К основным задачам, которые  необходимо решить при работе котельной, относятся:

• Безопасная работы котлов и  котельной в целом
• Полное сгорание топлива и максимальная эффективность  процесса теплопереноса
• Минимальные затраты на обслуживание
• Большой срок эксплуатации.

Качество воды, используемой  для производства пара в котле,  значительно влияет на достижение этих целей.

Необходимо, чтобы работа котла удовлетворяла следующим критериям:

• Отсутствие накипи

Если  жёсткость  питательной  воды  повышена и не контролируется с помощью водоподготовки,  на  поверхностях  теплообмена будет  появляться  накипь,  ухудшающая  пе-ренос тепла и эффективность работы котла. В таком случае возникает необходимость в бо-лее частой чистке котла. В крайних случаях на жаровых трубах могут появляться локаль-ные точки перегрева, приводящие к механи-ческому повреждению труб и даже к выходу их из строя.

• Отсутствие  коррозии  и  химических реакций

Если  в  воде  содержатся  растворённые газы, в особенности кислород, может начаться коррозия топки, жаровых труб и прочих элементов котла.

Если  значение  рН  воды  слишком  мало, кислотный раствор будет воздействовать на все металлические части котла. Если же значение рН слишком высоко, раствор будет щелочным, и могут возникнуть другие проблемы, например,  образование  пены.  Повышенная щёлочность котловой воды также может привести к щёлочному растрескиванию и повышению хрупкости металлических элементов котла. Растрескивание и повышение хрупкости вызываются наличием в воде гидроокиси натрия. Старые конструкции котлов были подвержены таким повреждениям. Современные сварные  котлы  хорошо  противостоят  повышенной щелочности и особое внимание нужно уделять только крышкам корпусов.

Пар хорошего качества

Если примеси в питательной воде котла не устранить своевременно, вода из котла может попасть в паровую систему. Это может привести  к  проблемам  практически  на  любом участке паровой системы, например:

• К загрязнению регулирующих клапанов

Это  повлияет  на  работу  этих  клапанов,  может  снизить  их  пропускную  способность, а также не дать клапанам полностью закрываться.

• Загрязнению теплообменных поверхностей в производственном оборудовании

Это  приведёт  к  увеличению  термического сопротивления и снижению эффективности теплопереноса.

• Блокированию конденсатоотводчиков

При  этом  уменьшится  пропускная  способность  конденсатоотводчиков,  что,  в  конце концов, приведёт к затоплению оборудования водой и снижению производительности всего оборудования.

Причины уноса котловой воды

Унос котловой воды может произойти по двум причинам:

1.  Попадание воды в отводящий паровой коллектор котла
Оно происходит, как правило, по одной или нескольким причинам:

• Уровень воды при работе котла слишком высок
• Давление в котле при работе ниже расчётного: при этом увеличивается объём и скорость  движения пара, выделяющегося с поверхности воды
• Чрезмерная потребность в паре.

2.  Образование пены
Пена  образуется  в  пространстве  между поверхностью воды и паровым коллектором котла. Чем больше пены образуется, тем серьёзнее проблемы. Последствия образования пены проявляются следующим образом:

• Вода вытекает из парового отверстия водомерного стекла; при этом сложно определить реальный уровень воды в котле по водомерному стеклу
• Возникают проблемы с определением реального уровня воды в котле датчиками различного типа
• Могут срабатывать аварийные сигнализа-ции по низкому или высокому уровню в котле. Более того, горелки могут блокироваться.

Эти  проблемы,  все  вместе  или  по  отдельности, могут быть вызваны образованием пены  в  котле.  Однако  поскольку  образование пены происходит в воде котла, для того, чтобы  лучше  понять,  как  образуется  пена, потребуется:

• Определить, где находится поверхность испарения

Пена  в  кружке  пива  находится  поверх жидкости, и границу между жидкостью и пеной можно легко увидеть. В кипящей жидкости поверхность определяется нечетко, от редких мелких пузырьков пара на дне сосуда  до  большого  количества  больших  пузырей наверху.

• Пенообразование повышается в результате перемешивания

Эта тенденция усиливается с уменьшением размера котла. В маленьких котлах площадь  поверхности  воды  меньше,  поэтому скорость, с которой выделяется пар (на один квадратный метр воды), увеличивается. Это значит, что перемешивание воды на поверхности происходит сильнее. Таким образом, котлы меньшего размера больше подвержены образованию пены.

• Жёсткость котловой воды

В  жёсткой  воде  пена  не  образуется. Однако питательная вода проходит специальную водоподготовку и умягчается (чтобы не образовывалась  накипь),  поэтому  пенообразование в любом случае будет присутствовать.

• Коллоидальные вещества

Загрязнение воды в котле взвешенными коллоидными веществами, например, молоком, приводит к сильному пенообразованию.
Примечание: Коллоидные частицы имеют диаметр менее 0,0001 мм, и обычный фильтр не может их задержать.

• Уровень TDS

Количество растворённых в воде твёрдых веществ. По мере увеличения этого уровня пузырьки пара становятся более стабильны-ми, хуже лопаются и отделяются от воды.

Как уменьшить унос котловой воды

Чтобы  свести  к  минимуму  образование пены рекомендуется следующее:
Работа
Важно, чтобы нагрузка на котёл при работе была постоянной. Если котёл работает при постоянной нагрузке в расчётных пределах, количество  уносимой  вместе  с  паром  влаги будет менее 2%.При значительном и быстром изменении нагрузки, давление в котле может резко уменьшаться, а кипение воды и превращение ее в пар будет происходить при сильных турбулентностях. Более того, уменьшение давления означает также, что увеличится удельный объём пара, а соответственно, и размеры паровых пузырей.

Если рабочие условия таковы, что значительные  изменения  нагрузки  являются  нормальным  явлением,  целесообразным  будет рассмотреть следующее:
Если на котле используется система регулирования уровня, работающая на включение и выключение питательного насоса, заменить ее на систему плавного регулирования уровня с помощью питательного клапана

• Установить  систему,  которая  бы  поддерживала давление в котле на определённом уровне, не давая ему опускаться ниже заданного значения
• Использование аккумулятора
• Использование  системы  регулирования котлом, которая бы позволяла выводить котёл на максимальное рабочее давление до того,  как  нагрузка  достигнет  критического значения
• Медленный ввод в работу паропотребляющего оборудования, позволяющий выводить оборудование на рабочий режим за установленный промежуток времени.

Химический контроль

В воду котла можно добавлять вещества, препятствующие образованию пены. Однако эти вещества теряют свою эффективность при попытке устранить пену, вызванную взвешенными частицами.

• Контроль  количества  растворённых  в воде твёрдых веществ (TDS)

Нужно найти баланс между:

• Высоким уровнем TDS и связанной с ним экономичностью работы котла
• Низким уровнем TDS, при котором пенооб-разование сводится к минимуму.

Безопасность
Очевидно, что существует опасность перегрева жаровых труб котла по причине образования накипи и опасность коррозии, вызываемой растворёнными в воде газами. В особо критичных случаях образование пены, накипи и осадка могут приводить к тому, что система контроля и регулирования уровня воды в котле будет работать некорректно, что приведёт к возникновению реальной опасности здоровью и жизни обслуживающего персонала.

Обработка котловой воды

Обрабатывать  питательную  воду  котла можно как до того, как она поступит в котёл, так  и  непосредственно  перед  ее  впрыском туда.  Естественно,  что  предварительная  обработка воды является предпочтительной.

Ниже  перечислены  типичные  процессы водоподготовки.
Обратный осмос
Процесс,  в  котором  сырая  вода  проталкивается через полупроницаемую мембрану, пропускающую только молекулы воды, и задерживающую все примеси.

Умягчение воды
При  известковом  умягчении  гидратированная известь (гидроксид кальция) вступает в реакцию с бикарбонатами кальция и магния, и образуется осадок, который можно удалить.
Таким образом можно уменьшить щелочную (временную) жесткость воды. При помощи известково-содового  умягчения  (кальцинированной содой) можно путем химических реакций уменьшить нещелочную (постоянную) жесткость.

Ионный обмен
Это  наиболее  широко  используемый  метод обработки, используемый для подготовки питательной воды для жаротрубных котлов, производящих насыщенный пар. В данной  главе  мы  уделим  основное  внимание следующим  процессам  обработки  воды:  основному ионному обмену, обесщелачиванию и деминерализации.

Ионный обмен

Процесс обмена ионов происходит в так называемом  ионообменном  фильтре,  который представляет собой сосуд из армированного стекловолокна, заполненный слоями материала, называемого ионитом или ионообменной смолой, и обычно представляющим собой гранулы диаметром от 0,5 до 1,0 мм.
Гранулы  имеют  пористую  структуру  и  могут впитывать воду. В структуре гранул имеются фиксированные ионные группы, с которыми связаны свободные ионы противоположного заряда. Эти свободные ионы могут заменяться ионами с таким же зарядом из числа солей, растворённых в воде, окружающей гранулы.

Ионообменное умягчение воды
Это  простейшая,  наиболее  широко  используемая форма ионного обмена. Сначала происходит активация (зарядка) слоя ионообменной  смолы,  когда  через  него  проходит 7-12% солевой раствор (хлорид натрия, или обычная соль). После этого ионообменная смола насыщается ионами натрия. Затем подлежащая умягчению вода прокачивается через слой ионообменной смолы, и в нем происходит обмен ионами. Ионы кальция и магния замещают на ионы натрия, и вода обогащается солями натрия. Соли натрия в очень высоких концентрациях и при высоких температурах остаются в воде, не образуя в котле твёрдой накипи.

На pис. 1 видно, что ионы, отвечающие за общую жёсткость воды, заменяются ионами натрия. При умягчении воды путем обмена с ионами натрия общее количество растворённых в воде веществ (в количестве частиц на миллион) не уменьшается, и уровень рН так-же не уменьшается. Все, что происходит, — это обмен группы потенциально вредных ионов, приводящих к образованию накипи, на группу других, менее вредных ионов, накипи не образующих.

Поскольку уровень TDS не меняется, снижение концентрации ионов натрия в ионообменной  смоле  нельзя  определить  по  повышению  электропроводимости  (TDS  и  электропроводимость взаимно связаны). Поэтому восстановление ионообменной смолы должно  проводится  исключительно  исходя  из продолжительности  работы  ионообменного фильтра или основываясь на данных о количестве пропущенной через фильтр сырой воды.

Умягчители  относительно  дёшевы  в  эксплуатации  и  могут  надёжно  обрабатывать воду в течение многих лет. Их можно с успехом использовать даже там, где вода обладает  высокой  щёлочной  (временной)  жёсткостью, при условии, что возврат конденсата составляет не менее 50%. Если же возврат конденсата мал или он не возвращается вовсе, желательно использовать более сложный тип ионного обмена.

Иногда  известково-содовое  умягчение воды используется в качестве первичной об-работки перед основным обменом. Нагрузка на  слой  ионообменной  смолы  при  этом уменьшается.

Обесщелачивание

Недостаток умягчения методом основного ионообмена заключается в том, что TDS и щелочность не уменьшаются. Этого можно избежать, если первоначально уменьшить щелочность воды. Для этого применяется обесщелачиватель. Существует несколько типов обесщелачивателей. Чаще всего использует схему, приведённую  на  рис. 2.  Обесщелачиватель фактически представляет собой комплекс из трех  устройств:  обесщелачиватель,  за  ним следует дегазатор, а затем — умягчитель методом основного ионообмена.

Обесщелачиватель

Систему,  показанную  на  pис. 3,  иногда называют  «умягчением  в  раздельных  потоках». Обесщелачиватель редко используется без умягчителя методом основного ионообмена, так как в этом случае получается кислый раствор, который вызывает коррозию, и вода,  имеющая  постоянную  жесткость,  попадает  прямо  в  котёл. Установка  для  обесщелачивания позволяет уменьшать временную жесткость воды, как показано на pис. 3.

Такую систему обычно используют, когда нужно использовать очень высокий процент сырой воды, т.е. когда возврат конденсата мал.

Деминерализация

В ходе этого процесса из воды удаляются практически все соли. При этом сырая вода проходит  через  слои  ионообменной  смолы как для катионного, так и анионного обмена (pис. 4). Иногда эти слои находятся в одной емкости, иногда в разных.

При  деминерализации  из  воды  удаляются практически все минералы, и на выходе получается вода очень высокого качества, практически  не  содержащая  растворённых твёрдых  веществ.  Она  используется  в  котлах с очень высоким давлением, например, в тех, что применяются на электростанциях. Если в сырой воде содержится много взвешенных твёрдых частиц, она быстро приводит  в  негодность  ионообменную  смолу,  что очень сильно увеличивает стоимость эксплуатации. В таких случаях рекомендуется предварительно обработать сырую воду, например, очистить ее или отфильтровать.

Выбор типа водоподготовки  для внешней обработки воды

Посмотрим на табл. 1. На первый взгляд, кажется, что установку для деминерализации нужно использовать всегда. Однако каждая система имеет свою капитальную стоимость и  стоимость  эксплуатации,  как  показано  в табл. 2. Кроме того, нужно оценивать индивидуальные требования установки.

Жаротрубный котёл

Как правило, жаротрубные котлы способны работать с водой, в которой содержится довольно  много  растворённых  твёрдых  веществ (высокий уровень TDS). Поэтому для них, в первую очередь, выбирают дешёвые в приобретении и эксплуатации умягчители методом основного ионообмена (см. табл. 2).

Если  в  сырой  воде  много  растворённых твёрдых веществ, и/или если возвращается мало конденсата (<40%), можно рассмотреть несколько вариантов:

• Предварительная  обработка  известью/содой, в результате которой понижается щелочная жесткость, так как из воды выводятся такие вещества, как карбонат кальция и гидрооксид натрия
• Установка  для  обесщелачивания,  умень-шающая уровень TDS в воде, подаваемой в котёл.

Водотрубный котёл

Водотрубный  котёл  гораздо  хуже  переносит высокие уровни TDS, причём тем хуже, чем выше давление. Это связано с несколькими причинами, среди которых следующие:

• Водотрубные  котлы  отличаются  ограниченной площадью зеркала испарения воды в паровом барабане по отношению к скорости испарения
• Это  приводит  к  очень  высокой  скорости образования пара на единицу площади и к сильным турбулентностям при движении воды в барабане
• Водотрубные котлы, как правило, имеют гораздо более высокую паропроизводительность, иногда более 1000 тонн пара в час. Это значит, что при продувке даже относительно небольшое количество продувочной воды представляет собой внушительный объем в абсолютном значении
• Водотрубные котлы, как правило, работают при более высоких давлениях, и в продувочной воде содержится больше энергии.
• Более высокое давление означает также более высокую температуру. Это значит, что материалы, из которых состоит конструкция котла,  подвергаются  более  сильным  тепловым  напряжениям  и  оказываются  ближе  к своим металлургическим пределам. Даже незначительное внутреннее загрязнение, ухудшающее перенос тепла от труб в воду, может привести к перегреву труб
• Водотрубные  котлы  часто  бывают  оборудованы  пароперегревателем.  Сухой  насыщенный пар из барабана может направляться в трубы пароперегревателя, расположенные в самой горячей зоне топки. Любая попавшая  туда  вместе  с  паром  загрязненная вода  мгновенно  приведёт  к  образованию накипи  на  стенках  труб  пароперегревателя, что может привести к катастрофическим результатам.

Перечисленные факторы означают, что:

• Для безопасной работы водотрубного котла необходима высококачественная обработка воды
• Может оказаться экономически выгодным потратить деньги на установку для обработки воды, которая сведет к минимуму необходимую продувку.

Во всех этих случаях часто выбирают установку для деминерализации или установку для обратного осмоса.

Заключение
Качество сырой воды, очевидно, является важным фактором, влияющим на выбор установки для обработки воды. Хотя количество растворённых в воде твёрдых веществ влияет на качество работы котла, другие факторы, такие как общая щёлочность или содержание оксида кремния, могут оказаться более важными, и выбирать установку для об-работки воды нужно, основываясь, в первую очередь, на них.

Автор: А.Г. ШУБ, технический директор ООО «Спиракс-Сарко Инжиниринг»