ХВО — аббревиатура, которая прочно вошла в лексикон специалистов по котельным установкам. Непосвящённым будет интересно узнать, что наиболее распространенным вариантом ее расшифровки является «химическая водоочистка», хотя это вовсе не означает, что данное направление водоочистных технологий ограничивается методами водоподготовки с применением химических реагентов. Современные методы и технологии ХВО обеспечивают долгую и успешную жизнь котельного оборудования, экономят средства его владельца, а работу обслуживающего персонала сводят к периодическому контролю и плановому сервису, максимально исключая поломки, связанные с качеством питающей воды.
Водные проблемы котлов
Вода, одновременно являясь дешевым теплоносителем и универсальным растворителем, может представлять угрозу для водогрейного или парового котла. Риски, в первую очередь, связаны с наличием в воде определенных примесей. Решение и предотвращение проблем в работе котельного оборудования невозможно без четкого понимания их причин, а также знания современных технологий подготовки воды.
Для котловых систем характерны три группы проблем, связанных с присутствием в воде следующих примесей:
- нерастворимых механических
- растворенных осадкообразующих
- коррозионноактивных
Каждый из типов примесей может служить причиной выхода из строя того или иного оборудования тепловой установки, а также вносит свой вклад в снижение эффективности и стабильности работы котла.
Использование в тепловых системах воды, не прошедшей механическую фильтрацию, приводит к наиболее грубым поломкам — выводу из строя циркуляционных насосов, уменьшению сечения, повреждению трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры (Рис. 1). Обычно механические примеси — это песок и глина, присутствующие как в водопроводной воде, так и в воде из артезианских источников, а также продукты коррозии трубопроводов, теплопередающих поверхностей и других металлических частей системы, которые находятся в постоянном контакте с агрессивной водой.
Рис. 1. Отложение механических примесей в тепловых системах
Растворенные примеси могут вызывать более серьезные неполадки в работе энергетического оборудования, которые чаще всего связанны с:
- образованием накипных отложений
- коррозией котловой системы
- вспениванием котловой воды и уносом солей с паром
Эта группа примесей требует особого внимания, поскольку их присутствие в воде зачастую не так очевидно, как наличие механических примесей, а последствия воздействия на котельное оборудование могут быть самыми плачевными — от снижения энергоэффективности системы до полного ее разрушения.
Карбонатные отложения, вызываемые повышенной жесткостью воды, — хорошо известный результат процессов накипеобразования, протекающих даже в низкотемпературном теплообменном оборудовании, однако далеко не единственный. Так, при нагреве воды свыше 130 °С сильно снижается растворимость сульфата кальция и происходит образование особо плотной накипи гипса.
Образующиеся накипные отложения (Рис. 2), во-первых, ухудшают теплоотдачу теплообменных поверхностей, что приводит к перегреву стенок котла и снижению срока его службы, а во-вторых, увеличивают потери тепла. Ухудшение теплообмена приводит к перерасходу энергоносителей, что отражается на эксплуатационных затратах (Рис. 3). Образование на поверхностях нагрева даже незначительного по толщине (0,1-0,2 мм) слоя отложений приводит к перегреву металла и, как следствие, к появлению отдулин, свищей и даже разрыву труб.
Рис. 2. Накипные отложения в трубах котловой установки
Рис. 3. Оценка энергетических потерь, связанных с образованием слоя накипи различной толщины
Образование накипи является однозначным признаком использования в котловой системе воды низкого качества. В этом случае неизбежно развитие коррозии металлических поверхностей и накопление, вместе с накипными отложениями, продуктов окисления металлов.
В котловых системах могут проходить два типа коррозионных процессов: химическая и электрохимическая коррозия. Электрохимическая коррозия связана с образованием большого количества микрогальванических пар на металлических поверхностях.
Часто причиной электрохимической коррозии является неполное удаление из воды таких примесей как железо и марганец.
В большинстве случаев коррозия возникает в неплотностях металлических швов и развальцованных концов теплообменных труб, а результатом таких поражений являются кольцевые трещины. Основными стимуляторами коррозии являются растворенный кислород и углекислый газ. Если конструкции выполнены из черной стали, любое отклонение от диапазона рН 9-10 приводит к развитию коррозии. В случае алюминиевых конструкций, превышение рН 8,3-8,5 приводит к разрушению пассивирующей пленки и коррозии металла.
Особое внимание стоит обратить на поведение газов в котловых системах. С повышением температуры растворимость газов в воде снижается — происходит их десорбция из котловой воды. Этот процесс обуславливает высокую коррозионную активность кислорода и диоксида углерода (рисунок 4). Кроме того, в процессе нагрева и испарения воды происходит разложение гидрокарбонатов на карбонаты и диоксид углерода, который уносится вместе с паром и обуславливает низкий рН и высокую коррозионную активность конденсата. Поэтому при выборе схемы химводоочистки и внутрикотловой обработки следует предусматривать способы нейтрализации кислорода и диоксида углерода.
а) б)
Рис. 4. Последствия точечной кислородной коррозии (а) и общей углеродной (б)
Другой вид химической коррозии — хлоридная коррозия. Хлориды, из-за своей высокой растворимости, присутствуют во всех доступных источниках водоснабжения. Хлориды разрушают пассивирующую пленку на поверхности металла, чем стимулируют развитие вторичных коррозионных процессов (Рис. 5). Предельно допустимая концентрация хлоридов в воде котловых систем — 150-200 мг/л.
Рис. 5. Последствия хлоридной коррозии
Накипеобразование и коррозионные процессы являются результатом использования в котловой системе воды низкого качества — химически агрессивной и нестабильной. Эксплуатировать котловые системы на такой воде экономически нецелесообразно и опасно с точки зрения техногенных рисков. Более того, гарантии производителей котельного оборудования не распространяются на случаи, связанные с эксплуатацией котлов на неочищенной либо неправильно подготовленной воде.
Какая бывает вода?
Обычно в качестве источников водоснабжения котловых систем используются водопровод и артезианские скважины. Каждый тип воды имеет свои недостатки и набор типичных проблем.
Первой типичной проблемой любой воды являются соли кальция и магния, обуславливающие общую жесткость. В Украине, в зависимости от региона и типа источника водоснабжения, жесткость как водопроводной, так и артезианской воды может принимать значения от 4 до 30 мг-экв/л.
Другой типичной примесью украинских вод являются растворенные соли железа, содержание которых в природных водах Украины находится в интервале между 0,3 и 20 мг/л. При этом в большинстве артезианских скважин уровень растворенного железа превышает 3 мг/л.
Контроль качества воды котловых систем осуществляется путем лабораторных анализов или экспресс-тестов. Лабораторные анализы для водогрейных систем средней мощности рекомендуется выполнять при каждом плановом осмотре или обслуживании, но не реже трех раз в год, а для промышленных — раз в смену. Для паровых котлов лабораторный анализ должен выполняться с периодичностью раз в 72 часа, при этом обычно отбирается несколько проб воды — вода после ХВО, котловая вода, конденсат. Базовый набор экспресс-тестов и карманных измерителей рекомендуется иметь каждому специалисту по эксплуатации котлов, в то время как лабораторные анализы лучше проводить в специальных лабораториях.
Для проведения экспресс-тестов на жесткость воды, содержание железа, щелочность и хлориды используются капельные экспресс-системы. Результаты, полученные с помощью таких экспресс-систем, могут служить ориентиром для оценки качества котловой воды и эффективности работы системы химводоочистки.
Измерение таких показателей качества воды как рН, солесодержание и растворенный кислород проводят с помощью карманных приборов — рН-метров, TDS-метров и оксиметров.
Таблица 1. Портативные измерители pH, солесодержания и растворенного кислорода
Как получить правильную воду
Котловые системы принято подразделять по их назначению на водогрейные и паровые. Для каждого типа существует свой набор требований к химочищенной воде, которые также зависят от мощности котла и температурного режима. Требования к качеству воды для котловых систем устанавливаются на уровне, обеспечивающем эффективную и безопасную работу котла при минимальном риске образования отложений и коррозии. Разработку официальных требований осуществляют надзорные органы (Госэнергонадзор), однако эти требования всегда мягче рекомендаций производителей, которые устанавливаются исходя из гарантийных обязательств. В Европейском союзе требования производителей проходят всестороннюю экспертизу в органах стандартизации и профильных организациях, поэтому с точки зрения эффективной и длительной эксплуатации котла целесообразно ориентироваться именно на эти требования.
Расход подпиточной воды и требования к ее качеству определяют оптимальный набор водоочистного оборудования и схему химводоочистки. Особое внимание во всех нормативных документах, касающихся качества подпиточной воды, уделяется таким показателям как жесткость, рН, содержание кислорода и углекислоты.
Значения показателей качества воды для котлов во всех нормативных документах установлены существенно ниже требований к качеству питьевой воды, следовательно, использование водопроводной воды без соответствующей подготовки недопустимо.
ХВО для водогрейных котлов
Системы с водогрейным котлом (Рис. 6) относятся к системам закрытого типа. В этих системах вода не должна изменять свой состав. Закрытая система заполняется химически очищенной водой один раз и не требует постоянной подпитки. Потери воды обычно случаются из-за протечек в трубопроводах или вследствие ошибок в обслуживании. При правильной эксплуатации пополнение химочищенной воды в водогрейных контурах осуществляется перед началом отопительного сезона или не чаще, чем раз в год. Однако, если речь идет о бытовом водогрейном котле, система химводоочистки используется также для постоянного холодного и горячего водоснабжения.
Рис. 6. Оборот воды в системе с водогрейным котлом
Информация о котлах предоставлена порталом KOTEL.UA
Обязательное требование для всех видов воды, используемой в котлах всех типов, — отсутствие взвешенных примесей и окраски. Для отопительных установок с предписанными рабочими температурами до 100 °С большинство производителей используют упрощенные требования к качеству воды, лимитирующие только уровень общей жесткости (Таблица 2).
Таблица 2. Основные требования к качеству воды в водогрейных системах с температурой нагрева <100 °С
Для отопительных установок с допустимой температурой нагрева выше 100 °С рекомендуется использование деминерализованной или умягченной воды и в зависимости от типа применяемой воды устанавливаются нормативы ее качества (Таблица 3).
Таблица 3. Основные требования к качеству воды в водогрейных системах с температурой нагрева >100 °С
Системы подготовки воды для водогрейных котлов можно классифицировать в соответствии с мощностью котельной установки и ее назначением:
- для бытовых котлов — очистка воды для заполнения замкнутой системы отопления, холодного и горячего водоснабжения. Очищенная вода должна соответствовать требованиям производителя котельного оборудования и нормативам на питьевую воду
- для котлов средней мощности (до 1000 кВт) — системы для периодической подпитки котлового контура, как правило, с коррекцией рН и растворенного кислорода
- для промышленных котлов — системы постоянной подпитки глубокоумягченной водой с обязательной коррекцией рН и растворенного кислорода
Часто в качестве источника водоснабжения для бытовых водогрейных котлов используется водопроводная вода с характерным набором проблем: механические примеси и повышенная жесткость. Схема очистки воды в этом случае состоит из двух стадий — механическая фильтрация и умягчение.
Очистка воды от взвешенных примесей должна осуществляться в механических фильтрах сетчатого или картриджного типа (Рис. 7) . При выборе механического фильтра необходимо соблюдать условие — рейтинг фильтрации не выше 100 мкм, иначе высока вероятность попадания примесей в систему химводоочистки или в питательную воду.
Механические сетчатые фильтры изначально стоят дороже картриджных, однако они значительно дешевле в эксплуатации и могут работать в автоматическом режиме.
Для корректировки жесткости воды используют системы умягчения, основанные на применении сильнокислотных катионитов в натриевой форме. Эти материалы поглощают катионы кальция и магния, обуславливающие жесткость воды, взамен выделяя эквивалентное количество ионов натрия, которые не образуют при нагреве воды нерастворимых соединений (Рис. 8).
Рис. 8. Типовая система умягчения и комплексной очистки Ecosoft
При использовании воды из артезианской скважины схемы с умягчением будет недостаточно, так как артезианская вода обычно содержит повышенные концентрации железа и марганца. В этом случае применяется один из вариантов сорбционных технологий — многостадийная, ставшая традиционной, и более современная и эффективная — комплексная одностадийная. Последний вариант стал возможным благодаря специальной разработке украинской компании НПО Экософт — технологии Ecomix.
При использовании традиционной трехступенчатой технологии подбор оборудования и фильтрующих материалов начинают с подробного химического анализа воды. Его результаты должны быть тщательно проанализированы специалистом-химиком, который затем правильно выбирает фильтрующие материалы для каждой стадии системы и определяет требуемую конфигурацию оборудования. Многоступенчатая технология сложна в эксплуатации, кроме того, в этом случае производится раздельная регенерация различными реагентами и отмывка трех видов загрузок, используемых в системе, что требует значительного расхода воды на собственные нужды. Для регенерации каталитических фильтров используется, как правило, раствор перманганата калия, приобретение и сброс которого в канализацию требуют специального разрешения.
В случае применения технологии комплексной очистки ситуация значительно упрощается. Для принятия решения необходимо знать не более четырех показателей качества воды, причем в большинстве случаев достаточно провести определение экспресс-методами, поскольку технология адаптирована ко всем формам удаляемых примесей, характерным для артезианской воды. В основе технологии комплексной очистки воды лежит специальная фильтрующая загрузка Ecomix — смесь из 5 ионообменных и сорбционных материалов, которая регенерируется раствором поваренной соли, что исключает образование высокотоксичных отходов и сокращает расход воды на собственные нужды. Системы ХВО на базе технологии Ecomix аналогичны стандартным системам умягчения по принципу работы, аппаратурному оформлению и сервису. Для обслуживания такой системы не требуется специально подготовленный персонал в силу ее простоты.
Использование подготовленной воды для бытовых котлов позволит защитить, помимо котлов, бойлеры для нагрева воды, систему отопления, а также бытовое оборудование.
Схемы очистки воды для водогрейных котлов средней мощности (до 1000 кВт) аналогичны системам для бытовых водогрейных котлов. В этом случае подготовленная вода применяется как для заполнения контура котла, так и для подпитки контура. Для современных котельных расход воды на подпитку обычно не превышает 1,5 м3/час.
Для водогрейных котлов мощностью 500-1000 кВт, как правило, необходимо применять реагенты внутрикотловой обработки воды. Традиционно применяют автоматические дозировочные станции для ввода реагентов в предварительно подготовленную воду и реагенты для связывания кислорода (сульфит или бисульфит натрия), корректировки рН (гидрокисид натрия), а также в некоторых случаях фосфаты. Такой подход требует несколько дозировочных станций, тщательного приготовления растворов и постоянного контроля концентрации дозируемых веществ в котловой воде.
Современный подход к внутрикотловой обработке воды заключается в применении комплексных реагентов, которые полностью защищают котловую систему и дозируются в сравнительно небольших количествах.
При этом контроль дозирования заключается только в измерении рН котловой воды. Примером комплексных реагентов являются реагенты Epurocet: Epurocet W300 и Epurocet W320. Оба реагента состоят из органических компонентов и выполняют полную защиту котловой системы:
- являются ингибитором коррозии и осадкообразования
- корректируют рН
Реагент Epurocet W300 применяется для большинства систем и повышает рН до 9.5, а Epurocet W320 — для систем с алюминиевыми радиаторами и повышает рН до 8.3-8.5.
Очистка воды для промышленных водогрейных колов — более сложная задача, поэтому, в зависимости от требований к жесткости очищенной воды, могут применяться как одноступенчатые системы умягчения, так и двухступенчатые. При этом оборудование химводоподготовки должно обеспечивать непрерывную подпитку водогрейного контура, а рабочий расход подготовленной воды может варьироваться в широком диапазоне и определяется для каждой котельной индивидуально. Типичная схема подготовки воды состоит из механической фильтрации, умягчения или комплексной очистки на 1-ой ступени и умягчения на 2-ой ступени, завершающихся деаэрацией и корректировкой рН. В случае промышленных водогрейных котлов могут применяться как физические методы деаэрации и корректировки рН (вакуумные деаэраторы), так и химические (дозирование реагентов).
Рис. 9. Системы двухступенчатого умягчения Ecosoft (типа дуплекс)
ХВО для паровых котлов
В отличие от водогрейного, в паровом котле проходит непрерывный процесс испарения воды. Потери пара в парогенераторных системах неизбежны, поэтому необходимо постоянное их восполнение за счет химочищенной воды. Примеси, поступающие в котел вместе с химочищенной водой, непрерывно накапливаются, следовательно, солесодержание воды в котле постоянно увеличивается. Для предотвращения пересыщения котловой воды осуществляется замещение ее части химочищенной водой за счет непрерывной и периодической продувок. Таким образом, возникает необходимость пополнения контура химочищенной водой в объеме, достаточном для компенсации продувочной воды и потерь пара. Очевидно, что чем выше качество очищенной воды, тем меньше примесей вносится в систему и меньше величина продувки, а значит тем выше качество пара и ниже расход энергоносителя.
К воде, которая используется в системах с паровым котлом, предъявляются наиболее жесткие требования. Принято разделять две группы требований в соответствии с типом воды — для питательной (Таблица 5) и котловой (Таблица 6).
Таблица 5. Основные требования к качеству питательной воды для паровых котлов
Таблица 6. Основные требования к составу котловой воды паровых котлов
При выборе схемы подготовки воды определяющим критерием является также величина непрерывной продувки котла, которая является расчетной и зависит от качества химочищенной воды, доли возврата конденсата и типа котла. Величина непрерывной продувки котла нормируется СНиПом на котельные установки. Так, например, для котельных, оборудованных паровыми котлами с рабочим давлением менее 14 бар, продувка не должна превышать 10%, а для котлов с рабочим давлением менее 40 бар — 5%.
В зависимости от расчетной величины продувки и минерализации исходной воды принимают решение о выборе схемы подготовки воды:
- при низкой минерализации исходной воды достаточно использования двухстадийных систем комплексной очистки и умягчения, аналогичных схемам водоподготовки для промышленного водогрейного котла
- в случае высокой минерализации воды требуется применение комбинированной технологии, включающей стадию умягчения или комплексной очистки и обратноосмотической деминерализации
Если расчетная величина продувки превышает нормативную, следует снижать солесодержание химочищенной воды, т.е. выбирать схему включающую стадию деминерализации. В противном случае необходимо применять схему с двухступенчатым умягчение. Следует отметить, что чем выше величина непрерывной продувки, тем выше расходы на нагрев воды, т. е. возрастают расход природного газа и затраты на подготовку воды. Кроме того, высокая непрерывная продувка требует больших капитальных вложений и на компоненты парового котла. С точки зрения экономической обоснованности выбора химводоподготовки более выгодной является схема глубокого умягчения с деминерализацией. При сравнительных расчетах более высокие капитальные вложения на деминерализацию окупаются менее чем через год.
Для деминерализации и/или снижения щелочности питающей воды, а также очистки воды от хлоридов, применяются технологии обратного осмоса (Рис. 11). Эти технологии основаны на использовании специальных мембранных элементов, позволяющих проводить разделение очищаемой воды на пермеат (очищенную воду) и концентрат (воду, содержащую сконцентрированные примеси). Разделение проходит на полупроницаемой мембране, помещенной внутри мембранного модуля, при избыточном давлении, создаваемом насосом системы. Технология обратного осмоса является физическим безреагентным методом получения высокочистой воды с низкими эксплуатационными расходами. О технологиях обратного осмоса подробно читайте в №1(55) «Воды и водоочистных технологий» за февраль 2011 года, заказ журналов на www.waternet.com.ua.
Рис. 10. Система обратного осмоса Ecosoft
Отдельного внимания в подготовке воды для паровых котлов заслуживает внутрикотловая обработка воды, основными задачами которой являются:
- защита котла от коррозии
- корректировка рН
- защита пароконденсатного тракта от углекислотной коррозии
- предупреждение накипеобразование при сбоях химводоподготовки
Традиционная схема химической коррекции состава воды требует использования нескольких реагентов, которые необходимо вводить в систему в разных точках, четко соблюдая объемы дозирования и контролируя содержание каждого компонента в системе. С одной стороны, привлекает низкая цена и доступность таких реагентов, с другой, практика показывает их существенные недостатки: сложность обеспечения полной защиты поверхностей, использование нескольких дозировочных станций, повышение солесодержания, высокий расход реагентов и необходимость постоянного трудоемкого контроля и настроек.
Современный подход к вопросу химической коррекции воды для паровых котлов предполагает применение реагентов комплексного действия на основе пленкообразующих аминов. Эти реагенты одновременно:
- корректируют рН питающей, котловой воды и конденсата
- образуют защитную пленку на поверхностях сборника питающей воды, котла и линии конденсата
- препятствуют осадкообразованию в системе
- частично переходят в паровую фазу и защищают пароконденсатный тракт от углекислотной коррозии за счет корректировки рН конденсата
В состав реагента комплексного действия входят высокомолекулярные полиамины, диспергирующие полимеры и нейтрализующие амины. Все компоненты имеют органическую природу, поэтому солесодержание котловой воды не повышается. Пленкообразующие амины блокируют рост кристаллов на теплопередающих поверхностях, в результате образуются аморфные осадки, которым не дают прилипнуть к поверхности диспергирующие полимеры (Рис. 11) . Впоследствии осадок легко удаляется при периодической продувке.
а) б)
Рис. 12. Плотный кристаллический осадок солей без использования пленкообразующих аминов (а) и аморфный легкоудаляемый осадок при их использовании (б)
Нейтрализующие амины работают как ингибиторы коррозии — они связывают углекислоту и обеспечивают безопасный уровень рН. Сформированная на поверхностях пленка из полиаминов является водоотталкивающей, поэтому применение такого реагента защищает непосредственно трубы, а не просто корректирует состав воды.
В качестве примера высокоэффективных комплексных реагентов можно привести пленкообразующие амины Epurocet производства компании Epuro. Эти реагенты обладают комплексным действием, направленным на защиту от коррозии всей котловой системы, в том числе и конденсатного тракта. Для их дозирования используется один реагент, который вводится в химочищенную воду пропорционально ее расходу с использованием стандартного дозировочного оборудования. Контроль содержания реагента производится по одному показателю.
Таблица 7. Типы комплексных реагентов Epurocet
Залогом получения чистого пара, энергоэффективной и безаварийной эксплуатации парового котла является полное соблюдение требований к качеству питательной и котловой воды. Только комплексный подход к химводоочистке, начиная от механической фильтрации и заканчивая внутрикотловой обработкой воды, позволит достичь положительных результатов.
Лучше предупреждать, чем исправлять!
В инструкции одного из немецких производителей котельного оборудования мы прочли лаконичное и не многозначное предупреждение: «Расходы на водоподготовку в любом случае ниже стоимости устранения повреждений отопительной установки». Это еще раз подтверждает, что качество воды напрямую определяет состояние и срок службы тепловых систем, а значит, требует особого внимания при проектировании и обслуживании котельных. Правильный выбор системы химводоочистки — гарантия отсутствия технических проблем с котлом и экономии средств.
