Управление Ростехнадзора по Калужской области

Водоподготовка и долговечность котельного оборудования

 

Вода долголетия

Не секрет, что экономика России характеризуется высокой энергоемкостью – вдвое выше, чем в мировой экономике в целом. Основные причины этого – неразвитость рыночных механизмов энергосбережения, значительный объем устаревшего оборудования и технологий. Неслучайно в своем Указе № 889 от 04.06.2008 года « О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» Д. Медведев поставил задачу по снижению к 2020 году энергоемкости на 40 % по сравнению с 2007 годом. В различных областях промышленности вода используется в качестве теплоносителя. Ее загрязнение приводит к нарушениям в работе теплообменного оборудования и, как следствие, к существенным затратам на эксплуатацию и ремонт. Поэтому так велика значимость водоподготовки (водоочистки) в снижении энергоемкости.

Рассмотрим вопрос водоподготовки для паровых и водогрейных котлов, которые по конструкции подразделяются на жаротрубные (жаротрубно-дымогарные) водотрубные и прямоточные.

Конструкция прямоточного котла – водотрубная, подаваемая питательная вода нагревается за один проход по трубам. Если это паровой котел, то вода превращается в пар без выделенного парового пространства. Прямоточные паровые котлы не имеют аккумулирующих объемов для пара и воды.

В жаротрубном котле поверхности нагрева соприкасаются с пламенем и дымовыми газами, с обратной стороны омываются водой. В котле имеет место естественная внутренняя циркуляция последней. Если это паровой котел, то вода превращается в пар на поверхности нагрева. Пузырьки пара поднимаются наверх и собираются в предназначенном для накопления пара месте для последующего использования. Конструкция жаротрубных котлов, в которой реализуется два или три хода дымовых газов, состоит из жаровой трубы и дымогарных трубок, поэтому котлы такого типа называются также жаротрубно-дымогарными. Четкое разделение водного и парового пространств позволяет получить насыщенный пар высокого качества. Благодаря большим объемам воды и парового пространства жаротрубно-дымогарный котел не только устойчив к колебаниям потребления пара, но и поставляет относительно сухой пар даже тогда, когда кратковременно превышает свою максимальную паропроизводительность. Следует, однако, отметить, что в 60-х годах производство их было запрещено специальным решением Госгортехнадзора СССР из-за большого количества аварий при эксплуатации.

Скорость воды у жаротрубного котла настолько мала, что он практически является фильтром-осадителем. Такие котлы нельзя включать по одноконтурной схеме в работу со старой тепловой сетью, имеющей многолетнее накопление шлама в нижней части радиаторов и сетевых трубопроводов. В результате осаждения взвешенных веществ и покрытия ими нижних дымогарных труб «жаротрубника» температура этих труб становится выше, чем у верхних, давление перегретых труб на трубную решетку и напряжение в сварных швах резко возрастают.

Неохлажденные в этих трубах продукты горения дают локальный перегрев трубной доски. В результате больших напряжений в металле мостиков трубной доски между соседними отверстиями и иногда в сварных швах появляются микротрещины, которые в дальнейшем увеличиваются до сквозных.

Если шлам или накипь (при некачественной подпиточной воде) покрывают жаровую трубу, то в этих зонах металл плохо охлаждается, образуются отдулины.

Основные причины аварий «жаротрубников»:

• неправильно подобрана установка химводоочистки;

• система водоподготовки вообще не работает;

• внедрение новых методов обработки воды (комплексоны, магнитная и т.д.), и как следствие – из системы начинают отмываться старые отложения, которые оседают в котлах. Кроме того, комплексон (например, ОЭДФ) разлагается при температуре около 130 о С. А на поверхности жаровой трубы со стороны воды в некоторых зонах температура выше;

• при эксплуатации котлов не всегда обеспечивается необходимая продувка нижних точек котла, в результате, не все отложения удаляются, что может нарушить надежную работу котла. Практически все изготовители предусматривают для удаления шлама из котла специальную быстродействующую арматуру. При наладке водно-химического режима котла должны быть определены периодичность и время открытия этой арматуры;

• имеют место большие утечки в теплосетях или значительный разбор воды на различные нужды из сетей (и даже из внутреннего контура котельной), при этом водоподготовка не обеспечивает необходимое качество теплоносителя.

Жаротрубные котлы имеют целый ряд неоспоримых преимуществ перед водотрубными, требуя при этом более бережного отношения при проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации.

Отметим, что жаротрубные паровые котлы безаварийно работают десятки лет, если обеспечен водно-химический режим, рекомендованный заводом-изготовителем и специализированной наладочной организацией.

Современные системы водоподготовки и деаэрации позволяют обеспечить безопасный режим эксплуатации этого вида оборудования. В российских котельных в основном устанавливают паровые жаротрубные котлы, изготовленные в Германии, Австрии и Финляндии.

Водно-химический режим прямоточных котлов существенно отличается от барабанных. Во-первых, нет возможности производить продувку, суть кото-рой заключается в том, что часть котловой воды, циркулирующей в поверхностях нагрева котлов и их необогреваемых трубах, выводится из циркуляционного контура либо из так называемых «соленых» отсеков барабанных котлов, либо из специальных выносных устройств – сепараторов. За счет этого солесодержание котловой воды в барабанных котлах снижается.

В прямоточных котлах все примеси, поступающие с питательной водой, и соли, образующиеся в котле за счет коррозии, уносятся с паром и образуют отложения в трубопроводах тепловых сетей.

Правильно рассчитанный, смонтированный и эксплуатируемый комплекс водоподготовки, дополненный химической программой коррекции котловой воды, является необходимым условием долговечной и экономной работы любого котлоагрегата. Мероприятия по водоподготовке дают экономию топлива на 20–40 %, увеличивают срок работы котлов и котельного оборудования, при этом значительно уменьшаются расходы на капитальный и текущий ремонты котлов и теплового оборудования.

Требования к качеству питательной и подпиточной воды регламентируются производителями котлов, что оговорено «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» и рядом нормативных документов. Нормы качества питательной и котловой воды для паровых жаротрубных котлов жестче, чем для водотрубных, а контроль водно-химического режима – обширнее и глубже.

Так, по инструкции одной из зарубежных компаний-производителей следует проверять качество питательной и котловой воды для паровых жаротрубных котлов каждые 72 ч. При этом измеряются рН, щелочность, жесткость, содержание кислорода или кислородосвязывающего средства, электропроводимость, рабочая температура. В котловой воде измеряются значения рН, гидратной щелочности, жесткости, проводимости, содержание кислородосвязывающих веществ, а также проверяется ее внешний вид. Результаты измерений заносят в рабочий журнал. Кроме того, ежемесячно проводятся дополнительные анализы, указанные в рабочей карте котла.

Одной из главных проблем в энергетическом комплексе является образование отложений на внутренней поверхности котлов, теплообменников и трубопроводов тепловых сетей. Их наличие может полностью блокировать работу технического устройства, привести к закупориванию, ускорить коррозию и в итоге вывести из строя оборудование.

Недопустимо образование накипи и других отложений на жаровой трубе, поскольку она находится в зоне высокого теплового напряжения, и ее охлаждение происходит за счет котловой воды. Накипь возникает в результате образования отложений малорастворимых соединений кальция, магния, железа и кремния на внутренних поверхностях парогенерирующих труб, экономайзеров и пароперегревателей котлов, а также в запорно-регулирующей арматуре, циркуляционных насосах и паропроводах. В результате образуется твердый слой, препятствующий эффективной теплопередаче. Нарушение теплообмена приводит к значительному перегреву трубных поверхностей котлов, повреждению конструкционных элементов и аварийным остановкам котельного оборудования.

Соли жесткости удаляются наиболее эффективно старым проверенным методом ионного обмена – натрий-катионированием. Защита оборудования котельных от образования накипи с помощью умягчения воды методом ионного обмена имеет наиболее высокую степень надежности, что и обусловливает его широкое применение. Работа натрий-катионитовых установок должна быть эффективной, не допускать проскоков солей жесткости.

Основным преимуществом современного оборудования по умягчению воды на ионообменных смолах являются высокий уровень автоматизации, его компактность. Современные установки умягчения непрерывного действия, в отличие от прежних, эксплуатировавшихся в течение десятилетий систем, полностью автоматизированы и занимают в несколько раз меньшую площадь при сохранении требуемой производительности.

Сегодня лучшие образцы катионообменных смол на основе полимерных материалов обладают более высокими характеристиками – обменной емкостью, химической и температурной стойкостью, износостойкостью, чем у сульфоугля.

Полная обменная емкость сульфоугля – 500 г-экв/дм3, КУ-1 – 565 г-экв/дм3, а сильнокислотных катионитов импортного производства типа Пьюролайт С-100Е, DOWEX HCR - S ( E ), Lewatit MonoPlus S 100, Амберлайт IRA 120 Nа составляет 2000 г-экв/дм3 отечественного аналога вышеупомянутых смол КУ 2-8 – 1800 г-экв/дм3.

Максимальная рабочая температура КУ 2-8 до 120 оС, импортных смол – до 140 оС. Их применение повышает эффективность и надежность процесса, снижает его трудоемкость. Наряду с повышением первоначальных затрат, связанных с приобретением катионита, создается экономический эффект, обусловленный значительным увеличением межрегенерационного периода работы и, соответственно, снижением трудоемкости обслуживания, уменьшение расхода воды на приготовление регенерационных растворов и промывку, уменьшение расхода хлористого натрия для регенерации фильтров, сокращение количества сточных вод после регенерации фильтров, снижение вероятности проскоков ионов жесткости, повышение надежности работы котлов.

В настоящее время находит применение автоматическое дозирование реагентов и комплексонов.

При коррекционной обработке котловой воды принципиально важно учитывать регламентированные требования к качеству пара, питательной и котловой воды; определять дозировку химического реагента в обрабатываемом потоке; указывать возможность адекватной оценки эффективности предлагаемых технологий и реагентов; правильно обозначать способ подачи химических реагентов и точки ввода для их дозирования; рекомендовать методы и средства химического контроля концентрации реагентов в обрабатываемых потоках воды и пара.

Определенные трудности вызывает то, что без предварительной обработки воды т.е. без умягчения и деаэрации данный метод можно применять при карбонатном индексе не более 10 (мг-экв/л)2, кроме того, существует необходимость утилизации сильнозагрязненной воды по окончании отопительного сезона. При коррекционной обработке воды важно правильно определять концентрацию реагентов и не допустить их передозировки.

Передозировка фосфатов может привести к образованию в котле отложений фосфатов железа (FeРО4 – NаFeРО4), и эта опасность возрастает при пониженном значении рН котловой воды. В свою очередь передозировка сульфитов увеличивает сухой остаток питательной воды и, соответственно, котловой воды. Отсюда возникает необходимость в регулярном мониторинге содержания в котловой воде сульфитов и фосфатов, а также отслеживании уровня рН.

В этой связи для обеспечения безаварийной работы котла желательно иметь в котельной экспресс-лабораторию, позволяющую определять все нормируемые показатели качества питательной и котловой воды. В противном случае соответствующие анализы нужно делать в центральной лаборатории.

Современные котельные все чаще работают без обслуживающего персонала, полностью в автоматическом режиме, в связи с чем необходим особо тщательный контроль водно-химического режима работы котлов и качества питательной и котловой воды.

Обычно поставщики импортных паровых жаротрубных котлов рекомендуют режим работы, определяемый из расчета непрерывной продувки в объеме 5 %. Поскольку скорость циркуляции воды в жаротрубных котлах незначительна, шлам скапливается в нижней части устройств. Поэтому рекомендуется часть непрерывной продувки (от 5 до 100 %) сбрасывать через быстродействующую арматуру удаления шлама.

Расход воды, подлежащий сбросу, подсчитывается по формуле: А= Q*S/(K–S),

где А – сбрасываемое количество котловой воды, кг/ч;

Q – производительность котла по пару, кг/ч;

S – проводимость питательной воды, мкСм/см;

K – допустимая проводимость котловой воды, установленная во время наладочных работ, мкСм/см.

Исходя из этого количества вычисляется объем воды, сбрасываемой через быстродействующую арматуру удаления шлама, а также рассчитываются длительность импульса и продолжительность паузы. В некоторых инструкциях рекомендуемое значение импульса составляет около 2 с (благодаря коротким импульсам достигается большой эффект удаления шлама). Продолжительность паузы при этом может составлять от 0,1 до 10 и более часов.

В отличие от отечественных водотрубных котлов, продувка которых производится с периодичностью один раз в смену, по опыту эксплуатации жаротрубных котлов с чистым натрийкатионированием, время паузы обычно составляет от 20 мин до 1 ч. (точное значение необходимо устанавливать для каждого конкретного котла при наладке).

Наличие в воде кислорода и агрессивных анионов, особенно хлоридов, резко сокращает срок работы тепловых сетей. За счет деаэрации изменяются стационарный потенциал, значения критических потенциалов и критических токов металла, что, в конечном счете, повышает коррозионную стойкость оборудования.

Важную роль играют растворенные кислород и углекислый газ, которые вызывают коррозию элементов оборудования и могут привести к возникновению свищей и аварийной остановке оборудования. Интенсивность действия агрессивных газов возрастает при высоких температурах. Чтобы этого избежать, необходима хорошо налаженная работа деаэраторов атмосферного, вакуумного типа.

Деаэраторы предназначены для удаления коррозионно-агрессивных газов (кислорода и свободной углекислоты) из питательной воды паровых котлов подпиточной воды систем водоснабжения.

Негативное воздействие на состояние металлических поверхностей в системах отопления оказывают низкие значения рН теплофикационной воды, а также накопление продуктов коррозии, прежде всего – соединений железа.

В последнее время применяется электромагнитная обработка воды, но аппараты электромагнитной обработки воды нельзя устанавливать перед устройствами, в значительной степени турбулизирующими поток воды, например, насосами, а также в помещениях с высокой интенсивностью электромагнитных полей. Отмечается также недостаточная эффективность приборов такого типа, если жесткость исходной воды превышает 7 ммоль/л.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что при проектировании и эксплуатации (для нормальной экономичной работы котлов) необходимо уделять больше внимания водно-химической составляющей режима работы оборудования.