5.5.4. Особенности водно-химического режима при эксплуатации водогрейных котлов, сжигающих мазутное топливо

При продолжительной работе водогрейных котлов, сжигающих мазут, наблюдались случаи образования значительных отложений (несколько килограммов на квадратный метр) на внутренней поверхности конвективных и экранных труб. Анализ причин этого серьезного нарушения показал, что при сжигании мазута возникают высокие тепловые напряжения и, как следствие, пристенное кипение воды, чему способствует сокращение расхода воды через котел ниже номинального, снижение давления воды в котле [10·10⁵ Па (10 кгс/см² и менее)], неналаженный топочный режим, приводящий к тепловым перекосам в панелях котла, а также гидравлические развертки в трубах, особенно при сниженных расходах воды.

Для котлов ПТВМ-100 при двухходовой схеме его включения номинальный расход воды составляет 2140, минимальный 1500 т/ч. Большая разница между этими расходами воды, указанными в паспорте котла, создает условия для психологического оправдания – «временно поработать» на сниженной нагрузке, например при 1800 т/ч с температурой нагрева воды до 140–150 °С. При сжигании мазута, создающего наиболее высокие удельные тепловые потоки, такой режим работы неминуемо приведет к образованию накипи на внутренних поверхностях нагрева водогрейных котлов при всех типовых схемах водообработки, кроме Na-катионирования.

Причиной накипеобразования в этой ситуации является возникновение пристенного кипения, т. е. такого кипения, при котором паровые пузыри, образующиеся на тепловыделяющей поверхности, при отрыве конденсируются в объеме недогретой до насыщения воды. Этот вид кипения, который иногда называют поверхностным, является следствием перехода теплоэнергетики на высокофорсированные поверхности теплообмена с высокими удельными тепловыми потоками. Но это не означает, что высокие удельные тепловые потоки обязательно должны приводить к пристенному кипению. Для его возникновения необходимо нарушение сочетания ряда физических факторов: удельного теплового потока, скорости движения среды, давления среды, недогрева среды до температуры насыщения.

Разработчиками водогрейных котлов был предусмотрен такой выбор их эксплуатационных параметров, которые обеспечивали бы отсутствие пристенного кипения, интенсифицирующего массообмен и требующего высокого качества теплоносителя для бесперебойной работы тепловыделяющих поверхностей. Было показано, что если сжигается газ, отсутствие этого вида кипения при номинальных нагрузках возможно при давлении в котле 10·10⁵ Па. Опыт эксплуатации подтвердил правильность выбора параметров работы водогрейных котлов, если в качестве топлива используется газ.

В последние годы на ряде объектов в связи с переходом на сжигание мазута отмечены случаи интенсивного накипеобразования в экранных трубах (в зоне «холодной воронки» и в зоне максимальных тепловых потоков) и конвективных трубах нижнего конвективного пучка (в первом по ходу газов ряду труб нижнего конвективного пакета). За отопительный сезон на каждом квадратном метре поверхности образовывалось несколько килограммов накипи, содержащей соединения кальция, магния, кремнекислоты, сульфатов и железа. Если в качестве подпиточной применяли подкисленную серной кислотой воду, то сульфатов было больше, чем при использовании воды, обработанной посредством Н-катионирования с голодной регенерацией.

В многолетней практике эксплуатации водогрейных котлов не встречалось ранее отложений подобного рода. При редких нарушениях в технологии очистки добавочной воды появлялись отложения карбонатного и железо-карбонатного типов, однако в них отсутствовали соединения магния, кремнекислоты и сульфатов, которые хорошо растворимы в воде в условиях работы водогрейных котлов. При кипении воды происходит интенсивное концентрирование примесей и создаются условия для образования труднорастворимых соединений, не удаляемых при обычных промывках растворами соляной кислоты.

Проведенные испытания водогрейного котла ПТВМ-100 на одной из ТЭЦ при нагрузках, близких к номинальной, и сжигании мазута показали, что в течение трех недель работы образовались отложения в количестве 0,4–2,0 кг/м², в составе которых содержались кремнекислота, сульфаты и магний. Замеры температуры внутренней стенки экранных и конвективных труб показали, что она достигает 190–204 °С при средней температуре воды на выходе из котла 150 °С. Важным «открытием» явилось и то, что в этих условиях температура воды на выходе из труб первого ряда нижнего конвективного пакета составляла 160 °С. Указанные испытания, а также обследования показали, что эксплуатация подавляющего числа водогрейных котлов осуществляется при рабочем давлении в них максимум 10·10⁵ Па, которому соответствует температура насыщения 180 °С. Большие удельные тепловые потоки при сжигании мазута и недостаточно высокие давления и расходы воды через котел приводят к образованию паровых пузырей при нагрузках, близких к номинальной.

Поверхностное кипение, характеризующееся высокой интенсивностью массообмена у стенки обогреваемой трубы, способствует высокому концентрированию раствора в центрах парообразования. Концентрирование растворов на границе раздела фаз происходит у корня парового пузыря.

Уменьшению интенсивности пристенного кипения способствует повышение давления и скорости движения воды, снижение температуры воды до 150 °С и менее, а отказ от мазута и переход на другой вид топлива могут полностью устранить его.

Важно отметить, что пристенное кипение воды в водогрейных котлах приводит к выпадению практически всех солей жесткости в виде карбонатов, сульфатов и силикатов.

Для решения проблемы надежной работы водогрейных котлов необходимо предотвратить возникновение пристенного кипения, ограничить неорганизованный разбор горячей воды в закрытых системах теплоснабжения, а проектным организациям обоснованно выбирать схемы водоподготовки для тепловых сетей.