3. Проблемы подготовки воды к процессам тепломассообмена

Проблемы экономии топлива в промышленно-отопительных котельных особенно остры при развитии рыночных отношений. Одним из путей решения задачи по сокращению расходов топлива является своевременная режимная наладка агрегатов с выбором режимов выработки и отпуска тепла.

В условиях резкого сокращения потребления тепла в виде пара и горячей воды некоторые агрегаты котельных работают на минимальных, иногда не допустимых, нагрузках с низким КПД. Часто агрегаты работают с нерасчетными параметрами теплоносителя. В этих условиях наладку котлов необходимо начинать с анализа возможностей тепловой схемы котельной, режимов теплопотребления.

Проведение такого анализа позволяет в некоторых случаях организовать надежную, достаточно экономичную работу существующего оборудования без значительных капитальных затрат не реконструкцию.

Например, деаэратор отопительной котельной по паспорту обеспечивает требуемое качество подпиточной воды в диапазоне нагрузок от 30 до 120% номинальной производительности при существующих расходах подпитки.

Поэтому может быть рекомендована установка деаэраторной головки с требуемой меньшей производительностью на бак-аккумулятор либо несложная реконструкция барботажного устройства в баке.

Снижение нагрузки котлов приводит к падению температуры уходящих газов, особенно при пониженных температурах воды на входе в "хвостовые" поверхности нагрева агрегата, что приводит к недопустимым температурным и скоростным режимам работы дымовой трубы.

Применение обводного газохода помимо экономайзера либо помимо части "хвостовой" поверхности, с автоматическим поддержанием температуры уходящих газов на требуемом уровне так же позволяет достаточно просто поддержать режимы нормальной работы дымовой трубы, выход из строя которой может привести к несоизмеримо большим затратам.

Непосредственная наладка режимов работы котлоагрегата с определением диапазонов допустимого регулирования, расчетом КПД и удельных расходов топлива, наладка авторегуляторов, распределение нагрузок между агрегатами котельной, определение очередности включения котлов позволяют в комплексе экономить до 30% топлива и электроэнергии в зависимости от состояния оборудования.

Много проблем возникает в котельной при переводе с угля или мазута на газовое топливо. Применение газа резко ограничивает диапазоны допустимых нагрузок котла по условиям работы горелок и "хвостовых" поверхностей нагрева.

3.1. Основные направления по совершенствованию систем химводоподготовки в промышленной и коммунальной энергетике

На муниципальных котельных и тепловых электростанциях из-за крайне недостаточного финансирования создалось критическое положение с работами по расширению и реконструкции систем химводоочистки (ХВО) и замене изношенного оборудования.

Несмотря на то, что номинальный резерв по производительности ХВО для подпитки котлов составляет в среднем 50%, а для подпитки теплосети – 35%, около 75% энергосистем имеют в составе ХВО оборудование со сроком службы свыше 30 лет.

Физический износ водоподготовительного оборудования ведет в перспективе (при прогнозе повышения выработки обессоленной и умягченной воды) к увеличению расхода реагентов и ионообменных смол, а также количества сточных вод.

98 электростанций испытывают необходимость в расширении и реконструкции ХВО, при этом для 80 электростанций уже имеются выполненные проекты расширения и реконструкции ХВО, проекты автоматизации химводоочисток, однако более чем в 90% случаев реализации проектов задерживается из-за отсутствия финансирования.

Отсутствие предочистки на 40% электростанций приводит к отравлению анионитов органическими веществами на 1-й и 2-й ступенях обессоливания, существенно уменьшает их срок службы и ведет к дополнительным эксплуатационным затратам. Указанное обстоятельство требует:

• выполнения проектов предочистки (осветлители и осветлительные фильтры), даже на "мягких водах" с повышенным содержанием органических веществ целесообразно применять коагуляцию с известкованием, что позволяет снижать окисляемость исходной воды примерно на 45-50%;

• эффективность удаления органических веществ при коагуляции с известкованием в 3 раза выше, чем при чистой коагуляции; особенно актуальна совершенная работа предочистки для схем с мембранной техникой;

• совершенствования схемы приготовления и дозирования химических реагентов.

АО "Мосэнерго" разработан комплекс необходимой технической документации для реконструкции осветлителя ВТИ-400 на Южноуральской ГРЭС. Аппараты имеют более высокую производительность и скорость осаждения шлама по сравнению с существующими осветлителями. Разрабатываемые образцы осветлителей нового поколения позволят эффективнее удалять из обрабатываемой воды коллоидные и органические вещества, что в свою очередь создает благоприятные условия для ионитной части вводно-подготовительной установки (ВПУ).

Научно-исследовательский институт «ВНИИВОДГЕО» на ряде электростанций АО "Мосэнерго" провело испытания новых марок флокулянтов типа "Сепаран" для повышения эффективности на стадии предварительной очистки воды.

Новые и реконструируемые системы ХВО должны предусматривать максимальное использование противоточных фильтров за счет применения новых или реконструкции существующих прямоточных фильтров в противоточные. При этом реконструкция фильтров обходится в 3-4 раза дешевле, чем замена. Противоточные фильтры позволяют:

• на 30% сократить потребление химических реагентов;

• упростить традиционную схему обессоливания за счет сокращения количества ступеней очистки в зависимости от требований к качеству добавочной воды.

В случае проектирования обессоливающих установок на базе противоточных фильтров технологическая схема приобретает в большинстве случаев компактный вид: водород катионирование на противоточных фильтрах – доочистка воды на фильтрах смешанного действия.

В настоящее время по техническому заданию бывшего Департамента науки и техники научно-исследовательский институт "ВНИИАМ" разработал техническую документацию, а АО ТКЗ "Красный котельщик" начал серийно выпускать противоточные и двухпоточно-противоточные фильтры со следующими характеристиками:

• диаметр – 2000…3400 мм,

• скорость фильтрования – до 50 м/ч,

• удельные расходы реагентов: кислоты – 1,5-1,8 г-экв/г-экв, щелочи – 1,5 г-экв/г-экв, соли – 1,3-1,5 г-экв/г-экв.

Наименование оборудования:

• фильтры противоточные ФИПР;

• фильтры двухпоточно-противоточные ФИП.

На основе указанного оборудования выполнены проекты реконструкции систем ХВО для Владимирской ТЭЦ с использованием противоточных двухслойных фильтров из стеклопластика;

Для ТЭЦ-23 АО "Мосэнерго" создается опытная установка из двух однослойных противоточных фильтров.

На Нижнекамской ТЭЦ-1 в 1999 г. пущена в эксплуатацию установка типа " Амберпак".

Другим направлением в совершенствовании фильтровального оборудования является внедрение мембранных методов обессоливания и термических методов для тех регионов, где высокая минерализация исходной воды (более 500 мг/кг) и необходимость сокращения сточных вод на ХВО.

Установки обратного осмоса предназначены для получения частично обессоленной воды и используются в технологической схеме приготовления добавочной воды на электростанциях для снижения солесодержания исходной воды перед ионитным обессоливанием.

Внедрение технологии на базе установок обратного осмоса позволяет получить экономический и экологический эффект за счет снижения расхода химических реагентов (в 2-4 раза), ионообменных материалов (на 40-50 %), сокращения расхода сбрасываемых солей.

В настоящее время на электростанциях в системе подготовки обессоленной воды эксплуатируется одна обратноосмотическая установка на ТЭЦ-23 АО "Мосэнерго" производительностью 50 м³/ч, обеспечивающая снижение солесодержания исходной воды с 450 мг/кг до 4 мг/кг.

На Нижнекамской ТЭЦ-1 эксплуатируется обратноосмотическая установка УОО-200 со следующими характеристиками:

• номинальная производительность 200 м³/ч,

• рабочее давление в корпусе модуля 1,6 МПа,

• солесодержание исходной воды до 2500 мг/кг,

• солезадержание - не ниже 98%,

• выход фильтрата - не менее 75%.

Обратноосмотическая установка включает:

• блок высоконапорных насосов для подачи исходной воды и блок соединительных трубопроводов;

• блок фильтров тонкой очистки, выполняющий роль барьерной ступени и предназначенный для задержания частиц крупнее 5 мкм;

• блок фильтрующих обратноосмотических модулей для разделения исходной воды на фильтрат и концентрат;

• блок реагентного хозяйства для коррекционной обработки исходной воды и предотвращения выпадения в фильтрующих элементах малорастворимых соединений;

• блок для периодической промывки поверхности мембран различными веществами, а также для консервации фильтрующих элементов в случае длительного простоя установки;

• блок АСУ ТП и диагностики, включающий в себя приборы и устройства автоматизации, диагностики, контроля и сигнализации параметров работы установки.

ВНИИАМ и МЭИ осуществляет разработку унифицированных технологических схем на базе существующих испарителей поверхностного типа с теплообменной поверхностью от 120 до 1000 м², серийно выпускаемых на АО ТКЗ "Красный котельщик".

На базе типовых испарителей ВНИИАМ разработал новые высоко эффективные внутрикорпусные устройства очистки пара испарителей, позволяющие примерно в три раза снизить солесодержание дистиллята.

Более 90% установленных в узлах дозирования ВПУ дозировочных насосов имеют ручное регулирование подачи и для использования в режиме дистанционного или автоматического управления требуют дополнительного оснащения или замены. Большая часть насосов имеет высокую степень износа, работает с повышенными утечками, требует ремонта и замены.

Насосы серии НД завода "Ринар" (бывшего "Ригахиммаш") и Одесского насосного завода не удовлетворяют современным требованиям по следующим причинам: некачественная футеровка фторопластом, коррозия и выход из строя корпусных деталей, негерметичность и небольшой срок службы уплотнений плунжера, преждевременный износ поверхностей трения в механизме движения, негерметичность клапанных узлов, коррозия деталей проточной части

Однако по сравнению с насосами серии НД применение в узлах дозирования насосов новой серии обеспечивает более высокую точность дозирования, увеличение срока службы и надежности, возможность сопряжения насосов с аппаратурой регулирования нового поколения отечественного и импортного производства, улучшение санитарных условий труда за счет герметичного исполнения насосов.

В настоящее время промышленность производит достаточно надежное фильтровальное оборудование, насосы, запорную и регулирующую арматуру, отвечающие требованиям автоматизации, средства контроля технологических параметров, процессоры. На базе этого оборудования могут быть спроектированы и реализованы различные схемы установок водоподготовки и очистки сточных вод, работающих в режиме автоматического программного управления.

На Самарской ТЭЦ-1 и Нижнекамской ТЭЦ-1 завершается цикл работ по автоматизации ВПУ.

Обзор существующих и спроектированных схем очистки сточных вод ХВО показывает их большое многообразие в зависимости от основной технологической схемы, вида сжигаемого топлива, состава исходных вод, географического положения ТЭС, требований природоохранных органов и др.

Большинство спроектированных схем предусматривает переработку мягких стоков в испарителях или их повторное использование в технологической схеме и переработку жестких стоков на очистных сооружениях. При этом не все технические решения, заложенные в проектах, прошли промышленную проверку.

При выполнении основных схем подпитки котлов и теплосети необходимо предусматривать максимальное сокращение количества сточных вод за счет:

• применения противоточных фильтров, а также замены существующих параллельноточных фильтров на противоточные или их реконструкции в противоточные;

• комбинирования ионитных и мембранных методов обессоливания;

• сбора и повторного использования взрыхляющих и отмывочных вод;

• повторного использования отработавших регенерационных растворов, в том числе с выводом максимального количества солей в виде нерастворимых соединений.

Способ обработки высокоминерализованных стоков ХВО должен выбираться на основе технико-экономического сравнения конкурирующих вариантов (реагентных методов, мембранной техники, термических методов с использованием современных испарителей повышенной эффективности и надежности и др.) с учетом количества вторичных загрязнений, сопутствующих процессам очистки воды.

При этом необходимо учитывать сложность схем утилизации сточных вод, которые требуют для обслуживания дополнительного квалифицированного персонала, надежную автоматику, установку надежных приборов химического контроля, арматуры, качественных мембран для установок обратного осмоса и электродиализных установок, сатуратов и термоумягчителей, проведения ряда научно-исследовательских работ, отработку технологий осаждения, проработку решений по использованию отходов ВПУ.

В качестве примера можно привести работы по утилизации шламов химводоочисток на ТЭЦ-12 АО "Мосэнерго" и Нижнекамской ТЭЦ-1. Опыт разработки и внедрения комбинированных технологий очистки сточных вод и обработки шламов накоплен в ВТИ, ВНИИАМе и МЭИ, ЯГТУ.

Разработанный МЭИ, ВНИИАМ и АО «Наука» метод консервации позволяет сформировать защитную пленку на внутренней поверхности трубопроводов пароводяного тракта котла и проточной части турбоустановки, защищающую оборудование от стояночной коррозии в течение года.

Основные требования к качеству питательной воды водогрейных котлов согласно справочнику по котельным установкам малой производительности (под редакцией К. Ф. Роддатиса) указаны в табл. 8.

Применяемые в котлостроении стали, подвергаются коррозии с водной стороны. Повышенная щелочность воды предотвращает явление коррозии в котлоагрегате.

Наибольшая надежность стали, достигается при рН >8. Минимальная коррозия наблюдается при рН = 9,6. Необходимая величина рН в воде устанавливается использованием различных средств: щелочь натрия, тринатрийфосфат, аммиак.

Кислород является коррозионно-активным газом и его содержание в питательной воде должно быть по возможности ограниченным. Это достигается термической дегазацией питательной воды, а также добавкой химических веществ, связывающих кислород.

В питательной воде нефтепродукты могут образовывать нетеплопроводные пленки и отложения, и, соединяясь с солями жесткости и взвешенными веществами, давать мастичные образования, которые закупоривают трубы и препятствуют циркуляции воды.

Коррозия в трубопроводах, насосах, в баках с водой значительно повышает уровень железа в питательной воде. Окислы железа являются основными компонентами внутренних отложений в местах с большой тепловой нагрузкой и интенсивным выпариванием. Уменьшение содержания железа осуществляется за счет применения специальных ионообменных установок.

Таблица 8. Требования к качеству воды водогрейных котлов

Показатель	Система теплоснабжения
	открытая			закрытая
	Температура сетевой воды, С°
	115	150	200	115	150	200
Прозрачность по шрифту, см,	не менее 40	не менее 40	не менее 40	не менее 30	не менее 30	не менее 30
Карбонатная жёсткость, мкг∙экв/л: • при рН не более 8,5	700	600	300	700	600	300
• при рН более 8,5	не допускается			По расчёту ГОСТ. 108.030.47-81
Содержание растворённого кислорода, мкг/кг	50	30	20	50	30	20
Содержание соединений железа (в пересчёте на Fе), мкг/кг	300	250	200	500	400	300
Значение рН при 25 °С	От 7,0 до 8,5			От 7,0 до 11,0
Содержание нефтепродуктов, мкг/кг	Для всех 1,0