Способ и устройство для предотвращения коррозии в системах горячего водоснабжения - RU2475568C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится в общем к способам ингибирования коррозии в системах горячего водоснабжения. Конкретнее, данное изобретение относится к измерению в реальном времени окислительно-восстановительного потенциала при рабочих температуре и давлении в одной или более рабочих защитных зонах, чтобы, с учетом результатов этих измерений, регулировать подачу активных химических веществ. Данное изобретение имеет особое значение для того, чтобы локально и/или глобально ингибировать коррозию в простых или сложных системах горячего водоснабжения.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Системы горячего водоснабжения обычно состоят или целиком из черных металлов, или же из смешанных металлов, например, системы из меди или медных сплавов, из никеля и сплавов на основе никеля, и из нержавеющей стали, а также в них могут быть включены компоненты из малоуглеродистой стали. Существует большое количество общих классов/компонентов систем горячего водоснабжения, например котлы, нагревательные приборы водяного отопления, теплообменники, генераторы пара, системы атомных электростанций, системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания и дизелей, системы испарителей, термические опреснительные системы, технологические процессы изготовления бумаги, процессы ферментации и т.п., а также связанные с ними вспомогательные устройства. Они представляют собой динамические рабочие системы, которые подвержены воздействию множества явлений, связанных с Redox-воздействиями (т.е. электрохимических явлений в системах горячего водоснабжения, связанных с изменениями окислительного или восстановительного потенциала). Такие явления обычно включают любые процессы, которые подразумевают существование в системе пространства, или режима, окислительно-восстановительного потенциала (ОВП).

Эти явления являются результатом ряда факторов, включая утечки из различных компонентов системы, загрязнения, поступающие из воздуха в результате существования утечек, неисправности насосов, уплотнений, вакуумных линий и клапанов. Кроме того, увеличенное потребление обогащенной кислородом воды, например подпиточной воды для котлов, возвратного конденсата пара и/или неочищенной поверхностной или подпочвенной воды, неисправности деаэрирующих систем, колебания подачи пара и нагрузки турбин, а также проблемы с насосами, подающими химические вещества, вызывают незапланированное снижение или увеличение расходов веществ для химической обработки. Неконтролируемые явления, связанные с REDOX-воздействием, могут вызвать в системах горячего водоснабжения серьезные коррозионные проблемы, такие как местная коррозия, коррозия под напряжением, коррозионная усталость и/или проблемы ускорения коррозии в потоке. По своей природе эти проблемы являются электрохимическими и, таким образом, связаны с окислительно-восстановительными свойствами при взаимодействии окружающей среды и материала структуры.

Хотя в настоящее время для идентификации событий, связанных с REDOX-воздействием в системах горячего водоснабжения, применяют некоторые обычные способы, из-за динамики систем горячего водоснабжения большинство событий, связанных с REDOX-воздействием, являются непредсказуемыми. Эти способы не нашли широкого применения, поскольку им присущи недостатки (см. ниже). Вследствие этого большую часть связанных с REDOX-воздействием событий не фиксируют и, таким образом, не корректируют. Неконтролируемые события, связанные с REDOX-воздействием, могут приводить к серьезным коррозионным проблемам в этих системах, которые отрицательно влияют на ожидаемый срок службы промышленного оборудования, надежность, производительность, безопасность, воздействие на окружающую среду, смету затрат и общие производственные затраты предприятия.

В настоящее время идентификация связанных с REDOX-воздействием событий включает методы испытаний, подразумевающие использование как подключенных в оперативном режиме приборов, так и «мокрого» химического анализа отобранных образцов. При обоих подходах образец перед проведением измерений следует подвергнуть кондиционированию, например охлаждению. Примеры подключенных в оперативном режиме приборов включают определители содержания растворенного кислорода, приборы для измерения катионной электропроводности, приборы для измерения ОВП при комнатной температуре, приборы для измерения рН, анализаторы натрия, анализаторы жесткости, измерители удельной электропроводности, анализаторы оксида кремния, измерители содержания частиц и мутности, анализаторы восстановителей и т.п. Общий мониторинг коррозии, например анализ образцов и электрохимический анализ, обычно проводят после охлаждения образца или при повышенных температурах. Методы проведения испытаний на отобранных образцах включают проведение анализа на растворенный кислород, рН, жесткость, оксид кремния, электропроводность, содержание общего и растворимого железа, меди и оксида кремния, избыток восстановителя и т.п.

Некоторые из недостатков этих методов включают следующее. Проведение анализа на отобранном образце дает единственную точку измерения во времени и, следовательно, не является жизнеспособным непрерывным способом мониторинга для вызванных REDOX-воздействием событий. К тому же эти методы часто обладают неадекватно низкими пределами определения. Подключенные в оперативном режиме мониторы не обеспечивают прямого измерения REDOX-воздействия и, таким образом, не могут указать, происходит в конкретное время событие, связанное с REDOX-воздействием, или нет. Мониторы коррозии фиксируют общую коррозию, но они не в состоянии измерять изменения скоростей местной коррозии, которая вызвана событиями, связанными с REDOX-воздействием. Подключенные в оперативном режиме анализаторы восстановителей измеряют количество восстановителя, но не в чистом виде REDOX-воздействие, которому подвергают систему при существующих в ней температуре и давлении. Таким образом, то, что REDOX-воздействие может существовать в явном присутствии восстановителя, является другим недостатком этого способа.

Сходными недостатками обладают измерители растворенного кислорода (РК). Измерение количества РК (окислителя), но необязательно REDOX-воздействия, которому подвергают систему, не является точным индикатором коррозионного воздействия. К тому же перед измерением РК образец следует охладить, что увеличивает время запаздывания при определении, если началось событие, связанное с REDOX-воздействием. Кроме того, возможность поглощения кислорода в линии отбора образцов может привести к неточным замерам. REDOX-воздействие может также происходить и в кажущемся отсутствии РК, и малое значение РК в образце (или его отсутствие) потенциально может быть ошибочно отрицательным. Кроме того, все вышеописанные приборы имеют относительно высокую стоимость и требуют частой калибровки и обслуживания.

Образцы для коррозионных испытаний дают усредненный по времени результат для общей коррозии в системе. И опять, этот способ не позволяет проводить замеры в реальном времени или же регулировать события, связанные с REDOX-воздействием. Подключенные в оперативном режиме средства измерения для электрохимической коррозии являются неадекватными для определений местной коррозии, и их нельзя применять в средах с низкой электропроводностью.

ОВП при комнатной температуре представляет собой прямое измерение в чистом виде ОВП образца, отобранного из системы. Недостатком этого способа является то, что он не способен указать, что происходит в системе при данных температуре и давлении. Связанные с REDOX-воздействием события, происходящие при рабочих температуре и давлении, часто невозможно наблюдать при комнатной температуре, поскольку кинетика и термодинамика процесса изменяются в зависимости от температуры. Кроме того, устройства для измерения ОВП при комнатной температуре являются более инерционными и поляризуются с большей вероятностью. Надежность таких устройств является низкой, и они нуждаются в частой калибровке и техническом обслуживании.

Таким образом, существует постоянная потребность в разработке способов точного мониторинга и контроля ОВП в реальном времени в системах горячего водоснабжения при рабочих температуре и давлении.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, данное патентное описание предлагает способ мониторинга и контроля ОВП в системах горячего водоснабжения в реальном времени, при рабочих температуре и давлении. Множество процессов, протекающих в системе горячего водоснабжения, вносят вклад в ОВП, который, в свою очередь, служит индикатором REDOX-воздействия для системы горячего водоснабжения. В противоположность обычным измерениям при комнатной температуре измерения ОВП, проведенные в реальном времени при рабочих температуре и давлении системы, способны указать на первичные и вторичные события, связанные с REDOX-воздействием, протекающие в системе в реальном времени. Такой мониторинг ОВП в реальном времени можно применять для измерения, идентификации и оценки потребностей системы в REDOX-воздействии, и он может служить прямым или косвенным индикатором коррозионных процессов.

В одном из аспектов данное изобретение обеспечивает способ контроля ОВП в системе горячего водоснабжения в реальном времени с целью ингибирования коррозии в системе горячего водоснабжения. Данный способ включает определение одной или более рабочих защитных зон («зона» или «зоны») в системе горячего водоснабжения. Выбирают по меньшей мере одну из определенных зон, и одна или более из выбранных зон включают по меньшей мере один датчик ОВП, приспособленный для измерения ОВП в реальном времени и связывания с блоком управления. ОВП в реальном времени измеряют или непрерывно, или периодически водной или более выбранных зон, в то время как система горячего водоснабжения находится при рабочих температуре и давлении. Этот способ дополнительно включает передачу измеренного в реальном времени ОВП на блок управления и проведение оценки, соответствует ли измеренный в реальном времени ОВП, или же ОВП, рассчитанный на основании измеренного в реальном времени значения ОВП, заданному значению. Заданное значение ОВП может представлять собой или одно и то же заданное значение ОВП для каждой из выбранных зон, или различные заданные значения ОВП для по меньшей мере двух из выбранных зон. Если измеренный в реальном времени или рассчитанный ОВП не согласуется с заданным значением ОВП, то данный способ включает подачу в систему горячего водоснабжения эффективного количества одного или более активных химических веществ.

В другом аспекте данное изобретение обеспечивает устройство для контроля коррозии в системе горячего водоснабжения. Система горячего водоснабжения имеет одну или более рабочих защитных зон, при этом выбрана подгруппа этих зон. В одном из примеров реализации устройство включает приемник, находящийся в связи с одним или более датчиками ОВП. Подгруппу датчиков ОВП активируют, и каждый активированный датчик ОВП способен измерять ОВП в реальном времени при рабочих температуре и давлении. В одной или более выбранных зонах устанавливают по меньшей мере один датчик ОВП. В одном из примеров реализации устройство включает также процессор, способный интерпретировать результаты измерения ОВП в реальном времени и связанный с приемником со стороны каждого активированного датчика ОВП. Процессор интерпретирует как непосредственно измеренные в реальном времени значения ОВП, так и значения ОВП, рассчитанные на основании измеренных в реальном времени значений ОВП. Согласно другому примеру реализации в связи с передатчиком находится подающее устройство, которое регулирует ввод одного или более активных химических веществ в систему горячего водоснабжения, чтобы вызвать изменения ОВП в реальном времени. Процессор посылает выходной сигнал через передатчик на подающее устройство, если интерпретированное значение ОВП в реальном времени не соответствует заданному значению ОВП.

Преимуществом данного изобретения является обеспечение способа ингибирования коррозии в системе горячего водоснабжения на основе измерения ОВП в реальном времени при рабочих температуре и давлении в системе горячего водоснабжения и реагирования на измеренный ОВП путем подачи одного или более активных химических веществ в систему горячего водоснабжения, чтобы поддержать заданное значение ОВП.

Другим преимуществом данного изобретения является обеспечение устройства для контроля коррозии в системе горячего водоснабжения, включающего приемник, процессор, передатчик и подающее устройство, которые работают в унисон с целью контроля ОВП в реальном времени в одной или более рабочих защитных зонах в системе горячего водоснабжения.

Дополнительным преимуществом данного изобретения является увеличение эффективности системы горячего водоснабжения путем обеспечения улучшенного технического обслуживания и контроля параметров системы.

Еще одним преимуществом данного изобретения является снижение производственных затрат для ряда систем и компонентов систем горячего водоснабжения, посредством точного предотвращения коррозии.

Дополнительные отличительные особенности и преимущества приведены в разделе подробного описания изобретения и будут очевидны из приведенных далее подробного описания изобретения, примеров и чертежей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 описывает упрощенную 3-компонентную систему горячего водоснабжения, в которой подпиточная вода протекает через «Деаэратор», «Насос для ПВ (питающей воды)» и в «Котел», а котел, в свою очередь, производит «Полезный пар» для последующего применения в различных процессах.

Фиг.2 иллюстрирует более сложную конфигурацию котла, включающую ряд насосов для подачи воды, ряд теплообменников и генератор пара.

Фиг.3 описывает различные «Зоны контроля ОВП», в которых заданное значение ОВП может быть различным для систем при различных температурах.

Фиг.4 иллюстрирует подачу различных REDOX-активных веществ в различных местоположениях, для контроля Т-ОВП^ип (@Т ОВП™) в одном местоположении.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как применяют в тексте настоящего описания, «система горячего водоснабжения», «система» и т.п. термины означают любую систему, в которой горячая вода находится в контакте с металлическими поверхностями. «Горячая вода» означает воду, имеющую температуру примерно от 37°С и до 370°С. Система может работать при атмосферном давлении, при давлении ниже атмосферного, или же при давлении примерно до 28 МПа (4000 фунтов/кв.дюйм).

«ОВП», «Т-ОВП^ип», «ОВП при Т» и «ОВП в реальном времени» означают окислительно-восстановительный потенциал для промышленной системы водоснабжения при рабочих температуре и давлении. В некоторых случаях ОВП приведен как ОВП при комнатной температуре.

«Датчик ОВП» означает любое устройство, способное измерять и передавать сигнал ОВП в реальном времени. Хотя можно использовать любые подходящие устройства, предпочтительное устройство описано в Патентной заявке США Сер. №11/668048, озаглавленной «Устройство для измерения и мониторинга окислительно-восстановительного потенциала при высоких температуре и давлении, в системах горячего водоснабжения» ("High temperature and pressure oxidation-reduction potential, measuring and monitoring device for hot water systems"), которая полностью включена в текст настоящего описания посредством ссылки. Обычно датчик ОВП включает датчик температуры, электрод из благородного металла и электрод сравнения.

Термин «Активные химические вещества» относится к окислителям, восстановителям, ингибиторам коррозии, коррозионным агентам и другим веществам, которые оказывают воздействие или влияют на ОВП в системе горячего водоснабжения. Такие вещества более подробно описаны ниже.

«REDOX-воздействие» относится к любому электрохимическому событию в системе горячего водоснабжения, связанному с изменениями окислительного или восстановительного потенциала, как прямо, так и косвенно.

«Система блока управления», «блок управления» и т.п. термины относятся к работающему вручную оператору или к электронному устройству, имеющему такие компоненты, как процессор, запоминающее устройство, цифровой запоминающий носитель информации, электронно-лучевая трубка, жидкокристаллический дисплей, плазменный дисплей, сенсорный экран или другой монитор и/или другие компоненты. В некоторых примерах блок управления может работать в соединении с одной или более интегральными схемами, специфичными в применении; программами; исполняемыми с помощью компьютера инструкциями, или алгоритмами; одним или более присоединяемыми проводами устройствами, беспроводными устройствами и/или одним или более механическими устройствами. Некоторые или все функции системы блока управления можно выполнять в центре, например, на сетевом сервере, для соединения по локальной сети, глобальной сети, беспроводной сети, в соединении по Интернету, микроволновой связи, инфракрасной связи и т.п. Кроме того, для облегчения алгоритмов обработки сигнала можно включить другие компоненты, такие как кондиционер сигнала или системный монитор.

В одном из примеров реализации способ включает автоматизированный блок управления. В другом примере реализации этот блок управления работает в ручном или полуручном режиме, когда оператор интерпретирует сигнал и определяет химию питающей воды (ПВ), например дозировку кислорода или другого окислителя, поглотителя кислорода или другого восстановителя, ингибитора коррозии и/или коррозионного агента. В одном из примеров реализации измеренный сигнал ОВП интерпретируют с помощью системы блока управления, которая регулирует химический состав ПВ в соответствии с описанным способом. В одном из примеров реализации система блока управления также интерпретирует измеренную температуру для того, чтобы определить, какое количество активного химического вещества надо добавить, если это необходимо. Датчик температуры можно использовать также для информационных целей, например, в системах аварийной сигнализации и/или в системах контроля. Следует понимать, что система контроля может включать ограничители насосов, аварийную сигнализацию, интеллектуальные устройства управления и/или т.п., требующие ввода дополнительных параметров, таких как рН, уровни РК и других компонентов воды/свойств воды.

Предполагают, что предложенный способ можно применять в различных системах горячего водоснабжения, включая конструкции как с прямой подачей активных химических веществ, так и с подачей через вспомогательные устройства. «Прямая» подача обычно обозначает измерение ОВП в реальном времени в некоторой зоне и подачу активных химических веществ в эту же зону. «Подача через вспомогательные устройства» обычно обозначает измерение ОВП в реальном времени в некоторой зоне и подачу активного химического вещества в другую зону. Примеры систем и компонентов систем включают конденсаторы, находящиеся как в трубном, так и в межтрубном пространстве; теплообменники; насосы; уплотнения; нагреватели ПВ из малоуглеродистой стали или из меди; поверхностные конденсаторы на основе медных сплавов; деаэраторы; котлы с водяными и огневыми трубами; бумагоделательные устройства; приемники для конденсата; трубопроводы для перемещения конденсата пара как с конденсационными горшками, так и без них; технологические теплообменники для жидкостей; испарители; опреснительные системы; конденсаторы для пресной воды; источники воды с регулируемой температурой; защиту от коррозии, ускоряемой при течении потока; воздушные нагреватели; системы охлаждения дизельных и бензиновых двигателей и т.п.

Другие примеры процессов включают бумагоделательный процесс, например сульфатную варку целлюлозы и процессы отбеливания; полировку и выравнивание пластин (например, полировка кремниевых подложек); выбросы продуктов сгорания (например, SO₂, NO_x, ртуть); процессы ферментации; геотермальные процессы; и органический окислительно-восстановительный синтез в водной среде (например, процессы полимеризации, которые требуют присутствия окислительно-восстановительных инициаторов).

Обычные режимы контроля коррозии применяют подачу питания в одной точке. Описанное изобретение применяет целевую подачу питания, посредством точного определения необходимых активных химических веществ и подходящего количества/дозировки этих химических веществ. Например, можно дифференцировать относительно окислительные зоны, такие как нагреватели ПВ низкого давления (из материала на основе меди), и более восстановительные зоны, в случае нагревателей питающей воды высокого давления (материал не на медной основе), чтобы смягчить усиливаемые течением явления, связанные с коррозией. Также можно дифференцировать относительно окислительные условия внутри всех нагревателей, изготовленных из черных металлов, в секциях реакторов, содержащих воду под давлением, в сравнении с относительно восстановительными режимами окончательного нагревателя ПВ, для снижения коррозионного растрескивания в генераторах пара.

Данное изобретение способно распознавать и реагировать как на первичные, так и вторичные явления, связанные с REDOX-воздействием. Обычно разработчику известны значение коррозионного контроля в системе и возможные REDOX-воздействия, и он может соответственным образом выбрать одну или более конкретных рабочих защитных зон для соответственного мониторинга T-ОВП^ип пространства данной системы. Таким образом, можно контролировать коррозию путем введения REDOX-активных веществ на основании полученных локально и/или дистанционно данных по Т-ОВП^ип в качестве показателя первичного REDOX-воздействия. Проводят мониторинг и измерения в пространстве Т-ОВП^ип для того, чтобы определить и идентифицировать потребности системы, которые затем сопоставляют с известными/заданными показателями для того, чтобы прореагировать, решить проблему и контролировать события, связанные с REDOX-воздействиями. В качестве показателя вторичного REDOX-воздействия данное изобретение может зафиксировать коррозионные процессы, являющиеся результатом предшествующего, первичного REDOX-воздействия, если первичный REDOX стресс-фактор уже не является очевидным.

Датчик ОВП может зафиксировать несколько различных факторов, которые вносят вклад в события, связанные с REDOX-воздействием в системе горячего водоснабжения. Например, датчик ОВП в выбранной зоне может действовать как прямой индикатор коррозии в этой или в другой зоне. В одном из примеров реализации ОВП в реальном времени измеряют в первой выбранной зоне, и одно или более активных химических веществ подают в эту же первую выбранную зону, если измеренный в реальном времени ОВП в первой выбранной зоне, или рассчитанный ОВП, не соответствует заданному значению ОВП для первой выбранной зоны. В другом примере реализации ОВП в реальном времени измеряют в первой выбранной зоне, а одно или более активных химических веществ подают в одну или более других выбранных зон, если измеренное в реальном времени или рассчитанное значение ОВП не соответствует заданному значению ОВП для первой выбранной зоны. В дополнительном примере реализации одно или более значений ОВП в реальном времени измеряют в одной или более выбранных зонах, а одно или более других значений ОВП в реальном времени рассчитывают для одной или более других выбранных зон, на основе одного или более измеренных в реальном времени значений ОВП.

Как описано выше, в некоторых случаях измеренное в первой зоне значение ОВП используют для расчета ОВП в другой зоне. Такие расчеты можно осуществить, делая различные предположения в отношении динамики системы, или измеряя различие температуры/химического состава воды между зонами. Используя теорию смешанного потенциала и термодинамические принципы, известные специалистам, также можно аппроксимировать условия в других зонах. Однако таким расчетам обычно присущи неточности; таким образом, предпочтительным способом является in-situ измерение ОВП в реальном времени, в выбранных зонах.

При определении или установлении конкретных рабочих зон защиты/контроля в системе существует несколько важных факторов. Задачей для любой конкретной системы является достижение для этой системы значения Т-ОВП™, соответствующего наилучшим рабочим режимам конкретной установки котла. Например, для некоторых установок существуют ограничения по некоторым химическим веществам из-за методологии контроля, ограничений, связанных с охраной окружающей среды, экономических соображений, промышленных стандартов и т.д. Температура в системе также может сильно изменяться от одной установки к другой, что требует уточнения конкретной применяемой методологии контроля, которая разъяснена более подробно в нижеприведенных Примерах. К тому же различные установки могут иметь единую линию отсчета по REDOX-воздействиям, и может быть необходимо определять исходное смещение по отношению к этой линии отсчета.

Другие факторы включают: конкретные, изменяющие ОВП, вещества, преднамеренно добавляемые или исходно присутствующие; конструкционные сплавы конструкций для различных частей/объектов в системе; желаемое снижение общей и местной коррозии; ограничения по дозировке; другие характерные особенности конструкции системы; специальные соображения, такие как коррозия, ускоряемая потоком, нагрузки и коррозионное растрескивание; изменчивость системы. Специалистам понятно, как оценить эти и другие переменные/характерные особенности системы, чтобы реализовать данное изобретение для конкретной установки или системы.

В идеале любая часть установки может иметь свое REDOX-воздействие на Т-ОВП^ип, которое измеряют и контролируют с использованием Т-ОВП^ип. То есть REDOX-активные вещества подают непосредственно к конкретному узлу оборудования (или группе оборудования), и в этом узле оборудования для снижения коррозии in-situ измеряют и контролируют Т-ОВП™. Более конкретно, данное изобретение направлено на защиту от коррозии непосредственно у детали (деталей) и от перемещения продуктов коррозии в какое-либо другое место системы, вместе с сопутствующими вредными эффектами этого перемещения, включая забивание (трубопроводов продуктами коррозии), осаждение их на поверхностях теплопереноса, отложение в турбинах и т.д. Этот тип подхода с полным мониторингом и контролем оборудования часто является невозможным из-за существующих в системе ограничений и экономических соображений. По существу, детали системы обычно необходимо рассматривать как единый объект. В некоторых случаях этим объектом может быть весь путь прохождения питающей воды в системе котла. В альтернативном случае этим объектом являются лишь небольшие части системы или группы частей системы. Предполагают, что любую часть, компонент или объект (включая систему в целом, рассматриваемую как один объект) можно выбрать для проведения мониторинга/контроля.

В одном из аспектов заданное значение ОВП для одной из выбранных зон может совпадать со значением для другой определенной или выбранной зоны. В другом аспекте заданное значение ОВП для одной выбранной зоны является полностью независимым от каждой из других определенных и выбранных зон. В дополнительном аспекте заданное значение ОВП для одной выбранной зоны является частично зависимым от факторов в одной или более других определенных или выбранных зонах.

В одном из примеров реализации заданное значение ОВП определяют для первой выбранной зоны, а дополнительные заданные значения ОВП возможно определяют для дополнительно выбранных зон, если такие имеются. В одном из примеров реализации каждое дополнительное заданное значение ОВП определяют независимо. В альтернативном случае одно или более заданных значений ОВП могут зависеть от одного или более других заданных значений ОВП. Заданные значения ОВП обычно являются зависимыми и основаны на рабочих ограничениях системы горячего водоснабжения.

Определение заданных значений ОВП для любой конкретной системы можно осуществить с помощью любого подходящего метода. Предпочтительный способ описан в Патентной заявке США Сер. №11/692542, озаглавленной «Способ ингибирования коррозии в промышленных системах горячего водоснабжения посредством мониторинга и регулирования подачи окислителя/восстановителя, с помощью нелинейного алгоритма контроля» ("Method of inhibiting corrosion in industrial hot water systems by monitoring and controlling oxidant/reductant feed through a nonlinear control algorithm"), которая полностью включена в текст настоящего описания посредством ссылки. Предполагают, однако, что для уточнения заданных значений ОВП можно применять любой способ, известный специалистам. В одном из примеров реализации заданное значение ОВП представляет собой контрольную точку ОВП, которую выбирают из одного или более единичных значений. В другом примере реализации заданное значение ОВП представляет собой диапазон значений ОВП, выбранный из одного или более диапазонов значений. Со временем заданное значение ОВП для любой выбранной зоны можно уточнить или изменить. Например, данная установка может иметь временную диаграмму, описывающую заданные значения ОВП для различных частей/компонентов системы в различные моменты времени. Эта временная диаграмма обычно может быть основана на операционных факторах системы, которые могут изменяться при изменении требований к системе.

Некоторые зоны можно поддерживать относительно восстановительными, а другие зоны могут быть относительно более окислительными. Например, обращаясь к Фиг.2, теплообменники 1 и 2 могут быть изготовлены из сплава, который обеспечивает низкие скорости коррозии при более восстановительных условиях. В то же время теплообменник 3 может быть изготовлен из других металлов, которые обеспечивают более низкие скорости коррозии при более окислительных условиях. «Генератор пара» снова может быть необходимо поддерживать при более восстановительных условиях. Соответственным образом, зоны контроля Т-ОВП™ можно регулировать и отслеживать так, чтобы компенсировать эти различия.

В одном из примеров реализации одна или более из выбранных зон могут находиться в режиме мониторинга и/или сигнала тревоги, в то время как одна или более из других выбранных зон находится в режиме регулирования. В одном из примеров реализации выбранную зону, находящуюся в режиме мониторинга и/или сигнала тревоги, можно переключать между этими режимами. Такое переключение можно контролировать вручную или автоматически. Ниже приведены несколько примеров того, как проектирование системы Т-ОВП™ можно использовать для контроля REDOX-воздействия.

В другом примере реализации Т-ОВП^ип измеряют на каком-либо насосе, чтобы зафиксировать коррозию или повреждение насоса или уплотнения. В другом примере реализации этот способ можно применять для того, чтобы зафиксировать утечки труб теплообменника, поскольку одно из активных веществ может переходить через место утечки в теплообменнике на другую сторону (например, со стороны межтрубного пространства в трубу, или наоборот). Другим примером может быть утечка охлаждающей воды поверхностного конденсатора в колодец для горячего конденсата питающей воды. В дополнительном примере реализации этот способ можно использовать для обнаружения любого нежелательного проникновения извне активных химических веществ (то есть загрязняющих систему веществ). В другом примере реализации Т-ОВП™ можно использовать для получения «опознавательных признаков» конкретных факторов REDOX-воздействия в системе. Таким образом, его можно применять в качестве системы раннего предупреждения при разрыве труб котла, поскольку в систему время от времени добавляют большее количество подпиточной воды для котла, с одновременным увеличением REDOX-воздействия.

Измеренные или рассчитанные значения ОВП могут служить показателем количества электрохимически активных веществ в одной или более выбранных зонах. Этот показатель можно или непосредственно наблюдать в зоне, в которой измеряли ОВП, или же можно сделать логическое заключение о нем для другой зоны, в которой ОВП непосредственно не измеряли. В некоторых случаях измеренное или рассчитанное значение ОВП указывает на количество химических веществ, которые косвенно влияют на количество электрохимически активных частиц в одной или более выбранных зонах. В более типичном случае электрохимически активные частицы непосредственно влияют на измеренное или рассчитанное значение ОВП.

В одном из примеров реализации данный способ включает осуществление перехода от одной из выбранных зон к другой выбранной зоне после некоторого пускового события. Пусковым событием может быть любое событие, которое вызывает смещение или изменение ОВП в реальном времени, в одной или более контрольных зонах. Обычный специалист может проанализировать такие возможности и выбрать для системы одно или более пусковых событий. Например, пусковым событием может быть подключение насосов или других частей системы (или отключение их). Также в качестве пускового события можно выбрать изменение давления пара из-за изменений потребления ниже по ходу потока, например, на приведение в действие турбины и другие потребности низкого давления. Пуск может быть также основан на активировании различных потоков конденсата, которые могут ввести в систему конкретные REDOX-воздействия. Такие пусковые события можно зафиксировать с помощью датчиков, реле, мониторов и т.д., и в то же время остается возможность их определения по изменениям ОВП в реальном времени в одной или более зонах контроля. Кроме того, скорость изменения этих и других событий может диктовать скорость перемещения от одной контрольной зоны к другой, включая мгновенное перемещение, перемещение в заданный момент времени, ступенчатое или другие подходящие режимы перемещения.

Примеры пусковых событий могут также включать многочисленные операции, происходящие в заданный момент времени или в соответствии с временной диаграммой или другой динамикой работы установки. Временная диаграмма может представлять собой фиксированное время запуска, после которого происходят изменения каких-либо операций системы во времени. Например, через 30 минут после пуска потока питающей воды ОВП в реальном времени должен находиться в пределах 100 мВ от желаемого заданного значения ОВП. Через 20 минут после запуска котла на полную нагрузку значение ОВП в реальном времени должно измениться до заданного значения ОВП. Переход можно также запустить после достижения заданной величины ОВП где-либо в системе, например в компонентах системы, расположенных выше по ходу потока. Например, если в расположенной выше по ходу потока контрольной зоне ОВП достиг заданного значения (или находится в пределах, например, 50 мВ от него), то расположенную ниже по ходу потока контрольную зону активируют или переводят в режим регулирования. Такое установление последовательности контроля ОВП в реальном времени представляет собой один из предпочтительных способов запуска.

Изменение динамики установки также может инициировать запуск и/или изменение. В одном из примеров реализации пусковое событие может включать изменения выходной мощности установки. Например 5% снижение выходной мощности может служить пусковым событием, которое инициирует изменения ОВП в реальном времени в одной или более контрольных зонах системы. Процедура, используемая для того, чтобы инициировать изменения ОВП в реальном времени, может представлять собой, например, сигнал немедленного изменения заданного значения ОВП для одной или более контрольных зон, или же постепенного изменения до нового заданного значения ОВП. Эта процедура может быть основана на скорости или величине снижения мощности. Кроме того, механизмы запуска и/или изменения могут представлять собой сложные взаимосвязи многочисленных сигналов и временных программ.

В предпочтительном примере реализации изменение и регулирование химии питающей воды включают добавление к питающей воде кислорода или другого окислителя; поглотителя кислорода или другого восстановителя; ингибитора коррозии; коррозионного агента и/или других активных химических веществ. Для уточнения, поглотители кислорода представляют собой восстанавливающие агенты, хотя не все восстанавливающие агенты обязательно являются поглотителями кислорода. Восстанавливающие агенты, пригодные в качестве поглотителей кислорода, удовлетворяют термодинамическим требованиям, чтобы при реакции с кислородом выделялось экзотермическое тепло. Для практических применений обычно необходимо иметь приемлемую реакционную способность при низких температурах. То есть должна существовать некоторая благоприятная кинетика реакции. Кроме того, другие изменения и регулирования состава питающей воды, например, для контроля за системой и контроля коррозии, могут включать добавление других окисляющих агентов (окислителей), других восстанавливающих агентов (восстановителей) и/или других активных или инертных химических веществ.

Также является в высшей степени желательным, чтобы восстанавливающий агент и продукты его окисления не являлись коррозионными и не образовывали продукты, которые являются коррозионными, если они образуются в оборудовании для получения пара. Обычно определенные поглотители кислорода оптимально работают в определенном диапазоне рН, температуры и давления, а также на них влияет катализатор - в том или другом направлении. Выбор подходящих поглотителей кислорода для данной системы легко можно осуществить на основе критериев, обсужденных в тексте настоящего описания, а также опыта специалистов.

Предпочтительные восстановители (то есть поглотители кислорода) включают гидразин, сульфит, бисульфит, карбогидразид, N,N-диэтилгидроксиламин, гидрохинон, эриторбат или эриторбиновую кислоту, метилэтилкетоксим, гидроксиламин, тартроновую кислоту, этоксихин, метилтетразон, тетраметилфенилендиамин, семикарбазиды, диэтиламиноэтанол, моноэтаноламин, 2-кетоглюконат, аскорбиновую кислоту, борогидриды, N-изопропилгидроксиламин, галловую кислоту, дигидроксиацетон, дубильную кислоту и ее производные, антиоксиданты для пищевых продуктов и т.п., а также любые их сочетания. Следует понимать, что в способе по данному изобретению можно применять любые активные химические вещества.

Представители окислителей включают кислород, пероксид водорода, органические (алкил- и арил-) пероксиды и перкислоты, озон, хинон, кислотные и основные формы нитратов и нитритов и т.п., а также их сочетания.

Представители коррозионных агентов включают минеральные кислоты (например, HCl, H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄) и их соли/производные; щелочи (например, гидроксиды натрия, калия, лития); гидроксид аммония; хелатообразующие соединения, такие как ЭДТА, НТА, ГЭДФ; фосфоновую кислоту и полифосфоновые кислоты; фосфонаты; растворимые и/или диспергируемые в воде органические полимерные комплексообразователи, например гомополимеры, сополимеры и тройные полимеры акриловой кислоты; акриламид; акрилонитрил; метакриловую кислоту; стиролсульфокислоты и т.п., а также их сочетания.

Представители ингибиторов коррозии включают щелочные и аминовые соли фосфатов и полифосфатов; нейтрализующие амины; молибдаты; вольфраматы; бораты; бензоаты; пленкообразующие ингибиторы, такие как алкил-, алкенил- и арилполиамиды и их производные; поверхностно-активные композиции, такие как описанные в Патенте США №5849220; олигомерные химические вещества на основе фосфиноянтарной кислоты, такие как описанные в Патенте США №5023000 и т.п., а также их сочетания.

ПРИМЕРЫ

Предшествующее можно лучше понять на следующих примерах, которые приведены для иллюстративных целей и не ограничивают область данного изобретения.

Пример 1

Фиг.1 изображает упрощенную 3-компонентную систему горячего водоснабжения. Подпиточная вода протекает через «Деаэратор», «Насос для питающей воды», и в «Котел». Котел, в свою очередь, генерирует «Полезный пар», который применяют для различных процессов, расположенных ниже по ходу потока. В этом примере ОВП можно отслеживать/регулировать на выходе Деаэратора, обозначенном на Фиг.1 «1», или же на выходе Насоса для питающей воды, обозначенном на Фиг.1 как «2». Реакцию на REDOX-воздействие можно получать в реальном времени, так как оно независимо происходит в Деаэраторе и/или Насосе для питающей воды. Активные химические вещества можно также подавать в Деаэратор, после Деаэратора и/или после Насоса для питающей воды, для более конкретного контроля коррозии.

Пример 2

Фиг.2 изображает более сложную конфигурацию котла, включающую ряд насосов для питающей воды, ряд теплообменников и генератор пара (то есть котел). В такой конфигурации можно применять любое количество (то есть один, два или более) конденсаторов, теплообменников, насосов, котлов, применений для технологического пара и т.д. На Фиг.2 протекающая питающая вода, по мере ее течения в направлении областей 1 и 2 «Использования технологического пара», изображена сплошными стрелками. Сконденсированный пар изображен пунктирными стрелками, по мере его подачи в различные места установки, которые могут включать межтрубное пространство теплообменников, или же прямо обратно в область конденсата. Если это желательно, конденсат, который не удовлетворяет техническим условиям по технологической воде в отношении питающей воды для котла, можно слить из системы.

Примеры местоположений, в которых ОВП можно отслеживать/контролировать, и/или расположение мест подачи активных химических веществ обозначены на Фиг.2 как «22». Такие контролируемые пользователем местоположения позволяют обеспечить возможность локальной защиты от коррозии для конкретных единиц оборудования и/или групп единиц оборудования, а также общую защиту от коррозии.

Пример 3

Фиг.3 описывает, каким образом заданные значения ОВП могут быть различными для систем при различных температурах. Температуры, изображенные на Фиг.3, могут представлять, например, различные установки или различные рабочие защитные/контрольные зоны в одной установке. В этом примере заданное значение ОВП представляет собой диапазон значений ОВП, выбранный из ряда диапазонов, изображенных вертикальными линиями, обозначенных «Предпочтительный», «Более широкий» и «Наиболее широкий». В зависимости от сложности оборудования в установке (то есть оперативных ограничений) возможный для применения диапазон величин (или конкретные значения) ОВП может изменяться. То есть некоторые установки можно использовать в узком, или предпочтительном, диапазоне заданных значений ОВП, в то время как другие установки можно использовать только в более широком диапазоне заданных значений ОВП.

Величины Т-ОВП^ип обычно можно фиксировать относительно электрода сравнения, уравновешенного по внешнему давлению (обозначенному на Фиг.3 как «EPBRE» - external pressure balanced reference electrode), который заполнен 0,1 н раствором хлорида калия. В первой, 82,22°С (180°F), зоне контроля можно провести измерения и осуществить контроль посредством датчика Т-ОВП^ип, расположенного в питающей воде после «Теплообменника 2» (Фиг.2), а активные химические вещества можно подавать в питающую воду сразу после «Конденсатора» (Фиг.2).

Во второй, 176,67°С (350°F), зоне контроля можно провести измерения и осуществить контроль посредством Т-ОВП^ип датчика, расположенного в питающей воде после «Теплообменника 3» (Фиг.2), а активные химические вещества можно подавать в питающую воду непосредственно перед «Теплообменником 3» (Фиг.2)

В третьей, 260°С (500°F), зоне контроля можно провести измерения и осуществить контроль посредством Т-ОВП^ип датчика, расположенного в питающей воде после «Теплообменника 4» (Фиг.2), а активные химические вещества можно подавать в питающую воду как раз перед «Теплообменником 4» (Фиг.2).

Пример 4

Данный пример иллюстрирует подачу многочисленных REDOX-активных веществ в различных местоположениях, с целью осуществления контроля T-ОВП^ип в одной точке, как это показано на Фиг.4. Датчик контроля Т-ОВП^ип был помещен непосредственно выше по ходу потока точки подачи REDOX-активных веществ №2. Датчик T-ОВП^ип применяли для измерения T-ОВП^ип перед подачей активных веществ №2. Затем датчик T-ОВП^ип был переключен так, чтобы контролировать подачу других REDOX-активных веществ (№1), которые подают выше единичного датчика T-ОВП^ип по ходу потока. Следует отметить, что если подача REDOX-активных веществ №2 (которую регулируют вручную) отключена, то эффект их отсутствия быстро распространялся по химическому составу технологической воды, и его ощущал датчик T-ОВП^ип. Блок управления (в данном Примере блок управления автоматически регулировал подачу REDOX-активных веществ №1) немедленно инициировал дополнительную подачу REDOX-активных веществ №1 для того, чтобы обеспечить подпитку недостающих REDOX-активных веществ №2.

Можно было осуществлять контролируемую подачу REDOX-активных веществ №1, чтобы достичь заданного значения T-ОВП^ип и поддерживать его, таким образом сводя к минимуму коррозию в теплообменниках в ходе этого события. Заметим, что как только была вручную включена подача REDOX-активных веществ №2, устройство контроля коррозии (то есть система датчика T-ОВП^ип) немедленно осуществила компенсацию, путем прекращения подачи REDOX-активных веществ №1, чтобы поддержать желаемое заданное значение T-ОВП^ип с целью контроля коррозии.

Пример 5

Данный Пример иллюстрирует непредвиденный отклик датчика Т-ОВП^ип с целью прямой оценки коррозионных событий, и показывает, как измерения ОВП в реальном времени действуют в качестве прямого индикатора коррозии в системах горячего водоснабжения вследствие событий REDOX-воздействия.

Датчик Т-ОВП^ип реагирует на образование продуктов коррозии в питающей воде. REDOX-воздействия в ПВ включают комплексные сопряженные ионные коррозионные пары, такие как, например, Fe2+/Fe3+ или Cu+/Cu2+. Во всех нагревателях питающей воды, изготовленных из черных металлов, вода с высоким РК (то есть выше, чем 500 частей на биллион, ppb) начинает поступать в нагреватель питающей воды. ОВП при комнатной температуре и ОВП в реальном времени на входе в нагреватель первоначально составляли -125 мВ и -280 мВ, соответственно. При проведении опыта на введение события, связанного с REDOX-воздействием, ОВП при комнатной температуре и ОВП в реальном времени на входе в нагреватель возросли до -70 мВ и -30 мВ, соответственно. Ясно видна чувствительность датчика Т-ОВП^ип (ОВП в реальном времени возрастает на 250 мВ) по сравнению с датчиком ОВП при комнатной температуре (увеличение только на 55 мВ). Потенциалы датчиков ОВП в реальном времени и при комнатной температуре на выходе из нагревателя питающей воды исходно составляли -540 мВ и -280 мВ, соответственно. После события, вызывающего сильное REDOX-воздействие, датчики ОВП в реальном времени и при комнатной температуре на выходе из нагревателя ПВ приобрели значения -140 и -280 мВ, соответственно. Важно отметить, что ОВП в реальном времени увеличился на 400 мВ, в то время как ОВП при комнатной температуре не изменился.

Не углубляясь в какую-либо конкретную теорию, однако, полагаем, что отсутствие изменений измерения ОВП при комнатной температуре на выходе из нагревателя ПВ показывает, что уровень РК на выходе из нагревателя ПВ остался неизменным, а уровень РК на входе в нагреватель ПВ возрос. Наиболее вероятно, причиной того, что ОВП в реальном времени на выходе из нагревателя ПВ возрос так резко, является коррозия, происшедшая в самом нагревателе ПВ. Это событие генерирует обильную подачу ионных окисленных частиц железа, которую датчик Т-ОВП^ип фиксирует, а датчик ОВП при комнатной температуре не фиксирует.

Такой же эффект наблюдали в нагревателях ПВ, изготовленных из материала на основе меди, внутри которых потреблялся растворенный кислород. И снова измерения ОВП при комнатной температуре не показывали изменения на выходе из нагревателей ПВ, но датчик Т-ОВП^ип дал отклик, показывающий, что повышенное количество окисленных медных ионных частиц (сопряженных пар) было выпущено в ПВ и вышло из нагревателя ПВ, но это могли ощущать только датчики Т-ОВП^ип, а не приборы, измеряющие ОВП при комнатной температуре.

Следует понимать, что специалистам очевидны различные изменения и модификации описанных примеров реализации. Такие изменения и модификации можно осуществить в пределах сущности и объема изобретения и не уменьшая его предполагаемых преимуществ. Таким образом, следует понимать, что такие изменения и модификации охвачены прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Изобретение относится к области защиты металлов от коррозии. Способ включает определение одной или более рабочих защитных зон в системе горячего водоснабжения. Одна или более рабочих защитных зон включают датчик окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), который способен измерять в реальном времени ОВП в системе при рабочих температуре и давлении. Датчик передает измеренное в реальном времени значение потенциала на блок управления, который оценивает и интерпретирует переданный потенциал, чтобы определить, соответствует ли он заданному значению ОВП. Если измеренное значение потенциала не соответствует заданному значению, то блок управления действует таким образом, чтобы подать одно или более активных химических веществ в систему. Устройство включает приемник, соединенный с одним или более датчиками ОВП, блок управления подачей химических веществ в систему, процессор которого способен интерпретировать измеренное в реальном времени значение ОВП и связан с приемником со стороны каждого датчика ОВП, и передающее устройство в связи с подающим устройством, способным осуществить ввод одного или более активных химических веществ в систему горячего водоснабжения для повышения ее коррозионной стойкости. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил., 5 пр.

Формула