Главная | КС (Энергетика и ЖКХ) | Статьи | События | Вода и теплоснабжение

События

Вода и теплоснабжение

KC_240_vnut40

KC_240_vnut41

KC_240_vnut42

KC_240_vnut43

К.А. Орлов, к.т.н., и.о. заведующего кафедрой теоретических основ теплотехники им. Вукаловича

В.Ф. Очков, д.т.н.,  профессор, НИУ «МЭИ», г. Москва

Считается, что врачебная ошибка скажется на пациенте довольно скоро. Ошибки же, к примеру, педагогов, могут дать о себе знать через несколько лет, а то и десятилетий. Но от этого они не перестают быть менее опасными… Что­то подобное можно сказать и о теплоснабжении. Ошибки теплотехников, как правило, сказываются сразу же после пуска системы теплоснабжения. Ошибки же химиков­энергетиков могут проявиться не сразу, а через несколько недель, месяцев или даже лет. Но их последствия могут быть не менее тяжелыми. Более того, «мина замедленного действия», связанная с химией теплоносителя, может «взорваться» в самое неподходящее для аварии время.

Введение

Основным теплоносителем системы теплоснабжения (и рабочим телом на ТЭЦ, которые в крупных городах являются ее ключевым «звеном») является вода [1]. Она имеет высокую теплоемкость, сравнительно низкую вязкость, недорога, нетоксична и обладает рядом других, удобных для теплоснабжения, свойств. Но главное – она доступна практически в любой точке земного шара.

Вопрос в другом – в качестве воды, ее пригодности быть теплоносителем в системах теплоснабжения.

Химическая формула воды известна каждому: «Сапоги мои того – пропускают аш два о!». Но вода, если даже не учитывать взвешенные и растворенные в ней вещества, – это не простая механическая смесь молекул Н2О, а сложный «полимер», в котором молекулы за счет водородных связей образуют ассоциаты (нестойкие соединения), что и определяет ее уникальные физико-химические свойства.

Так, максимальная плотность воды при атмосферном давлении имеет место при 4°С, а лед (твердая фаза воды) имеет больший удельный объем, чем вода. Еще одно уникальное свойство воды, связанное с ее структурой и очень мешающее ее использованию как теплоносителя, – это высокая способность воды к растворению различных газов и твердых веществ, в частности – различных солей.

Растворимость многих твердых веществ в воде сильно зависит от температуры. Поэтому такие вещества могут в одних местах теплосети растворяться, а в других – выпадать в осадок.

Исходная (сырая) вода

Состав примесей, которые присутствуют в воде, идущей на заполнение и подпитку систем теплоснабжения, зависит как минимум от трех факторов:

1) места забора воды;

2) времени года забора воды;

3) способов подготовки воды перед ее подачей в систему теплоснабжения.

Для систем теплоснабжения используются либо открытые источники (реки, пруды, озера), либо закрытые (подземные артезианские скважины), а также различные технические (сточные) воды производств. В любом случае подготовка «сырой» воды является неотъемлемой частью технологического процесса в любой котельной или ТЭЦ, обходится довольно дорого, поэтому ведется жесткий контроль за ее расходом.

Итак, поговорим о природной воде как о сырье для подпитки теплосетей.

Все мы со школьной скамьи помним о круговороте воды в природе (рис. 1).

На рис. 1 не хватает еще одной стрелочки, ведь вода, выпавшая на землю в виде дождя, может стекать в открытые водоемы, минуя стадию подземной фильтрации и захватывая с поверхности разный «мусор»: остатки растений, частички почвы, минеральные, органические удобрения и прочее.

Вода же, прошедшая стадию подземной фильтрации, с одной стороны, освобождается от поверхностного «мусора», а с другой – обогащается солями, присутствующими в подземных пластах.

Продолжительность подземной фильтрации поверхностной воды может достигать десятков лет. За это время органические примеси поверхностной воды, микроорганизмы и бактерии в присутствии растворенного кислорода успевают медленно окислиться («сгореть») и разложиться на воду Н2О и углекислый газ СО2.

Чтобы представить состав воды, прошедшей подземную фильтрацию, можно взять в руки бутылку с минеральной водой из ближайшего магазина и взглянуть на ее этикетку (лабораторный анализ химического состава воды проводится официально для каждого источника теплоснабжения, и его данные являются определяющими в выборе системы водоподготовки) (рис. 2).

В почве много известняка, состоящего преимущественно из карбоната кальция CaCO3, которым обогащаются подземные воды. Эта труднорастворимая соль и составляет львиную долю накипи и отложений на теплопередающих поверхностях бойлеров и котлов – как некий привет из глубин земли.

В подземных пластах содержатся также соли магния и сульфаты, да и идиома «соль земли» имеет четкое гидрологическое обоснование – наличие в почве вкраплений каменной соли – галита (NaCl), которая обогащает воду катионами натрия Na+ и анионами хлора Cl–. Обогащается вода и сульфатами. Углекислый газ, образуемый в воде (см. выше), слегка подкисляет воду и превращает карбонат-ион CO32– в бикарбонат-ион HCO3–. Соли, попадающие в воду, диссоциируют (распадаются) на катионы и анионы.

Итак, основные катионы в воде – это катионы натрия Na+, кальция Са2+ и магния Mg2+; основные анионы – это хлориды Cl–, сульфаты SO42− и гидрокарбонаты НСО3–. Суммарное содержание катионов кальция и магния в природной воде – это ее жесткость. Она измеряется в ммоль/cм3 (старая единица – мг-экв/л) (моль – количество положительных зарядов катионов Са2+ и Mg2+, равное числу Авогадро (6,02∙1023). – Прим. авт.).

Но жесткость (катионы кальция и магния) воды – это одна из «половинок» накипи. Вторая – это анионы, однако не все: так, раствор хлористого кальция или магния накипи не дает.

А какие анионы в воде формируют накипь на теплопередающих поверхностях?

Это, в первую очередь, гидрокарбонат НСО3–. При нагреве воды он разлагается и переходит в форму карбоната СО32–, который, соединяясь с катионами кальция, образует низкотемпературную «карбонатную накипь» СaCO3. Этот процесс интенсифицируется при кипении и испарении воды. При испарении может образовываться также высокотемпературная накипь –
сульфат кальция CaSO4 и гидроокись магния Mg(OH)2.

Основные методы по предотвращению накипеобразования

Прежде всего, природную воду необходимо умягчить. Основным способом умягчения воды для теплосетей является на сегодня метод ионного обмена, в частности Na-катионирование. В этом случае вода пропускается через фильтр, заполненный синтетической органической смолой, которая способна обменивать свои ионы на ионы из окружающего их раствора: ионы кальция и магния будут задержаны, а вместо них в воду будут пущены катионы натрия. Такие ионообменные фильтры нужно периодически регенерировать – пропускать через них раствор хлористого натрия NaCl (поваренной соли), выдавливающий из фильтра катионы кальция и магния и заменяя их на катионы натрия.

В некоторых случаях исходную сырую воду при этом могут дополнительно подвергать предочистке – известкованию и коагуляции [2-4].

Известкование – это добавление в воду гашеной извести Са(ОН)2, что приводит к снижению ее щелочности (содержание бикарбонатов) и (побочно) жесткости («клин клином вышибают!).

Для коагуляции коллоидных примесей воды в нее добавляют сульфат алюминия или железа. Эти соединения образуют новые коллоиды, которые «сцепляясь» с «природными органическими», образуют шлам, который отделяется от воды. Кстати говоря, коллоидные взвешенные примеси воды могут выступать в качестве центров кристаллизации в толще потока воды и «отбирать» накипь у теплопередающих поверхностей (и такие способы водоподготовки уже находят применение в системах ХВП современных источников. – Прим. ред.). Но при этом необходимо учитывать, что наличие коллоидных примесей недопустимо в случае открытой схемы ГВС или для нужд ХВС.

В воде можно оставить кальций и магний, убрав из нее второй источник низкотемпературной накипи – бикарбонаты – путем известкования воды (см. выше), но это можно сделать и простым подкислением воды – добавляя в нее соляную или серную кислоту. Бикарбонаты превратятся в углекислый газ, который можно удалить из воды посредством отдувки в декарбонизаторе. Но подкисление – это очень рискованная технология борьбы с накипью: при незначительном превышении необходимой дозы кислота в теплоносителе вызовет интенсивную коррозию трубопроводов тепловой сети – антипод накипеобразования. Специалисты нередко сталкиваются с тем, что после химических промывок в теплосети или системе отопления начинается утечка. Здесь бывает трудно разобраться, что явилось причиной этого крайне нежелательного явления – коррозия металла под действием кислоты или растворение «пробок» накипи в прокорродировавшей трубе. Причиной коррозии также могут быть и неаккуратно проведенные химические промывки оборудования в целях удаления накипи. Кислота снимает с металла защитную оксидную пленку, которую обязательно нужно восстанавливать после обработки поверхностей теплообмена кислотой – пассивировать металл.

Растворенный кислород и углекислота также являются причиной коррозии металла систем теплоснабжения. Поэтому подпиточную воду приходится подвергать химической или термической дегазации.

Но основной способ борьбы с отложениями на теплопередающих поверхностях можно кратко описать рекламным слоганом: «*** – пусть машина служит долго!»: в циркулирующую в теплосети воду часто добавляют фосфаты и другие реагенты, присутствие которых в воде приводит к тому, что блокируются центры кристаллизации для выпадения твердой фазы накипи на теплопередающих поверхностях (в частности, подогревателях сетевой воды и ГВС). Такие присадки по своей сути – это поверхностно-активные вещества, которые обволакивают поверхности и препятствуют отложениям на них. Эти присадки могут быть патентованными или непатентованными, но они могут быть достаточно дорогими и вредными для окружающей среды, чтобы заставлять думать об их оптимальных дозах [5].

Способы безреагентной борьбы с накипью

Описанные выше способы борьбы с накипью основаны на использовании различных реагентов. А где реагенты, там и нежелательные стоки. Кроме того, реагентные способы требуют довольно сложных дозирующих устройств, регулировки и контроля. Из-за этого взоры теплотехников обращаются к безреагентным способам предотвращения накипеобразования.

Существует ряд так называемых «самоочищающихся» теплообменников.

Например, погружные ТО, в которых греющий элемент представляет собой спиральную трубку с греющим паром, которая периодически, при повышении давления в ней, слегка распрямляется и сбрасывает с себя накипь, которую, в свою очередь, продувают из ТО, или кожухотрубчатые теплообменники с профилированными трубками, в которых поток среды «турбулизируется» (то есть закручивается) и таким образом не дает оседать накипи на стенках. Также поверхности теплообмена могут обрабатывать специальными покрытиями, к которым отложения не «прикипают».

К безреагентным методам снижения накипеобразования можно отнести и мембранные методы подготовки сырой воды для подпитки теплосетей. Мембраны позволяют задерживать грубодисперсные и коллоидные примеси воды (ультрафильтрация), микроорганизмы, бактерии, а также ионы растворенных солей (обратный осмос). Но эта технология еще достаточно дорога для большинства теплоснабжающих организаций, которые пока обходятся отстойниками, осветлителями и фильтрами – механическими и Na-катионитными. Некоторые же специалисты считают, что обратный осмос –
процесс полного обессоливания воды, который необходим для энергетических паровых котлов высокого давления, излишен для тепловых сетей и паровых котлов низкого давления. С этим можно поспорить: кардинальный способ полной ликвидации накипеобразования – это устранение любых потерь воды в теплосетях, заполненных обессоленной водой. Для этого, в частности, нужно перейти на бессальниковые насосы и прочее «плотное» оборудование. Но в этом случае в качестве теплоносителя лучше использовать не воду, которая при возникновении аварийной ситуации может замерзнуть и разорвать нашу «плотную» систему, а альтернативные теплоносители. «Охлаждающие и греющие жидкости» кондиционеров, холодильников и прочего подобного оборудования, кстати, содержат и смазочные компоненты, а также ингибиторы коррозии.

Сюда же можно отнести и магнитную обработку воды, но это отдельная тема для статьи [6].

Заключение

От правильно налаженной системы водоподготовки часто зависит работа всех звеньев тепловой сети. При этом специалистам важно не только знать технологические особенности и работу оборудования ХВО своего предприятия, но иметь представление о механизмах, влияющих на качество воды в процессе ее подготовки для систем отопления и ГВС.

Литература:

 

1. Очков В.Ф. Вода в научном, культурологическом и религиозном аспектах // Водоочистка.
Водоподготовка. Водоснабжение, №7 (19), 2009 г. С. 64–70. Электронный ресурс. (http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/WSCR/WaterSCR.pdf).

2. Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике. М.: Изд-во МЭИ, 2003 г. Электронный ресурс. (http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/VPU_Book_New/index.html).

3. Копылов А.С., Очков В.Ф., Чудова Ю.В. Процессы и аппараты передовых технологий водоподготовки и их программированные расчеты М.: Издательский дом МЭИ. 2009. Электронный ресурс. (http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/VPU_Book_New/index.html).

4. Очков В.Ф., Морыганова Ю.А., Орлов К.А., Коваленко В.П. Программированный расчет предочистки воды на электростанциях // Новое в российской электроэнергетике, № 5, 2017 г. С. 28–41. Электронный ресурс. (http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/Koag-NREE-5-2017.pdf).

5. Очков В.Ф., Орлов К.А., Иванов Е.Н., Макушин А.А. Расчет и визуальное отображение водно-химического режима систем оборотного водоснабжения ТЭС // Теплоэнергетика, №7, 2013 г., С.
10–16. Электронный ресурс. (http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/WSPHB/TepEn1307.pdf).

6. Очков В.Ф. Вода и магнит // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение, № 10, 2011, С. 36–48. Электронный ресурс. (http://twt.mpei.ac.ru/ochkov/MO/BBB.html).

По материалам РосТепло.ру

 

КС №2(40) 2017 г.

 

 

 
 
 
Баннер
Баннер
Баннер
Баннер