekt. Typowy czas uzyskania właściwych parametrów wynosi nie więcej niż 24 godz.

Przygotowanie projektu (pre-engineering)

Celem wizyty inżyniera technologa na turbinie przewidzianej do czyszczenia jest opracowanie dedykowanej procedury i technologii dla projektu. Zapewnienie właściwego odizolowania czyszczonej części przepływowej turbiny WP ma na celu zapobiegnięcie przedostawania się roztworu czyszczącego do innych elementów (np. do łożysk turbiny, kondensatora etc.) W niektórych sytuacjach wybrane rurociągi wymagać mogą przecięcia i wspawania króćców pomocniczych dla umożliwienia właściwej izolacji mytej turbiny jak również odbioru popłuczyn z procesu mycia. Z reguły dwudniowy pobyt inżyniera technologa na obiekcie jest wystarczający na analizę dokumentacji turbiny i przeprowadzenie fizycznej inspekcji wszystkich rurociągów, które będą brać udział w procesie czyszczenia. W ramach pre-inżynierii określone zostają miejsca rozlokowania sprzętu do czyszczenia, jak również miejsca gromadzenia chemikaliów i odpadów, oraz dostępu do mediów (para, woda i sprężone powietrze).

Opracowanie procedury czyszczenia wymaga analizy następujących uwarunkowań:

1. Miejsce wtrysku piany chemicznej,
2. Miejsce odbioru zużytej piany (po procesie przejścia przez turbinę),
3. Miejsce wtrysku środka pianogaśniczego,
4. Wentylacja systemu z oparów powstałych w procesie mycia,
5. Uszczelnienie trzpieni zaworów,
6. Uszczelnienie wału turbiny,
7. Zabezpieczenie kondensatora i podgrzewaczy wody,
8. Wymagania układu parowego co do parametrów czystości pary,
9. Procedura chłodzenia turbiny,
10. Miejsce neutralizacji i utylizacji odpadów.

Rys. 1. Schemat ideowy procesu czyszczenia turbiny pianą.

Proces czyszczenia pianą chemiczną. Odpowiednio przygotowana turbina (posiadająca wszelkie niezbędne miejsca do przyłączenia agregatu do czyszczenia) pozostaje na obracarce. Podczas proce utrzymywana jest temperatura pierwszego stopnia turbiny na poziomie 65-75°C. Proces rozpoczyna się od wprowadzenia piany na bazie wody (kondensatu) i środka pianotwórczego (baz aktywnych chemikaliów). Celem tego testu ciśnieniowego są: . sprawdzenie wszelkich połączeń pod kątem szczelności i ewentualnych przecieków, . sprawdzenie szczelności czyszczonej turbiny oraz ustawienie właściwych wydajności agregatu i jakości piany. Po tym etapie rozpoczyna się proces wtryskiwania piany aktywnej chemicznie. Stosowny roztwór chemikaliów jest pompowany ze zbiornika manewrowego przez podgrzewacz w celu ogrzania roztworu do wymaganej temperatury, a następnie do generatora piany, w którym dodawane jest powietrze. W wyniku mieszania z powietrzem agregat wytwarza chemiczną pianę o odpowiedniej konsystencji. Piana jest wprowadzana do turbiny za pomocą opatentowanego zaworu zainstalowanego w miejsce jednego z zaworów regulacyjnych turbiny, a następnie jest tłoczona przez czyszczoną turbinę WP. Kiedy piana przechodzi pomiędzy łopatkami wirnika osady miedzi są rozpuszczane i przechodzą do roztworu (Rys. 2).

Rys. 2. Łopatki turbiny podczas czyszczenia

Zanieczyszczona związkami miedzi piana opuszcza turbinę WP do rurociągów zimnej szyny, gdzie wtryskiwany jest specjalny roztwór gaszący pianę i zamieniający ją z powrotem w ciecz. Opatentowane przez HydroChem rozwiązanie zaworu dozującego pianę minimalizuje ryzyko samoczynnego gaśnięcia piany, co byłoby bardzo niepożądane dla skuteczności procesu. Podczas realizacji usługi wykonawca dostarcza na elektrownię wszelkie niezbędne przyłącza i adaptery umożliwiające przyłączenie zaworu dozującego w miejsce każdego typu zaworu regulacyjnego.

Kluczem do sukcesu czyszczenia pianą jest zapewnienie właściwej jakości i ilości piany (jednorodność, konsystencja, pompowalność etc.). Aktywna piana musi posiadać właściwości umożliwiające równomierne wypełnienie wszelkich przestrzeni i powierzchni z którymi się kontaktuje. Jest to niezbędne, ponieważ usunięcie osadów musi następować równomiernie dla całej turbiny oraz umożliwia to szybszy przebieg procesu.

Rys. 3. Typowy przekrój turbiny WP-SP. Kolorem niebieskim zaznaczono miejsca wypełnione pianą.

Zużyty roztwór jest następnie odprowadzany poprzez zainstalowany odpowiedni zawór drenażowy za pomocą pompy do zbiornika na odpady zlokalizowanego poza maszynownią. Podczas gaszenia piany powietrze i opary wytworzone w procesie mycia są usuwane poprzez odpowiedni krócieć do otoczenia. Proces trwa tak długo, aż cały przygotowany roztwór chemikaliów przejdzie w postaci piany przez czyszczoną turbinę. W celu oczyszczenia odcinka pomiędzy zaworem a komorą dyszową zamieniane są zawory przez które wprowadza się pianę. Odpowiedni sposób przyłączenia agregatu do turbiny umożliwia sprawne przeprowadzenie zmiany przepływu piany poprzez poszczególne zawory w sposób nie zakłócający przepływu piany przez turbinę. Proces czyszczenia pianą aktywną trwa około 5 godzin.

W celu możliwości bieżącej oceny koncentracji miedzi, pH i stężenia amoniaku ekipa wykonująca prace wyposażona jest w mobilne laboratorium chemiczne. Podczas czyszczenia pianą wykonuje się pomiar kilkunastu próbek w odstępach kilkudziesięciominutowych. Typowy trend zmiany zawartości miedzi w roztworze opuszczającym turbinę pokazuje rysunek 4.

Rys. 4 - Trend zmiany zawartości miedzi za turbiną

Po zakończeniu czyszczenia pianą aktywną rozpoczyna się cykl płukania pianą wodną. Przed tym etapem spuszczane są pozostałości aktywnych chemikaliów z najniższych punktów systemu. Następnie roztwór wody i środka pianotwórczego jest przetłaczany przez turbinę w celu usunięcia wszelkich pozostałości i chemikaliów. Jak poprzednio pobierane są do badania próbki popłuczyn. Badana jest przewodność tych próbek i monitorowana tak długo, aż osiągnie akceptowalny przez klienta poziom. Po tym etapie sprzęt do wytwarzania piany jest wyłączany. Przez turbinę przepuszczana jest para nasycona, której zadaniem jest usunąć wszelkie pozostałości. Podczas tego etapu przewodność kondensatu pobieranego z zimnej szyny jest monitorowana, a proces jest prowadzony tak długo, aż przewodność osiąga poziom wyznaczony przez klienta. Z reguły trwa to nie dłużej niż 12 godzin. W typowym procesie czyszczenia powstaje do ok. 20 ton odpadów, które po neutralizacji nie są odpadami niebezpiecznymi.

Rys. 5. Próbki pobrane podczas procesu czyszczenia

A - próbka skroplin pobrana podczas ogrzewania turbiny parą,
B - próbka CuSol TM przed wprowadzeniem do turbiny
C - próbka pobrana bezpośrednio po rozpoczęciu procesu tłoczenia piany chemicznej,
D - próbki pobrane podczas płukania piany chemicznej.

Rezultaty:

Proces chemicznego czyszczenia turbin w elektrowniach za pomocą chemicznie aktywnej piany jest od 25 lat skutecznie stosowany na świecie przez Aquilex HydroChem. Efekty czyszczenia są widoczne natychmiast po uruchomieniu turbiny ponieważ parametry pracy turbiny wracają do nominalnych. Dla właściwej oceny skuteczności czyszczenia bardzo często przeprowadzane są testy wydajności przed i po czyszczeniu. W wielu przypadkach prowadzi się porównania efektywności czyszczenia pianą w odniesieniu do efektów uzyskanych podczas oczyszczania strumieniowo-ściernego prowadzonego podczas remontu (przykładowy wykres poniżej).

Rys. 6. Przykład zmiany sprawności turbozespołu.

Rys. 7. Przykład przyrostu mocy po czyszczeniu pianą.

Wnioski:

Do chwili obecnej HydroChem przeprowadził na świecie ponad 450 skutecznych usług czyszczenia chemicznego turbin przy użyciu aktywnej piany. Klienci korzystali z proponowanej usługi zarówno podczas długich remontów jak również krótkich odstawień przewidzianych tylko i wyłącznie do usunięcia osadów miedzi. W każdym z przypadków proces był bezpieczną, niezawodna i efektywną kosztowo metodą przywracania właściwych parametrów technicznych turbiny. Mimo, że większość zrealizowanych usług czyszczenia dotyczy części wysokoprężnej turbiny HydroChem dysponuje również rozwiązaniami dla części średnio i niskoprężnej z zastrzeżeniem, że w tych przypadkach może być wymagane nieco inne przygotowanie do procesu. Rozwiązanie nadaje się również do oczyszczania turbin gazowych i kompresorów (sprężarek) z osadów powstałych z tłoczonego gazu.

Mając na uwadze, że usługa czyszczenia chemicznego realizowana jest na bardzo odpowiedzialnych i kosztownych urządzeniach HydroChem przeprowadził stosowne badania wpływu stosowanych chemikaliów na stopy metali używanych w konstrukcji turbin. Badania te wykazały, że stosowana procedura w żaden sposób nie uszkadza elementów turbin oraz nie wpływa negatywnie na przyszłą eksploatację turbiny. Potwierdzają to również uzyskane aprobaty producentów turbin.

Od 1 września 2011 Ecol Sp z o.o, poprzez głębokie partnerstwo z Aquilex HydroChem rozpoczęła sprzedaż usługi czyszczenia chemicznego pianą turbin na rynku europejskim, stając się wyłącznym partnerem Aquilex HydroChem na terytorium Europy Centralnej. Na mocy umowy o współpracy firma Ecol uzyskała dostęp do stosownego know-how technologii oraz sprzętu i jest przygotowana do realizacji zadań w tym zakresie. Ze względu na fakt, iż każdy projekt jest traktowany indywidualnie Ecol posiada dostęp do laboratoriów i inżynierów-technologów firmy Aquilex HydroChem umożliwiający szybkie i skuteczne reagowanie na potrzeby klienta. Wieloletnie doświadczenie i potencjał Ecolu jako wiodącego wykonawcy szeregu innych czyszczeń technologicznych dla elektrowni (np. hydrodynamiczne czyszczenia układów olejowych turbin, rurociągów parowych oraz wymienników i powierzchni ogrzewalnych kotłów powoduje, że nowa proponowana grupa usług stanowić będzie ciekawe rozwiązanie dla energetyki polskiej i europejskiej.

 

 

Wykaz źródeł literatury przedmiotu:

1. C. D. Foster, James F. Harvey, and Jack W. Horvath: "Chemical Foam Cleaning Technology for Steam and Gas Turbines" - HydroChem Industrial Services, Inc.

2. C. D. Foster, J. Trimble, "Foam cleaning Boosts Turbine Output," Power Engineering, Vol. 103, No. 3, March 1999.

3. J. R. Ruck and C. D. Foster, "Chemically Foam Cleaning High Pressure Steam Turbines," Proceedings of the 59th Annual International Water Conference, October 1998, Paper No. IWC-98-30.

4. J. W. McCoy, Industrial Chemical Cleaning (1984), Chemical Publishing Co., Inc., New York, NY, pp. 153-155.

5. J. Gutzeit, MTI Publication No. 51, Cleaning of Process Equipment and Piping (1997), Materials Technology

6. Institute of the Chemical Process Industries, Inc., 1215 Fern Ridge Parkway, Suite 116, St. Louis, MO 63141-4401), pp. 219-239.

7. TPC Publication No. 8, Industrial Cleaning Manual (1982), National Association of Corrosion Engineers, 1440 South Creek Dr., Houston, TX 77084.

8. TPC Publication No. 6, A Bibliography on Chemical Cleaning of Metal, Volumes 1, 2, and 3, NACE International Membership Services Department, P.O. Box 218340, Houston, TX 77218-8340.

9. Peter Lalona and Fred Glaser, "Consider Foam Cleaning For Turbines," Power, March 1980, McGraw-Hill, Inc.

10. J. R. Scully and H. S. Scully, "Investigation of the Environmental Cracking Susceptibility of AISI 422 Stainless

11. Steel in NH4HCO3/NH4OH Solution at 70oC," Center of Electrochemical Sciences and Engineering, Department of Materials Science and Engineering, University of Virginia, Charlottesville, VA 22901.

12. Steven T. Arrington and Gary W. Bradley, United States Patent Number 5,009,714, Process For Removing Copper and Copper Oxide Deposits From Surfaces (1991).

13. Charles D. Foster, United States Patent Number 5,018,355, Method And Apparatus For Periodic Chemical Cleanings Of Turbines (1991).

14. Charles D. Foster, United States Patent Number 5,090,205, Methods And Apparatus For Periodic Chemical Cleanings Of Turbines (1992).

15. Charles D. Foster, United States Patent Number 6,311,704, Methods And Apparatus For Chemically Cleaning Turbines (2001).

16. Charles D. Foster, United States Patent Number 6,478,033, Methods For Foam Cleaning Combustion Turbines (2002).

17. Charles D. Foster, United States Patent Number 6,491,048, Manifold For Use In Cleaning Combustion Turbines (2002).

18. Dave Daniels, John Latcovich: "A Copper-Plated Thief: The Problem of Copper Deposits in Turbines" - The Hartford Steam Boiler Inspection and Insurance Company. The Locomotive

19. Dr. Robert Peltier, David Daniels: "Preventing Copper Deposition in Steam Turbines" - Power Business & Technology, May 2011

do góry