Водоподготовка на парни котли и парогенератори

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2009

Необходим технологичен етап за ефективна и безпроблемна работа на съоръженията

 

 Подготовката на водата е от ключово значение за правилната и безаварийна експлоатация на съвременните парни котли и парогенератори. Основният проблем, възпрепятстващ директното й използване, е съдържанието на различни химични вещества в нея, които могат да окажат негативно влияние върху работата на котела или да замърсят получената пара. Добре известно е, че в различните райони на страната водата е с различен химичен състав, което влияе - пряко или косвено, върху общото състояние на отделните части на котела. Например образуването на накип в тръбите, водещ до намаляване на общото КПД на котела, е следствие от съдържащите се във водата минерални соли. Качеството на получената водна пара също силно зависи от състава, вида и примесите във водата, от която тя се произвежда.

Водата има няколко хибридни форми
Добре известно е, че водата е химично съединение на два атома водород и един атом кислород. Тя е безцветна течност без вкус и мирис. Лесно може да се превърне в пара при нагряване, което я прави много подходяща за производството или за пренос на топлина.
Характерна специфика на водата е, че тя има няколко хибридни форми. Например, деутериевият оксид D2O, познат още като тежка вода. Той представлява химично съединение на водородния изотоп деутерий и на кислорода. Тежката вода не се използва като питейна и намира приложение предимно в ядрените реактори. Като питателна вода за парните котли и парогенераторите се препоръчва използването само на обикновената вода - Н2О.

Най-често съдържащи се примеси във водата
Водата съдържа множество примеси, различаващи се както по състав, така и като размер на отделните частици. В нея се съдържат суспендирани частици, разтворени твърди вещества и газове. Тъй като водата е много добър разтворител, минералите, скалите и пръстта, които встъпват в контакт с водата, лесно се разтварят от нея. Водата разтваря и газове от въздуха, както и газове, отделяни от съдържащите се в почвата органични вещества. Тя може да съдържа суспендирани вещества от земята, а също така - да бъде заразена с индустриални отпадъци и замърсители.
Минералите, които се срещат разтворени във водата най-често, се състоят главно от калциев карбонат (варовик), калциев сулфат (гипс), магнезиев карбонат (доломит), магнезиев сулфат (английска сол), кварц, натриев хлорид (обикновена сол), по-малки количества желязо, магнезий, флуорид, алуминий и други. Нитратите и фосфатите, намиращи се във водата, обикновено се дължат на заразени отпадни води.
Във водата се съдържа и различно количество разтворен въздух (21% кислород, 78% азот, 1% други газове, включително въглероден диоксид). Съдържанието на кислород във водата се влияе от температурата и налягането. Например при повишаване на температурата, разтворимостта на кислорода намалява, но също така водата под налягане може да задържи по-високи количества разтворен кислород. Азотът е инертен, поради което оказва сравнително малко влияние върху водата, използвана в котлите. Водата може да съдържа и въглероден диоксид в различни количества, което се дължи на загниващи растителни и органични вещества в почвата. Във водата, макар и рядко, се съдържат още водороден сулфид и метан. Наличието на тези газове в питателната вода за котела може да причини сериозни проблеми.

Характеристиката твърдост на водата
Съществен показател за приложимостта на водата за захранване на парните котли е твърдостта й. Тя се определя от съдържащите се в нея калциеви и магнезиеви йони. В зависимост от анионния състав на водата, твърдостта е карбонатна и некарбонатна. Сумата от тези две твърдости дава общата твърдост на водата.
В различните държави са възприети различни мерни единици за твърдост. Например в страните от Европейския съюз се ползва единицата "части от милион" (part per million) - ppm, докато у нас все още широко се използва мерната единица - милиграм еквивалент на литър. Вода с 1 ppm твърдост е тази, която, в един литър, съдържа калциеви и магнезиеви соли, еквивалент на 1 mg CaCO3. Нивото на твърдост на природната вода може да варира в широки граници. Калциевите и магнезиевите компоненти са относително неразтворими във водата и са склонни към утаяване. Това води до образуването на накип и утайки. Използването на подобна вода директно в парните котли не се препоръчва. Необходимо е тя предварително да се обработи, за да бъде подходяща за производство на пара.
Сумата от концентрациите на анионите и катионите във водата се дефинира като солесъдържание. В България тази характеристика се измерва основно в mg/l.

Изисквания към питателната вода
Като източник на вода за един котел е възможно да се използва повърхностна вода от реки, потоци, водохранилища, както и подпочвени води от кладенци. Обикновено подпочвените води са в по-голяма степен съвместими като състав в сравнение с повърхностните води. Качеството на повърхностните води в голяма степен се влияе от валежите, ерозията на почвата и индустриалните замърсявания. Подпочвените води обикновено са с по-висока твърдост в сравнение с повърхностните. Съставът на водата, също така, зависи от местоположението и вида на земния пласт. Във варовикови зони например, водата съдържа големи количества разтворен калций.
За водата, подавана към котела, се използва терминът питателна вода. Обикновено една част от нея представлява връщаният в котела кондензат, към който се добавя предварително филтрирана и обработена вода. По тази причина съставът на питателната вода зависи от качествата на добавъчната вода и от количеството на връщания кондензат. Погрешно е да се смята, че между изискванията към питейната вода и питателната вода за котлите има голямо сходство. Съдържанието на минерали в питейната вода е препоръчително, но те оказват негативно влияние върху котела.
За използваната питателна вода от значение са както количеството, така и естеството на съдържащите се в нея примеси. Добре е да се има предвид обаче, че за голяма част от съвременните парни котли наличието на примеси в питателната вода не е допустимо.

Класификация на видовете примеси
Най-общо, примесите във водата могат да се класифицират в три основни групи:
l Диспергирани вещества с размер над 100 nm, за отделянето на които се използват механични филтри;
l Колоидно разтворени вещества с размер от 1 до 100 nm, които се отделят чрез коагулация посредством реагенти;
l Йонно разтворими вещества с частици под 1 nm.
Съдържанието им във водата, използвана в качеството на питателна, води до нежелани явления, като корозия в котела, образуване на накип и замърсяване на парата. Както вече бе споменато, разтворимостта на примесите във водата се влияе в значителна степен от нейната температура. Например разтворените във водата кислород и азот не реагират с водата. Също така разтворимостта им намалява с увеличаване на температурата до 100 оС, докато газове, като CO2, SO2, NH3, реагират с водата и образуват киселини.

Роля на кондензата за оптимизиране на инсталацията
Независимо от вида и количеството на примесите, при всички случаи е необходимо водата да се подложи на химическа очистка. Независимо от източника, питателната вода за парни котли съдържа съставки, които следва да бъдат отстранени или намалени до допустимите норми. Видът и степента на необходимата химическа очистка се определят в зависимост от качествата на източника. Например за намаляване на съдържанието на минерални соли в захранващата вода, като правило се добавя химическо вещество. Съдържащият се в захранващата вода разтворен кислород също трябва да бъде отстранен, тъй като той се явява окислител и предизвиква ръжда по тръбите на котела.
Обикновено обработването на водата се  извършва с омекотителни обезсоляващи инсталации. Проектирането, изграждането и поддържането им обаче е съпътствано с много разходи, което оскъпява произвежданата пара. По тази причина се препоръчва кондензатът да се пази чист, да се събира в максимална степен и да се връща обратно в котела. Освен топлината, която съдържа, той има стойност и като очистена вода. Връщането на по-голямо количество кондензат в котела спомага за намаляване, с няколко пъти, на размера на инсталациите и сградите за водоподготовка, ограничава необходимото количество смоли и химикали и улеснява обслужването.

За вредите от корозията
Корозията е основен проблем за парните котли. Кислородът, въглеродният двуокис и техните разтвори са основни причинители на вътрешно котловата корозия. Именно затова част от водоподготовката е посветена на средства и методи за отстраняването им. Разтвори на СО2, под форма на въглена киселина, се срещат често в питателната вода, което води до понижаване на показателя рН. Въглеродният диоксид се получава както в самия котел от протичащи химически реакции, така и в резултат на нагряването. Образуването му води до корозионни атаки в кондензатната система. Съдържащият се кислород, дори и в малки количества, също оказва крайно негативно влияние. Той е основният причинител на язвена, точкова, корозия. Значителни количества кислород се въвеждат в системата чрез добавъчната вода. Кислород може да попадне и чрез системата за връщане на кондензата.

Мерки за борба с корозията
Мерките, които е възможно да се предприемат, се подразделят на две групи - външни и вътрешни. Към външните се отнасят дейности, свързани с предварителна обработка на водата, като пречистване, филтриране, омекотяване, деалкализация, деминерализация, деаерация и загряване. Но дори и при достатъчно добра предварителна обработка, питателната вода все още съдържа нежелани примеси. Затова се препоръчва и вътрешно третиране на водата с цел минимализиране на възможността от възникване на проблем.
Обикновено за отделяне на корозионно агресивните газове се използва десорбция, основана на законите на Далтон и Хенри. Според закона на Далтон, общото налягане на една газова смес е равно на сумата от парциалните налягания на отделните съставки. Съответно, законът на Хенри гласи , че разтворимостта на газовете във водата е пропорционална на парциалното им налягане. Следователно с повишаване на температурата, парциалното налягане на водните пари се увеличава. При изравняването му с външното налягане, водата започва да кипи. Налягането на останалите газове става равно на нула, от което следва, че и тяхната концентрация е нулева.

Деаерацията - условие за получаване на качествена питателна вода
Механичната и химичната деаерация са важна част от защитата на котела. Деаерацията, обединена с процесите от външната обработка, води до получаване на питателна вода с високо качество. Основни цели на деарецията са:
l Отстраняване на кислорода, въглеродният диоксид и другите газове от питателната вода;
l Загряване на постъпващата добавъчна вода и връщащия се кондензат;
l минимизиране на химическата разтворимост на нежеланите газове;
l осигуряване на висока температура на водата за инжектиране в котела.
Процесът на деаерация преминава през няколко етапа. Първоначално водата, която ще се деаерира, се подава в горната част на деаераторната колона. Обикновено се реализира през дюзи. В противоток се подава пара, която заедно с отделените газове, под формата на паровъздушна смес, се подава в охладител. За да се създаде по-добра контактна област между водата и парата, колоната обикновено е запълнена с различни видове пълнежи. В случаите, в които се използва деаератор - атмосферен тип, в колоната се впръсква и рециркулираща вода от общия воден обем. С цел да се увеличи скоростта на десорбция и да се намали остатъчната концентрация на кислорода се прибягва към увеличаване на контактната повърхност и времето за десорбция. Апаратите, използвани за този процес, са познати като термични деаератори. Добре е да се има предвид, че обезкислородяващият ефект зависи от температурата на деаерация. В практиката намират приложение и деаератори - атмосферен тип с температура около 95 оС, с които се достига съдържание на О2 до 2 ррm.

Деаерацията е консуматор на енергия
В процеса на деаериране е добре да се обърне внимание и на удачното отвеждане на отделения кислород, на икономичното и рекуперативно използване на топлината на парата (свежа и вторична от продувка или други източници), на добрата топлоизолация на деаераторния обем, както и на рационалната и не много обемна конструкция.
Независимо че е консуматор на енергия, процесът на деаерация се явява един от абсолютно необходимите технологични процеси при експлоатацията на парни котли и парогенератори, спомагащ за удължаване на експлоатационният живот на съоръженията.
Не бива да се пренебрегва й защитата на котела от страна на факела. За намаляване на риска от прогаряне на тръбите, в най-уязвимите места те се покриват със съвременни огнеупорни материали. Необходимо е, също така, да се провежда непрекъснат контрол за отлагането на пепел върху външните стени. Пепелта периодично се отстранява. Логично, всички предприети мерки по защита на котела от негативното влияние на примесите във водата съществено повишават стойността на преработената вода в сравнение с използването на обикновена водопроводна вода. По този начин обаче се гарантира - от една страна, безаварийната работа на съоръженията, а от друга - качествата на получената пара.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top