ПРОТИВОНАКИПНАЯ ОБРАБОТКА ВОДЫ В ПИКОВЫХ ТЕПЛОИСТОЧНИКАХ
Для обеспечения надежной работы теплового оборудования и трубопроводов пиковых теплоисточников, кроме удаления коррозионноактивных газов, необходима эффективная противонакипная обработка подпиточной воды теплосети. Под противонакипной обработкой воды подразумевается создание таких условий, при которых соли временной жесткости не распадались бы в системе и не вызывали образования накипи и шлама.
Интенсивность накипеобразования зависит прежде всего от химического состава воды и ее температуры. В 80-х годах XX в. ВТИ были разработаны показатели качества подпиточной и сетевой воды тепловых сетей в зависимости от температурного интервала нагрева сетевой воды по карбонатному индексу Як, (мг-экв/дм3)2, который определяется по формуле:
В [8] отмечается, что Ик является удобным для практических расчетов, но очень грубым инструментом нормирования. Использование Ик подразумевает, что ЖСа и Щобщ равнозначны с точки зрения влияния на накипеобразующую способность воды. В соответствии с расчетами, произведенными д.т.н. Ю.В. Балабан-Ирмениным [8], накипеобразующая способность воды при Ик - const увеличивается с ростом Щ(щ, несмотря на уменьшение ЖСа, что, по-видимому, связано с увеличением буферной емкости воды при повышенной щелочности.
Значения карбонатного индекса для подпиточной и сетевой воды регламентируются нормами ПТЭ [64] и приводятся в прил. 14. Для водогрейных котлов значения карбонатного индекса подпиточной воды в 1,2-1,7 раза меньше, чем для сетевых подогревателей при той же температуре. Так, например, для водогрейных котлов, работающих в открытой системе теплоснабжения, при температуре сетевой воды на выходе 150 °С Ик = 1,2 (мг-экв/дм3)2, а для сетевых подогревателей при тех же условиях Ик = 2,0 (мг-экв/дм3)2. Указанные значения карбонатного индекса обеспечивают допустимую скорость накипеобразования в водогрейных котлах 0,1 г/(м2-ч) или за отопительный сезон 600-800 г/(м2год).
На рис. 4.2 по данным ПТЭ [64] построены графики изменения Ик, (мг-экв/дм3)2, подпиточной и сетевой воды открытых систем теплоснабжения от температуры нагрева сетевой воды tc,°С. На графиках значения карбонатного индекса взяты для сетевой воды, pH которой не выше 8,5.
Из графиков видно, что при температурах выше 100 °С происходит резкое снижение технологически допустимых значений карбонатного индекса подпиточной и сетевой воды, поэтому с точки зрения обеспечения требуемого водно-химического режима и надежности работы пиковых источников теплоты предпочтение должно отдаваться низкотемпературному теплоснабжению.
Работа водогрейных котлов при температурах свыше 100 °С крайне ненадежна из-за возникновения температурных разверок в поверхностях нагрева, которые вызывают пристенное кипение воды в трубах, что резко увеличивает интенсивность образования накипи и в конечном итоге приводит к увеличению температуры стенки трубы и ее пережогу.
Для поддержания поверхностей нагрева пиковых водогрейных котлов и сетевых подогревателей в безнакипном состоянии в настоящее время применяются следующие методы: ионообменное умягчение, подкисление, щелочная обработка, дозирование фосфонатов, магнитная и ультразвуковая обработка.
Традиционно противонакипная обработка подпиточной воды теплосети на тепловых электростанциях производится в катионитных фильтрах с помощью технологий ионного обмена. Умягчение воды в катионитных фильтрах используется для открытых систем теплоснабжения при карбонатной жесткости исходной воды до 2 мг-экв/дм3; для закрытых систем - до 5 мг-экв/дм3. При этом обычно применяются декарбонизация и деаэрация воды.
Исходная водопроводная вода, осветленная и обеззараженная, или вода из водопровода пропускается через катионитовый фильтр (сульфо-уголь, катионит КУ-2 или др.), где вследствие химических реакций происходит поглощение ионов Са и Mg. При этом из катионита выделяются ионы Na и Н, которые переходят в воду и образуют хорошо растворимые и не дающие накипи соли натрия или серную, соляную и угольную кислоту. В зависимости от типа обменивающегося иона и различают Na- и Н-кати- онирование. После катионирования вода подается на декарбонизацию и деаэрацию.
При работе происходит постепенное насыщение фильтра Са и Mg и снижение его поглощающей способности. Поэтому его периодически регенерируют: при Na-катионировании - раствором поваренной соли (NaCl), при Н-катионировании - серной кислотой (H2S04). При этом происходят обратные процессы: Са и Mg переходят в промывающий раствор и сбрасываются в канализацию, a Na и Н входят в состав катионита, восстанавливая его свойства. Основные данные по расходу реагентов при катионитной во- доподготовке приведены в прил. 15.
При Na-катионировании происходит увеличение щелочности, при Н-катионировании - кислотности воды. Остаточная карбонатная жесткость воды после катионитовых фильтров обычно составляет 0,2-0,5 мг-экв/дм3. Катионирование по сравнению с другими методами умягчения является наиболее дорогим. При катионировании требуются громоздкие и металлоемкие фильтры, дорогие реагенты, установки для нейтрализации сточных вод и регенерации катионитных фильтров, поэтому его рекомендуется применять при Жк> 1 мг-экв/дм3.
Сущность противонакипной обработки подпиточной воды с помощью метода подкисления заключается в разрушении серной или соляной кислотой карбонатной жесткости до значения менее 0,7 мг-экв/дм3 с переводом ее в некарбонатную жесткость. Из разрушенного бикарбоната кальция образуется свободный диоксид углерода С02, который удаляется в де- карбонизаторе до остаточной концентрации 3-5 мг/дм и полностью в деаэраторах с барботажем.
Подкисление воды практически не имеет сбросных вод на ТЭЦ, однако его применение ограничено из-за высокой накипеобразующей способности воды при температурах более 110-120 °С, т.е. в пиковых теплоисточниках.
Снижение накипеобразующей способности воды при щелочной обработке известью или одновременно известью и содой происходит за счет связывания свободного С02 и образования труднорастворимых солей Са и Mg, выделяющихся в виде твердой фазы. Последние осаждают в отстойниках и затем удаляют.
Вследствие связывания С02 происходит увеличение pH воды и распад бикарбоната Са с образованием СаСОз. В виде твердой фазы выделяются СаСОз и Mg(OH)2. Карбонатная жесткость воды снижается до 0,5-1 мг-экв/дм3.
Относительно недорогим химическим способом замедления процессов накипеобразования является обработка подпиточной воды комплексообразующими фосфоновыми соединениями: ИОМС, ОЭДФ, НТФ, ДПФ и другими. Лабораторные и стендовые исследования, выполненные рядом авторов [43], показывают, что ингибитор отложений минеральных солей (ИОМС), оксиэтилидендифосфоновая кислота (ОЭДФ) и ряд композиций на их основе могут применяться для подавления процессов накипеобразования и коррозии металлов в системах теплоснабжения, в том числе и с открытым водоразбором на ГВС.
В [43] контроль режима обработки воды ОЭДФ осуществлялся по содержанию фосфоната в воде, гидравлическому сопротивлению котлов, количеству и составу солевых отложений на контрольных участках теплопередающих поверхностей котлов, скорости коррозии металла в воде системы теплоснабжения. По экспериментальным данным количество образовавшихся отложений в котлах не превышало 0,2 мм, а скорость коррозии металла в системе теплоснабжения снизилась с 0,6 до 0,3 мм/год, что свидетельствует об эффективности использования ОЭДФ.
Отметим, однако, что снижение коррозионной активности воды наблюдается, как правило, при дозировании комплексонов в сырую воду с равновесным содержанием газов. При дозировании комплексонов в деаэрированную воду ингибирующий эффект практически отсутствует (за исключением ОЭДФ-Цинка).
Широкому внедрению фосфонатной водоподготовки в настоящее время способствует наличие дешевых и надежных отечественных систем автоматического дозирования реагентов, которые успешно работают в условиях реальных объектов.
В [67] отмечается, что дозирование коМплексона может производиться как в подпиточный или деаэраторный бак, так и непосредственно в трубопровод подпиточной воды. Во всех случаях предпочтительной является схема дозирования с насосом-дозатором, подающим раствор комплек- сона заданной концентрации (рис. 4.3).
Расход комплексона зависит от расхода подпиточной воды. В схеме предусматривается автоматическое управление электроприводом дозирующего насоса (включением и выключением его на определенное время), тем самым, обеспечивая расчетное количество комплексона в подпиточной воде.
Относительно простым способом защиты оборудования пиковых теплоисточников и тепловых сетей от накипи и шлама, не требующим крупных материальных вложений, является магнитная обработка воды [82]. Такая обработка может предусматриваться при исходной воде с Жк<9 мг-экв/дм3, содержанием железа до 3 мг/дм3 и при подогреве воды не выше 95 °С, что особенно актуально в условиях энергетического кризиса, когда на большинстве теплоисточников максимальная температура сетевой воды не превосходит приведенное значение.
Принцип действия установки магнитной обработки основан на воздействии магнитного поля, создаваемого в рабочем зазоре аппарата, на растворенные в воде карбонатные соли жесткости. Вода проходит через аппарат снизу вверх и равномерно заполняет все проходное сечение аппарата. При этом растворенные в воде соли изменяют свою структуру и образуют высокодисперсную взвесь, не осаждающуюся на поверхности металла. Эта взвесь может быть выделена в виде осадка и удалена через шламо- отделители.
Зарубежным аналогом метода магнитной обработки является технология «Water king», воздействие которой на противонакипные свойства воды еще не до конца исследованы. В основу этой технологии положен принцип изменения формы кристалла карбоната кальция под воздействием электромагнитных волн звукового диапазона. Специально запрограммированный процессор контролирует создание и передачу более 350 асинхронно чередующихся сигналов. Они передаются в жесткую воду через провода, намотанные вокруг трубы. Эти постоянно меняющиеся волны приводят к изменениям кристаллической структуры солей, образующих накипь. Изменения достигаются дестабилизацией ионов кальция (Са2+) и карбонат ионов (СО/), которые объединяются при нагревании, образуя хрупкую арагонитную кристаллическую структуру. Без воздействия электромагнитных колебаний эти ионы, объединяясь, формируют прочную смесь аморфных отложений, содержащую в основном кристаллы кальцита. Чистый кальцит принимает форму ромбических кристаллов, которые чрезвычайно прочны и адгезивны. Арагонитная же структура придает кристаллу хрупкость, неустойчивость, заставляет его терять способность наслаиваться. Под воздействием этой технологии изменяется и структура кристаллов накопившихся отложений. Преобразованная в кристаллы накипь легко смывается с поверхностей, выносится потоком и удаляется через шламоотде- лители. Кристаллическая решетка восстанавливается через 5-6 дней после прекращения воздействия электромагнитных волн. Свойства умягченной воды, таким образом, утрачиваются. Они вновь восстанавливаются при повторной обработке. По этой причине установка находится, как правило, в постоянной работе и для защиты пиковых котлов и сетевых подогревателей ставится на обратном трубопроводе, чтобы предотвратить вынос шлама в теплосеть.
В отечественных системах теплоснабжения применение технологии «Water king» ограничено из-за низкой единичной производительности и высокой стоимости аппаратов для ее реализации.
К числу физических методов борьбы с накипеобразованием относится ультразвуковая обработка воды. Сущность метода заключается в том, что в воде, заполняющей котел или теплообменный аппарат, и в металле поверхностей нагрева с помощью специальной установки возбуждаются ультразвуковые колебания, которые вызывают кристаллизацию солей и препятствуют осаждению шлама на стенках труб. Кроме того, ультразвук оказывает разрушающее действие на ранее образовавшуюся накипь. Накипь, достигая толщины 0,2 мм, отслаивается от стенки труб. Образовавшийся шлам удаляется из оборудования и трубопроводов при продувках и межсезонных чистках. В настоящее время существуют несколько вариантов конструкций ультразвуковых установок [1, 45].
Действие ультразвука не ограничивается только предотвращением образования накипи и сохранением за счет этого эффективности теплотехнического оборудования. Ультразвуковые колебания увеличивают теплопередачу греющей поверхности за счет микропотоков, образуемых колебаниями стенок труб и воды в них, и повышения скорости потока воды из-за снижения гидродинамического сопротивления труб с колеблющимися стенками. Под действием ультразвука улучшается отвод пузырьков пара от поверхности нагрева и дегазация воды вследствие лучшего перемешивания пристенного слоя жидкости, что также способствует увеличению теплопередачи. При воздействии ультразвуковых колебаний из узких микронных щелей (естественных дефектов) внутренних поверхностей труб легко выходит содержащийся в них кислород воздуха, а также происходит наклеп краев микротрещин, благодаря чему трещины оказываются закрытыми и не подверженными проникновению в них кислорода при сливе воды из котлов. В результате внутренняя поверхность труб становится гладкой, и полная площадь ее резко уменьшается, что приводит к снижению вероятности коррозии. Получаемый таким образом эффект коррозионной защиты в какой-то степени заменяет пассивацию внутренней поверхности труб.
Приведенные выше факторы взаимосвязаны и в совокупности являются следствием положительного воздействия ультразвука на процессы предотвращения накипеобразования, снижения коррозии металла и повышения эффективности работы теплотехнического оборудования [45].
Энергозатраты на одну ультразвуковую установку в зависимости от ее типа составляют 35-100 Вт, что сопоставимо с работой обычной лампы накаливания. Для надежной защиты от накипи количество устанавливаемых преобразователей изменяется от 2 до 12 штук и зависит от размеров и типа оборудования.
Несмотря на наличие различных способов борьбы с накипеобразо- ванием, на пиковых теплоисточниках достаточно часто возникают проблемы, связанные с повреждением оборудования и трубопроводов. Наибольшие трудности наблюдаются в период пуска систем отопления. На ТЭЦ как с закрытыми, так и с открытыми системами теплоснабжения происходит интенсивный занос поверхностей нагрева пиковых водогрейных котлов продуктами коррозии железа и других примесей. Это связано с тем, что в сетевой воде накапливается значительное количество соединений железа, которые, отлагаясь на поверхностях нагрева водогрейных котлов, приводят к росту гидравлического сопротивления, пережогу этих поверхностей, перерасходу топлива и электрической энергии.
Согласно [12], даже при соблюдении норм ПТЭ по качеству подпиточной воды содержание железа в сетевой воде в осенне-зимний максимум составляет 1200-2500 мкг/дм3, а в период подключения местных отопительных систем (октябрь-ноябрь) возрастает до 5000 мкг/дм3. Как показал анализ загрязненности имеющихся на ТЭЦ водогрейных котлов ПТВМ-100 и ПТВМ-180, которые не подвергались химической очистке с начала эксплуатации, отложения на поверхности нагрева состоят на 90% из оксидов железа. Отдельные поверхности нагрева этих котлов имеют загрязненность выше допустимых норм, и необходима либо химическая очистка, либо замена. Ввиду того, что основной составляющей отложений являются соединения железа, мероприятия по улучшению качества сетевой воды должны быть направлены на снижение их содержания в воде.
В водогрейной котельной, изображенной на рис. 4.4, с несколькими котлами, работающими на открытую систему теплоснабжения, в период включения отопительных установок, когда тепловая нагрузка относительно невелика, целесообразно поддерживать в работе один котел, на который подается химически очищенная и деаэрированная подпиточная вода [147]. Очевидно, что насос, установленный для подачи подпиточной воды на этот водогрейный котел, должен иметь напорную характеристику, соответствующую сетевым насосам. Остальные котлы в это время отключены, сетевая вода прокачивается сетевыми насосами через их байпасы.
Таким образом, в период пуска системы теплоснабжения загрязненная сетевая вода не проходит через поверхности нагрева водогрейных котлов, а через работающий котел пропускается только чистая подпиточная вода. Благодаря осветлению воды с повышением ее pH, продувке систем теплоснабжения и других мероприятий концентрации загрязняющих примесей в сетевой воде постепенно снижаются. По мере стабилизации гидравлического режима и возрастания тепловой нагрузки в работу включаются остальные котлы.
Поступления соединений железа из местных отопительных систем можно сократить с помощью ежегодных водовоздушных (гидропневматических) промывок отопительных систем. По опыту известно, что для обеспечения эффективности указанной промывки необходимо очистить не менее одной трети всех отопительных систем, подключенных к одному источнику теплоснабжения. Фактически же перед началом отопительного сезона промывается не более 15% отопительных систем, что, естественно, не может заметно снизить количество железа и цветность сетевой воды в этот период.
В результате исследований [12] определен оптимальный интервал значения pH (9,2-9,6) осаждения соединений железа из сетевой воды применительно к крупным замкнутым системам циркуляции, что позволило внедрить на ТЭЦ комбинированный водно-химический режим, включающий осветление сетевой воды и коррекционную обработку подпиточной Na-катионированной воды силикатом натрия. Новый воднохимический режим обеспечивает стабилизацию оксидных пленок на всех внутренних поверхностях тепловой сети, уменьшение коррозии металлов, улучшение качества сетевой воды по цветности и содержанию продуктов коррозии.
Занос солевыми отложениями водогрейных котлов связан не только с качеством подпиточной воды и эффективностью применяемых технологий противонакипной обработки, но и с условиями эксплуатации котла, в том числе с расходом воды через него, максимальной температурой нагрева труб в отдельных зонах конвективного пучка.
Анализ повреждений труб конвективных пучков водогрейных котлов котельной Panevezio (г. Паневежис, Литва) показывает, что перегрев металла из-за наличия силикатосодержащих отложений наблюдается в первых двух по ходу газов рядах конвективных пучков [97]. Повреждения происходят, как правило, при работе котлов на мазуте и отсутствуют при работе котлов на газе. Отмеченные обстоятельства непосредственно указывают на существенное влияние режима работы котлов на образование отложений и повреждение поверхностей нагрева. Образованию отложений и перегреву труб способствует значительная тепловая разверка в поверхностях нагрева водогрейных котлов. В разверенных змеевиках создаются условия для возникновения пристенного кипения воды и выпадения отложений.
В котельной Северо-западного района г. Курска с котлами КВ-ГМ-100, работающей на артезианской воде с сезонными повышениями содержания кремниевой кислоты, наблюдалось образование отложений в трубах конвективных пучков с содержанием Si02 до 38% [97]. Основной причиной образования силикатной накипи явилось кипение воды в конвективных пучках при работе водогрейных котлов с пониженным давлением воды за котлами. В то же время на водогрейных котлах ТЭЦ-4 Курскэнер- го, работающих на исходной воде того же качества, образование силикатосодержащих отложений на поверхности нагрева не зафиксировано. Отсутствие отложений связано с поддержанием давления воды за котлами на уровне 1,2-1,5 МПа, надежно гарантирующем предотвращение пристенного кипения даже при значительных тепловых разверках (см. § 1.2).
Проведенный анализ показывает, что от правильного выбора технологий водоподготовки и водно-химического режима зависит надежность и экономичность пикового теплоисточника и системы теплоснабжения в целом.
