Вода для котла

Парокотельная установка должна работать безопасно, с максимальной эффективностью горения и теплопередачи. Для достижения этого, а также длительного срока службы при минимальном обслуживании, котловую воду можно подвергать химической обработке.

#Вода для котла

Цели эксплуатации парокотельной установки включают:

• безопасную работу;
• максимальную эффективность горения и теплопередачи;
• минимальное обслуживание;
• длительный срок службы.

Качество воды, используемой для получения пара в котле, оказывает решающее влияние на достижение этих целей.

Для работы котла необходимо соблюдать следующие условия:

• Отсутствие накипи — если в питательной воде присутствует жёсткость и она не контролируется химически, на поверхностях теплопередачи образуется накипь, что снижает теплопередачу и эффективность и делает необходимой частую очистку котла. В крайних случаях возможны локальные перегревы, приводящие к механическим повреждениям или даже разрушению труб.
• Отсутствие коррозии и химического воздействия — если вода содержит растворённые газы, особенно кислород, вероятна коррозия поверхностей котла, трубопроводов и другого оборудования.

Если значение pH воды слишком низкое, кислотный раствор будет разъедать металлические поверхности. Если pH слишком высок и вода становится щелочной, могут возникнуть другие проблемы, например вспенивание.

Необходимо также предотвращать каустическую хрупкость или каустическое растрескивание, чтобы избежать разрушения металла. Растрескивание и охрупчивание вызываются слишком высокой концентрацией гидроксида натрия. Старые клёпаные котлы более подвержены такому воздействию; однако и на современных сварных котлах требуется осторожность, особенно в зоне концов труб.

#Пар хорошего качества

Если примеси в питательной воде котла не устранять должным образом, возможен унос котловой воды в паровую систему. Это может привести к проблемам в других частях паровой системы, например:

• Загрязнение поверхностей регулирующих клапанов — это ухудшит их работу и снизит пропускную способность.
• Загрязнение поверхностей теплопередачи технологического оборудования — это увеличит тепловое сопротивление и снизит эффективность теплопередачи.
• Сужение проходных отверстий конденсатоотводчиков — это уменьшит их пропускную способность и в конечном счёте приведёт к скоплению конденсата в оборудовании и снижению производительности.

Унос воды может быть вызван двумя причинами:

1. Заброс воды (priming) — выброс котловой воды в пароотбор и обычно вызывается одним или несколькими из следующих факторов:

• работа котла при слишком высоком уровне воды;
• работа котла ниже расчётного давления, что увеличивает объём и скорость пара, отделяющегося от поверхности воды;
• чрезмерный расход пара.

2. Вспенивание (foaming) — образование пены в пространстве между поверхностью воды и пароотбором. Чем больше вспенивание, тем серьёзнее возникающие проблемы.

Признаки и последствия вспенивания могут быть следующими:

• вода будет стекать вниз из парового присоединения водоуказательного стекла, что затрудняет точное определение уровня воды;
• зонды уровня, поплавки и дифференциальные датчики давления будут неточно определять уровень воды;
• может срабатывать сигнализация, а горелка(и) может(могут) даже перейти в режим блокировки. Для восстановления подачи потребуется ручной сброс с панели управления котлом.

Эти проблемы могут полностью или частично быть вызваны вспениванием в котле. Однако, поскольку вспенивание является типичным свойством котловой воды, требуется лучше понимать саму природу пены:

• Граница поверхности — пена на стакане пива находится над жидкостью, и граница жидкость/пена чётко различима. В кипящей жидкости поверхность размыта: от небольших паровых пузырьков в нижней части сосуда до множества крупных пузырей в верхней.
• Перемешивание усиливает вспенивание — наблюдается тенденция к использованию котлов меньшего размера при той же паропроизводительности. У меньших котлов площадь поверхности воды меньше, поэтому интенсивность отделения пара с каждого квадратного метра выше. Следовательно, возмущение поверхности больше, и такие котлы сильнее склонны к вспениванию.
• Жёсткость — жёсткая вода не пенится. Однако котловую воду специально умягчают для предотвращения образования накипи, и это повышает её склонность к вспениванию.
• Коллоидные вещества — загрязнение котловой воды взвешенным коллоидом, например молоком, вызывает бурное вспенивание. Примечание: коллоидные частицы имеют размер менее 0.000 1 mm и могут проходить через обычный фильтр.
• Уровень TDS — по мере увеличения TDS котловой воды паровые пузырьки становятся более устойчивыми и менее склонными к разрушению и отделению.

Корректирующие меры против уноса

Для минимизации вспенивания в котле руководитель инженерной службы может использовать следующие меры:

• Эксплуатационные меры — важна плавная работа котла. Если котёл работает при постоянной нагрузке и в пределах проектных параметров, количество увлекаемой с паром влаги может быть менее 2%.

Если изменения нагрузки быстрые и значительные, давление в котле может заметно упасть, вызывая крайне турбулентные условия, поскольку содержимое котла мгновенно вскипает. Ситуация ухудшается ещё и тем, что при снижении давления удельный объём пара увеличивается, а пузырьки пены становятся пропорционально крупнее.

Если условия процесса таковы, что значительные колебания нагрузки являются нормой, имеет смысл рассмотреть:

• модулирующие регуляторы уровня котловой воды, если сейчас установлены устройства on/off;

• устройства поддержания давления, ограничивающие падение давления в котле;

• паровой аккумулятор (см. Модуль 22 этого раздела);

• системы упреждающего управления, которые будут поднимать котёл до максимального рабочего давления до подключения нагрузки;

• устройства плавного открытия, которые будут вводить оборудование в работу в течение заранее заданного периода.

• Химический контроль — в котловую воду можно добавлять антивспенивающие реагенты. Они действуют за счёт разрушения пузырьков пены. Однако такие реагенты неэффективны при пене, вызванной взвешенными твёрдыми веществами.

• Контроль TDS — необходимо найти баланс между:

• высоким уровнем TDS и сопутствующей ему экономичностью эксплуатации;

• низким уровнем TDS, который минимизирует вспенивание.

• Безопасность — опасность перегрева из-за накипи и коррозии из-за растворённых газов очевидна. В крайних случаях вспенивание, образование накипи и шлама могут привести к тому, что устройства контроля уровня котловой воды будут воспринимать уровень неправильно, создавая опасность как для персонала, так и для технологического процесса.

#Внешняя обработка воды

Обычно считается, что, где это возможно, основная обработка питательной воды паровых котлов должна выполняться вне котла.

Сводка качества обработанной воды, которое может быть получено разными методами при типичной жёсткой исходной воде, приведена в Таблице 3.9.2. Именно с такой водой приходится работать установке внешней водоподготовки.

Процессы внешней обработки воды можно перечислить следующим образом:

• Обратный осмос — процесс, при котором чистая вода продавливается через полупроницаемую мембрану, а концентрированный раствор примесей отводится в дренаж.
• Известкование; известково-содовое умягчение — при известковании гашёная известь (гидроксид кальция) реагирует с бикарбонатами кальция и магния с образованием удаляемого шлама. Это снижает щёлочную (временную) жёсткость. Умягчение известью/содой (кальцинированной содой) снижает нещелочную (постоянную) жёсткость за счёт химической реакции.
• Ионный обмен — наиболее широко применяемый метод водоподготовки для жаротрубных котлов, вырабатывающих насыщенный пар. В этом модуле основное внимание уделено следующим процессам водоподготовки: натрий-катионное умягчение, дещелочение и деминерализация.

#Ионный обмен

Ионообменник представляет собой нерастворимый материал, обычно выполненный в виде смоляных гранул диаметром 0.5–1.0 mm. Такие гранулы обычно используются как засыпка в стеклопластиковом напорном сосуде. Смоляные гранулы пористы и гидрофильны, то есть впитывают воду. Внутри структуры гранулы находятся фиксированные ионные группы, с которыми связаны подвижные обменные ионы противоположного заряда. Эти подвижные ионы могут заменяться ионами того же знака, поступающими из солей, растворённых в окружающей гранулы воде.

#Натрий-катионное умягчение

Это простейшая и одновременно наиболее распространённая форма ионного обмена. Сначала смоляной слой активируют (заряжают), пропуская через него 7 - 12% раствор рассола (хлорида натрия, то есть поваренной соли), в результате чего смола насыщается ионами натрия. Затем подлежащую умягчению воду прокачивают через слой смолы, и происходит ионный обмен. Ионы кальция и магния вытесняют ионы натрия из смолы, оставляя в проточной воде преимущественно соли натрия. Соли натрия остаются в растворе даже при очень высоких концентрациях и температурах и не образуют вредной накипи в котле.

Из Рисунка 3.10.1 видно, что все ионы жёсткости заменяются натрием. При натрий-катионном умягчении общее количество растворённых веществ (TDS в ppm) не уменьшается, и pH не меняется. Происходит лишь замена одной группы потенциально вредных солей, образующих накипь, на другую группу менее вредных солей, не образующих накипи. Поскольку TDS не меняется, истощение смолы нельзя обнаружить по росту электропроводности (TDS и электропроводность взаимосвязаны). Поэтому регенерация запускается по времени или по суммарному расходу.

Умягчители сравнительно недороги в эксплуатации и способны надёжно выдавать обработанную воду в течение многих лет. Их можно успешно применять даже в районах с высокой щёлочной (временной) жёсткостью, при условии возврата не менее 50% конденсата. Если возврат конденсата мал или отсутствует, предпочтительнее более сложный вид ионного обмена.

Иногда перед натрий-катионным умягчением применяют предварительную обработку известью/содой. Это снижает нагрузку на смолы.

#Дещелочение

Недостаток натрий-катионного умягчения состоит в том, что TDS и щёлочность не снижаются. Этого можно избежать за счёт предварительного удаления щёлочности, что обычно достигается применением дещелочивателя.

Существует несколько типов дещелочивателей, но наиболее распространённый вариант показан на Рисунке 3.10.2. По сути это система из трёх ступеней: дещелочиватель, затем дегазатор и после него умягчитель.

#Дещелочиватель

Система на Рисунке 3.10.3 иногда называется умягчением с разделением потока. Дещелочиватель редко используют без умягчителя, поскольку получаемый раствор кислый и вызвал бы коррозию, а постоянная жёсткость беспрепятственно поступала бы в котёл.

Установка дещелочения удаляет временную жёсткость, как показано на Рисунке 3.10.3. Такая система обычно применяется там, где используется очень высокая доля подпиточной воды.

#Деминерализация

Этот процесс удаляет практически все соли. Он заключается в пропускании исходной воды через катионообменную и анионообменную смолы (Рисунок 3.10.4). Иногда обе смолы находятся в одном сосуде; тогда это называется деминерализацией на смешанном слое.

Процесс удаляет почти все минералы и даёт воду очень высокого качества, практически не содержащую растворённых веществ. Он применяется для котлов очень высокого давления, например на электростанциях.

Если исходная вода содержит большое количество взвешенных твёрдых веществ, ионообменный материал быстро загрязняется, что резко увеличивает эксплуатационные затраты. В таких случаях может потребоваться предварительная обработка исходной воды, например осветление или фильтрация.

#Выбор установки внешней водоподготовки

Глядя на Таблицу 3.10.1, можно решить, что всегда следует использовать установку деминерализации. Однако каждая система имеет капитальные и эксплуатационные затраты, как показано в Таблице 3.10.2, и, кроме того, необходимо учитывать потребности конкретной установки.

#Жаротрубная котельная установка

Как правило, жаротрубные котлы способны выдерживать достаточно высокий уровень TDS, и относительно низкие капитальные и эксплуатационные затраты установок натрий-катионного умягчения (см. Таблицу 3.10.2) обычно делают их первым выбором.

Если исходная вода имеет высокое значение TDS и/или доля возврата конденсата низка (<40%), можно рассмотреть несколько вариантов:

• предварительная обработка известью/содой, вызывающая выпадение щёлочной жёсткости из раствора в виде карбоната кальция и гидроксида магния с последующим удалением из реакционного сосуда;
• установка дещелочения для снижения уровня TDS воды, подаваемой в котельную.

#Водотрубная котельная установка

Водотрубные котлы значительно менее терпимы к высокому уровню TDS, и по мере роста давления эта терпимость ещё снижается. Это объясняется рядом причин, в том числе:

• у водотрубных котлов площадь поверхности воды в паровом барабане невелика по отношению к интенсивности испарения. Это приводит к очень высокой скорости отделения пара на единицу площади и к турбулентности;
• водотрубные котлы обычно имеют большую производительность, возможно более 1 000 т/ч пара. Это означает, что даже небольшой процент продувки может соответствовать большой массе сбрасываемой воды;
• водотрубные котлы обычно работают при более высоких давлениях, как правило до 150 bar g. Чем выше давление, тем больше энергии содержит продувочная вода.

Более высокие давления означают и более высокие температуры. Это приводит к тому, что материалы конструкции испытывают большие термические напряжения и работают ближе к своим металлургическим пределам. Даже небольшое внутреннее загрязнение, ухудшающее передачу тепла от труб к воде, может вызвать перегрев труб.

• водотрубные котлы часто имеют пароперегреватель.

Сухой насыщенный пар из парового барабана может направляться в трубы пароперегревателя, расположенные в зоне наивысшей температуры топки. Любой унос загрязнённой воды вместе с паром покроет внутреннюю поверхность труб пароперегревателя и нарушит теплопередачу, что может иметь катастрофические последствия.

Всё это означает:

• вода высокого качества абсолютно необходима для безопасной эксплуатации такой установки;
• экономически оправдано инвестировать в систему водоподготовки, которая минимизирует продувку.

В каждом из этих случаев выбором часто становится установка деминерализации или обратного осмоса.

#Резюме

Качество исходной воды, очевидно, является важным фактором при выборе установки водоподготовки. Хотя уровни TDS влияют на работу котла, другие показатели, например общая щёлочность или содержание кремнезёма, иногда могут быть ещё важнее и в итоге определять выбор оборудования водоподготовки.