Правильная вода для котлов. Всё о современной ХВО

15 октября 2015 г.
 

Малецкий З.В.
Мудрик Р.Я

ХВО – аббревиатура, которая прочно вошла в лексикон специалистов по котельным установкам. Для непосвящённых скажем, что наиболее распространённым вариантом её расшифровки является "химическая водоочистка", хотя это вовсе не означает, что данное направление водоочистных технологий ограничивается методами водоподготовки с применением химических реагентов. Современные методы и технологии ХВО обеспечивают долгую и успешную жизнь котельного оборудования, экономят средства его владельца, а работу обслуживающего персонала сводят к периодическому контролю и плановому сервису, максимально исключая поломки, связанные с качеством питающей воды.

Водные проблемы котлов
Вода, одновременно являясь дешёвым теплоносителем и универсальным растворителем, может представлять угрозу для водогрейного или парового котла. Риски, в первую очередь, связаны с наличием в воде определенных примесей. Решение и предотвращение проблем в работе котельного оборудования невозможно без чёткого понимания их причин, а также знания современных технологий подготовки воды.
Для котловых систем характерны три группы проблем, связанных с присутствием вводе следующих примесей:

  • нерастворимых механических 
  • растворённых осадкообразующих 
  • коррозионноактивных.

Каждый из типов примесей может служить причиной выхода из строя того или иного оборудования тепловой установки, а также вносит свой вклад в снижение эффективности и стабильности работы котла.

Использование в тепловых системах воды, не прошедшей механическую фильтрацию, приводит к наиболее грубым поломкам – выводу из строя циркуляционных насосов, уменьшению сечения, повреждению трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры (рисунок 1). Обычно механические примеси – это песок и глина, присутствующие, как в водопроводной, так и в воде из артезианских источников, а также продукты коррозии трубопроводов, теплопередающих поверхностей и других металлических частей системы, которые находятся в постоянном контакте с агрессивной водой. Растворённые примеси могут вызывать более серьёзные неполадки в работе энергетического оборудования, которые чаще всего связанны с:

  • —образованием накипных отложений
  • —коррозией котловой системы
  • —вспениванием котловой воды и унесением солей с паром.

Эта группа примесей требует особого внимания, поскольку их присутствие в воде зачастую не так очевидно, как наличие механических примесей, а последствия воздействия на котельное оборудование могут быть самыми плачевными – от снижения энергоэффективности системы до полного её разрушения.

Карбонатные отложения, вызываемые повышенной жёсткостью воды, – хорошо известный результат процессов накипеобразования, протекающих даже в низкотемпературном теплообменном оборудовании, однако, далеко не единственный. Так, при нагреве воды свыше 130°С сильно снижается растворимость сульфата кальция и происходит образование особо плотной накипи гипса. Образующиеся накипные отложения (рисунок 2), во-первых, ухудшают теплоотдачу теплообменных поверхностей, что приводит к перегреву стенок котла и снижению срока его службы, а во-вторых, увеличивают потери тепла.

Рис. 2. Накипные отложения в трубах котловой установки

Ухудшение теплообмена приводит к перерасходу энергоносителей, что отражается на эксплуатационных затратах (рисунок 3). Образование на поверхностях нагрева даже незначительного по толщине (0,1–0,2 мм) слоя отложений приводит к перегреву металла и, как следствие, к появлению отдулин, свищей и даже разрыву труб. Образование накипи является однозначным признаком использования в котловой системе воды низкого качества. В этом случае неизбежно развитие коррозии металли-ческих поверхностей и накопление, вместе с накипными отложениями, продуктов окисления металлов.

Рис. 3.Оценка энергетических потерь, связанных с образованием слоя накипи различной толщины

В котловых системах могут проходить два типа коррозионных процессов: химическая и электрохимическаякоррозия. Электрохими-ческая коррозия связана с образованием большого количества микрогальванических пар на металли-ческих поверхностях. “ Часто причиной электрохимической коррозии является неполное удаление из воды таких примесей как железо и марганец".

В большинстве случаев коррозия возникает в неплотностях металли-ческих швов и развальцованных концов теплообменных труб, а результатом таких поражений являются кольцевые трещины. Основными стимуляторами коррозии являются растворённый кислород и углекислый газ. Если конструкции выполнены из чёрной стали, любое отклонение от диапазона рН 9–10 приводит к развитию коррозии. В случае алюминиевых конструкций, превышение рН 8,3–8,5 приводит к разрушению пассивирующей плёнки и коррозии металла.

 Особое внимание стоит обратить на поведение газов в котловых системах. С повышением температуры растворимость газов в воде снижается – происходит их десорбция из котловой воды. Этот процесс обуславливает высокую коррозионную активность кислорода и диоксида углерода (рисунок 4). Кроме того, в процессе нагрева и испарения воды происходит разложение гидрокарбонатов на карбонаты и диоксид углерода, который уносится вместе с паром и обуславливает низкий рН и высокую коррозионную активность конденсата. Поэтому при выборе схемы химводоочистки и внутрикотловой обработки следует предусматривать способы нейтрализации кислорода и диоксида углерода.

Рис. 4. Последствия точечной кислородной коррозии (а) и общей углеродной

Другой вид химической коррозии – хлоридная коррозия. Хлориды, из-за своей высокой растворимости, присутствуют во всех доступных источниках водоснабжения. Хлориды разрушают пассивирующую плёнку на поверхности металла, чем стимулируют развитие вторичных коррозионных процессов. Гранично-допустимая концентрация хлоридов в воде котловых систем – 150–200 мг/л. Накипеобразование и коррозионные процессы являются результатом использования в котловой системе воды низкого качества – химически агрессивной и нестабильной. Эксплуатировать котловые системы на такой воде экономи-чески нецелесообразно и опасно с точки зрения техногенных рисков.

Какая бывает вода?

Обычно в качестве источников водоснабжения котловых систем используются водопровод и артезианские скважины. Каждый тип воды имеет свои недостатки и набор типичных проблем.

Первой типичной проблемой любой воды являются соли кальция и магния, обуславливающие общую жёсткость. В Украине, в зависимости от региона и типа источника водоснабжения, жёсткость как водопроводной, так и артезианской воды, может принимать значения от 2 до 15 ммоль/л (4–30 мг-экв/л). Другой типичной примесью украинских вод являются растворённые соли железа, содержание которых в природных водах Украины находится в интервале между 0,3 и 20 мг/л. При этом в большинстве артезианских скважин уровень растворённого железа превышает 3 мг/л. Контроль качества воды котловых систем осуществляется путём лабораторных анализов или экспресстестов. Лабораторные анализы для водогрейных систем средней мощности рекомендуется выполнять при каждом плановом осмотре или обслуживании, но не реже трёх раз в год, а для промышленных – раз в смену. Для паровых котлов лабораторный анализ должен выполняться с периодичностью раз в 72 часа, при этом обычно отбирается несколько проб воды – вода после ХВО, котловая вода, конденсат.

Для проведения экспресс-тестов на жёсткость воды, содержание железа, щёлочность и хлориды используются капельные экспресс-системы. Результаты, полученные с помощью таких экспресс-систем, могут служить ориентиром для оценки качества котловой воды и эффективности работы системы химводоочистки. Измерение таких показателей качества воды как рН, солесодержание и растворённый кислород проводят с помощью карманных приборов – рНметров, TDS-метров и оксиметров.

Таблица 1.Портативные измерители рН, солесодержания и растворённого кислорода

Как получить правильную воду

Котловые системы принято подразделять по их назначению на водогрейные и паровые. Для каждого типа существует свой набор требований к химочищенной воде, которые также зависят от мощности котла 

и температурного режима. Требования к качеству воды для котловых систем устанавливаются на уровне, обеспечивающем эффективную и безопасную работу котла при минимальном риске образования отложений и коррозии. Разработку официальных требований осуществляют надзорные органы (Госэнергонадзор), однако эти требования всегда мягче рекомендаций производителей, которые устанавливаются исходя из гарантийных обязательств. В Европейском Союзе требования производителей проходят всестороннюю экспертизу в органах стандартизации и профильных организациях, поэтому с точки зрения эффективной и длительной эксплуатации котла целесообразно ориентироваться именно на эти требования.

Расход подпиточной воды и требования к её качеству определяют оптимальный набор водоочистного оборудования и схему химводоочистки. Особое внимание во всех нормативных документах, касающихся качества подпиточной воды, уделяется таким показателям как жёсткость, рН, содержание кислорода и углекислоты.

ХВО для водогрейных котлов

Системы с водогрейным котлом (рисунок 6) относятся к системам закрытого типа. В этих системах вода не должна изменять свой состав.

Рис. 6. Оборот воды в системе с водогрейным котлом

Закрытая система заполняется химически очищенной водой один раз и не требует постоянной подпитки. Потери воды обычно случаются из-за протечек в трубопроводах или вследствие ошибок в обслуживании. При правильной эксплуатации, пополнение химочищенной воды в водогрейных контурах осуществляется перед началом отопительного сезона или не чаще, чем раз в год. Однако, если речь идёт о бытовом водогрейном котле, система химводоочистки используется также для постоянного холодного и горячего водоснабжения.

Обязательное требование для всех видов воды, используемой в котлах всех типов, – отсутствие взвешенных примесей и окраски. Для отопительных установок с предписанными рабочими температурами до 100°С большинство производителей используют упрощённые требования к ка-честву воды, лимитирующие только уровень общей жёсткости (таблица 2).

Таблица 2.Основные требования к качеству воды в системах с температурой нагрева < 100°С

Таблица 3.Основные требования к качеству воды в системах с температурой нагрева > 100°С

Для отопительных установок с допустимой температурой нагрева выше 100°С рекомендуется использование деминерализованной или умягчённой воды и в зависимости от типа применяемой воды устанавливаются нормативы её качества (таблица 3). Системы подготовки воды для водогрейных котлов можно классифицировать в соответствии с мощностью котельной установки и её назначением:

  • для бытовых котлов – очистка воды для заполнения замкнутой системы отопления, холодного и горячего водоснабжения. Очищенная вода должна соответствовать требованиям производителя котельного оборудования и нормативам на питьевую воду
  • для котлов средней мощности (до 1000 кВт)– системы для периоди-ческой подпитки котлового контура, как правило, с коррекцией рН и растворённого кислорода
  • для промышленных котлов– системы постоянной подпитки глубокоумягченной водой с обязательной коррекцией рН и растворённого кислорода.

Часто в качестве источника водоснабжения для бытовых водогрейных котлов используется водопроводная вода с характерным набором проблем: механические примеси и повышенная жёсткость.

Схема очистки воды в этом случае состоит из двух стадий – механическая фильтрация и умягчение. Очистка воды от взвешенных примесей должна осуществляться в механических фильтрах сетчатого или картриджного типа. При выборе механического фильтра необходимо соблюдать условие – рейтинг фильтрации не выше 100 мкм, иначе высока вероятность попадания примесей в систему химводоочистки или в питательную воду.

Рис. 7. Механические фильтры картриджного (а)             Рис. 8. Типовая система умягчения
                       и сетчатого
типа (б)                                              и комплексной очистки Ecosoft

 

Для корректировки жёсткости воды используют системы умягчения, ос нованные на применении сильнокислотных катионитов в натриевой форме. Эти материалы поглощают катионы кальция и магния, обуславливающие жёсткость воды, взамен выделяя эквивалентное количество ионов натрия, которые не образуют при нагреве воды нерастворимых соединений.

При использовании воды из артезианской скважины схемы с умягчением будет недостаточно, так как артезианская вода обычно содержит повышенные концентрации железа и марганца. В этом случае применяется один из вариантов сорбционных технологий – многостадийная, ставшая традиционной, или более современная и эффективная – комплексная одностадийная. Последний вариант стал возможным благодаря специальной разработке украинской компании НПО Экософт – технологии Ecomix.  

При использовании традиционной трёхступенчатой технологии подбор оборудования и фильтрующих материалов начинают с подробного химического анализа воды. Его результаты должны быть тщательно проанализированы специалистом-химиком, который затем правильно выбирает фильтрующие материалы для каждой стадии системы и определяет требуемую конфигурацию оборудования. Многоступенчатая технология сложна в эксплуатации, кроме того, в этом случае производится раздельная регенерация различными реагентами и отмывка трех видов загрузок, используемых в системе, что требует значительного расхода воды на собственные нужды. Для регенерации каталитических фильтров используется, как правило, раствор перманганата калия, приобретение и сброс которого в канализацию требуют специального разрешения. В случае применения технологии комплексной очистки ситуация зна-чительно упрощается. Для принятия решения необходимо знать не более четырёх показателей качества воды, причём в большинстве случаев достаточно провести определение экспресс-методами, поскольку технология адаптирована ко всем формам удаляемых примесей, характерным для артезианской воды. В основе технологии комплексной очистки воды лежит специальная фильтрующая загрузка Ecomix – смесь из 5 ионообменных и сорбционных материалов, которая регенерируется раствором поваренной соли, что исключает образование высокотоксичных отходов и сокращает расход воды на собственные нужды. Системы ХВО на базе технологии Ecomix аналогичны стандартным системам умягчения по принципу работы, аппаратурному оформлению и сервису. Для обслуживания такой системы не требуется специально подготовленный персонал.

Использование подготовленной воды для бытовых котлов позволит защитить, помимо котлов, бойлеры для нагрева воды, систему отопления, а также бытовое оборудование. Схемы очистки воды для водогрейных котлов средней мощности (до 1000 кВт) аналогичны системам для бытовых водогрейных котлов. В этом случае подготовленная вода применяется как для заполнения контура котла, так и для подпитки контура. Для современных котельных расход воды на подпитку обыч-но не превышает 1,5 м3 /час.

Для водогрейных котлов мощностью 500–1000 кВт, как правило, необходимо применять реагенты внутрикотловой обработки воды. Традиционно применяют автоматические дозиро- вочные станции для ввода реагентов в предварительно подготовленную воду и реагенты для связывания кислорода (сульфит или бисульфит натрия), корректировки рН (гидроксид натрия), а также в некоторых случаях фосфаты. Такой подход требует несколько дозировочных станций, тщательного приготовления растворов и постоянного контроля концентрации дозируемых веществ в котловой воде.

Таблица 4. Выбор оборудования химводоподготовки для водогрейного котла

При этом контроль дозирования заключается только в измерении рН котловой воды. Примером комплексных реагентов являются реагенты Epurocet: Epurocet W300 и Epurocet W320. Оба реагента состоят из органических компонентов и выполняют полную защиту котловой системы:

  • являются ингибитором коррозии и осадкообразования
  • корректируют рН

Реагент Epurocet W300 применяется для большинства систем и повышает рН до 9,5, а Epurocet W320 – для систем с алюминиевыми радиаторами и повышает рН до 8,3–8,5. Очистка воды для промышленных водогрейных колов – более сложная задача, поэтому, в зависимости от требований к жёсткости очищенной воды, могут применяться как одноступенчатые системы умягчения, так и двухступенчатые. При этом оборудование химводоподготовки должно обеспечивать непрерывную подпитку водогрейного контура, а рабочий расход подготовленной воды может варьироваться в широком диапазоне и определяется для каждой котельной индивидуально. Типичная схема подготовки воды состоит из механи-ческой фильтрации, умягчения или комплексной очистки на 1-ой ступени и умягчения на 2-ой ступени, завершающихся деаэрацией и корректировкой рН. В случае промышленных водогрейных котлов могут применяться как физические методы деаэрации и корректировки рН (вакуумные деаэраторы) так и химические (дозирование реагентов).

ХВО для паровых котлов

В отличие от водогрейного, в паровом котле (рисунок 10) проходит непрерывный процесс испарения воды. Потери пара в парогенераторных системах неизбежны, поэтому необходимо постоянное их восполнение за счёт химочищенной воды.

Рис. 10. Оборот воды в системе с паровым котлом

Примеси, поступающие в котёл вместе с химочищенной водой, непрерывно накапливаются, следовательно, солесодержание воды в котле постоянно увеличивается. Для предотвращения перенасыщения котловой воды осуществляется замещение её части химочищенной водой за счёт непрерывной и периодической продувок. Таким образом, возникает необходимость пополнения контура химочищенной водой в объёме, достаточном для компенсации продувочной воды и потерь пара. Очевидно, что чем выше качество очищенной воды, тем меньше примесей вносится в систему и меньше величина продувки, а значит тем выше качество пара и ниже расход энергоносителя.

К воде, которая используется в системах с паровым котлом, предъявляются наиболее жёсткие требования. Принято разделять две группы требований в соответствии с типом воды – для питательной (таблица 5) и котловой (таблица 6). которая является расчетной и зависит от качества химочищенной воды, доли возврата конденсата и типа котла. Величина непрерывной продувки котла нормируется СНиПом на котельные установки. Так, например, для котельных, оборудованных паровыми котлами с рабочим давлением менее 14 бар продувка не должна превышать 10%, а для котлов с рабочим давлением менее 40 бар – 5%. В зависимости от расчетной вели-чины продувки и минерализации исходной воды принимают решение о выборе схемы подготовки воды:

при низкой минерализации исходной воды достаточно использования двухстадийных систем комплексной очистки и умягчения, аналогичных схемам водоподготовки для промышленного водогрейного котла 

в случае высокой минерализации воды требуется применение комбинированной технологии, вклю-чающей стадию умягчения или комплексной очистки и обратноосмотической деминерализации.

Таблица 5.Основные требования к качеству питательной воды

Таблица 6.Основные требования к составу котловой воды

Если расчетная величина продувки превышает нормативную, следует снижать солесодержание химочищенной воды, т.е. выбирать схему включающую стадию деминерализации. В противном случае необходимо применять схему с двухступенчатым умягчением. Следует отметить, что чем выше величина непрерывной продувки, тем выше расходы на нагрев воды, т.е. возрастают расход природного газа и затраты на подготовку воды. Кроме того, высокая непрерывная продувка требует больших капитальных вложений и на компоненты парового котла.

С точки зрения экономической обоснованности выбора химводоподготовки более выгодной является схема глубокого умягчения с деминерализацией. При сравнительных расчетах более высокие капитальные вложения на деминерализацию окупаются менее, чем через год.

Для деминерализации и/или снижения щёлочности питающей воды, а также очистки воды от хлоридов, применяются технологии обратного осмоса. 

Эти технологии основаны на использовании специальных мембранных элементов, позволяющих проводить разделение очищаемой воды на пермеат (очищенную воду) и концентрат (воду, содержащую сконцентрированные примеси). Разделение проходит на полупроницаемой мембране, помещённой внутри мембранного модуля, при избыточном давлении, создаваемом насосом системы. Технология обратного осмоса является физическим безреагентным методом получения высокочистой воды с низкими эксплуатационными расходами.

Отдельного внимания в подготовке воды для паровых котлов заслуживает внутрикотловая обработка воды, основными задачами которой являются:

  • защита котла от коррозии
  • корректировка рН
  • защита паро-конденсатного тракта от углекислотной коррозии
  • предупреждение накипеобразования при сбоях химводоподготовки.

Традиционная схема химической коррекции состава воды требует использования нескольких реагентов, которые необходимо вводить в систему в разных точках, чётко соблюдая объёмы дозирования и контролируя содержание каждого компонента в системе. С одной стороны, привлекает низкая цена и доступность таких реагентов, с другой, практика показывает их существенные недостатки: сложность обеспечения полной защиты поверхностей, использование нескольких дозировочных станций, повышение солесодержания, высокий расход реагентов и необходимость постоянного трудоёмкого контроля и настроек.

 Эти реагенты одновременно

  • корректируют рН питающей, котловой воды и конденсата
  • образуют защитную плёнку на поверхностях сборника питающей воды, котла и линии конденсата препятствуют осадкообразованию в системе
  • частично переходят в паровую фазу и защищают пароконденсатный тракт от углекислотной коррозии за счёт корректировки рН конденсата.

В состав реагента комплексного действия входят высокомолекулярные полиамины, диспергирующие полимеры и нейтрализующие амины. Все компоненты имеют органи-ческую природу, поэтому солесодержание котловой воды не повышается. Плёнкообразующие амины блокируют рост кристаллов на теплопередающих поверхностях, в результате образуются аморфные осадки, которым не дают прилипнуть к поверхности диспергирующие полимеры (рисунок 12). Впоследствии осадок легко удаляется при периодической продувке.

Рис. 12. Плотный кристаллический осадок солей без использования плёнкообразующих аминов (а) и аморфный легкоудаляемый осадок при их использовании (б)

Нейтрализующие амины работают как ингибиторы коррозии – они связывают углекислоту и обеспе-чивают безопасный уровень рН. Сформированная на поверхностях плёнка из полиаминов является водоотталкивающей, поэтому применение такого реагента защищает непосредственно трубы, а не просто корректирует состав воды. В качестве примера высокоэффективных комплексных реагентов можно привести плёнкообразующие амины Epurocet производства компании Epuro. Эти реагенты обладают комплексным действием, направленным на защиту от коррозии всей котловой системы, в том числе и конденсатного тракта. Для их дозирования используется один реагент, который вводится в химочищенную воду пропорционально ее расходу с использованием стандартного дозировочного оборудования. Контроль содержания реагента производится по одному показателю.

Таблица 7.Типы комплексных реагентов Epurocet

Лучше предупреждать, чем исправлять!

В инструкции одного из немецких производителей котельного оборудования мы прочли лаконичное и не многозначное предупреждение:  Это ещё раз подтверждает, что качество воды напрямую определяет состояние и срок службы тепловых систем, а значит, требует особого внимания при проектировании и обслуживании котельных. Правильный выбор системы химводоочистки – гарантия отсутствия технических проблем с котлом и экономии средств.

Коментарии

Смотрите также
 
Популярное