Вода для котельных агрегатов

Теплообменные аппараты и приборы в легкой промышленности

Подготовка воды для котельных и систем теплоснабжения

Показатели качества воды. Надежность работы котлоагрегатов и систем теплоснабжения зависит от качества питательной и под- питочной воды. Показателями качества воды являются: прозрачность, характеризующая количество взвешенных частиц; жесткость, показывающая содержание солей кальция и магния; сухой остаток — содержание минеральных и органических примесей после выпаривания; щелочность — содержание анионов НСО — (гидрокарбонатов), СО 2- ₃ (карбонатов) и ОН — (гидроксидов); содержание агрессивных газов O₂ и СO₂.

Основной задачей подготовки воды является предотвращение коррозии элементов котлоагрегатов и трубопроводов и образования на них накипи.

Источником водоснабжения тепловых станций и котельных могут служить поверхностные воды рек, озер, водохранилищ, а также подземные воды из артезианских скважин. Поверхностные воды всегда содержат растворенные в них вещества и нерастворенные механические примеси. Например, возможный состав примесей в речной воде: общее содержание солей — 331,8 мг/л; взвешенных веществ — 10 мг/л; сухой остаток — 360 мг/л. Общая жесткость 1 ммоль • экв/л, общая щелочность — 1,3 —2,3 ммоль • экв/л. Для расчета концентраций кальция и магния (мг/кг, ммоль/кг) их молекулярные массы делят на эквивалентные массы этих катионитов:

Подземные воды обычно прозрачны и не содержат механических примесей.

Требования, предъявляемые к воде, зависят от ее назначения. Наиболее жесткие требования предъявляются к питательной воде прямоточных котлов, так как содержащиеся в ней примеси не могут быть удалены с продувочной водой, как это делается в барабанных котлах. Примеси могут оседать на поверхностях нагрева котла или удаляться с паром в турбину.

Нормы качества питательной воды котлоагрегатов предусматривают предельные значения жесткости, содержания кремния, соединений железа и меди, диоксида углерода и кислотности воды pH.

Например, жесткость питательной воды котлов с естественной циркуляцией и давлением более 10 МПа не должна превышать 1 ммоль • экв/л, содержание оксида кремния — 40 мг/л, железа — 20 мг/л, меди — 5 мг/л, С0₂ — отсутствует, pH — 9.

Температура воды, поступающей в тепловые сети, не должна превышать 150 °С. Восполняют потери воды в тепловых сетях под- питочной водой, требования к качеству которой зависят от назначения системы теплоснабжения. Общее содержание солей в подпиточной воде не должно превышать 1,5 ммоль • экв/л.

Методы подготовки воды для котельных и систем теплоснабжения. Выбор метода подготовки воды определяется также требованиями к качеству воды и видам содержащихся в ней примесей.

Осветление воды является первой стадией ее подготовки. Цель осветления — освобождение воды от взвешенных частиц, имеющих грубодисперсную, тонкодисперсную или коллоидную форму. Чаще всего очищают воду от дисперсных частиц отстаиванием и фильтрованием. При фильтровании используют однослойные механические фильтры с загрузкой дробленого до размеров 0,5 —1,2 мм антрацита и двухслойные механические фильтры с загрузкой кварцевого песка с песчинками размерами 0,5 —1,2 мм или дробленого до размеров 0,8 —1,8 мм антрацита.

Для удаления из воды коллоидных частиц их необходимо сначала укрупнить, что достигается коагулированием. Коагулянтами являются: A1₂(S0₄)₃— 18Н₂0, FeS0₄-7H₂0 и FeCl₃.

Уменьшение содержания солей в воде можно проводить различными методами, которые зависят от природы солей, степени очистки воды, экономической целесообразности.

Осаждение воды используют для уменьшения ее жесткости. В результате связывания катионов кальция и магния ионами С0₃

, ОН», Р0₄» образуются труднорасторимые соединения СаС0₃, Mg(OH)₂, Са₃(Р0₄)₂, которые выпадают в осадок и затем удаляются.

Реагентами, добавляемыми в воду, нагретую до температуры 40 °С, являются оксид и гидроксид кальция, карбонат натрия, гидроксид натрия.

При этом происходят следующие реакции:

Как видно из приведенных реакций, использование комбинированного способа снижения жесткости позволяет устранить как временную (карбонатную), так и постоянную жесткость. Обработка воды ортофосфатом натрия дает более полное осаждение катионов Са 2+ и Mg 2+ .

Методом осаждения можно снизить карбонатную жесткость до 0,7 ммоль • экв/л, удалить растворенный в ней диоксид углерода. Некарбонатную жесткость снижают с помощью ионов СО 2 ‘ карбоната натрия

Магнитная обработка воды также относится к методам осаждения. После воздействия магнитного поля на воду слой накипи при кипении не образуется. Соли в виде шлама выпадают в воду и непрерывно удаляются продувкой из грязевиков и нижних коллекторов котла. Магнитную обработку применяют, если карбонатная жесткость не превышает 9 ммоль • экв/л, а содержание железа в исходной воде не более 0,3 мг/л.

Ионный обмен не требует реагентов, удаляемые из воды примеси не образуют осадка. Этот метод очистки представляет собой сочетание химического метода снижения жесткости воды (умягчения) с физико-химическим. Сущность метода заключается в удалении из воды ионов кальция и магния при помощи ионитов, способных обменивать свои ионы на ионы, содержащиеся в воде. Различают процессы катионного и анионного обмена. В основе катионного процесса снижения жесткости воды лежат реакции обмена ионов натрия и водорода катионита на ионы Са 2+ и Mg 2+

Ионитами служат сульфированный уголь и синтетические смолы (КУ-1, КУ-2-8 и др.).

При двухступенчатом Na-катионировании жесткость воды может быть снижена до 0,01 ммоль/кг. Основной недостаток Na-ка- тионирования состоит в том, что превращение карбонатной жесткости воды в гидрокарбонат натрия обусловливает высокую натриевую щелочность воды в котле. Поэтому Na-катионирование может быть использовано для воды с относительно малой карбонатной жесткостью.

В результате Н-катионирования общая жесткость воды снижается до 0,25 ммоль • экв/л, а карбонатная жесткость устраняется полностью.

Однако применение Н-катионирования дает кислую воду, не пригодную для питания котлов. Этот метод обычно применяют для снижения относительной щелочности артезианских или водопроводных вод.

В практике получили распространение методы параллельного, совместного и последовательного Н- и Na-катионирования. При параллельном катионировании (рис. 24) вода двумя параллельными потоками подается на Н- и Na-катионные фильтры соответственно, после чего направляется в общий трубопровод. Умягченную воду пропускают через декарбонизатор для удаления свободного диоксида углерода и через Na-катионный фильтр второй ступени. Такая схема обработки воды применяется при содержании сульфатных и хлоридных ионов в исходной воде 5 — 7 ммоль • экв/л, карбонатной жесткости более 50 % и позволяет получить воду с остаточной щелочностью не выше 0,35 ммоль • экв/л.

Совместное Н- и Na-катионирование применяют, если суммарное содержание ионов СО|» и С1 в исходной воде не превышает 5 ммоль/кг, а получаемая щелочность умягченной воды не вызывает увеличения продувки котлов.

При последовательном Н- и Na-катионировании часть воды подается на Н-катионные фильтры, а затем нейтрализуется жесткой исходной водой. Далее для удаления свободной углекислоты вода направляется в декарбонизатор, а из него для дальнейшего умягчения перекачивается на Na-катионные фильтры. Недостатком такой схемы является последовательное прокачивание воды через два фильтра, что ведет к увеличению расхода электроэнергии.

Последовательное Н- и Na-катионирование применяют для обработки сильно минерализованных вод с содержанием солей более 1000 мг/л и карбонатной жесткостью не более 50 %.

Для восстановления обменной способности ионитов проводят процессы регенерации. Регенерацию Na-катионита проводят раствором хлорида натрия, Н-катионита — раствором серной кислоты.

При анионном обмене используют слабо- и сильноосновные аниониты. Слабоосновные аниониты могут обменивать свои ионы только на анионы сильных кислот (серной, соляной, азотной)

Если перед слабоосновном анионитным фильтром поставить Н-катионный фильтр, то в результате взаимодействия ионов водорода с гидроксильными карбонатными и гидрокарбонатными ионами образуется вода и диоксид углерода, т. е. достигается частичное химическое обессоливание.

При помощи сильноосновных анионитов можно провести полное химическое обессоливание, при этом из воды удаляются анионы как сильных, так и слабых кислот, в том числе HSiO^ и НСО5

Поскольку сильноосновные аниониты дороги, их применяют при подготовке воды, к которой предъявляются высокие требования, например воды для прямоточных паровых котлов сверхкритического давления.

В качестве анионитов применяют синтетические смолы марок АН-18-6, АН-34 и др.

Термическое обессоливание воды применяют на ТЭЦ при большом количестве невозвращенного конденсата (от промышленного потребителя) или при высокой минерализации исходной воды.

Процесс проводят в испарителях или парообразователях. Полученный дистиллят используют для питания котлов. Загрязняющие исходную воду вещества остаются в аппарате, откуда их удаляют непрерывной продувкой.

Испаритель служит для восполнения небольших потерь конденсата и в некоторых случаях заменяет более сложную химическую водоподготовку.

Парообразователь используют не только для восполнения потерь конденсата, но и для получения пара, поступающего к промышленному потребителю, что снижает потерю высококачественного конденсата. К питательной воде испарителей и парообразователей предъявляются менее жесткие требования, чем к питательной воде котлов. Жесткость воды должна быть не более 0,03 ммоль • экв/л, содержание кислорода не более 0,03 мг/л, сульфита не более 2 мг/л, pH должна находиться в пределах 8 — 8,5.

Деаэрация воды позволяет выделить из ее состава коррозионноактивные газы.

Основным методом деаэрации воды является термический метод, базирующийся на законе Генри—Дальтона, суть которого можно сформулировать следующим образом: для удаления растворенных в воде газов достаточно нагреть ее до температуры кипения. При этой температуре растворимость газов в воде становится близкой к нулю и происходит десорбция кислорода и свободного диоксида углерода.

Нормами установлено следующее содержание кислорода: в сетевой воде водогрейных котлов — 0,05 мг/л, в питательной воде паровых котлов — 0,03 мг/л.

Деаэрацию воды проводят паром или перегретой водой.

Интенсификация процесса деаэрации осуществляется проти- воточным движением потоков воды, поступающей на деаэрацию, и греющего пара и увеличением поверхности их контакта барботажем, разбрызгиванием, подачей воды на сита.

Деаэрационная установка — деаэратор (табл. 7) состоит из колонны, охладителя выпара и бака-аккумулятора. В охладитель вы- пара поступает смесь газов и пара, десорбируемая из воды. Пар конденсируется, а газы уходят в атмосферу. Если деаэрация проводится при пониженном давлении, то отсос газов осуществляют пароструйными или водоструйными эжекторами, струйными насосами. Охладитель выпара позволяет полезно использовать теп-

лоту конденсации пара для подогрева воды. Бак-аккумулятор увеличивает поверхность контакта деаэрируемой воды с паром при его барботаже через слой воды, а также обеспечивает аварийный запас питательной воды.

Деаэрацию можно проводить при атмосферном, повышенном или пониженном давлении. Деаэрация при пониженном давлении требует герметичности всей системы, включая трубопроводы.

Деаэраторы типа ДА обеспечивают устойчивую обработку воды при работе с нагрузкой, равной 30—120% номинальной производительности.

Деаэраторы этого типа могут комплектоваться с индивидуальными охладителями выпара. В этом случае бак-аккумулятор отсутствует. Недостатком таких аппаратов является их значительная высота.

Требуемое количество греющего пара (кг/ч) определяют по уравнению теплового баланса

В табл. 8 приведены технические характеристики вакуумных деаэраторов с рабочим давлением 0,03 МПа. Деаэраторы устанав-

ливают в котельных, оборудованных котлами низкого давления и небольшой производительности при температуре питательной воды 70 — 100 °С.

Для создания разрежения и удаления газов из деаэраторов используют не только водоструйные и пароструйные эжекторы, но и вакуум-насосы, например ВК-25 с подачей 240 — 3000 м 3 /ч.

Температура воды в деаэраторах может повышаться не только благодаря подаче греющего пара, но и при дросселировании нагретой воды. В процессе дросселирования давление уменьшается до значения, при котором температура насыщения становится меньше температуры нагретой воды, поступающей в деаэратор. Такие деаэраторы называются деаэраторами перегретой воды.

Дозировку реагентов рассчитывают на полную очистку воды.

Для удаления кислорода из термически деаэрированной питательной воды в нее добавляют гидрат гидразина или сульфат гид- разиния

Источник

Особенности водоподготовки паровых и водогрейных котельных

Specifics of Water Treatment for Steam and Hot Water Boiler Plants

Keywords: water treatment, steam boiler, hot water boiler, corrosion

Water treatment for operation of boiler plant equipment facilitates reduction of thermal energy losses, extension of service its life and uninterrupted service. This way you can achieve improvement of the economic efficiency of boiler plants, where equipment is operating for extended time in severe conditions with relatively low qualification level of the service personnel.

Водоподготовка при эксплуатации котельного оборудования обеспечивает сокращение потерь тепловой энергии, увеличение ресурса и обеспечение его бесперебойной работы. Таким образом решается задача повышения экономической эффективности котельной, оборудование которой работает длительное время в тяжелых условиях и при относительно низкой квалификации обслуживающего персонала.

Особенности водоподготовки паровых и водогрейных котельных

Водоподготовка при эксплуатации котельного оборудования обеспечивает сокращение потерь тепловой энергии, увеличение ресурса и обеспечение его бесперебойной работы. Таким образом решается задача повышения экономической эффективности котельной, оборудование которой работает длительное время в тяжелых условиях и при относительно низкой квалификации обслуживающего персонала.

Требования и нормы подготовки воды для котельного оборудования стоят в одном ряду с необходимыми эксплуатационными требованиями по правилам устройства электроустановок, норм по питающему напряжению и электромагнитной совместимости электрооборудования, обеспечения функционирования в заданных климатических условиях и т.п.

Основные этапы процесса подготовки воды для котельного оборудования:

• предотвращение отложений на теплопроводящих поверхностях – обеспечивает экономию энергии, материалов и деталей установки;
• предотвращение коррозии по всей системе – дает снижение затрат на ремонт и обслуживание;
• финишная корректировка химического состава котловой и подпиточной воды – максимальная экономичность работы котельного оборудования.

Отложения в котлах и нагревательной системе

В основе процесса образования отложений на поверхностях котельной системы лежат процессы образования карбонатных солей щелочноземельных металлов, образующих основу так называемой «временной жесткости» воды. Ионы кальция и магния взаимодействуют с содержащейся в воде питающего источника двуокисью углерода с образованием нерастворимых солей.

Этот процесс значительно интенсифицируется по мере возрастания температуры. Соли других кислот – сульфаты и т.п., образующие «постоянную жесткость», напротив, при повышении температуры растворяются и могут быть устранены только в дальнейшем, например, путем применения фильтров нанодиапазона или установок обратного осмоса.

Карбонаты (преимущественно карбонат кальция) осаждаются на стенках греющих труб и теплопередающей системы в виде известковых отложений, очень плохо передающих тепло. Здесь же концентрируется и шлам, образующийся из продуктов окисления железа и марганца и механических примесей, проникающих в систему. Для определения концентрации соли в водном растворе возможно применение датчиков проводимости воды, таких как AnaCONT LCK. Это аналитический датчик, который по параметрам электропроводности и значению pH определяет показатели для дозировки реагентов.

Известно, что подавляющая часть теплопередачи – около 80 % – осуществляется через относительно небольшую часть теплопередающей поверхности вблизи зоны пламени котловой горелки. Здесь и образуются наибольшие известковые отложения, затрудняющие теплопередачу и снижающие эффективность работы системы. Отложения толщиной порядка 0,5 мм приводят к снижению КПД потока до 9…10 %. При этом возникает значительный градиент температуры нагрева между различными участками теплопередающей системы, что может приводить к деформациям и даже возникновению трещин и повреждений отдельных деталей.

Появление отложений на стенках труб приводит к уменьшению их рабочего сечения, повышает сопротивление потоку воды, вынуждая повышать нагрузку на насосы системы. Также повышается и уровень шума установки.

Необходимые мероприятия водоподготовки для уменьшения отложений в котельной системе:

1) удаление механических примесей с помощью сетчатых фильтров;

2) удаление железа и марганца с помощью каталитических фильтров;

3) умягчение воды с помощью ионообменных установок;

4) обессоливание воды (при необходимости) на установках обратного осмоса.

Коррозия в котлах и нагревательной системе

Корпуса котельного оборудования, нагревательные элементы и прочие составляющие системы изготавливаются из металлов. Долговечность, неподверженность металлических частей коррозии в значительной мере зависят от кислотности среды и количества растворенного в воде кислорода и двуокиси углерода.

Из опыта проектирования и эксплуатации котельных установок известно, что поддержание показателя кислотности воды на уровне pH ≥ 8,5 позволяет значительно снизить коррозию корпусов и труб котельного оборудования, запорной арматуры, циркуляционных насосов, датчиков и т.п. С повышением температуры процесса снижается растворимость в воде свободного кислорода, требования к его содержанию значительно ужесточаются при повышении рабочего давления системы. Для измерения концентрации кислоты, едких (каустических) или солевых веществ в системах рекомендуется применять датчики проводимости/концентрации CombiLyz AFI4/AFI5. Это прибор для кондуктометрического измерения проводимости и концентрации жидких продуктов. Он определяет концентрацию различных кислот, а также солевых и едких каустических составляющих в водной среде.

Необходимые мероприятия водоподготовки для уменьшения коррозии элементов системы котельного оборудования:

1) корректировка значения кислотности воды рН. Рекомендуем проводить с помощью анализатора растворенного в воде кислорода;

2) дозирование в воду замедлителей коррозии (ингибиторов);

3) удаление из воды кислорода посредством добавления средств, связывающих избыточный кислород, либо подвергнув воду дегазации в специальных устройствах.

В каждом конкретном случае проектирования комплекса котельного оборудования важно правильно подобрать систему очистки воды.

Для корректировки и поддержания значений параметров воды, используемой в котельном оборудовании, необходимо непрерывно контролировать следующие величины:

карбонатную жесткость при различных pH,

Примерная структура системы водоподготовки для водогрейного котла

При работе парового котла непрерывно накапливаются солесодержащие вещества вследствие упаривания воды. Так как в паре соли не присутствуют, то все они остаются в котловой воде. Солесодержание может достигнуть критического значения, когда происходят вспенивание воды и резкое снижение качества пара. Но при этом в процессе роста рабочего давления котла значительно снижается величина порогового солесодержания. Поэтому для котлов с высокими рабочими давлениями необходима чрезвычайно тонкая очистка подпиточной воды, и для контроля вводятся два дополнительных параметра:

1) электропроводность воды – для оценки общей минерализации воды;

2) содержание некоторых видов солей.

В качестве примера приведем таблицу предельных параметров качества подпиточной и котловой воды для паровых котлов по приложению 3 «Правил промышленной безопасности производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением».

Есть определенные нормативы качества подпиточной воды для котлов с системой естественной и многократной принудительной циркуляции с паропроизводительностью в пределах 0,7 т/час для высоконапорных котлов парогазовых установок.

На входе системы помещается механический фильтр для промывки водной среды обратным током. Фильтр отсеивает механические примеси. Для снижения содержания в воде железа и марганца устанавливается система обезжелезивания. Уровень содержания железа и жесткости воды производится специальным аналитическим прибором.

Дозирующая станция по сигналу водосчетчиков осуществляет подачу окислителя пропорционально величине потока воды. Продукты окисления железа и марганца собираются в осадочном фильтре. Дозирующей станцией могут подаваться реагенты различного назначения: кислородосвязующие вещества с катализаторами, стабилизаторы остаточной жесткости, корректоры pH, поэтому такие устройства используются на разных стадиях процесса водоподготовки.

Для решения проблемы солесодержания котловой воды для установок небольшой производительности или при достаточно больших объемах возвращаемого конденсата вода смягчается методом натрий-катионирования через специальную установку.

Существенным недостатком при этом является появление большого объема экологически вредных отходов, требующих специальных разрешений на утилизацию, а также дорогих реагентов.

В котельных с высоким рабочим давлением пара и повышенным использованием подпиточной «вспомогательной» воды с высокой степенью очистки и деминерализации применяются установки обратного осмоса, позволяющие получить воду практически любой чистоты.

Такое оборудование применяют в парогазовых энергетических установках, котлах сверхкритического давления и т.п. При этом необходимо наличие вспомогательной безнапорной емкости и питательной насосной станции.

Для получения водной среды с заданными характеристиками используют мембраны с различной пропускной способностью. После установки обратного осмоса производится корректировка параметров воды до необходимых уровней в отношении pH, солесодержания и содержания растворенных газов. Дозированные добавки кислородосвязующих веществ и ингибиторов коррозии решают ситуацию только в установках относительно небольших размеров и производительности. По мере возрастания рабочего давления котла ужесточаются требования к содержанию в воде растворенного кислорода. В таких случаях применяются установки термической дегазации или деаэрации атмо-сферного или вакуумного типа. Остаточная концентрация газов в воде после таких мер практически ничтожна. После окончательной корректировки химсостава и pH воды путем дозирования реагентов процесс водоподготовки для паровых котлов можно считать законченным.

Особенности водоподготовки водогрейных котлов

Для обеспечения большого ресурса и без-аварийной работы водогрейных котлов при разработке и проектировании котельного оборудования, кроме технических характеристик оборудования, необходимо также иметь отчетливое представление о следующих параметрах воды источника питания котельной:

• жесткость,
• содержание железа,
• присутствие нефтепродуктов,
• уровень растворенного кислорода,
• уровень pH.

Система водоподготовки котла обеспечивает изменение исходных параметров до необходимых показателей, оговариваемых федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности. В качестве примера приводится таблица из приложения № 3 «Правил промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением».

Входной фильтр с промывкой фильтрующего элемента предназначен для очистки воды от механических примесей (песок, окалина и т.п.). При необходимости осуществляется обезжелезивание воды путем дозирования окислителя (выполняется дозирующей станцией по сигналу датчиков расхода воды) и последующего осаждения окислов железа и марганца в фильтрах. Непрерывный контроль жесткости осуществляется автоматическим измерителем.

Следующая стадия – умягчение воды методом натрий-катионирования, в зависимости от режима работы котельной, установкой непрерывного или периодического действия.

Поскольку в водогрейных системах, как правило, нет необходимости в очень высокой степени очистки воды, установки обратного осмоса не применяются. Системы умягчения воды позволяют довести параметры воды до любого необходимого уровня, достаточно пропускать воду через такие установки несколько раз. В этой же системе наблюдается и самая высокая скорость водоподготовки. Дозирующие устройства на конечном этапе обеспечивают нужные значения параметров pH, солесодержание и содержание растворенного кислорода в воде. Реагенты обеспечивают подщелачивание воды, связывание остаточного кислорода и нужную жесткость.

Применение датчиков в системах водоподготовки. Рекомендации

Следует отметить, что стандартной схемы водоподготовки не существует, так как требования заказчика индивидуальны и рассчитаны на определенные условия эксплуатации, индивидуальны местные условия эксплуатации, режимы и сезонность работы котельной, свойства исходной воды. Все это делает очень широким выбор используемого дополнительного оборудования систем водоподготовки: оборудования для аэрации и дегазации воды, накопительных емкостей и насосных станций, статических смесителей, дозаторов специальных реагентов (ингибиторов, коагулянтов т.п.), различных фильтров и установок обратного осмоса. Поэтому здесь не рассматриваются многочисленные датчики чисто технологического предназначения – датчики уровня, температуры, расходомеры и другие, обеспечивающие работу этого оборудования. Описаны только датчики «аналитического» направления, позволяющие определять параметры котловой и питательной воды котельной установки.

Статья предоставлена компанией «РусАвтоматизация».

Поделиться статьей в социальных сетях:

Источник