4.7. Образование отложений в водогрейном оборудовании

4.7.1. Основные сведения об отложениях

В теплофикационной практике используется различное по тепловым характеристикам водогрейное оборудование. В мощных водогрейных котлах при сжигании мазута или газа местные удельные нагрузки (особенно в конвективной и экранной частях котла) могут достигать 520–580 кВт/м² [45–50 тыс. ккал/(м²·ч)], а температура поверхности нагрева – 250–300 °С. Образование слоя отложений ухудшает коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой воде и способствует тому, что температура стенки трубы становится выше температуры кипения воды при данном давлении. Интенсивное образование отложений на внутренней поверхности труб при неблагоприятных условиях эксплуатации агрегата может вызвать их пережог; особенно в конвективных пучках котла.

Пароводяные поверхностные и водо-водяные секционные подогреватели работают с меньшей теплонапряженностью поверхностей нагрева, равной соответственно 3,5–4,5 кВт/м² [3–4 тыс. ккал/(м²·ч)] и 1,7–2,3 кВт/м² [1,5–2 тыс. ккал/(м²·ч)]. Образующиеся отложения в этом случае снижают теплопроизводительность теплообменников.

Загрязненность отложениями основных магистралей теплотрассы и трубопроводов местных систем может привести к ухудшению гидродинамического режима тепловых сетей.

В зависимости от технологии изготовления трубопроводов абсолютная шероховатость их внутренней поверхности, под которой понимают высоту выступа шероховатостей, для большинства работающих стальных трубопроводов колеблется в пределах 0,05–2 мм. Увеличение этого показателя из-за накопления продуктов коррозии в результате подпитки теплосети недеаэрированной водой обусловливает возрастание сопротивления тепловой сети, что в конечном счете приводит к дополнительному расходу электроэнергии на прокачку сетевой воды.

Образование в водогрейных котлах и теплообменниках отложений, нарушающих их нормальную работу, приводит к необходимости периодической очистки поверхностей нагрева. Это сопряжено с простоями оборудования, значительными трудозатратами и повышенным износом труб. Еще больших затрат человеческого труда и материальных ресурсов требует устранение неполадок в магистральных теплотрассах и трубопроводах местных систем, вызванных нарушением водно-химического режима.

Отложения, образующиеся на поверхностях нагрева водогрейного оборудования, относятся к классу так называемых низкотемпературных. Основным компонентом таких отложений является карбонат кальция. В зависимости от химического состава исходной воды и конкретных условий работы теплообменника в отложениях могут присутствовать окислы железа, сульфат кальция, силикаты и др.

В табл. 4.2 приведены примеры химического состава отложений, наиболее часто встречающихся в практике работы водогрейного оборудования.

Образец 1 является примером типичной карбонатной накипи. При использовании артезианской воды без соответствующего обезжелезивания (образцы 2 и 3) в отложениях кроме карбоната кальция присутствуют окислы железа.

В водогрейном оборудовании, особенно в водогрейных котлах ПТВМ и ТВГМ, а также в разводящих трубах горячего водоснабжения встречаются отложения, состоящие из продуктов коррозии конструкционных материалов. Количество таких отложений и вероятность их появления существенно увеличиваются, если не налажено удаление из нагреваемой воды коррозионно-активных газов – кислорода и свободной углекислоты (образец 4).

Таблица 4.2

Химический состав образцов низкотемпературных отложений

Место отбора отложений	Потери при прокаливании, %	Химический состав (в пересчете на окислы), %
		СаО	MgO	Fe2O3	SiO2	SO3	P2O5	Сумма окислов, %
1. Подогреватель го-рячего водоснабже-ния теплосети Мосэнерго 2. Трубки подогревателя горячего водоснабжения, г. Клин 3. То же, г. Рязань 4. Труба местной абонентской системы теплосети, г. Саратов 5. Трубы конвектив-ного пучка котла ПТВМ-100 6. Трубы фронтового экрана котла ТВГМ-30 7. Трубки охладителя подстанции Мосэнерго 8. Трубки конденсатора Заинской ГРЭС	44,98 36,00 43,5 8,4 3,7 18,0 42,43 37,45	49,63 25,96 46,7 4,68 45,6 56,08 23,92 43,46	3,02 3,81 1,97 0,38 - 2,51 3,62 0,96	1,37 23,46 6,08 82,89 26,1 6,43 1,40 2,80	0,36 6,20 0,70 1,95 6,1 4,6 19,23 13,06	1,43 0,42 0,20 0,28 16,4 9,4 3,38 3,06	- - - 0,07 - 0,04 1,31 0,81	100,79 95,85 99,15 98,65 97,90 97,06 95,29 101,1

При нагревании вод с повышенным содержанием сульфатов и кальция, особенно при возникновении такого нарушения в работе водогрейного котла, как появление поверхностного кипения, образуются сульфатно-железоокисные отложения (образец 5) или карбонатно-сульфатные накипи (образец 6). Если в теплообменнике нагревается вода непосредственно из природного источника, то в составе образующихся отложений кроме карбоната кальция находят обычно органические вещества (образец 7) и кремнекислые отложения (образец 8).

Низкотемпературные отложения, имеющие достаточно разнообразный химический состав, различаются по внешнему виду и структуре. Карбонатные отложения могут быть в виде плотно приставшего к металлу слоя темно-серого, коричневого или темно-коричневого цвета иногда слоистого строения, где вместе с кристаллическими веществами соседствуют и аморфные. Карбонатные отложения могут также быть в виде рыхлой массы, слабо скрепленной с поверхностью металла. В ней наряду с карбонатом кальция содержатся принесенные водой продукты коррозии и механические взвеси. Иногда кристаллы карбоната кальция выделяются в объеме жидкости и затем оседают на теплопередающую поверхность металла. Это – так называемые отложения вторичного происхождения или вторичные накипи. Отложения, содержащие сульфат кальция и силикат кальция, характе­ризуются большой твердостью и плотностью и крепко пристают к стенкам поверхности нагрева. В латунных трубках подогревателей, металл которых подвергается обесцинкованию, отложения имеют вид групповых наростов, располагающихся на обесцинкованных участках.

В отложениях, содержащих гидрат окиси железа обычно имеются два слоя: нижний, плотно прилегающий к трубке, состоит из смеси кристаллов карбоната кальция с аморфной гидроокисью железа Fe(OH)₃; рыхлый верхний слой бывает «припудрен» порошком гидрата окиси железа, еще не связанного в плотную массу карбонатом кальция.

На основании практических результатов были сделаны следующие выводы по карбонатным отложениям.

1. Основными факторами, непосредственно определяющими интенсивность карбонатного накипеобразования, являются химический состав и температура нагреваемой воды.

2. Тепловая нагрузка, характеризующая поверхность нагрева теплообменника, непосредственно не влияет на интенсивность накипеобразования. Косвенное ее влияние проявляется, когда увеличение теплонапряженности поверхности сопровождается ростом ее температуры настолько, что происходит повышение температуры нагреваемой воды, а это вызывает увеличение разложения бикарбоната кальция – процесс, лежащий в основе карбонатного накипеобразования.

3. Индекс стабильности или насыщения воды по карбонату кальция, рассчитанный для данной температуры нагревания по результатам химического анализа исходной воды, может служить показателем накипеобразующей способности природной воды, предназначаемой для горячего водоснабжения.

Природные воды с 0 < J_{70 °C} < 0,5 обладают интенсивностью карбонатного накипеобразования не выше 0,15 г/(м²·ч). Они не нуждаются в противонакипной обработке перед нагреванием в подогревателях горячего водоснабжения.

4. При эксплуатации теплообменников одновременно с осуществлением противонакипных мероприятий должны приниматься меры для предотвращения появления шероховатости или коррозионных повреждений на поверхности трубок. Повреждения могут нарушить работу теплообменника и, кроме того, будут интенсифицировать образование карбонатных отложений.