При проектировании и эксплуатации паровых котельных низкого давления существует ряд значительных трудностей в организации водно-химического режима (ВХР) их работы.
Водно-химический режим работы паровой котельной должен обеспечивать безаварийную и экономически эффективную эксплуатацию оборудования и трубопроводов котельной.
ВХР котельной заключается в поддержании определенного состава питательной, подпиточной, котловой воды, пара и конденсата, который не вызывает повреждения оборудования котельной либо его неэффективной эксплуатации.
Вода с растворенными в ней солями и газами представляет собой устойчивую термодинамическую систему, находящуюся в равновесии с внешними условиями. При изменении внешних условий, например, увеличении температуры воды, система пытается достичь нового равновесного состояния. При этом возможно выпадение солей в виде твердого вещества из воды или, наоборот, увеличение растворимости по какому-либо веществу или выделение растворенных газов и т. п.
Таким образом для обеспечения эффективного ведения ВХР паровой котельной необходимо исходную воду подготовить таким образом, чтобы получаемый в процессе работы состав котловой воды и конденсата не вызывал порчи оборудования.
До начала 2000-х годов основной технологией подготовки воды для паровых котельных низкого давления было глубокое Na-катионитовое умягчение исходной воды. Действительно, данная технология достаточно проста в эксплуатации, имеет низкую стоимость используемого оборудования. Качество получаемой воды во многом обеспечивает безаварийную работу парового котла и другого оборудования. К основным недостаткам данной технологии можно отнести большое количество высокоминерализированных сточных вод, образующихся в процессе регенерации установки умягчения, а также то, что данная технология не только не уменьшает общее солесодержание воды, но даже незначительно его увеличивает.
С первым недостатком фактически невозможно бороться. Количество соли сбрасываемой с установки умягчения равно количеству соли, замещенной на установке, умноженное примерно на 2. Это колоссальное количество соли при сбросе в канализацию должно быть растворено в воде с концентрацией не более 1000 мг/л. Таким образом, при солесодержании воды, поступающей на умягчение около 250 мг/л, количество сточной воды с концентрацией 1000 мг/л будет всего в два раза меньше от количества умягченной воды за фильтроцикл.
Другой способ утилизации стоков Na-катионитовой установки это выпаривание. Что также является достаточно затратной и сложной в реализации технологией, что исключает его применение, особенно для котельных небольшой производительности.
Тем не менее, фактически не имея альтернативы, технология Na-катионитового умягчения воды повсеместно применяется уже более 100 лет.
В последние 1520 лет в теплоэнергетике начали активно использовать технологию обратноосмотического обессоливания воды. Основной недостаток данной технологии это высокая стоимость применяемого оборудования и, как считается, большое количество образующихся стоков. Хотя количество соли, сбрасываемой с этими стоками, примерно в два раза меньше, чем количество соли, образующейся при работе установок Na-катионитового умягчения воды. Данное обстоятельство требует внимательного рассмотрения, и этому будет посвящена отдельная статья.
Принципиальное отличие технологии обратного осмоса от умягчения состоит в том, что при обратном осмосе из воды выделяются все взвешенные и органические вещества, а также растворенные вещества в количестве примерно 9699%.
Таким образом, обратный осмос значительно (почти полностью) уменьшает содержание растворенного вещества всех видов ионов, содержащихся в исходной воде, при том что Na-катионирование только замещает ионы кальция и магния на натрий.
В классическом понимании водно-химического режима паровых котельных значение солесодержания питательной воды влияет только на величину непрерывной продувки котла. Непрерывная продувка парового котла рассчитывается по формуле:
Аов доля подпиточной воды;
Sов сухой остаток обработанной воды, мг/кг;
Sкв сухой остаток котловой воды, принимается по паспортным данным завода-изготовителя котла, мг/кг;
Чем больше доля возврата конденсата, т.е. меньше доля подпиточной воды, тем меньше процент непрерывной продувки котла. Допускается величина непрерывной продувки паровых котлов до 10% от паропроизводительности. Уменьшение непрерывной продувки котла значительно увеличивает экономию топливного газа. Таким образом, чем больше величина возврата обессоленного конденсата в котел, тем меньше величина непрерывной продувки. При значении непрерывной продувки менее 1% от нее отказываются и обеспечение нормативного солесодержания котловой воды производится только при помощи периодических продувок. При этом наблюдается значительная экономия топливного газа.
При отсутствии возврата конденсата в котел или при незначительном возврате конденсата использование обратноосмотического обессоливания подпиточной воды также позволяет отказаться от проведения непрерывной продувки котла.
Если с влиянием минерального состава воды имеется определенная ясность, то с влиянием диоксида углерода (СО2) на ВХР паровой котельной наблюдается определенное недопонимание. И как показывает практика, при проектировании и эксплуатации паровых котельных часто не учитывается влияние СО2, растворенного в исходной воде, на весь ВХР котельной.
В данной работе произведена попытка представить влияние диоксида углерода, растворенного в исходной воде, на ВХР котельной и приведены рекомендации по уменьшению негативного влияния углекислоты на оборудование и трубопроводы котельной.
При эксплуатации паровых котельных с неверным ВХР наиболее часто выходящее из строя оборудование относится к пароконденсатному тракту (конденсатоотводчики, регуляторы давления и т.п.). Также при неверном ВХР наиболее частым выходящим из строя оборудованием является стальной экономайзер парового котла.
Даже если при выходе данного оборудования из строя котельная остается в работе, то это влечет значительное уменьшение экономической эффективности эксплуатации котельной.
К примеру, установка дорогостоящих конденсатоотводчиков, имеющих длительный срок службы, полностью окупает себя качественным процессом отвода конденсата и длительным сроком службы. Но при неверном ВХР котельной, как показывает практика, даже самые дорогостоящие и качественные конденсатоотводчики и другое оборудование пароконденсатного тракта выходят из строя всего за полгода.
Вода может проявлять как коррозионные свойства, так и накипеобразующие по отношению к контактирующей поверхности. В процессе накипеобразования участвуют ионы жесткости, которые удаляются на этапе водоподготовки.
Элементы тепловой схемы, где вода находится при повышенном давлении и температуре: линия подпиточной воды с теплообменником перед деаэратором; деаэратор; питательная линия с насосом; экономайзер; паровой котел; пароконденсатный тракт с оборудованием.
В данных элементах тепловой схемы котельной может происходить как накипеобразование, так и коррозия. В условии отсутствия ионов жесткости в данной воде основной проблемой при эксплуатации котельной становится коррозия.
Данный тип коррозии относится к электрохимической коррозии и протекает с кислородной и водородной деполяризацией. Проще говоря, данная коррозия протекает при наличии в воде кислорода и ионов водорода.
Кислород содержится в подпиточной воде, и его количество определяется (для «чистой» воды) в зависимости от температуры воды. При нуле градусов в воде содержится 14 мг/л О2. Это справедливо для воды, имеющей достаточно длительный контакт с атмосферой и находящейся с ней в равновесии по кислороду. Артезианские воды, не имеющие длительного контакта с атмосферой и не подвергаемые аэрации, могут содержать значительно меньше кислорода.
Таким образом, подпиточная вода всегда содержит достаточное количество кислорода для протекания коррозионных процессов. Кислородная коррозия чрезвычайно быстро протекает при вскипании воды и конденсации пара в воду, которая находится в состоянии насыщения.
Коррозия с водородной деполяризацией протекает при наличии в воде иона водорода, иначе говоря, кислоты. При растворении в воде диоксида углерода образуется угольная кислота H2CO3, которая диссоциирует на ионы водорода H+ и бикарбоната HCO-3. Ион водорода и вызывает активные коррозионные процессы.
Следует отметить, что подвижность ионов водорода и молекулы кислорода в воде различается на порядок. Ион водорода гораздо более подвижен. Поэтому кислотная коррозия протекает значительно быстрее, чем кислородная и практически не зависит от гидродинамических условий. Необходимо сказать, что если имеются условия для протекания коррозии с кислородной и водородной деполяризацией одновременно, то общая скорость коррозии значительно больше, чем для коррозии только с кислородом или водородом.
При этом замечено, что вода, находящаяся в состоянии насыщения (кипения), проявляет активную коррозию именно с кислородной деполяризацией, т.к. кипящая вода способствует значительному увеличению подвижности кислорода. Водородная коррозия, наоборот, уменьшается с увеличением температуры воды. Данное обстоятельство характерно для вод типа конденсата. Автору известны случаи, когда трубопровод возврата конденсата с температурой 40 0С требовал полной замены раз в полгода. При этом трубопроводы конденсата, возвращаемого с температурой 100 0С и больше, не требовали такого частого ремонта, хотя содержание железа в конденсате было более 1 мг/л (довольно существенно). Вероятно, это связано с тем, что при увеличении температуры воды происходит постепенный переход угольной кислоты в газообразный диоксид углерода. При этом наибольший эффект выделения углекислоты из воды происходит при кипении воды.