ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЙ ПОДГОТОВКИ ПОДПИТОЧНОЙ ВОДЫ ТЕПЛОСЕТИ НА ТЭЦ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СПОСОБА ПОКРЫТИЯ ПИКОВОЙ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ
Способ обеспечения пиковой тепловой мощности оказывает существенное влияние на водоподготовку, водно-химический режим и технико-экономические показатели как теплоисточников, так и систем теплоснабжения в целом. В свою очередь выбор технологии подготовки подпиточной воды теплосети в зависимости от температурного режима и рабочих характеристик того или иного оборудования оказывает влияние на комплексные технико-экономические показатели.
Технология подготовки подпиточной воды тепловых сетей на теплоисточниках выбирается с учетом параметров их работы, типа водогрейного оборудования (сетевые подогреватели и водогрейные котлы) и требований к качеству воды для поддержания безнакипного состояния поверхностей нагрева оборудования. Должны учитываться также качество исходной воды, санитарные требования к сбросам после химводо- очистки. Окончательный выбор делается по результатам техникоэкономического сравнения конкурирующих схем обработки воды для каждого конкретного случая, поскольку эксплуатационные издержки на водоподготовку в пиковых источниках теплоты занимают по затратности второе место после расходов на топливо.
Во ВНИПИЭнергопроме и ВТИ разработаны схемы подготовки подпиточной воды теплосети в зависимости от качества воды источника водоснабжения, системы горячего водоснабжения и максимально возможной температуры сетевой воды 150-190 °С для нагрева сетевой воды в водогрейных котлах, наиболее чувствительных к качеству водоподго- товки [51, 65].
В табл. 4.2, составленной нами с использованием данных [51], включены также технико-экономические показатели водоподготовительных установок, имеющих в своем составе оборудование для дозирования ИОМС. Принято, что исходная вода имеет следующий усредненный состав.
В связи с ужесточением требований экологической безопасности по сбросу отработанных растворов после химводоочисток в водоемы любого размера и назначения при выборе схем водоподготовок для тепловых сетей предпочтение должно отдаваться бессточным схемам или схемам, основанным на методах очистки с твердыми отходами, состоящими из малорастворимых соединений (карбонат кальция, гидрат окиси магния), которые могут быть полезно использованы или помещены в надежные шламоотвалы.
Существенная зависимость интенсивности накипеобразования от температуры сетевой воды позволяет применять на пиковых котельных при пониженном температурном режиме упрощенные технологии водоподготовки, обеспечивающие достаточное качество подпиточной воды и не требующие значительных капитальных и эксплуатационных затрат [60]. Классификация упрощенных методов противонакипной обработки воды представлена в табл. 4.3.
Магнитная обработка является наиболее простым методом противонакипной обработки и применяется, главным образом, в системах низкотемпературного теплоснабжения. На качество магнитной обработки оказывают влияние напряженность магнитного поля и скорость протекания воды через него. Практикой эксплуатации магнитных установок выявлено, что данный способ противонакипной обработки эффективен при использовании исходных вод общей минерализованностью не выше 500 мг/дм3, карбонатной и общей жесткостью до 4 мг-экв/дм3 [40].
Проведенное нами обследование ТЭЦ с источниками пиковой тепловой мощности показало, что применение магнитной обработки затрудняет её недостаточная изученность. В частности, неизвестно, по каким именно причинам в сравнительно одинаковых условиях она дает разные результаты. Так, на Саратовской ГРЭС магнитная обработка хорошо зарекомендовала себя в качестве средства защиты от накипи, а на Саратовской ТЭЦ-5, работающей на такой же волжской воде, какие-либо ощутимые результаты отсутствуют. Полностью отсутствует эффект защиты от накипи на Ульяновской ТЭЦ-3, где установка для магнитной обработки подпиточной воды смонтирована по проекту.
В 90-е годы XX в. получил распространение метод обработки подпиточной воды теплосети путем дозирования фосфоновых соединений. Введение фосфонатов в подпиточную воду теплосети позволяет во многих случаях обеспечить отсутствие интенсивного накипеобразования при карбонатных индексах значительно выше нормативных и резко сократить количество сточных вод от ТЭЦ.
Первоначально разработчики этих реагентов предполагали, что фосфонаты наряду с антинакипными свойствами обладают свойствами ингибиторов коррозии. В дальнейшем при их применении был подтвержден лишь устойчивый антинакипный эффект. В то же время многие эксплуатационники, в частности, на Ульяновских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-3, Набережно- Челнинской ТЭЦ, считают, что применение фосфонатов позволило также снизить интенсивность внутренней коррозии водогрейных котлов и тепловых сетей.
По нашему мнению, в определенной мере противокоррозионный эффект при применении комплексонов, к которым относятся и фосфонаты, связан с тем, что из воды при комплексонной обработке не удаляются соли жесткости, являющиеся природными ингибиторами коррозии.
Отечественной промышленностью освоен выпуск достаточно большого спектра фосфонатов, которые могут применяться для противонакипной обработки воды систем теплоснабжения. Наибольшее распространение на тепловых электростанциях получил ингибитор отложений минеральных солей ИОМС-1 (выпускается в Подмосковье, Чебоксарах, Павлодаре). Кроме того, достаточно часто в качестве антинакипина используется оксиэтилидендифосфоновая кислота ОЭДФ (выпускается в Волгограде, Чебоксарах).
Предельно допустимая концентрация ИОМС-1 составляет 4 мг/дм3, рабочая концентрация в сетевой воде для создания противонакипного эффекта - 2-3 мг/дм3.
Применение фосфонатов при обработке подпиточной воды теплосети регламентируется рекомендациями Научно-технического совета РАО «ЕЭС России» [52], в которых предусмотрено ограничение области применения ОЭДФ и ИОМС-1 следующими пределами: карбонатный индекс сетевой воды - не более 8 (мг-экв/дм3)2; температура воды на выходе из водогрейного котла - не более 110 °С; температура воды на выходе из сетевого подогревателя - не более 130 °С; величина pH сетевой воды - не более 8,5.
Особо отмечено, что при применении фосфонатов целесообразно проводить предварительную очистку труб котлов, а также необходимо выполнять все требования ПТЭ по антикоррозионным мероприятиям (деаэрацию, декарбонизацию, коррекционную обработку).
Для дозирования фосфонатов может быть применено стандартное оборудование, которое используется при подщелачивании. Установка для ввода ИОМС-1 включает в себя бак запаса концентрированного ИОМС-1, бак разбавленного ИОМС-1 (бак-мерник), насос для перекачки ИОМС-1 и насос-дозатор для ввода ИОМС-1 в подпиточную воду.
Схема обработки подпиточной воды теплосети ингибитором отложений минеральных солей марки ИОМС-1 успешно применяется в течение последних нескольких лет на Ульяновской ТЭЦ-3 и зарекомендовала себя как достаточно надежная и относительно простая в обслуживании. В течение отопительного сезона состав исходной воды несколько изменяется, поэтому при значении карбонатного индекса Ик < 8 (мг-экв/дм3)2 используется схема противонакипной обработки подпиточной воды с декарбонизацией и дозированием в тракт ИОМС-1, а при Ик > 8 (мг-экв/дм3)2, в течение приблизительно 60 суток, применяется комбинированная схема с подкислением H2S04, Na-катионированием, декарбонизацией и дозированием ИОМС-1.
В последние десятилетия на теплоисточниках существенное внимание стали уделять методам борьбы с накипеобразованием, которые предполагают предотвращение образования накипи за счет формирования из накипеобразующих солей шлама с последующим его удалением при продувках и межсезонных чистках. К таким методам относится ультразвуковая обработка воды, способствующая кристаллизации накипеобразующих солей в толще воды.
В настоящее время на российском рынке ультразвуковых устройств, предназначенных для предотвращения накипеобразования в теплообменном оборудовании, предлагается несколько моделей. Среди них наиболее известны ультразвуковые импульсные аппараты А7-АУН производства Руставского ЭМЗ; УЗГ-4 производства ГАК «Теплоэнергетик» (г. Донецк, Украина); ультразвуковые установки УЗУ-6Н, УЗУ-8Н производства Московского радиотехнического завода; ультразвуковые устройства «Акустик» производства Чебоксарского завода «Энергозапчасть»; ультразвуковые установки ИЛ производства Инженерной лаборатории в Санкт- Петербурге; USP-900 и USP-1000 разработки НПФ «Дифераль» (г. Чебоксары); Акустик-Т4 разработки ООО «Кольцо» и Экоакустик разработки ООО «Инвак» (г. Москва); ультразвуковая установка «Антинакипь БПИ» производства АОЗТ «Инвент». Имеющиеся в паспортах этих устройств технические данные столь различны, что не позволяют выявить преимущества того или иного устройства в решении конкретных задач по замедлению процесса накипеобразования [1].
Как достаточно надежные и эффективные в эксплуатации зарекомендовали себя ультразвуковые установки «Волна» производства НТП «Агроприбор» (г. Пенза). Эти установки монтировались на теплопередающих поверхностях теплообменной аппаратуры различного назначения: паровые котлы типа ДКВР, ДЕ, КЕ различной мощности, Е-1/9, МЗК; водогрейные котлы типа ТВГ, НР-18, ПТВМ-ЗОМ; скоростные теплообменники и прочее теплообменное оборудование, имеющее стальные поверхности нагрева [45].
Ультразвуковая импульсная установка ИЛ-1МХ с преобразователем ПМСИЗ-12/Х может быть установлена на водогрейных котлах, сетевых подогревателях, различных теплообменниках при статической емкости теплообменного устройства до 700 литров. Допустимая температура нагрева торца ПМСИЗ-12/Х составляет 400 °С, допустимая температура эксплуатации прибора 40 °С.
Нами проверена работа установки ИЛ-1МХ на подогревателе, питаемом паром с давлением 0,7-0,8 МПа, в одной из котельных Ульяновской области. В подогревателе производился нагрев сильно минерализованной воды с жесткостью 5-7 мг-экв/дм3 и солесодержанием около 1 г/дм3. В результате удалось отказаться от ежемесячных механических очисток подогревателя и увеличить срок его службы в 5 раз.
Для крупногабаритного теплообменного оборудования большой производительности (котлы ДКВР-4-13, ПТВМ-100, КВ-ГМ-25, КВ-ГМ-50, КВ-ГМ-100; теплообменники ПСВ-200-7-15, БП-500, БО-550) предназначены устройства АПУ Экоакустик производства АО «Экоросс-М» (г. Москва). Эти устройства способны оказывать воздействие не только на стенки оборудования, но и непосредственно на жидкую среду.
Проведенное авторами обследование показывает, что при правильном применении ультразвуковых аппаратов серии «ИЛ» (г. Санкт- Петербург) и «Волна» (г. Пенза) обеспечивается высокая степень защиты поверхности нагрева от накипеобразования в сетевых подогревателях и водогрейных котлах, а также в паровых котлах низкого и среднего давления. Имеющиеся сведения о неэффективной работе ультразвуковых установок обычно обусловлены неправильным их применением. Так, нами обследована водогрейная котельная завода «Искра» (г. Ульяновск), откуда поступили жалобы на отсутствие результатов при работе УЗУ «Волна». Оказалось, что причиной неудовлетворительной защиты от накипи является несоответствие количества установленных аппаратов защищаемой площади поверхности нагрева: на котле ПТВМ-30 был установлен всего 1 аппарат вместо необходимых 4-6-ти.
Учитывая незначительные энергозатраты на ультразвуковую обработку, относительно невысокую стоимость ультразвуковых установок и простоту их эксплуатации, следует рекомендовать использовать этот способ для защиты от накипи поверхностей нагрева пиковых источников теплоты.
При выборе тех или иных методов противонакипной обработки подпиточной воды теплосети следует учитывать, что эффективность каждого из них зависит от целого ряда факторов. К этим факторам относятся качество обрабатываемой воды, тип и размер защищаемого от накипи оборудования, температурный и гидравлический режимы работы этого оборудования, характеристики, типоразмеры, количество применяемых аппаратов и установок.
Для обеспечения требуемого водно-химического режима водогрейных котлов, работающих при температурах 110-150 °С, а с учетом температурных разверок при 150-190 °С [30], необходимо, чтобы были удалены практически все соли жесткости и коррозионно-агрессивные газы. Если этого не сделать, то могут возникнуть явления пристенного кипения в пучках труб, что, в свою очередь, может вызвать интенсификацию процессов внутренней коррозии и накипеобразования.
Пиковые пароводяные подогреватели менее подвержены температурным разверкам и в них невозможен пережог труб, следовательно они могут эксплуатироваться при температурах 150 °С и выше без увеличения затрат на водоподготовку.
Основываясь на методике, предложенной в [40], можно рассчитать, как влияет увеличение температуры сетевой воды на изменение предельно допустимых значений карбонатной жесткости этой воды для пиковых водогрейных котлов и сетевых подогревателей. Определяющим показателем при эксплуатации водогрейных котлов и сетевых подогревателей является предельно допустимая интенсивность карбонатных отложений vdon, г/(м2 ч)
Для пиковых сетевых подогревателей с латунными трубами и стальных пиковых водогрейных котлов, задаваясь температурой нагрева воды в них, определяем по формуле (4.21) предельно допустимую интенсивность карбонатных отложений. Результаты расчетов представлены графически на рис. 4.12.
Интенсивность отложений vOW7, г/(м2ч), можно определить по эмпирическим формулам [40] для условий нагрева воды в пиковых водогрейных котлах (4.22), (4.24), в пиковых сетевых подогревателях (4.23), (4.24):
Полученное по формуле (4.21) значение предельно допустимой интенсивности карбонатных отложений подставим в формулы (4.22)-(4.24) и определим допустимые значения карбонатной и кальциевой жесткости подпиточной воды теплосети. Результаты расчетов представлены на рис. 4.13.
Кривые изменения допустимых значений карбонатной жесткости для пиковых водогрейных котлов и сетевых подогревателей имеют схожий характер и отличаются на незначительные величины.
Расчеты показывают, что параметры, определяющие интенсивность накипеобразования, для пиковых сетевых подогревателей имеют больший диапазон изменения по сравнению с пиковыми водогрейными котлами. Поэтому требования ПТЭ [64], устанавливающие значения карбонатного индекса, исходя из одинаковой допустимой интенсивности карбонатных отложений (не более 0,1 г/(м2 ч)) для водогрейных котлов и сетевых подогревателей, на наш взгляд, нуждаются в корректировке.
Полученные выше данные показывают, что при использовании в качестве источника пиковой тепловой мощности пиковых пароводяных подогревателей водоподготовка может быть произведена по упрощенной технологии, причем подогреватели могут работать от различных источников пара: паровых котлов низкого давления, энергетических паровых котлов с РОУ, промышленного отбора турбины типа ПТ, паропровода противодавления противодавленческой турбины [59].
При низкотемпературном теплоснабжении с температурой воды после водогрейных котлов 95-110 °С для противонакипной обработки достаточно применять магнитную обработку и дозирование фосфонатов. Для водогрейных котлов небольшой мощности (до 58 МВт) может применяться ультразвуковая обработка. Для крупных водогрейных котлов (116, 209 МВт), работающих при температурах сетевой воды более 130 °С, реальной альтернативы технологиям ионообменного умягчения пока нет.
При маломинерализованных водах в пиковых сетевых подогревателях, работающих совместно с противодавленческой турбиной [59], температуру нагрева сетевой воды можно поднять до 160-180 °С без ухудшения работы подогревателей при применении упрощенной технологии противонакипной обработки подпиточной воды, например, с помощью ультразвука. Применение ультразвуковой обработки позволит обеспечить требуемое качество подпиточной воды без использования методов ионного обмена и значительно снизит затраты на водоподготовку. Увеличение температуры нагрева сетевой воды в пиковых сетевых подогревателях до 180 °С при средне- и сильноминерализованных водах возможно при сохранении в качестве основного этапа противонакипной обработки катионирования.
Рекомендуемые способы водоподготовки в закрытых и открытых системах теплоснабжения в зависимости от температуры сетевой воды и вида пикового теплоисточника для исходной воды средней минерализации приведены в табл. 4.4 (без учета термической деаэрации).
По сравнению с пиковыми сетевыми подогревателями традиционный способ обеспечения пиковой тепловой мощности с помощью пиковых водогрейных котлов, включенных последовательно с основными сетевыми подогревателями по стандартной схеме, требует существенно больших капитальных затрат на противонакипную обработку подпиточной воды теплосети.
Капиталовложения в водоподготовительную установку при стандартной схеме для пиковой водогрейной котельной теплопроизводитель- ностью 837 МВт с четырьмя котлами КВ-ГМ-180, работающими в открытой системе теплоснабжения, составят приблизительно 153,5 млн рублей в ценах 2000 г. (табл. 4.2).
Изменение схемы включения источника пиковой тепловой мощности оказывает существенное влияние на водно-химический режим и способ водоподготовки. Так, например, включение водогрейных котлов параллельно с основными сетевыми подогревателями [154] способно в 2-3 раза снизить затраты на противонакипную обработку подпиточной воды. Уменьшение затрат на противонакипную обработку объясняется снижением температурного режима работы водогрейных котлов. Максимальная температура нагрева сетевой воды в котлах не превышает 110 °С. Такой температурный режим позволяет отказаться от использования дорогостоящих методов ионообменного умягчения и заменить их на более простые и дешевые, к которым можно отнести описанный выше метод дозирования в тракт подпиточной воды различных ингибиторов отложений и коррозии, например, ИОМС.
Включение водогрейных котлов в замкнутый контур, который подключен к сетевому трубопроводу через поверхностные водо-водяные теплообменники (ВВТ), обеспечивает разделение теплосети и контура водогрейных котлов [155, 156]. В результате применения двухконтурной схемы поверхности нагрева водогрейных котлов защищены от выноса в них различных примесей из системы теплоснабжения. Такая схема позволяет использовать для подготовки подпиточной воды теплосети упрощенную технологию водоподготовки, т.к. в водо-водяных теплообменниках температурная разверка между трубами незначительна и невозможен их пережог. Температура сетевой воды не превышает 150 °С по всей поверхности нагрева подогревателя.
Капиталовложения на водоподготовку при такой схеме для пиковой водогрейной котельной теплопроизводительностью 837 МВт с четырьмя котлами КВ-ГМ-180, работающими в открытой системе теплоснабжения, составляют 117,86 млн рублей в ценах 2000 г., что на 35,65 млн рублей меньше по сравнению с последовательной схемой включения водогрейных котлов и сетевых подогревателей.
Восполнение незначительных утечек воды из замкнутого контура нами предложено производить химически чистой питательной или добавочной питательной водой энергетических котлов [158, 159]. При этом не требуется создание дополнительных водоподготовительных установок, а используются уже имеющиеся аппараты водоподготовки из трактов добавочной питательной и питательной воды паровых котлов, поэтому капитальные и эксплуатационные затраты на подготовку воды для замкнутого контура будут минимальными и составят не более 2-3% от суммарных затрат на подготовку подпиточной воды теплосети.
При использовании в качестве источника пиковой мощности пароводогрейных котлов с нагревом сетевой воды до 130-135 °С в водогрейном контуре и далее до 150 °С в пароводяных теплообменниках, встроенных в паровой контур [14], требуется использовать либо две водоподготовительных установки (одну для питательной воды парового контура, а другую для подпиточной воды теплосети), либо весь объем воды подвергать обработке по технологии, предназначенной для питательной воды паровых котлов, что является неэкономичным решением, требует больших затрат на водоподготовку и на практике нигде не применяется.
Снижение затрат на водоподготовку для комбинированных котлов с пароводяными подогревателями возможно только в тех случаях, когда в составе оборудования уже имеется установка для подготовки добавочной питательной воды паровых котлов низкого давления. В этом случае капиталовложения на водоподготовку для пиковой водогрейной котельной теплопроизводительностью 837 МВт с четырьмя котлами КВП-180, работающими в открытой системе теплоснабжения, будут примерно равны капвложениям в водоподготовительную установку для котлов с ВВТ. Если же такой установки нет, то снижение затрат на подготовку подпиточной воды для теплосети не компенсирует затраты на весь комплекс водоподготовительного оборудования для комбинированного пароводяного котла и вызовет увеличение затрат на общую водоподготовку на 50-60%.
Ориентировочная стоимость противонакипной обработки 1 м3 подпиточной воды У, руб./м3, различными способами представлена на диаграмме (рис. 4.14).
По диаграмме видно, что затраты на противонакипную обработку воды при использовании технологий ионообменного умягчения и известкования с коагуляцией на порядок выше, чем затраты при использовании упрощенных технологий. Широкому внедрению упрощенных технологий водоподготовки на теплоисточниках способствует предлагаемый нами переход на низкотемпературное теплоснабжение с количественным регулированием тепловой нагрузки.
Таким образом, способ обеспечения пиковой тепловой мощности и вид применяемого теплофикационного оборудования обязательно должен учитываться при выборе той или иной схемы водоподготовки. От правильного выбора схемы зависят не только технико-экономические показатели водоподготовительной установки, но и общий водно-химический режим, надежность работы и итоговые технико-экономические показатели пикового теплоисточника и системы теплоснабжения в целом.
