В.И. Зятина, О.С. Ковальчик
ГОУ ВПО «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры»
Качество воды для отопительно-производственных котельныхв процессе химводоподготовки
Рассмотрены характеристики воды, используемые в качестве теплоносителя в котельных установках, с последующей химводоподготовкой. Выполнен анализ состава и качества воды из централизованного водоснабжения и после соответствующей обработки.
Ключевые слова: химводоподготовка, централизованное водоснабжение, котельные установки.
Постановка проблемы. В теплоэнергетической промышленности, важным технологическим этапом является химводоподготовка воды.Наличие минеральных примесей, усложняет и делает невозможным процесс теплообмена за счет образования на поверхностях теплообменников и котлов накипи. Кроме котлов отложениям подвержены пароперегеватели и турбины, что в целом усложняет работу котельного агрегата. Главными задачами в коммунальном хозяйстве и теплоснабжении являются экономия всех видов топлива и обеспечение безаварийной и надежной работы котельного оборудования, что напрямую связано с качеством воды на входе в котел.
Анализ последних исследований. На сегодняшний день химводоподготовка – обязательный процесс, необходимый для обеспечения бесперебойной и безопасной работы промышленного котельного оборудования. Присутствие в природной воде естественных минеральныхпримесей и солей приводят к образованию накипи и коррозии.
В настоящее время практически отсутствует детальный анализ состояния котельного оборудования и теплотрасс в муниципальных поселках Ярославской области, что позволяет увидеть основные причины повышенного расхода финансовых ресурсов с целью повышения работоспособности существующих систем горячего водоснабжения и отопления.Проведен анализ существующих методов и выбор систем водоподготовки в коммунальном и промышленном тепло- и водоснабжении. Изучено влияние загрязняющих примесей на качество природных вод. Были обследованы маломощные котельные для горячего водоснабжения и отопления, большинство муниципальных котельных, представляющих интерес с точки зрения выявления типовых проблем горячего коммунального водоснабжения и теплоснабжения.Кроме анализа функционирования существующих систем химводоподготовки, были выполнены анализы воды на входе в котел на всех стадиях технологического процесса. Полученные данные позволяют с большой вероятностью говорить о том, что в настоящее время на большинстве исследованных котельных практически отсутствуют нормально функционирующие системы обработки воды при подаче ее на котельное оборудование и в сеть горячего водоснабжения, а именно это: система механической очистки воды; система декарбонизации воды; система деаэрации воды.Даже при наличии этих систем, технический контроль за их состоянием и режимами работы не проводится.В результате получаем, что при полном отсутствии достоверного аналитического контроля (проведение анализов воды, идущей на обработку) за качеством сырой воды, большинство котельных не способны эффективно обеспечивать теплоснабжение, а именно по причинам:
• высокая степень износа котельного и сетевого оборудования;
• постоянная необходимость замены котельного агрегата и элементов тепловых сетей из-за их высокой износостойкости;
• низкое в санитарном отношении качество воды, подаваемой в сеть водоснабжения;
• низкие технологические параметры подаваемой воды и высокие потери в сети;
• отсутствие должного технологического и административного контроля за показателями и режимами работы оборудования;
• низкие технико-экономические показатели работы котельной вследствие высоких непроизводственных затрат на эксплуатацию оборудования и сетей.
При наличии накипи толщиной в 1 мм котел перерасходует в среднем от 2 до 3 % топлива, так как теплопроводность накипи в 200 раз ниже теплопроводности конструкционной стали. Слой накипи в 1 мм поглощает 10 % тепловой энергии, а если на стенках котла или бойлера наросло 13 мм, то теряется уже 70% тепла. (рис. 1). [1]
По данным английской фирмы A&SResearchinc. 3 мм накипи поглощают 25% тепловой энергии, 7 мм – 39%. (рис.1). [1]
Рис.1. Зависимость потерь тепловой энергии от толщины слоя
отложений солей жесткости
На рисунке 1 показаны потери тепловой энергии при теплопередаче через греющую поверхность. Накипь приводит к значительному перерасходу энергоносителей, снижению КПД, перегреву поверхностей нагрева котлов, сужению просвета труб и каналов, что создает дополнительное сопротивление движению воды, увеличению затрат на обслуживание и ремонт теплообменного оборудования. Кроме того, под слоем накипи происходит накопление примесей, вызывающих ускоренную коррозию металла. [1]
Электронный преобразователь солей жесткости «Термит» - универсальное устройство защиты систем отопления, водопроводов, котлов, бойлеров, теплообменников, парогенераторов, градирен и другого оборудования от накипи и коррозии.Устанавливается на водопроводные трубы горячей и холодной воды без демонтажа, не требует обслуживания, также можно использовать в качестве дополнения к имеющимся системам очистки воды так и самостоятельно. Преобразователь «Термит» выпускается для труб диаметром до 320 мм. Для труб большего диаметра уже имеются технические решения. Прибор включает в себя микропроцессор, который управляет изменением характеристик электромагнитных волн, генерируемых прибором в диапазоне от 1 до 20 кГц. Генерируемые сигналы передаются по проводам - излучателям, которые наматываются на трубопровод перед защищаемым оборудованием, и врезка не требуется. Сигналы распространяются в обе стороны трубопровода. С помощью проводов - излучателей поток излучения концентрируется в объеме воды, протекающей в трубопроводе. Передаваемые электромагнитные волны изменяют структуру солей жесткости с образованием хрупкой арагонитной формы карбонатов. При этом прочная смесь аморфных отложений солей жесткости не образуется, а сформировавшиеся ранее отложения разрушаются и уносятся с потоком воды.Вода при обработке не меняет солевой состав, что сохраняет ее качества питьевой воды без потерь необходимых химических элементов.Ресурс работы - 20 лет и также 2 года гарантия на оборудование. Приборы дополняют химводоподготовку. В результате повышается её эффективность, увеличивается фильтроцикл, снижается себестоимость водоподготовки на 30 - 50%, также он полностью адаптирован к российским условиям эксплуатации, работает на воде любой степени сложности и при любой скорости потока воды.Приборы «Термит» защищают теплоэнергетическое и технологическое оборудование, трубопроводы от накипи, тем самым, снижая платежи предприятия за энергоносители - в промышленности и ЖКХ экономия на одном котле, теплообменнике, компрессоре составляет от 300 тысяч до 1 миллиона рублей в год.[14]
Установив приборы «Термит»,мы достигаем:
- Устранение проблемы накипи: удаление старых отложений солей жесткости и решение вопроса с образованием новой накипи;
- Защиту оборудования от коррозии, возникающей в результате накипи;
- Решение проблемы энергосбережения: существенное снижение платежей за энергоносители;
- Ликвидацию расходов на периодические чистки оборудования;
- Увеличение срока службы оборудования.
Приборы относится к последнему поколению устройств безреагентной обработки воды, широко распространенных за рубежом, и представляет собой современную альтернативу химводоподготовке. [14]
Рекомендации к использованию от Российской академии наук, Российского союза энергоэффективности, Международного союза научных и инженерных общественных объединений, Союза нефтегазопромышленников России, Всемирной ассоциации промышленных, научно-исследовательских и технологических организаций, Нижегородская область, Краснодарский край и прочие. [14]
Таблица 1. Технические характеристики приборов «Термит».
| Модель | Т-35 | Т-60 | Т-М-90 | Т-М-120 | Т-М-170 | Т-М-250 | Т-М-320 |
| Максимальный диаметр трубопровода, мм | |||||||
| Расход воды, м3/час | до 24,0 | до 36,0 | до 81,0 | до 144,0 | до 289,0 | до 625,0 | до 1024,0 |
| Напряжение переменного тока 50 Гц, В | 220+/-22 | 220+/-22 | 220+/-22 | 220+/-22 | 220+/-22 | 220+/-22 | 220+/-22 |
| Потребляемая мощность, Вт | до 2 | до 2 | до 5 | до 5 | до 5 | до 5 | до 5 |
| Макс. температура трубопровода, °C | 70(115 при необход.) | 70-115 | 70-115 | 70-115 | 70-115 | 70-115 | 70-115 |
| Изменение мощности радиочастот, % | 100,75 | 100,75 | 100,75,50,25 | 100,75,50,25 | 100,75,50,25 | 100,75,50,25 | 100,75,50,25 |
| Габаритные размеры корпуса, мм | 180*45*135 | 180*45*135 | 290*220*145 | 290*220*145 | 290*220*145 | 290*220*145 | 290*220*145 |
Сроки службы котельного и сетевого оборудования Брейтовской центральной котельной вследствие сказанного существенно меньше нормативных сроков в среднем в 2-3 раза. Об этом говорят периодичность его смены и затраты муниципального округа на ремонтно-профилактические работы на котельной по замене котлоагрегатов и сетей распределения воды. Как показывает опыт и предварительные экономические расчеты, дополнительные капиталовложения, направленные на реконструкцию систем водоподготовки, позволили бы уже в ближайшее время уменьшить затраты на замену сетевого и котельного оборудования в 2-3 раза и существенно снизить расход потребляемого топлива в котельных. Ориентировочный срок окупаемости таких мероприятий может составить от трех до четырех лет.[1]
Таким образом, на примере этой котельной можно сделать вывод о необходимости существенного улучшения работ по совершенствованию процессов химводоподготовки в коммунальном водоснабжении в муниципальных образованиях области. [1]
Цель исследования. Уменьшение затрат топлива на получение тепловой энергии. Повышение срока службы котельного оборудования и сетей горячего тепло- и водоснабжения - это достигается использованием современных котельных агрегатов с более высоким КПД, устранениемпроблем с нейтрализацией агрессивных стоков, сбрасываемых в канализацию, предусматриваем установки по нейтрализации сбрасываемой загрязненной воды или устройство безреагентных систем химводоподгоовки.
Основной материал. Важный этап предварительной котловой обработки воды – это умягчение воды. Для удаления солей жесткости, а это и есть умягчение воды применяем натрий-катионитовые фильтры, так как они обладают высокой обменной емкостью.
Существуют нормативные требования к качеству подпиточной воды систем теплоснабжения табл.3 [13]. Согласно п. 8 [12] «Водно-химический режим работы котельной должен обеспечивать работу котлов, тепловых сетей, теплообменного оборудования без коррозионных повреждений, отложений накипи и шлама внутри и снаружи оборудований, а также воды требуемого качества». Вода в теплоэнергетичской промышленности имеет различные наименования и использования и в нормативных документах [12] ее принято различать:
Сырая вода - вода из источника водоснабжения, не прошедшая очистку и химическую обработку.
Питательная вода – ода на входе в котел, которая должна соответствовать заданным проектом параметрам, чаще всего это химическийсостав, температура и давление.
Добавочная вода – вода, предназначенная для восполнения потерь, связанных с продувкой котла и утечкой воды и пара.
Котловая вода – вод, циркулирующая внутри котла.
Подбор и метод химводоподготовки начинаем с анализа образца качества сырой воды, какие у нее показатели, наличие различных примесей и загрязнений. Анализ проводит толькоспециализированная аккредитованная лаборатория и затем она даёт свои заключения. На основании требований к очистке, исходной жесткости воды и производительности котла, на выходе выбираем способ умягчения воды: например, умягчение на натрий-катионитовыхфильтрах; известкование; снижение общего солесодержания на установках обратного осмоса; умягчение воды, с целью снижения общего солесодержания с помощью пропускания воды через Н- и ОН-ионообменные фильтры. В зависимости от системы теплоснабжения, назначение воды и мощности котла, вода на входе в котел должна соответствовать определенным нормам качества воды табл.9 [12]. Для теплосетей и котлов низкого давления применяем умягчение воды через натрий-катионитовые фильтры, а для котлов высокого давления уже деминерализация и деаэрация воды.
На котельных ведется журнал температурного графика работы котельной(табл.1).
| Таблица 2. Температурный график работы котельной. | |||
| Температура наружного воздуха, в °C | Температура прямой воды, в °C | Температура обратной воды, в °C | Температура смещения, °C |
| +10 | |||
| +9 | |||
| +8 | |||
| +7 | |||
| +6 | |||
| Продолжение таблицы 1. | |||
| +5 | |||
| +4 | |||
| +3 | |||
| +2 | |||
| +1 | |||
| +0 | |||
| -1 | |||
| -2 | |||
| -3 | |||
| -4 | |||
| -5 | |||
| -6 | |||
| -7 | |||
| -8 | |||
| -9 | |||
| -10 | |||
| -11 | |||
| -12 | |||
| -13 | |||
| -14 | |||
| -15 | |||
| -16 | |||
| -17 | |||
| -18 | |||
| -19 | |||
| -20 | |||
| -21 | |||
| -22 | |||
| -23 |
Обязательно в технологической схеме подготовки воды нужно применять ее обеззараживание, в качестве примера: озонирование; ультрафиолетовое облучение; хлорирование. В настоящее время очистка воды с помощью озона одна из самых эффективных и безопасных методов очистки. Применяя обеззараживание, мы снижаем риск проблем с:
· Выход из строя теплоэнергетического оборудования;
· Капитпальные ремонты проводить реже, также затраты на ремонт низкие;
· Перерасход электро и тепловой энергии, и газа;
· Снижение КПД котлов;
· Качество теплоснабжения будет высоким.
Химводоподготовка воды на стадии очистки сперва устраняет из воды все органолептические показали (мутность, цветность и запах). Приводим несколько схем очистки воды их характеристики. [9]
Рис.2. Метод очистки умягченяи воды с обеззараживанием
В данном методе применяется озон, для удаления бактерий, адля удаления минеральных солей применяем кислород. Очистка осуществляется через ионнообменный фильтр, система аэрация воды, фильтр обезжелезиватель, а также угольный фильтр. Метод предназначен для воды с высоким содержанием солей жесткости и солей железа.
Рис.3. Метод глубокого умягчения (деминерализация воды).
1 – аэратор; 2 – песочный фильтр; 3 (3.1, 3.2) – катионнообменые фильтры; 4 – декарбонизатор; 5 (5.1,5.2) – анионнообменные фильтры; 6 – сборник деминерализованной воды; 7 – ратсвор хлорида натрия на регенерацию катионита; 8 – раствор кислоты на регенерацию катионита; 9 – раствор щелочи на регенерацию анионита.
Таблица 3. Качестенная классификация воды по степени жесткости
Данную установку химводоподготовки, разработал Присяжнюк В.А. Установка проверяна на Кременчугской ТЭС. Технология очистки состоит в том, что поступающая вода без предварительной дегазации, то есть это когда насосоы подсасывают воздух, вода проходит магнито – гидродинамический резонатор, в реактор подается определенное количество осадительногго реагента, на практике уже определеяться все по точности, также обеспечивается необходимая интенсивность перемешивания и время пребывания. В конце очитски поступает вода в сборник умягченной, так называемой осветленной воды. Технология позволяет увеличить производительность в два раза, снизить расход реагентов, повысить качество очистки, уеньшить объем жижких стоков, то есть шлама.[9]
Для решения проблем с нейтрализацией загрязненных стоков, сбрасываемых в канализацию является устройство безреагентых систем химводоподготовки, среди которых большое распространение получили системы обратного осмоса и магнитная обработка воды. Безреагентная водоподготовка, или магнитная обработка воды [10,11] известны с 1936 г. Этот метод предотвращения отложений накипи на теплообменных поверхностях без нагрева не умягчает воду, не снижается ее карбонатнаю и общую жесткость. Главные его преимущества в том, что по стоимости не дорогой и прост в эксплуатации. Механизм предотвращения накипеобразования на теплообменных поверхностях с помощью магнитной обработки, сводится к изменению водной структуры. В результате карбонат кальция, который обычно кристаллизуется, начинает кристаллизоваться в арагонит. Арагонит не откладывается на теплообменных поверхностях. Более того, если отложения кальция промывать уже магнитной водой, он переходит в арагонит, отложения разрыхляются, отслаиваются от поверхности и уносятся потоком воды. [9]
Качество питьевой воды, подаваемой потребителям фильтровальными станциями КП «Компания «Вода Донбасса»» с Верхнекальмиусской фильтровальной станции (г.Донецк, г.Ясиноватая), за сентябрь, 2018 г. (табл.3).
Таблица 3. Качество воды прошедшей ионообменыне фильтры после очистки до нормативных показателей.
| № п/п | Наименование показателя | Единица измерения | Периодичность контроля | Нормативы ГосСанПин 2.2.4-171-10, не более |
| 1.1 | Число микроорганизмов в1 см3 | КОЕ/см3 | ежедневно | |
| 1.2 | Число общих колиформ в 100см3 | КОЕ/100 см3 | ежедневно | отсутствие |
| 1.3 | Число E.coli в 100 см3 | КОЕ/100 см3 | ежедневно | отсутствие |
| 1.4 | Число энтерококков в 100 см3 | КОЕ/100 см3 | ежедневно | отсутствие |
| 1.5 | Число коли-фагов в 1дм3 | БОЕ/дм3 | ежемесячно | отсутствие |
| 2.1 | Число патогенных кишечных простейших в 50 дм3 воды | кл/50 дм3 | ежемесячно | отсутствие |
| 2.2 | Число кишечных гельминтов в 50 дм3воды | кл/50 дм3 | ежемесячно | отсутствие |
| 3.1 | Мутность | мг/дм3 | ежедневно | 0,58 (2,0*) |
| 3.2 | Цветность | град | ежедневно | 20 (35*) |
| 3.3 | Запах | балл | ежедневно | |
| 3.4 | Привкус | балл | ежедневно | |
| 3.5 | Водородный показатель | ед. рН | ежедневно | 6,5-8,5 |
| 3.6 | Жесткость общая | ммоль/дм3 | ежедневно | 7,0 (10,0*) |
| 3.7 | Сухой остаток | мг/дм3 | 1 раз в 2 недели | 1000 (1500*) |
| 3.8 | Железо | мг/дм3 | еженедельно | 0,2 (1,0*) |
| 3.9 | Сульфаты | мг/дм3 | 1 раз в 2 недели | 250 (500*) |
| 3.10 | Хлориды | мг/дм3 | еженедельно | 250 (350*) |
| 3.11 | Марганец | мг/дм3 | ежемесячно | 0,05 (0,5*) |
| 3.12 | Медь | мг/дм3 | ежемесячно | |
| 3.13 | Цинк | мг/дм3 | ежемесячно | |
| 4.1 | Мышьяк | мг/дм3 | ежемесячно | 0,01 |
| 4.2 | Нитраты | мг/дм3 | еженедельно | |
| 4.3 | Ртуть | мг/дм3 | 1 раз в 3 года | 0,0005 |
| 4.4 | Свинец | мг/дм3 | ежемесячно | 0,01 |
| 4.5 | Фтор | мг/дм3 | ежемесячно | 1,2 |
| 4.6 | Алюминий | мг/дм3 | ежедневно | 0,5 |
| 4.7 | Кадмий | мг/дм3 | ежеквартально | 0,001 |
| 4.8 | Никель | мг/дм3 | ежемесячно | 0,02 |
| 4.9 | Селен | мг/дм3 | 1 раз в 3 года | 0,01 |
| 4.10 | Бериллий | мг/дм3 | ежегодно | 0,0002 |
| 4.11 | Бор | мг/дм3 | ежегодно | 0,5 |
| 4.12 | Стронций | мг/дм3 | ежегодно | |
| 4.13 | Молибден | мг/дм3 | ежемесячно | 0,07 |
| 4.14 | Хром (+6) | мг/дм3 | ежемесячно | 0,05 |
| 4.15 | Фенолы | мг/дм3 | ежемесячно | 0,001 |
| 4.16 | Нефтепродукты | мг/дм3 | ежемесячно | 0,1 |
| 4.17 | АПАВ | мг/дм3 | ежемесячно | 0,5 |
| 4.18 | Пестициды | мг/дм3 | 4-10 месяцы | 0,01 |
| 4.19 | Окисляемость перманганатная | мгО/дм3 | ежедневно | 5,0 |
| 5.1 | Хлороформ | мг/дм3 | 2 раза в месяц | 0,06 |
| 6.1 | Общая объемная активность альфа-излучения | Бк/дм3 | 1 раз в 3 года | 0,1 |
| 6.2 | Общая объемная активность бета-излучения | Бк/дм3 | 1 раз в 3 года |
Перечень анализируемых показателей и их периодичность выполняются по согласованному с Областной санитарно-эпидемиологической станцией документу.
* - допустимые значения, по согласованию с органами сан-эпидемиологической службы.
** - ПДК согласно ТУ У 41.0-00191678-001(002):200
Выводы: Всеотопительно – производственные котельные теплоэнергетической промышленности должны проводить технологический и административной контроль за показателями качества воды и режимами работы всего оборудования и сетей. Системы химводоподготовки крайне необходимы, иначе на оборудованиях и сетях котельных агрегатов будут образовываться различные виды накипи внутри котлов и теплообменного оборудования, трубопроводов и материалов.Обязательная необходимость существенного повышения качества работ по совершенствованию процессов химводоподготовки в коммунальном теплоснабжении. При правильном выборе и эксплуатации оборудования, своевременном ремонте котельных установок можно обеспечить бесперебойную и экономичную работу котельных, уменьшить расходы на их ремонт и существенно экономить топливо.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методы подготовки питательной воды котлов и современное оборудование для коммунального тепло и водоснабжения: учебное пособие / Е. А. Михайлов, Ю. С. Кашенков, А. Г. Маланов. – Ярославль: Издательство ЯГТУ, 2009. – 156 с.
2. А. Котенко, магистр, инженер, Э. Видхальм, дипломированный инженер. Журнал «Сантехника, Отопление, Кондиционирование». Опыт эксплуатации обратноосмотических систем химводоподготовки. №8, 2007 г.
3. СНиП II-35-76 "Котельные установки" – Водоподготовка и водно-химический режим.
4. Иванова, Е.С. Производственно-отопительная котельная. Метод. указания / Е.С. Иванова, Л.В. Артеева. - Ухта: УГТУ. – 42 с.
5. М.С. Водоподготовка / М.С. Шкроб, В.Ф. Вихрев. – Л.: Энергия, 1966.
6. А.А. Громогласов, А.Ф. Копылов, А.П. Пильщиков, Водоподготовка: процессы и аппараты, М.: «Энергоатомиздат», 1990.
7. Присяжнюк В.Л. Журнал «Жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы» // к.х.н. В.А. Присяжнюк// С.О.К. – 2004. - №10.
9. Присяжнюк В.Л. Журнал «Жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы» // к.х.н. В.А. Присяжнюк// С.О.К. – 2004. - №11.
10. Присяжнюк В.А. Физико-химические основы предотвращения кристаллизации солей на теплообменных поверхностях. Журнал «Сантехника, отопление, кондиционирование», № 10, 2003 г., с. 26-30.
11. Присяжнюк В.А. Водоподготовка и очистка воды: принципы, технологические приемы, опыт эксплуатации. Журнал «Сантехника, отопление, кондиционирование», № 4, 2004 г.
12. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов: ДНАОП 0.00-1.08-94; Утв. 26.05.1994 № 51/Гос. комитет Украины по надзору за охраной труа. – Х.: Форт,2002. – 184 с.
13. СниП II-Г.10-62 Тепловые сети. Нормы проектирования.
14. ЗАО "ИНТЕХКОМПЛЕКТ". Современные энергосберегающие технологии и оборудование.Г.Оренбург [Электронный ресурс] // www.itcenergo.narod.ru /