Способы подготовки воды для использования ее в котельном оборудовании

Введение
Вода является дешевым теплоносителем и одновременно универсальным растворителем. Правильная подготовка воды для котельной — это важное мероприятие, от которого зависит стабильность работы отопительного оборудования. Вода, обеспечивающая работу котельного оборудования, предназначается для защиты водогрейных котлов от образования известковых отложений: накипь на стенках труб и теплообменников затрудняет процесс передачи тепловой энергии: в результате снижается КПД оборудования, сокращается срок его службы из-за перегрева. В дальнейшем установка может полностью выйти из строя в результате образования очаговой коррозии. Профилактическая водоподготовка парового котла позволяет решить проблему и обеспечить эффективную работу оборудования. На многих российских котельных проблема коррозии метала очень распространена, не в последнею очередь ввиду медленной модернизации. Это обуславливает актуальность в рассмотрении темы.
Цель работы — изучать способы подготовки воды для использования ее в котельном оборудовании.
Задачи работы — рассмотреть роль воды в работе котельного оборудования, изучить эффективные способы ее подготовки.
Вода в работе котельного оборудованияВода, одновременно являющаяся дешевым теплоносителем и универсальным растворителем, может представлять угрозу для водонагревательного и парового котлов. Риски, в первую очередь, связаны с наличием в воде определенных примесей. Решение и предотвращение проблем в работе котельного оборудования невозможно без четкого понимания их причин, а также знания современных технологий подготовки воды.
Требования к качеству воды при ее подготовке для котельных систем определяются в зависимости от конкретного устройства.
1.1. Вода для водогрейных котловСистемы водогрейных котлов относятся к системам закрытого типа. В таких системах вода не должна изменять свой состав. Закрытая система заполняется химически отчищенной водой один раз и не требует постоянной подпитки. Потери обычно случаются из-за протечек в трубопроводах или вследствие ошибок в обслуживании. При правильной эксплуатации пополнение химически очищенной водой в водогрейных контурах осуществляется перед началом отопительного сезона или не чаще, чем один раз в год (исключением является аварийная ситуация).
Обязательное условие для всех видов воды, используемой в котлах всех типов — отсутствие взвешенных примесей и окраски. Для охладительных систем с предписанными рабочими температурами до 100°с большинство производителей используют упрощенные требования к качеству воды, минимизирующие только уровень общей жесткости.
Для отопительных установок с допустимой температурой нагрева выше 100°С, рекомендуется использование деминерализованной или умягченной воды, и в зависимости от типа устанавливаются нормативы ее качества.
Требования к качеству воды для котельных водогрейных котлов приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Требования к качеству воды
Показатель качества Деминерализованная вода Умягченная вода
Эл-водность при 25°СмкС/см 10-30 30-100 100-1500
рН при 25°С 9-10 9-10,5 9-10,5
Содержание кислорода <0,1 <0,05 <0,02
Общая жесткость <0,02 <0,02 <0,02
Системы водоподготовки для водогрейных котлов можно классифицировать в соответствии с мощностью котельной установки и ее назначением (табл. 2).
Таблица 2 — Требования к подготовке воды
Вид котла Требования к подготовке воды
Котлы средней мощности (до 1000 кВт) Используются системы для периодической подпитки котлового контура, как правило с корректировкой рН и растворенного кислорода
Промышленные котлы Используются системы постоянной подпитки глубокоумягченной водой с обязательной корректировкой рН и растворенного кислорода.
Небольшие (бытовые) котлы Используется система очистки для заполнения замкнутой системы отопления, холодного и горячего водоснабжения. Она должна соответствовать требованиям производителя котельного оборудования и нормативам на питьевую воду.
1.2. Вода для паровых котловВ отличие от водогрейных котлов, в паровом котле происходит непрерывный процесс испарения. Потери пара в парогенераторных системах неизбежны, поэтому необходимо постоянное их восполнение химочищенной водой. Примеси, поступающие в котел с химочищенной жидкостью, непрерывно накапливаются, следовательно, -11811018161000солесодержание в котле постоянно увеличивается. Для предотвращения перенасыщения котловой воды осуществляется замещение ее части химочищенной водой за счет непрерывной и периодической продувки. Таким образом, возникает необходимость -11811017653000пополнения контура очищенной водой в объеме, достаточном для компенсации продувочной воды и пара. Очевидно, что чем выше качество очищенной воды, тем меньше примесей вноситься в систему и меньше величина продувки, а значит тем выше качество пара и ниже расход энергоносителя.
К воде, используемой в системах с паровым котлом, предъявляются более жесткие требования, которые принято разделять на две группы в соответствии с типом воды — для питательной (Таблица 3) и котловой (Таблица 4).
Таблица 3 — Требования к качеству питательной воды
Рабочее давление (бар) 0,5-20 >20
рН при 25°С рН при 25°С рН при 25°С
рН при 25°С >9,2 >9,2
Общая жесткость (мг-экв/л) <0,02 <0,02
Содержание кислорода (мг/л) <0,05 <0,02
Содержание связанной углекислоты (мг/л) <25 <25
Железо общее (мг/л) <0,2 <0,1
Медь (мг/л) <0,05 <0,01
Перманганатная окислямость (мгО2/л) <2,5 <2,5
Электропроводность при 25°С (мкСм/см) ≤5% от предельногозначения котловой воды -11811017018000Таблица 4 — Основные требования к составу котловой воды [3]
Проводимость питательной воды>30 мкСм/см Проводимость питательной воды<30 мкСм/см
Рабочее давление (бар) 10,5-20 >20 рН при 25°С 10,5-20 10,5-11,8 10-11
Электропроводность при 25°С
(мкСм/см) <6000 3000-6000 <1500
Фосфаты по РО4(мг/л) 10-20 10-20 6-15
Кремневая кислота (мг/л) 25-140 25-140 25-140
При выборе схемы подготовки воды определяющим критерием является также величина непрерывной продувки котла, которая является расчетной и зависит от качества очистки, доли возврата конденсата и типа котла. Величина непрерывной продувки котла нормируется СНиПом на котельные установки.
Так например, для котельных, оборудованных паровыми котлами с давлением менее 14 бар, продувка не должна превышать 10%, а для котлов с рабочим давлением до 40 бар — 5%.
-118110181610002. Способы подготовки воды
Водоподготовка воды для котельной является обязательной частью процесса подготовки оборудования к отопительному сезону. Она позволит предотвратить аварийные ситуации и обеспечить бесперебойную подачу тепла потребителям. Также она дает возможность предотвратить затраты на капитальный ремонт: техника в котельной прослужит значительно дольше.
Система водоподготовки для котельной направлена на освобождение воды от различных типов примесей, которые могут привести к ухудшению работы оборудования. Она направлена на удаление веществ, приводящих к увеличению коррозионной активности жидкости, образованию известкового осадка, вспениванию при нагревании. В качестве теплоносителя в котельной может использоваться обычная водопроводная вода, прошедшая все необходимые стадии обработки. Она нуждается только в удалении остатков минеральных солей и газов, чтобы обеспечить оптимальные условия для процессов теплообмена в отопительной системе.
Плановые работы осуществляются по запланированному графику в рамках подготовки к отопительному сезону. Они предполагают следующие этапы:
Механическая очистка воды путем ее прохождения через специальные фильтры.
В результате удаляются нерастворимые взвешенные частицы, которые могут привести к образованию осадка и негативно отразиться на работе оборудования [5, С. 21]. Схема работы фильтров представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 — Схема работы фильтров для очистки воды от примесей
Умягчение — удаление солей жесткости.
-11239517145000Соли магния и кальция при нагревании воды выпадают в осадок, в результате образуется плотный слой накипи, затрудняющий теплообмен. Умягчение проводится с использованием специальных фильтрующих установок, для этого используются технологии мембранной очистки или ионного обмена. Это входит в состав технологий ультрафильтрации воды, при которой удаляются сложные органические соединения (рис. 2).
Рисунок 2 — Мембранная фильтрация
В результате мембранной фильтрации вода становится практически стерильной.
Удаление избытка растворенных газов.
Углекислый газ и растворенный кислород повышают коррозионную активность воды, что приводит к более быстрому износу труб и теплообменников. Дегазация позволяет замедлить процесс и продлить срок использования оборудования. Для этого используется специальное устройство, дегазатор (рис. 3).
Рисунок 3 — Деаэратор [2]
где: 1 — деаэраторная колонка; 2 — бак-аккумулятор; 3 — водомерные стекла; 4 — дренаж; 5 — теплообменник; 6 — отвод деаэрированной воды; 7 — регулятор перелива; 9 — подвод химически очищенной поды; 10 — подвод барботажного пара; 11 -11811018161000— охладитель выпара; 12 — регулятор уровня; 13 — отвод выпара; 4 — гидравлический затвор.
В струйной колонке при контакте пара с дегазируемой водой происходит ее нагрев. При этом внутри жидкости выделяются мельчайшие газовые пузырьки. После выдержки в баке-аккумуляторе вода поступает в барботажное устройство, где на начальном участке барботажного листа происходит интенсивный подогрев воды до температуры насыщения (кипения), соответствующей давлению в этой части деаэратора, при этом наблюдается интенсивный вынос газовых пузырьков потоком пара.
Конденсат и химически очищенная вода подаются на верхнюю тарелку, где смешиваются, а затем в виде струй сливаются сначала на вторую дырчатую тарелку и далее — в бак-аккумулятор. После выдержки в баке вода поступает в барботажное устройство, основным элементом которого является горизонтальный дырчатый лист. Пар подается на барботажное устройство и в паровой объем бака-аккумулятора.
Размещение барботажного устройства в баке-аккумуляторе интенсифицирует процессы удаления кислорода и особенно свободной углекислоты за счет хорошей вентиляции парового пространства бака. Это обеспечивает более глубокое разложение бикарбонатов и карбонатов по сравнению с одноступенчатыми деаэраторами.
Дегазация происходит следующим образом. В струйной колонке при контакте пара с дегазируемой водой происходит ее нагрев. При этом внутри жидкости выделяются мельчайшие газовые пузырьки. После выдержки в баке-аккумуляторе вода поступает в барботажное устройство, где на начальном участке барботажного листа происходит интенсивный подогрев воды до температуры насыщения (кипения), соответствующей давлению в этой части деаэратора, при этом наблюдается интенсивный вынос газовых пузырьков потоком пара.
Для быстрого выделения газов из воды и отвода их из деаэратора, а также для обеспечения глубокой дегазации требуется создавать соответствующие условия.
-11239518288000В целом, качество воды обеспечивается согласно требованиям СНиП II-35-76* «Котельные установки» [1]. Согласно этому документу «Водно-химический режим работы котельной должен обеспечивать работу котлов, пароводяного тракта, теплоиспользующего оборудования и тепловых сетей без коррозионных повреждений и отложений накипи и шлама на внутренних поверхностях, получение пара и воды требуемого качества». Состав системы водоподготовки в котельной (в теплоэнергетике принято сокращение ВПУ – водоподготовительная установка) определяется качеством исходной воды, требованиями к очищенной воде, производительностью установки. Требования к очищенной воде зависят от ее назначения и определяются нормативными документами.
Методов очищения воды также существует множество. Наиболее распространенный, эффективный и удобный в эксплуатации метод — метод катионного обмена. Для этого используется катионный фильтр, схема которого представлена на рис. 4.
Рисунок 4 — Катионный фильтр в котельной
Технология умягчения с использованием Na-катионитовых фильтров основана на процессе фильтрации воды через специальный материал — катионит, который имеет в -11811018161000своей структуре активные центры, способные взаимодействовать с катионами, находящимися в воде.
Свежий катионит, используемый для умягчения воды, насыщен ионами натрия. При прохождении через слой катионита присутствующие в воде ионы кальция и магния замещаются в эквивалентном соотношении на ионы натрия, в результате чего и происходит умягчение воды.
В процессе умягчения катионитовая загрузка теряет свою ионообменную емкость, для восстановления которой необходимо периодически проводить регенерацию катионита. Регенерация осуществляется за счет пропускания через слой катионита раствора хлорида натрия.
После процесса регенерации слоя катионита загрузка используется повторно. Для умягчения воды применяют ионообменные фильтры с прямоточной и противоточной технологиями регенерации.
Другой способ подготовки воды (для паровых котлов) — внутрикотловая обработка. Ее задачи следующие:
Защита котлового оборудования от коррозии;
Корректировки рН;
Защита пароконденсатного тракта от углекислотной коррозии;
Предупреждение накипеобразования при сбоях водоподготовки.
Химическая коррекция воды для паровых котлов представляет применение реагентов комплексного действия на основе пленкообразующих аминов. Эти реагенты выполняют следующие задачи:
Коррекция рН питающей, котловой воды и конденсата;
Создание защитной пленки на поверхности сборника питающей воды, котла и линии конденсата;
Препятствие осадкообразованию в системе;
Химические реагенты переходят в паровую фазу и защищают пароконденсатный тракт от углекислотной коррозии за счет корректировки рН конденсата.
-11811017589500Как правило, в состав реагента комплексного действия входят высокомолекулярные полиамины, диспергирующие полимеры и нейтрализующие амины. Все компоненты имеют органическую природу, поэтому солесодержание котловой воды не повышается. Пленкообразующие амины блокируют рост кристаллов на теплопередающих поверхностях, в результате образуются аморфные осадки, которым не дают прилипнуть к поверхности диспергерующие полимеры. Впоследствии осадок легко удаляется при периодической промывке. Нейтрализующие амины работают как ингибиторы коррозии— они связывают углекислоту и обеспечивают безопасный рН. Сформированная на поверхностях пленка из полиаминов является водоотталкивающей, поэтому применение такого реагента защищает непосредственно трубы, а не просто корректирует состав жидкости.
В целом, методом химической очистки довольно популярен и эффективен. Химводоочистка (ХВО) для котельных представляет собой комплекс, в котором -11811018161000установлено водоподготовительное оборудование предочистки, ионитные фильтры для снижения жёсткости и насосы дозаторы для коррекционной обработки воды. Процесс умягчения сводится к следующему: при прохождении воды через катионит в Na форме (синтетический материал на основе сополимера стирола и дивинилбензола) соли жесткости замещаются на соли натрия, при этом происходит истощение ионообменной ёмкости смолы. Чем больше в воде жесткость, тем интенсивнее ионообменная смола теряет свою рабочую ёмкость. По мере полного истощения смолы, управляющий клапан фильтра дает сигнал на регенерацию.
Регенерация происходит исходной водой с добавлением 26% раствора соли (NaCl). Для этих нужд, ионитный фильтр-умягчитель комплектуется солевым баком для приготовления солевого раствора. Для подготовки котловой воды достаточно одноступенчатого умягчения, для подготовки питательной воды используется двухступенчатое умягчение. Дополнительно, для реагентной обработки воды, связывания кислорода и корректировки показателя рН используются дозировочные комплексы, состоящие из насоса дозатора и ёмкости с для дозирующего вещества (Аминат КО 2 и КО 5). Комплексы ХВО используют непрерывный режим работы, круглосуточно снабжая котельные умягчённой водой. Это обеспечивают установки Twin и Duplex, в которых используются от двух и более катионообменных фильтров.
Общая схема химической очистки воды в котельной представлена на рис. 5.
Рисунок 5 — Оборот воды в системе с водогрейным котлом
Для подготовки воды в котельной целесообразно использовать водоподготовительные установки (ВПУ; ВПУ-1,0-К, ВПУ-2,5, ВПУ-5,0 и др.). Технологический процесс подготовки воды включает в себя выполнение следующих операций: умягчение воды, взрыхление катионита, пропуск раствора соли, отмывку катионита от продуктов регенерации. Подача воды при выполнении всех операций производится одним постоянно работающим насосом.
При умягчении исходная вода насосом подается в ионитный противоточный фильтр и, пройдя его сверху вниз, поступает в бак питательной воды, находящийся у потребителя. По окончании операции умягчения, что определяется либо повышением концентрации остаточной жесткости в умягченной воде более 15 мкг-экв/кг, либо по временному фактору, ВПУ-3,0 переводится в режим регенерации.
Для взрыхления блокирующего слоя ионита исходная вода поступает в среднее распределительное устройство (РУ) ионитного фильтра и сбрасывается через верхнее РУ в безнапорный дренаж.
-11811018161000Периодически (через 10-20 фильтроциклов) производится взрыхление всего слоя ионита путем подачи исходной воды в нижнее РУ и сброса через верхнее РУ. После появления прозрачной воды взрыхление ионита прекращают.
Регенерация ионита осуществляется 5-8%-ным раствором хлористого натрия. Для приготовления этого раствора исходная вода подается на эжектор, куда одновременно -11430017589500поступает 20-25%-ный раствор соли, который готовится в баке приготовления раствора соли. На выходе из эжектора концентрация соли в растворе должна находится на уровне 5-8%. Регенерация ионита производится двумя потоками. Основная часть регенерационного раствора (76%) подается в нижнее РУ фильтра и проходит вспомогательный и основной слои снизу вверх. Остальной поток (24%) подается в верхнее РУ и проходит сверху вниз блокирующий слой. Отвод отработанного раствора осуществляется через среднее РУ в безнапорный дренаж.
Отмывка ионита производится исходной водой, которая подается также двумя потоками. Основной поток (76%) поступает через нижнее РУ и проходит через вспомогательный слой ионита, где исходная вода умягчается. Таким образом, отмывка основного слоя производится умягченной водой. Меньшая часть потока подается через верхнее РУ. Сброс отмывочной воды производится через среднее РУ в безнапорный дренаж. После отмывки, окончание которой определяется по жесткости промывочной воды, выходящей из среднего РУ (не более 500 мг-экв/кг) установка переводится в режим умягчения исходной воды.
Пример схемы ВПУ приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 — Чертеж ВПУ-1,0 [4]
где: ФИПР — фильтр ионитный противоточный, БР — бак раствора соли, Э — эжектор, Н — насосный агрегат, СК — счетчик водомерный, М — манометры, Ш — шайбы дроссельные.
-11049017907000
Также используется метод коагуляции. Коагуляция – это процесс, при котором происходит понижение степени дисперсности коллоидно–растворенных примесей в результате агломерации их частиц с образованием макрофазы. Для проведения процесса используют осветитель (рис. 7, 8).
Рисунок 7 — Принципиальная схема коагуляционной установки с осветлителем:
где: 1 – исходная вода; 2 – греющий пар; 3 – конденсат; 4 – осветлитель; 5 – бак коагулированной воды; 6 – насос коагулированной воды; 7 – насос для промывки фильтров; 8 – осветлительный фильтр; 9 – адсорбционный фильтр; 10 – осветленная вода; 11 – сброс промывочной воды; 12 – сброс первого фильтрата; 13 – бак для сбора промывочных вод; 14 – насос для перекачки промывочных вод в осветлитель; 15 – дренаж; 16 – техническая вода; 17 – горячая вода или пар для растворения коагулянта; 18 – сжатый воздух для перемешивания; 19 – бачок постоянного уровня; 20 – ячейка мокрого хранения коагулянта; 21 – перекачивающий насос коагулянта; 22 – расходный бак коагулянта; 23 – насосы-дозаторы раствора коагулянта; 24 – воздушный колпак; 25 – ввод хлора; 26 – ввод кислоты или щелочи для создания необходимого значения рН.
-11239518415000
Рисунок 8 — Схема осветлителя ЦНИИ-2
Исходная вода после подогрева ее до температуры 25-30 °С поступает в осветлитель вместе или раздельно с раствором коагулянта. В трубопровод исходной воды перед осветлителем вводится раствор кислоты или щелочи для создания оптимального значения рН, а в случае применения в качестве коагулянта сульфата железа (Fe2+) вводится раствор хлора для окисления двухвалентного железа в трехвалентное. В осветлителе происходит хлопьеобразование и осветление воды. Осветленная вода поступает в промежуточный бак, из которого насосами подается на осветлительные фильтры для окончательного освобождения от тончайшей взвеси, не задержанной в осветлителе.
Из фильтров взвесь удаляется взрыхляющей промывкой обратным током воды. Промывочные воды собираются в специальном отстойнике, из которого равномерно перекачиваются насосом в линию исходной воды. Кроме экономии воды, тепла и реагентов, эта операция позволяет интенсифицировать образование хлопьев вследствие благоприятного влияния взвеси, содержащейся в промывочной воде. Для более глубокого удаления органических веществ из коагулированной воды ее после осветлительных фильтров пропускают через сорбционные фильтры, загруженные активированным углем.
-11811017780000
Корпус осветлителя (рис. 8) состоит из двух цилиндров разного диаметра, соединенных переходом, имеющим форму усеченного конуса. Днище осветлителя имеет кольцевую коническую форму. В центральной части осветлителя расположен цилиндрический шламоотделитель с коническим днищем и шламоотводными трубами. Исходная вода 1 подается по трубопроводу в воздухоотделитель 2, предназначенный для удаления из воды воздуха, который может вызвать в осветлителе взмучивание и вынос шлама. Далее по центральной и распределительным трубам 3, которые заканчиваются тангенциально расположенными соплами, вода поступает в нижнюю смесительную часть осветлителя. Сюда же вводится раствор коагулянта 7. Иногда раствор коагулянта вводится в трубопровод исходной воды. Сопла, расположенные горизонтально, приводят воду во вращательное движение в нижней части осветлителя, имеющей кольцевую форму. Такое движение воды способствует перемешиванию ее с реагентами, усиливает контакт выделяемых из воды примесей с частицами шлама и улучшает условия протекания процессов коагуляции, кристаллизации, сорбции и адгезии.
Вращательное движение воды далее гасится смесительными перегородками 13 и переходит в восходящее поступательное движение снизу вверх. Продукты коагуляции, выделяющиеся в виде хлопьев, поддерживаются водой во взвешенном состоянии и образуют зону взвешенного шлама, т. е. контактную среду, способствующую ускорению и углублению процесса очистки воды. У верхней границы зоны взвешенного шлама вода освобождается от взвешенных хлопьев, проходит через зону осветления и распределительную решетку 10.
Затем осветленная вода собирается в желобе 11 и через приямок распределительного устройства 8 отводится по патрубку 12 в промежуточные баки, откуда насосами перекачивается на осветлительные фильтры. Избыток осадка из зоны взвешенного шлама непрерывно отводится с некоторым количеством воды через шламоотводные трубы 4 в шламоотделитель 5. Шламоотделитель 5, действующий как вертикальный отстойник, отделяет часть поступающей в него воды и подает ее по трубе через задвижку 9 в распределительное устройство 8.
-11049018605500Расход этой воды и количество осадка, отводимого из осветлителя, регулируются с помощью задвижки 9 на отводящей трубе и измеряются по величине напора воды над калиброванными отверстиями 14 в перегородке распределительного устройства. Остальная часть воды с повышенной концентрацией шлама непрерывно удаляется в канализацию по трубе 6. Для опорожнения шламоотделителя служит труба 16, а всего осветлителя – труба 15.
-13589011620500ЗаключениеСуществует множество способов подготовки воды для ее использования в нуждах котельной. Наиболее современными и эффективными являются методы химической обработки и фильтрации воды. Например, мембранная фильтрация позволяет сделать воду практически стерильной. Выбор способа подготовки воды под нужды котельной определяется технологическими и экономическими соображениями, характеристикой оборудования и его состоянием. Качество воды значительно влияет на любой вид оборудования, поэтому, необходимо проводить расчеты качества воды и сопоставлять их с качественными характеристиками оборудования (материал, коррозийная стойкость и др.)
-11811018161000Список использованных источниковСНиП II-35-76. Котельные установки. [Электронный ресурс] – URL: http://docs.cntd.ru/document/871001218
Брюханов О.Н., Кузнецов, В.А. Газифицированные котельные агрегаты // О.Н. Брюханов, В.А. Кузнецов ; Инфра-М. – 2005. – С. 392
Водоподготовка для котельных. [Электронный ресурс] – URL: http://gostvoda.ru/ochistka-vody-v-kotelnyh
ВПУ-1,0. [Электронный ресурс] – URL: http://ds22.su/vodopodgotovitelnaya-ustanovka-vpu-10
Карелин В.А. Водоподготовка. Физико-химические основы процессов обработки воды : учебное пособие // В.А. Карелин; Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета. – 2012. – C. 97