3 Умягчение воды.
3.1 Способы обработки воды.
Снижение карбонатной (временной) жесткости для подпитки тепловых станций производится в большинстве случаев в катионитовых фильтрах.
Т.е. фильтрах, заполненным катионитовыми материалами (сульфоуголь, вофатит Р, эспатит и др.).
Принципиальная схема установки для обработки подпиточной воды Н катионированием и деаэрацией приведена на рис.7.
Водопроводная вода проходит через Н катионовый фильтр, затем пропускается через декарбонизатор и поступает в бак умягчённой воды, Из бака вода забирается насосами и прокачивается через водо-водяной охладитель деаэрированной воды, охладитель выпара и пароводяной подогреватель в головку деаэратора. Деаэрированная вода поступает в бак, установленный под деаэратором. Бак соединён с подпиточными насосами и аккумулятором.
С помощью аккумуляторов выравнивается график нагрузки, что позволяет уменьшить требуемую мощность водо-подогревательной и деаэрированной установки.
В периоды малых расходов подпиточной воды, что имеет место при низкой нагрузке горячего водоснабжения, часть обработанной воды поступает из деаэратора в аккумулятор. В периоды большой нагрузки горячего водоснабжения обработанная вода поступает в подпиточные насосы параллельно из деаэратора и аккумулятора.
При проходе воды через катионовые фильтры катионы Са и Мg, растворённые в воде, составляющие основу карбонатной жёсткости обмениваются на катионы Na и Н.
После катионитовой обработки в воде остаются соли Na, щелочи и кислоты, которые при нагревании не дают осадка в виде шлама и накипи.
Са и Мg, остаются в фильтре на зёрнах катионитового вещества и в последующем выводятся из фильтра при его регенерации. Схема Na – катионирования.
NaK + Ca(HCO3)2 = CaK + 2NaHCO3
NaK + Mg(HCO3)2 = MgK + 2NaHCO3
2NaKat + (Ca+2, Mg+2)Kat2 +2Na +
при t > 150 0С карбонат Na(NaHCO3)
После фильтров распадается на едкий натр (NaОH) и двуокись углерода (СО2), являющейся коррозионными агентами.
Na – катионитовую обработку применяют при отсутствии в системе пиковых котлов и подогреве сетевой воды в пароводяных подогревателях до t < 150 0C.
Регенерация фильтров производится поваренной солью 5-7% раствором. При обработке воды по схеме Н – катионирования. Все катионы Н2О заменяются ионами водорода.
H2K + Ca(HCO3)2 = CaK + 2H2O + CO2
возникает кислая вода.
H2K + Mg(HCO3)2 = MgK + 2H2O + CO2
При Н – катионировании во много раз больше в воде концентрация СО2, являющейся катализатором коррозии. После Н – катионированных фильтров вода пропускается через декарбонизаторы.
Регенерация Н катионитовых фильтров серной или соляной кислотой.
CaSO4 + 2HKat = CAKat2 + H2SO4
MgCl2 + 2HKat = MgKat2 + 2HCl
NaCl + HKat = NaKat + HCl
Ca(HCO3)2 + 2HKat = CaKat2 + 2H2O +2CO2
Na2SiO3 + 2Hkat = 2NaKat + H2SiO3
Угольная кислота удаляется в декарбонизаторах при продувке потока воды воздухом, а налетучие поглощается анионитом, промытым щелочью.
AnOH + HCl = AnCl + H2O
AnOH + H2SO4 = AnSO4 + H2O
Воды ГЗУ содержат вредные и токсичные вещества, способные загрязнять и даже отравлять грунтовые воды. Часто в систему ГЗУ сбрасываются воды, загрязнённые нефтепродуктами. Химический состав вод ГЗУ зависит от состава топлива и режима горения, главным образом от температуры в зоне факела.
Существуют такие виды топлива: щелочное, сульфатное, сульфато-щелочные и силикатное.
К щелочному топливу принадлежат торф, сланцы и многие каменные угли, содержащие в золе свободную окись Са. Щелочность вод ГЗУ 40-45 мг·экв/л, т.е. представляет собой насыщенный раствор гидроокиси Са. Значение рН 12–13, общее содержание растворённых веществ 1,5 – 3,0 г/л.
Сульфатные воды – это насыщенный раствор сернокислого Са содержащим 2,2-2,3 г/л этого вещества. Общее содержание растворённых веществ 2,5-2,8 г/л, щелочность не велика и не превышает 10 мг·экв/л. Такие воды возникают на ТЭС сжигающих угли Донецкого бассейна и Кузбасса.
Сульфатно-щелочные воды характерны для ТЭС, работающих на многих восточных углях Назаровских, Азейских месторождений.
Эти воды имеют высокую концентрацию сернокислого Са и в то же время насыщены гидроокиси Са, рН = 11 –12; общее количество растворённых веществ 4-5 г/л.
Кроме Са(ОН)2 и СаSО4 являются определяющими компонентами вод ГЗУ, в них почти всегда присутствуют фториды в концетрации 1-2 до 20-30 мг/л до 50 мг/л, 0,1 –1,0 мг/л соединений ванадия, мышьяка, хрома, марганца, никеля и меди. Их концентрация меньше 0,1 мг/л. В золах донецких углей – ртуть, германий, бериллий, литий, следы тория и урана.
Воды химводоочистки содержат большое количество солей. Основной процесс подготовки – химическое обессоливание.
В воду добавляют раствор коагулянта (коагуляция) – серносложного Al или Fe иногда добавляют известь:
Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = 2Al(OH)3 + 2CaSO4 + 6CO2
4FeSO4 + 4Ca(HCO3)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 + 4CaSO4 + 8CO2
CaOH2 + Ca(HCO3)2 = CaCO3 + 2H2O
3Ca(OH)2 + 2Mg(HCO3)2 = (MgOH)2CO3 + 3CaCO3 + 4H2O
Коагуляция с известкованием осуществляется в аппаратах – осветителях, после чего вода проходит механические фильтры, обессоливается или умягчается на ионитных фильтрах.
Нефтесодержащие стоки после их отстаивания и фильтрования через песок, дроблённый антрацит или другой фильтрующий материал очищается до остаточного содержания 5-7 мг/л, такую жидкость можно использовать в системе станции или котельной в качестве технической воды. Использование воды для орошения мокрых золоуловителей (мокрых скрубберов), эта вода может подаваться на химводоочистку.
Очистка обмывочных вод с известкованием ванадия. Принимают испарения концентрированных стоков, возникающих при регенерации ионов.
3.2 Насосные станции.
К тепловой схеме для транспортировки воды относятся конденсатные, сливные, сетевые, питательные, бустерные и циркуляционные насосы.
Стандартная схема сети представлена на рис.8
Подстанция 2 предназначена для обеспечения напора у абонентов группы 2, присоединенным к концевым точкам сети.
Необходимость станций изображенных на рисунке 9 возникает, когда расходы воды в абонентских установках больше расходов воды, подаваемой в эти установки из тепловой сети. Сооружение оборудования подстанций состоит в большинстве случаев из насосов, дросселирующих устройств, приборов регулирования, управления и контроля.
Смесительные насосы работают параллельно ТЭЦ, поэтому включение в работу смесительных насосов приводит к повышению гидравлического сопротивления потоку воды, поступающему из тепловой станции. Это вызывает уменьшение расхода воды из тепловой станции и увеличение номеров в узлах включения насосных подстанций.
Чем больше напоры Н, развиваемые насосами смесительных подстанций, тем больше доля воды φ, подаваемая этими насосами в абонентские установки и соответственно меньше доля воды 1 – φ, поступающей в эти установки из тепловых станций.
В связи с разностью вертикальных отметок поверхности земли, при присоединении отопительных установок к тепловой станции по зависимой схеме необходимо установить разные гидростатические напоры.
Эта задача решается с помощью установленных на дроссельной подстанции регулятора давления "на себя" 3 на обратной линии тепловой станции и обратного клапана 1 на подающей линии(рис.10).
Принципиальная схема тепловой станции с насосной подстанцией на обратной линии представлена на рис.11. Задача подстанции 3 в снижении давления в обратной линии у абонентов группы 2, расположенных на значительном расстоянии от ТЭЦ и присоединённым к концевым участкам тепловой станции.
Без насосной подстанции в обратной линии устанавливается давление, превышающее допустимое значение для отопительных установок, присоединённых к тепловой станции по зависимой схеме.
Когда насосы на подстанции выключены, вода проходит по обратной линии между точками 5 и 6 через обратный клапан 2, установленный на обратной линии, минуя насосы. При включении в работу насосов 3 на подстанции возникает разность давлений между точками 5 и 6 равная перепаду давлений, развиваемых насосами. Под действием этой разности давлений закрывается обратный клапан 2, установленный на обратной линии и весь поток воды проходит от точки 5, через подстанцию в точке 6.
4 РЕЖИМЫ ЦЕНТРОЛИЗОВАННЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ.
Системы теплоснабжения, включающие в себя источники теплоты, тепловые сети и потребителей теплоты по роду теплоносителя подразделяют на водяные и паровые. Водяной пар, как теплоноситель в системах теплоснабжения имеет преимущественное применение при транспортировании теплоты с температурой на уровне 200 - 260 0С. Такие системы используются, как правило, на промышленных предприятиях. Паровые системы распространены значительно меньше, чем водяные. Отпуск теплоты в виде пара от ТЭЦ общего пользования сравнительно невелик. Так, московские ТЭЦ отпускают потребителям свыше 90% теплоты с горячей водой, петербургские - около 80%. Так как водяные системы теплоснабжения имеют в нашей стране преимущественное применение, ниже рассматриваются только эти системы и некоторые аспекты их режимов работы.
В нашей стране находятся в эксплуатации закрытые и открытые водяные системы теплоснабжения. В первых для целей горячего водоснабжения используется водопроводная вода, подогретая водой из тепловых сетей в теплообменных аппаратах поверхностного типа. В открытых системах вода из тепловой сети непосредственно используется для нужд потребителей горячей воды. При правильном проектировании и эксплуатации обе системы обеспечивают надежное и качественное теплоснабжение. Сооружение открытых систем требует больших капиталовложений в источники теплоснабжения и меньших капиталовложений в сети и абонентские установки. В этих системах удается полезно использовать значительные количества низкопотенциального сбросного тепла, но, как правило, не обеспечивается достаточно высокое качество воды для горячего водоснабжения. Поэтому выбор между открытой и закрытой системами в каждом случае должен обосновываться технико-экономическими расчетами с учетом качества местной воды.
Значение тепловой нагрузки, присоединенной к отдельным теплопроводам, в настоящее время в крупных городах составляет 800 - 900 МВт, радиус действия тепловых сетей – 15 – 20 км. Головные участки трасс выполняются из труб диаметром 1200 - 1400 мм. Количество зданий, присоединенных к каждой магистрали, составляет 1000 - 1500 и более.
Система теплоснабжения, включающая источники, тепловые сети со всеми установленным на них оборудованием, и теплопотребляющие установки, состоит из множества элементов, ни один из которых не может быть абсолютно надежным. Устройство системы должно быть таким, чтобы при повреждении ее элементов она сохраняла работоспособность и обеспечивала бесперебойное теплоснабжение потребителей. При этом также должна быть обеспечена возможность проведения ремонта поврежденного элемента.
Схематическое изображение такой системы с кольцевой тепловой сетью и несколькими источниками приведено на рис.12а и рис.12б.
Абонентские потребляющие установки присоединяют к тепловым сетям через тепловые пункты.
Различают центральные (ЦТП) и индивидуальные (ИТП) тепловые пункты. К первым присоединяются два и более зданий, к последним – одно или его часть. В тепловых пунктах размещаются теплообменное оборудование, приборы контроля, учёта, управления и автоматизации, а также запорная, регулирующая и защитная арматура.
ЦТП в жилых районах сооружается в нашей в стране с начала 60-х годов в целях управления системами теплоснабжения, уменьшения количества приборов, теплообменников, насосов и численности обслуживающего персонала при повышении качества функционирования систем теплоснабжения и комфортности в зданиях, обеспечиваемых теплотой. Наряду с этим при сооружении ЦТП увеличиваются капиталовложения в распределительные тепловые сети. Оптимальная тепловая нагрузка одного центрального теплового пункта составляет 23 – 35 МВт.
Схемы ЦТП с нагрузкой отопления и горячего водоснабжения для закрытой и открытой систем теплоснабжения изображены на рис.13.
Характерные гидравлические режимы водяной тепловой сети большой протяжённости при разных рельефах местности, по которой проходит трасса, изображены на пьезометрическом графике на рис.14а и рис.14б. Для современной крупной тепломагистрали характерны подкачивающие насосные станции на трубопроводах, регуляторы давления "на себя" и "после себя", клапаны рассечки и другое оборудование. Расчёты гидравлических режимов многокольцевых разветвлённых водяных тепловых сетей выполняются на ЭВМ.
Температурный режим теплоснабжающих систем связан с изменением тепловой нагрузки (рис.15 и рис.16).
Преобладающей тепловой нагрузкой в климатической зоне, в которой расположена наша страна, является отопление. В соответствии с этим на источниках теплоснабжения осуществляется центральное регулирование отпуска теплоты, ориентированное в основном на законах изменения отопительной нагрузки или суммарной (отопление и горячее водоснабжение) при изменение погодных условий. В течение большей части отопительного сезона в падающих трубопроводах на выводах источников поддерживается температура, соответствующая закону качественного регулирования отопительной или комбинированной нагрузки, т.е. некоторому постоянному расходу сетевой воды у потребителей (рис.17). В теплый период отопительного сезона, а также в летний период в подающих трубопроводах поддерживается постоянная температура теплоносителя, обеспечивающая заданную температуру воды в системах горячего водоснабжения в пределах 50 – 70 0С.
В теплый период отопительного сезона, когда в подающих трубопроводах тепловых сетей поддерживается постоянная температура сетевой воды, регулирования подачи теплоты на отопление должно осуществляться путем изменения расхода этого теплоносителя у потребителей (рис.17). Как правило, это не делается из-за отсутствия регулирующих устройств, что приводит к увеличению температуры воздуха внутри отапливаемых помещений, к "регулированию форточкой" и перерасходу теплоты. Внедрение устройств, обеспечивающих комфортный режим в отапливаемых помещениях без перерасхода теплоты и топлива - важнейшая задача.
Типовая схема автоматизированного ЦТП приведена на рис.18, схемы автоматизированных ИТП - на рис.19 .
Оборудование и аппаратура ЦТП должны обеспечить суточную подачу теплоты на отопление в полном соответствии с потребностью, без "недотопа" и "перетопа" и подачу требуемого расхода горячей воды заданной температуры из системы горячего водоснабжения, а также необходимые перепады давления до ЦТП и после него. На ЦТП должны быть организованы учет и контроль отпуска теплоты, контроль параметров теплоносителей. При возникновении нештатных ситуаций, таких как дефицит топлива или тепловой мощности у источника теплоснабжения, оборудование и приборы ЦТП должны обеспечить устойчивую работу магистральных сетей путем ограничения расхода теплоносителя. То же самое должно быть обеспечено в распределительных сетях путем перераспределения расходов теплоты между отоплением и горячем водоснабжением и организацией устойчивой циркуляции.
По условиям работы энергосистемы в отдельные часы фактический режим отпуска теплоты от ТЭЦ может отклоняться от расчетного. При наличии протяженных тепловых сетей возможно транспортное запаздывание теплоносителя на несколько часов. К одним и тем же сетям присоединяется нагрузка, которая изменяется по разным суточным и годовым графикам, в то время как регулирование отпуска теплоты на ТЭЦ ведется по усредненной за 6 -12 часов температуре наружного воздуха и ориентировано в основном на покрытие отопительной нагрузки. К тому же тепловые сети чаще всего сильно загружены и обладают низкой гидравлической устойчивостью.
Перечислены соображения, указывают на необходимость автоматизации тепловых пунктов.
До настоящего времени эта задача, необходимость решения которой представляется очевидной, решена далеко не в полном объеме.
Автоматическое регулирование температуры воды в системах горячего водоснабжения обеспечивается наиболее просто как в закрытых, так и в открытых системах теплоснабжения. Отечественная промышленность выпускает серийно соответствующее оборудование. Однако, по разным причинам оно внедряется и успешно функционирует далеко не повсеместно.
Значительно хуже обстоит дело с авторегулированием отопительной нагрузки, хотя для этих целей освоен выпуск нескольких наименований регулирующих приборов, а нормативная литература обязывает оснащать тепловые пункты средствами автоматизации для регулирования расхода воды в системе отопления и ограничения максимального расхода сетевой воды у потребителя и т.д.
Из-за полного или частичного отсутствия авторегулирования тепловые пункты не в полной мере выполняют свои функции правильного распределение расхода теплоносителя по установкам потребителей и не обеспечивают расчетных расходов теплоносителя и гидравлических режимов в тепловых сетях. Расходы сетевой воды в тепловых сетях чаще всего превышают расчетные. Это вызывает повышенные потери напора в сетях и снижение располагаемых напоров у потребителей в конце сети. Уменьшаются гидравлическая устойчивость и качество теплоснабжения этих потребителей. Кроме того, в системах централизованного теплоснабжения, как было отмечено выше, часто имеет место значительные перерасходы теплоты на отопление главным образом в теплый период отопительного сезона, когда комфортная температура в отапливаемых помещениях зачастую поддерживается путем открытия форточек.
Часто тепловые пункты не оборудованы также приборами учета расходов теплоты и теплоносителя.
Отставание в оснащении тепловых пунктов контрольно-измерительными и управляющими приборами от современного уровня было обусловлено главным образом отсутствием экономических стимулов для проведения этой работы в условиях плановой централизованной экономики. Переход к рыночным отношениям должен создать такие стимулы. Поэтому в ближайшем будущем можно рассчитывать на резкое усиление интереса к усовершенствованию работы тепловых пунктов.
Изменение в экономических отношениях повлекло за собой резкое увеличение тарифов на теплоту и теплоносители. Это неизбежно вызывает потребность в оснащении тепловых пунктов приборами учета. Постановка учета расходов теплоты и теплоносителя повлечет за собой стремление к их экономии. Это в свою очередь повысит актуальность оснащения тепловых пунктов средствами автоматизации. В этих условиях очевидно целесообразно создание специализированных организаций по комплектации, монтажу, наладке, эксплуатации и ремонту приборов учета и средств автоматизации тепловых пунктов, по повышению квалификации эксплуатационного персонала теплоснабжающих систем и т.д.
В настоящее время разработан и серийно выпускается ряд наименований электронных регулирующих приборов для тепловых пунктов. В последнее время освоен выпуск таких приборов на базе микропроцессорной техники.
Специалисты считают, что автоматизация тепловых пунктов может дать ежегодно экономию теплоты в размере 20% и более от годового расхода на отопление без нарушения теплового режима в зданиях. Наиболее полно проявляется этот эффект при автоматизации всех тепловых пунктов системы теплоснабжения.
____ Действующие и запроектированные магистрали;
------ Требуемые перемычки между магистралями;
Р/к – районные котельные: на участках сети указаны (сверху вниз) расход воды, м3/ч; диаметр, мм; длина, м; стрелками указаны расчётные расходы воды у абонентов м3/ч.
Рисунок 12а – Схема тепловых сетей ТЭЦ.
Рисунок 12б – Принципиальная схема городских тепловых сетей с совместной работой теплоисточников и резервированием магистралей.
