Водно-химический баланс является одним из важных критериев нормального функционирования тепловой или атомной электростанции, а также любой локальной системы теплоснабжения. Чтобы продлить срок эксплуатации энергетического оборудования в условиях, повышенных температур и давления, нужно выполнять жёсткие ограничения на ионный состав водного теплоносителя с целью уменьшения образования отложений и коррозии. Это требует непрерывного мониторинга химического состава технической воды, поступающей в замкнутые циклы электростанций или систем отопления. Проект посвящён развитию основных принципов и созданию прототипов устройств для мониторинга жёсткости и скорости течения технической воды в структурах теплоснабжения энергосистемы. Предлагаемые подходы базируются на электрохимическом принципе, согласно которому техническая вода является электролитом с определённым химическим составом и электропроводностью. На основе данного принципа в проекте разрабатываются: новые методы и измерительные устройства для определения жёсткости технической воды в системах теплоснабжения с помощью непрерывного измерения концентрации ионов металлов и электропроводности водного электролита; новый способ и измерительное устройство для прецизионного определения скорости водного потока в замкнутых водоотопительных циклах.

Известно, что жёсткость технической воды наряду с уровнем содержания свободного кислорода является одним из двух важнейших факторов, которые влияют на эффективность процесса теплоотдачи водного теплоносителя и срок службы оборудования в структурах теплоснабжения различного типа (ТЭС, ТЭЦ, локальные системы теплоснабжения). Повышение уровня жёсткости, связанное с увеличением концентрации ионов металлов в водной среде, будет способствовать образованию накипи в системе трубопроводов замкнутого теплообменного цикла и тем самым уменьшит к.п.д процесса теплопередачи. Это может привести к значительным энергетическим потерям в системах водоотопления также, как и в случае нарушения скоростного режима водного теплоносителя. Чтобы избежать возникающих проблем, нужно разрабатывать эффективные методы и устройства для непрерывного мониторинга водно-химического баланса и скоростного режима водной среды. В таком разрезе предлагаемый проект является актуальным и направлен на решение конкретных задач энергосбережения.

1. Устройство и подход для контроля жёсткости технической воды на основе метода кондуктометрии водного электролита. Основными задачами исследования являются подбор конструктивных параметров прибора, подбор питающей сети, выявление зависимости выходного сигнала от концентрации (жесткости) воды. Подбор конструктивных электрических параметров прибора проводится с целью получения приемлемой чувствительности прибора. Для этого проводилась экспериментальная проверка чувствительности прибора при различных конструктивных параметрах (число витков, диаметр трубки жидкостного контура и т.д.). Аналитически выявить зависимость чувствительности прибора от частоты питания сети сложно, поэтому было принято решение проводить экспериментальные исследования. Программой экспериментальных исследований было предусмотрено проводить замеры выходного сигнала при изменении частоты от 3-20 кГц при разной жесткости испытуемого раствора.

2. Непрерывный мониторинг жёсткости технической воды на основе измерения концентрации ионов металлов с помощью мембранного датчика. Для определения ионного состава водного раствора широко используются мембранные датчики на основе ионно-селективных электродов со сменными мембранами, которые позволяют определять концентрацию ионов различных типов с высокой степенью точности. Известно, что мембранный датчик является измерительной системой первого порядка с переходным режимом работы. Поэтому стандартный измерительный метод в лабораторных условиях включает отбор водных проб из трубопровода с определённой периодичностью, возможную предподготовку пробы и само измерение после достижения датчиком стационарного режима работы в минутном интервале времени. Данный метод хорошо апробирован и будет весьма эффективен в том случае, когда ионный состав водного теплоносителя, текущего в трубопроводе, заметно отклоняется от допустимого на пространственных масштабах, которые определяются скоростью водного потока и суммарным временем, включающим период измерительного процесса и длительность отдельного измерения. Если масштаб отклонений значительно меньше указанной величины, то всегда возникает опасность, что можно не «увидеть» заметное нарушение водно-химического режима, которое будет иметь место в промежутке между соседними измерениями. Чтобы избежать подобной ситуации, необходимо сделать измерительный процесс непрерывным. Для этого мембранный датчик нужно поместить в проточную систему с возможной предподготовкой водного потока (фильтрование твёрдых частиц, установление требуемого pH-фактора и ионной силы раствора, маскировка мешающих ионов) и затем передавать оцифрованный сигнал для дистанционной обработки в соответствующей информационно-измерительной среде. При таком подходе мониторинг ионной концентрации водного потока будет вестись на временных масштабах, определяемых соотношением сигнал/шум аналогового сигнала мембранного датчика и частотой выборки аналого-цифрового преобразователя, например, микроконтроллера. Если изменение ионного состава водной среды происходит на временах, значительно превышающих постоянную времени датчика, что составляет несколько секунд, то он успевает перейти в стационарный режим работы. В противном случае нужно учитывать особенности переходного режима работы мембранного датчика в ходе измерительного процесса. С помощью быстродействующего метода определения ионной концентрации в водной среде на основе ионно-селективных электродов возможен непрерывный контроль её химического состава. Точность непрерывных измерений сравнима с точностью традиционных дискретных, которые проводятся в стационарном режиме работы мембранного датчика. Это сделает надёжной получаемую информацию об ионном составе воды и позволит отслеживать его правильные изменения в режиме реального времени. Отметим, что соответствующая информационно-измерительная система достаточна проста по своей конструкции и не потребует значительных денежных затрат при реализации.

3. Устройство для измерения скорости потока электропроводящей жидкости состоит из микроконтроллера, выполняющего роль программируемого генератора прямоугольных импульсов (длительность импульсов варьируется в интервалах от 0,1 до 10 с) и фиксирующего амплитуду тока в строго определенные моменты времени; двух операционных усилителей, необходимых для формирования и инвертирования прямоугольных импульсов, генерируемых микроконтроллером; одного транзисторного усилителя для масштабирования токового сигнала, получаемого от системы электродиффузионных электродов; макроэлектрода, служащего для насыщения электропроводящей жидкости заряженными ионами, и платинового микроэлектрода, являющегося измерительным элементом системы. С помощью экспериментальной установки проводится комплекс работ по написанию и отладке программного обеспечения информационно-измерительной системы и реализация системы на микропроцессорной базе.

Инновационная составляющая проекта определяется стремлением создать недорогие и конкурентоспособные устройства непрерывного мониторинга водно-химического баланса и скоростного режима водного теплоносителя в системах теплоснабжения Республики Татарстан, так чтобы расходы на создание, эксплуатацию и обслуживание данных контролирующих приборов были значительно меньше экономических потерь, вызванных перерасходом энергии. Проведено обоснование инновационности проекта, который планируется разработать, создать и предложить для реализации в различных структурах энергосистемы. Срок окупаемости затрат на внедрение оборудования составляет 1,5 года, что меньше срока, окупаемости сравниваемого оборудования. Следовательно внедрение данного оборудования экономически оправдано.

На страницу проекта