Водно-химические режимы систем коммунального теплоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Водно-химические режимы систем коммунального теплоснабжения

Я.М. Щелоков

Роль водно-химического режима в системах коммунального энергетического жизнеобеспечения трудно переоценить. Подтверждением данному тезису следует считать выход типовой инструкции по технической эксплуатации тепловых сетей (ТС) систем коммунального теплоснабжения [1].

Данный нормативный документ по своей сути переносит на системы коммунального теплоснабжения высокие требования Правил технической эксплуатации электрических станций [2] и ТС [3] РАО «ЕЭС России», несмотря на полное отличие большинства установок коммунальных систем теплоснабжения и условий их эксплуатации от сложившихся в региональных энергосистемах (АО-энерго).

В этой ситуации формальные требования к технической эксплуатации коммунальных ТС заметно возросли.

Особенно это видно при сравнении бывших и новых требований к качеству сетевой воды [1,4]. В [1, 2] по сравнению с [4] значительно ужесточаются требования по:

содержанию растворенного кислорода - 20вместо 30-50 мкг/дм³;

содержанию свободной угольной кислоты -полное отсутствие;

количеству взвешенных веществ до 5 мкг/дм³;

значению рН - не ниже 8,3 и т.д.

Выполнение всех этих требований - исключительно сложные технологические и экономические задачи, тем более в условиях эксплуатации коммунальных ТС.

Так, например, исходная природная вода для систем теплоснабжения в большинстве случаев имеет водородный показатель ниже 7 (кислая реакция). Следовательно, в настоящее время для выполнения требований [1, 2] следует вводить на коммунальных теплосетях подщелачивание исходной воды до рН равном 8,3, при котором свободная углекислота в воде полностью отсутствует [5].

Отсюда можно прогнозировать, что выполнение требований [1] в коммунальных теплосетях приведет к резкому увеличению стоимости подпиточной воды независимо от:

типа котлов - жаротрубные, водотрубные, секционные и т.д.;

температуры теплоносителя, типа топлива;

качества циркуляционной схемы котла;

содержания в воде накипеобразователей, агрессивных газов и т.п.

Еще в 60-х годах XX в. было показано, что требования к водно-химическому режиму котлов промышленно-отопительных котельных во многом определяются конструкцией котлов, режимами их работы, типом теплосети и т.д. [5].

Отдельные подобные попытки классификации оборудования по его эффективности проводятся и в настоящее время [6, 7].

Исходя из собственного опыта и данных указанных выше литературных источников, ниже сделана попытка классифицировать котлы на 7 групп, которые используются в коммунальных системах теплоснабжения малой и средней мощности, с учетом возможных требований к их водно-химическому режиму (водогрейные котлы большой мощности типа ПТВМ, КВГМ здесь не рассматриваются).

Классификация котлов для систем коммунального теплоснабжения,с учетом требований к их водно-химическому режиму

Группа 1. Стальные водогрейные котлы для индивидуального отопления (Q_раб=10-100 кВт, P_раб~2 атм, t до 90 ОС; КПД 88-90% на газу).

Технологические недостатки котлов. 1. Необходимость использования стабилизаторов горения в топке. 2. Температура воды на входе в котел не ниже 55 ОС.

Особенности водного режима котлов. 1. Необходимы ограничения по температуре воды, показателю рН и карбонатному индексу. 2. Обеспечение максимальной гидравлической плотности системы.

Рекомендации. 1. Использование для поквартирного отопления и индивидуальных домов. 2. Максимально возможное ограничение температуры сетевой воды. 3. Использовать только для закрытых систем теплоснабжения с обязательной стабилизационной обработкой воды антинакипинами.

Группа 2. Чугунные водогрейные и паровые котлы малой мощности (Q_раб до 1,0 Гкал/ч (0,6 т/ч)); P_раб=2-3 атм; t - температура насыщения; КПД до 80-85% на газу).

Технологические недостатки котлов. 1. Нет комплектности при поставке отечественных котлов. 2. Замена чугунных секций возможна при демонтаже кладки.

Особенности водного режима котлов. 1. Практически не подвержены кислородной коррозии. 2. Практически невозможна очистка внутренних поверхностей. 3. Конструкция не приспособлена к отводу шлама из котлов.

Рекомендации. 1. Использование для одноквартирных домов, для встроенных котельных и т.п. 2. Наиболее целесообразно использовать для закрытых систем отопления. 3. Целесообразна стабилизационная обработка воды современными антинакипинами. 4. Безреагентная обработка воды не целесообразна.

Группа 3. Жаротрубные водогрейные стальные котлы (Q_раб=0,25-7 Гкал/ч; P_раб=8 атм; t до 90 ОС; КПД до 92-94% на газу).

Технологические недостатки котлов. 1. Ограничения по мощности. 2. Низкие коэффициенты теплоотдачи. 3. Использование поверхностного кипения на жаровой трубе.

Особенности водного режима котлов. При наличии поверхностного кипения необходимо жесткое соблюдение норм качества подпиточной воды.

Рекомендации. 1. Использование для систем промышленного теплоснабжения. 2. Целесообразно использование также различных завихрителей внутри газовых труб. 3. Особенно эффективны котлы с мощностью до 5-7 МВт.

Группа 4. Жаротрубные и дымогарные паровые котлы (Q_раб до 1,2 Гкал/ч (2,0т/ч)); P_раб=8 атм; t - температура насыщения; КПД до 88-90% на газу).

Технологические недостатки котлов. Очень опасны быстрые растопки, расхолаживание, местные перегревы.

Особенности водного режима котлов. 1. Имеют большой осадительный водяной объем. 2. Относительно низкая требовательность к качеству питательной воды. 3. Возможно использование только стабилизационной обработки воды. котел водный коммунальный теплоснабжение

Рекомендации. 1. Целесообразно применение во всех водогрейных котельных. 2. Возможна надежная работа при низких давлениях пара от 0,5 ати. 3. Организация работы под наддувом. 4. Низкие потери тепла - q₅. 5. Высокая заводская готовность, установка без фундаментов. 6. Необходимо развивать производство таких котлов.

Группа 5. Двухбарабанные экранированные паровые котлы (ДКВР, ДЕ и др.) с чугунными или стальными экономайзерами (Q_раб до 15 Гкал/ч (25 т/ч)); P_раб=20 атм; t до 300 ОС; КПД до 88% на газу, 75% на твердом топливе).

Технологические недостатки котлов. 1. Необходимо соблюдение номинального давления пара. 2. Низкая надежность котлов типа ДЕ, Е. 3. Высокая стоимость, низкая экономичность.

Особенности водного режима котлов. 1. Необходима докотловая обработка воды - Na-катионирование и др. 2. Нет необходимости в специальных щелочебезопасных режимах работы.

При низком давлении целесообразна дополнительная и стабилизационная обработка воды.

Деаэрация обязательна.

Рекомендации. 1. Целесообразно использование в промышленно-отопительных котельных для производства насыщенного пара. 2. Необходим постоянный контроль за термоизоляцией барабанов. 3. Не допускается снижение давления. 4. Низкая надежность котлов ДЕ, Е. 5. Высокая стоимость. 6. Целесообразен переход на комбинированную выработку тепловой и электрической энергии.

Группа 6. Водотрубные водогрейные котлы малой и средней производительности (Q_раб до 10 Гкал/ч; P_раб=8-10 атм; t до 150 ОС; КПД 85-90% на газу, КПД до 80% на твердом топливе.

Технологические недостатки котлов. 1. Высокое гидравлическое сопротивление по воде.

2. Высокие требования к схеме циркуляции воды. 3. Необходимо газоплотное исполнение и т.д.

Особенности водного режима котлов. 1. Допустимая концентрация накипеобразователей зависит от температурного режима, вида топлива, объемов подпитки. 2. Целесообразна деаэрация.

Рекомендации. 1. Используются в большинстве отопительных котельных. 2. Необходимо учитывать возможности циркуляционной схемы.

3. Рекомендуется стабилизационная обработкаводы во всех случаях. 4. Допускается использование безреагентных методов обработки воды.

Группа 7. Барабанные паровые котлы П-образной компоновки (Q_раб от 20 т/ч; P_раб=14, 24 атм; t до 300 ОС; КПД ^брутто до 92%).

Технологические недостатки котлов. 1. Высокие собственные нужды, т.е. низкий КПД^нетто, т.к. много вспомогательного оборудования, высокая продувка. 2. Необходимо высокое качество питательной воды. 3. Требуется жесткое соблюдение режимных параметров.

Особенности водного режима котлов. 1. Необходимо высокое качество питательной воды: 2-х-ступенчатое Na-катионирование, деаэрация и др.

Рекомендации. 1. Использование в промышленных котельных, преимущественно при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии.

Из приведенных данных видно, что требования [1, 2] в какой-то мере справедливы для котлов групп 5-7.

Рассмотрим целесообразность распространения этих требований по водно-химическому режиму на котлы групп 1 -4, да и на другие тоже.

Принципиально важным следует считать то, что водные проблемы в системах теплоснабжения были всегда, даже в случае их эксплуатации при подготовке воды на установках, выполненных в полном соответствии с нормативными, по традиционным технологиям, которые обеспечивают требуемые показатели качества сетевой воды. Так, при эксплуатации крупных систем теплоснабжения с открытым водоразбором даже в условиях качественной работы водно-химических установок с умягчением и дегазацией воды не удавалось предотвратить образование отложений на теплообменном оборудовании. В течение отопительного сезона подогреватели подвергались механической чистке, которая была малоэффективной, т.к. отложения имели плотную структуру и состояли в основном из ионов накипеобразователей [8]. Причин здесь несколько. Например, в случае использования для теплосети воды из горводопровода, которая проходит стадии коагулирования, обеззараживания жидким хлором и т.п., она становится высокоагрессивной, с низким рН и в процессе транспортировки до теплоисточника обогащается соединениями железа.

То есть, в случае выполнения всех требований по качеству сетевой воды, в соответствии с требованиями [2], даже в условиях региональных энергосистем не удавалось обеспечить работу ТС без снижения их экономичности, ввиду образования накипи (отложений) в оборудовании и трубопроводах [8]. Аналогичная ситуация наблюдалась и в ТС отраслевого подчинения [9]. Поэтому механическое распространение нормативных требований по сетевой воде, сложившихся в АО-энерго на все без исключения коммунальные системы теплоснабжения, без учета состава оборудования и режимов его работы, вряд ли можно считать оправданным.

Как показывает практика, именно в ТС в большинстве случаев альтернативой качеству сетевой и подпиточной воды является создание условий, при которых обеспечиваются [10]:

снижение скорости накипеобразования;

ограничение коррозионной активности воды;

появление условий, исключающих образование твердых отложений;

¦ создание режима разрыхления старых отложений, но с достаточно малой интенсивностью.

Реализация этих требований в различных объемах возможна за счет внутрикотловой обработки воды с использованием реагентов или безреагентных методов. Комплексный результат в большинстве случаев достигается при использовании химических антинакипинов на органической основе [7-10], первые попытки использования которых в системах теплоснабжения России относятся к 1985 г. [9].

Причем большое значение имеет выбор типа водно-химической установки, тип реагента, качество исходной воды. Например, неоднократно было показано в течение последних 20 лет [7, 9], что использование антинакипинов позволяет во многих случаях работать в безнакипном режиме на воде, имеющей карбонатный индекс И_к (произведение кальциевой жесткости и общей щелочности воды) значительно выше нормативного. При этом подготовка 1 м³ подпиточной воды обходится почти на 0,5 руб. дешевле, чем при использовании Na-катионирования [7].

Но следует отметить, что за 20 лет использования антинакипинов в отечественной практике в системах теплоснабжения, достаточно четкой зависимости между дозой реагента, температурой воды и значением И_к в ней, так и не найдено [7, 9].

Принципиальное отличие данных антинакипинов от широко используемых долгое время щелочных и других неорганических реагентов [5] в том, что из воды не удаляются накипеобразующие элементы, а подавляются их накипеобразующие свойства [10]. Антинакипное действие ряда органических реагентов определяется их избирательной адсорбцией на активных центрах образующихся кристаллов, что препятствует их дальнейшему росту и агрегации. Низкая абсорбция на твердой фазе позволяет антинакипинам перераспределяться в те части раствора, где возникают зародыши кристаллов. Поскольку пресыщенный раствор, в котором находятся микрозародыши твердой фазы, является системой термодинамически неустойчивой, абсорбция антинакипина способствует смещению равновесия в сторону растворения зародышей. Тем самым обеспечиваются условия для взаимодействия антинакипина с новыми зародышами [8].

В результате в ряде случаев удается обеспечить безнакипный режим работы теплообменного оборудования при карбонатном индексе воды до 8-10 раз выше нормативных значений [9].

Основной принцип действия большинства безреагентных методов водоподготовки - накипеобразователи выделяются не на поверхностях нагрева, а в массе воды в виде шлама.

Образовавшиеся рыхлые осадки необходимо удалять при продувке или иным образом. Кроме того, например, при магнитной обработке воды, ее коррозионная активность не снижается.

Следовательно, использование безреагентных методов обработки воды для некоторых групп котлов (например, группа 2) неприемлемо. Во всех остальных случаях требуется выполнение специальных режимных мер по регулярной продувке котлов, уровню форсировки их топочного режима и др. [11].

В связи со значительным ужесточением требований по растворенным газам [1] в подпиточной сетевой воде, следует отметить следующее.

В системах теплоснабжения, оборудованных только водогрейными котлами, трудно организовать дегазацию воды, тем более с учетом требований новых нормативов [1, 2]. Очевидно, по этой причине появилось много нового оборудования для удаления коррозионно-активных газов - щелевые деаэраторы «Кварк», деаэраторы «АВАКС» [12] и т.п.

Не отрицая перспективность подобных разработок, хотелось бы отметить, что в подземных водах, как правило, растворенный кислород отсутствует. Но нередко наблюдается наличие некоторого количества углекислоты (углекислого газа) [5]. То есть, во всех случаях, когда есть возможность использования артезианской воды в коммунальных системах теплоснабжения, можно обойтись без использования деаэраторов, но в этом случае необходим пересмотр тепловой схемы котельной, в части исключения возможности заражения артезианской воды кислородом воздуха, организации регулирования рН воды, что позволяет обеспечить отсутствие углекислоты в воде. Целесообразность такого мероприятия подтверждает опыт повышения рН деаэрированной сетевой воды, что позволяет значительно снизить повреждаемость трубопроводов теплосети от внутренней коррозии [13].

В заключение хотелось бы отметить, что требует переосмысления вся система нормативной документации, в том числе и по водно-химическому режиму, с учетом существующей законодательной базы.

Федеральный закон «О техническом регулировании» устанавливает только три вида нормативных документов [14]:

технический регламент - обязательное выполнение. Принимается законом Федерального собрания и, в виде исключения, указом ПрезидентаРФ или постановлением Правительства РФ;

национальный стандарт - добровольное выполнение. Принимается национальным органом РФ по стандартизации;

стандарт организации - обязательное выполнение только организацией, принявшей этот стандарт.

То есть, имеется законодательная основа для перехода от введения из центра общих на все случаи жизни нормативных требований, к выбору технологической схемы для конкретных исходных и режимных условий работы оборудования с разработкой соответствующего стандарта организации, который будет обязательным для исполнения. При разработке такого стандарта организации, независимо от ее организационно-правовой формы, могут быть использованы как уже имеющиеся методические документы [1-3], так и намечаемые к разработке, в том числе и по антинакипинам [7].

Литература

МДК 4-02.2001 Типовая инструкция по технической эксплуатации тепловых сетей систем коммунального теплоснабжения. М.: ГУП ЦПП, 2002. 86 с. (Приказ Госстроя России от13.12.00 №285).

РД 34.20.501-95 Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. 15-е изд.СПб.: Изд. «ДЕАН», 2002. 352 с.

Типовая инструкция по технической эксплуатации систем транспорта и распределения тепловой энергии (тепловых сетей). М.: СПООРГРЭС, 1999.

Правила технической эксплуатации коммунальных отопительных котельных. СПб.: Изд. «ДЕАН», 2001. 112 с.

Белан Ф.И., Сутоцкий Г.П. Водоподготовка промышленных котельных. М.: Энергия. 1969. 328 с.

Васильев А.В., Антропов Г.В., Сизоненко А.А. Сравнительный анализ эффективности паровых и водогрейных котлов для промышленных и отопительных котельных // Промышленная энергетика, 2003. № 9. С. 18-23.

Балабан-Ирменин Ю.В., Рубашов А.М., Тарасов С.Г. Некоторые проблемы внедрения фосфатов-антинакипинов // Промышленная энергетика, 2004. № 1. С. 29-34.

Белоконова А.Ф. Результаты внедрения новой технологии подготовки подпиточной воды для тепловых сетей с открытым водоразбором // Электрические станции, 1997. №6. С. 9-15.

Щелоков Я.М. О схемах подготовки воды для систем тепловодоснабжения // Промышленная энергетика, 1991. № 1. С.13-14.

Баскаков А.П., Щелоков Я.М. Качество воды в системах отопления и горячего водоснабжения: Учебное пособие. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002. 36 с.

Щелоков Я.М. О магнитной обработке воды // Новости теплоснабжения, 2002. №8. С. 41-42.

Деаэраторы «АВАКС» как метод снижения затрат// Новости теплоснабжения, 2004. № 4. С. 54.

Балабан-Ирменин Ю.В. Особенности процессов коррозии металлов трубопроводов в воде тепловых сетей // Энергосбережение и водоподготовка, 2003. № 3. С. 20-26.

Федеральный закон от27.12.2002 № 187-ФЗ «О техническом регулировании».

Размещено на Allbest.ru

...