Особенности организации коррекционных водно-химических режимов змеевиковых парогенераторов
Опубликовано: 22 августа 2016 г.
308
О. Гусева, к. т. н., начальник отдела водоподготовки, М. Белканова, инженер-технолог отдела водоподготовки, М. Бутакова, инженер-технолог отдела водоподготовки ООО «НПФ «Траверс»
При выборе и эксплуатации змеевиковых прямоточных парогенераторов (ЗПГ) необходимо уделять особое внимание предлагаемой схеме водоподготовительной установки (ВПУ) и организации водно-химического режима ПГ, которые должны обеспечить эффективную их эксплуатацию.
В настоящее время на отечественных промышленных предприятиях все большее применение находят ЗПГ низких давлений (ниже 3,8 МПа). При этом основными их поставщиками являются в основном зарубежные производители, такие как Booster (Корея), Amelin (Канада), Steamrator (Финляндия), Alba (Турция), «Уран» (Россия) и др.
Широкому внедрению таких ПГ способствовали их преимущества: пар генерируется через несколько минут после включения котла, экономный расход топлива, компактность, полностью автоматизированный пуск и останов, простота эксплуатации и технического обслуживания и т.п. При использовании ЗПГ также предъявляют высокие требования к котельному помещению, организации эксплуатационного контроля и периодического технического надзора.
Необходимо отметить, что вышеперечисленные преимущества напрямую связаны с особенностью конструкции ЗПГ. В них нагрев и испарение воды осуществляются за один проход среды по тракту, т.е. питательная вода, пройдя последовательно все поверхности нагрева, целиком превращается в пар. Движение теплоносителя – воды и пароводяной смеси – осуществляется за счет принудительной циркуляции, создаваемой насосом. При этом примеси, поступающие с питательной водой, не могут быть выведены из ПГ с продувкой части воды змеевиков как у барабанных паровых котлов. Поэтому часть примесей может осаждаться на внутренней поверхности труб змеевиков, а часть уноситься с паром. В связи с этим требования к качеству питательной воды должны быть более жесткими, обеспечивая получение чистого пара и ограничение образования отложений в змеевиках ПГ.
В табл. 1, 2 приведены нормы качества питательной воды и воды в змеевиках ПГ некоторых производителей.
Таблица 1. Нормы качества питательной воды ЗПГ
|
Показатели |
Booster |
Amelin |
Alba |
Steam |
|
Жесткость, мг-экв/дм3 |
0,02 |
0,005 |
0,015 |
0,02 |
|
Щелочность, мг-экв/дм3 |
< 1,6 |
н/н |
н/н |
н/н |
|
рН, ед. рН |
6,0–9,0 |
8,5–9,5 |
6,0–9,5 |
9,0–10,0 |
|
Углекислота СО2, мг/дм3 |
н/н |
0,015 |
н/н |
Отсутствие |
|
Растворенный кислород О2, мкг/дм3 |
0 |
10 |
20 |
20 |
|
Железо общее, мг/дм3 |
0,3 |
н/н |
0,05 |
н/н |
|
Солесодержание, мг/дм3 |
< 175 |
< 850 |
н/н |
< 5000 |
|
Cульфиты , мг/дм3 |
– |
15–30 |
5–10 |
– |
|
Фосфаты, мг/дм3 |
– |
– |
5–15 |
– |
Таблица 2. Нормы качества воды в змеевиках ПГ различных производителей
|
Показатели |
Booster |
Amelin |
Alba |
Steam |
|
Жесткость, мг-экв/дм3 |
0,02 |
0,01 |
– |
– |
|
Щелочность, мг-экв/дм3 |
5–16 |
6–12 |
– |
– |
|
рН, ед. рН |
10,5–11,8 |
10,30–11,0 |
– |
– |
|
Железо общее, мг/дм3 |
– |
< 0,2 |
– |
– |
|
Солесодержание, мг/дм3 |
8000 |
< 8500 |
– |
– |
|
Сульфиты, мг/дм3 |
10–20 |
50–80 |
– |
– |
|
Фосфаты, мг/дм3 |
20–40 |
– |
– |
– |
В первую очередь качество питательной воды зависит от схемы ВПУ. Для ЗПГ низкого давления применяются в основном упрощенные схемы водоподготовки. В настоящее время самой распространенной схемой ВПУ является одноступенчатое и двухступенчатое Na-катионирование. Однако для природных вод, характеризующихся часто повышенной щелочностью и концентрацией сульфат-ионов, возникает опасность выпадения труднорастворимых солей жесткости (карбоната кальция CaCO3, гидроксида магния Mg(OH)2 и сульфата кальция CaSO4) на трубках змеевиков в случае применения метода натрий-катионирования.
Оптимальными схемами ВПУ для ЗПГ являются схемы ВПУ, которые обеспечивают, помимо снижения жесткости, также и уменьшение содержания накипеобразующих анионов – бикарбонат- и сульфат-ионов. К таким схемам ВПУ относятся установки, включающие Н-Na-катионирование, Na-Cl-ионирование и установки обратного осмоса (УОО). Эти ВПУ могут обеспечивать более экономичную работу ЗПГ за счет увеличения концентрирования питательной воды, но они также полностью не устраняют опасности образования отложений на стенках змеевиков. Поэтому для ЗПГ необходимо использовать химические реагенты для выбора коррекционных водно-химических режимов, обеспечивающих безнакипные условия их работы.
Однако вопросу определения надежного водно-химического режима ЗПГ производители не уделяют достаточного внимания. При этом требования к качеству питательной и котловой воды ПГ, предъявляемые различными производителями, также подчас необоснованы и не могут обеспечивать безнакипный режим работы.
Как видно из табл. 1, все производители регламентируют в первую очередь значение жесткости питательной воды, но разброс этого показателя находится в довольно широких пределах – от 0,005 до 0,02 мг-экв/дм3. В целях ограничения процессов накипеобразования производители фирмы Booster нормируют значение щелочности в питательной и котловой воде, а фирма Amelin – только в котловой воде (см. табл. 2).
Природные воды часто характеризуются высокой щелочностью и могут достигать значений 6–7 мг-экв/дм3. Поэтому ограничение щелочности как в питательной, так и в воде змеевиков при упрощенных схемах ВПУ приведет к уменьшению коэффициента концентрирования воды в змеевиках и вынужденным значительным продувкам ПГ.
В целях предотвращения накипеобразования в ЗПГ часто используют реагенты, разработанные для барабанных паровых котлов на основе неорганических полифосфатов. В результате метода фосфатирования образование солей жесткости переводится с поверхности в объем, а неприкипающий шлам выводится из барабанных паровых котлов с продувкой. Как отмечалось выше, в ЗПГ кипение воды происходит в трубках, поэтому использование фосфатных реагентов недопустимо, так как образующийся шлам может приводить к их забиванию и выходу змеевика из строя.
Некоторые производители для предотвращения накипеобразования на теплообменных поверхностях парогенераторов рекомендуют использование ингибиторов накипеобразования на основе органофосфонатов (антинакипинов). Отличительным их свойством является способность предотвращать процессы образования отложений при незначительных дозах – 1–10 мг/дм3. Механизм ингибирования процессов накипеобразования заключается в том, что молекулы антинакипинов блокируют центры роста кристаллов, предотвращая их образование за счет физико-химической адсорбции. Однако эффективность данного метода в первую очередь зависит от концентрации накипеобразующих ионов. При кипении воды и ее упаривании в трубках змеевиков ПГ концентрации накипеобразующих ионов резко возрастают, поэтому применение таких реагентов становится не эффективным даже при больших дозах антинакипинов. Дополнительной причиной понижения эффективности использования органофосфонатов является их гидролиз при высоких температурах и разложение до фосфатов, что в результате может привести к образованию труднорастворимых солей жесткости с фосфатами.
ООО «НПФ «Траверс» для предотвращения накипеобразования в ЗПГ разработал реагент АМИНАТТМ КО-3п на основе натриевых солей органических комплексообразователей с различной степенью замещения. АМИНАТТМ КО-3п обеспечивает безнакипный режим работы ПГ в широком диапазоне температур за счет перевода катионов жесткости и продуктов коррозии в растворенное состояние. Доза реагента рассчитывается на основании значений жесткости и содержания железа в питательной воде.
Другой важной задачей при организации водно-химического режима ЗПГ является ограничение протекания процессов коррозии. Основными факторами, определяющими их интенсивность, являются растворенные в воде кислород и углекислота, для удаления которых в схемах подготовки питательной воды паровых котлов и ПГ предназначены деаэраторы. Производители котлов Steam и «Уран» предусматривают в схеме ЗПГ встроенный деаэратор, после которого температура питательной воды составляет 102–104 °С, что обеспечивает снижение содержания кислорода и углекислоты до нормируемых значений.
В тех случаях, когда установка деаэратора не предусмотрена, нагрев питательной воды осуществляется в питательных баках за счет барботажа пара и/или возврата конденсата. Температура воды в таких баках обычно колеблется в пределах 70–85 оС, остаточное содержание кислорода при этом будет составлять 3,0–1,5 мг/дм3, соответственно. У некоторых производителей ЗПГ, например, Alba, подогрев питательной воды вовсе не предусмотрен, и в этом случае содержание железа будет составлять 6–10 мг/дм3.
Для обеспечения нормативных значений содержания кислорода в питательной воде ЗПГ необходимо предусмотреть дозирование реагентов для химического дообескислороживания питательной воды. Практически все производители ЗПГ рекомендуют для связывания кислорода реагенты на основе сульфита и метабисульфита натрия. В перечне продукции ООО «НПФ «Траверс» к таким реагентам относятся АМИНАТТМ КО-2 и АМИНАТТМ КО-2н.
Для предотвращения углекислотной коррозии ЗПГ необходимо поддерживать значение рН питательной воды не менее 8,5, что обеспечит отсутствие растворенной углекислоты в питательной воде. Производители ЗПГ фирм Booster и Alba допускают нижнее значение рН питательной воды, равное 6. Однако высокое содержание растворенной углекислоты в питательной воде 15–20 мг/дм3 в условиях низких рН будет приводить к протеканию интенсивной углекислотной коррозии с водородной поляризацией питательного тракта и змеевиков ПГ.
Таким образом, для поддержания значений рН 8,5 и выше необходимо применять коррекционную обработку питательной воды. Для этого следует использовать реагенты на основе сильной щелочи, например АМИНАТТМ КО-5.
В целях упрощения схемы коррекционной обработки питательной воды и исключения дозирования третьего реагента АМИНАТТМ КО-5 были разработаны новые марки АМИНАТаТМ КО-3п с различной степенью замещения и добавления избыточного количества сильной щелочи. Выбор реагента с тем или иным избытком сильной щелочи будет зависеть от схемы ВПУ и компонентного состава питательной воды.
Статья из журнала "Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ" №2/16
