Вода для котельной

Любое водонагревательное оборудование, будь это бытовой или промышленный котел требует определенного качества воды. Большинство ограничений связаны с тем, что при повышенных температурах образуется накипь, которая и ведет к печальным последствиям. Ниже мы детально поговорим о том, какие последствия для котлов несет в себе вода, до каких показателей нужно очищать воду, и какие типы водоочистительного оборудования подойдут для подготовки воды для паровых и водяных котлов, а также теплообменников.

Требования к воде для котлов

Качество воды для промышленных котлов определяется инструкцией к оборудованию или нормативным документом. В Украине это ГНАОТ 0.00-1.08-94 «Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов».

К чему приводят разные загрязнения, мы разберемся далее.

Коллоидные и механические загрязнения

Крупные механические частицы представлены преимущественно песком и глиной, иногда также частицами ржавчины и накипи. Состав этих видимых частиц, которые приводят к повышенной мутности воды, зависит преимущественно от источника воды (скважина или трубопровод). Помимо этого, в систему могут вноситься продукты коррозии металлических труб и нагревательных элементов. В случае превышения допустимых значений таких компонентов часто наблюдаются поломки насосного оборудования, запорной и регулировочной арматуры, забивание труб и, как следствие, уменьшение их сечения.

Что касается растворимых примесей, то их будет рационально делить на несколько групп, что мы сделаем ниже.

Соли жесткости

Карбонаты кальция и магния - это базовые компоненты накипи. При повышенной температуре они склонны выпадать в осадок быстрее, образовывая равномерную известковую корку. Стоит также отметить, что такие компоненты как сульфат кальция, силикаты, соединения марганца и меди также обладают способностью кристаллизироваться при температурах выше 100 ^оС. К примеру, для сульфатов точка кристаллизации находится на 130 ^оС.

Образовавшийся налет нарушает процесс теплоотдачи поверхностей и приводит к снижению мощности котла. Это, в свою очередь, ведет к увеличению расходов на энергоресурсы и снижает срок службы котлов. Образование даже тоненькой корки мешает теплообмену и может привести к перегреву металла, а затем к образованию разрывов и трещин на поверхности труб.

Корозионноактивные примеси

Существует также ряд примесей, которые могут сопутствовать процессам коррозии. Важно знать, что существует два типа коррозии: химическая и электрохимическая.

Химическая — подразумевает под собой процесс разрушения материала под действием агрессивных компонентов воды, а вот электрохимическая основывается на том, что на металлических поверхностях создаются микрогальванические пары преимущественно с ионами железа и марганца.

Растворенные газы O₂ и CO₂  — это примеси, которые являются основными генераторами коррозионных процессов в котлах за счет окислительных свойств. Также одним из важных параметров в снижении коррозионной активности является pH воды. Нужно коррелировать его в соответствии с химическими свойствами металла трубной обвязки. Так как, к примеру, алюминий устойчив при pH - 8,3 - 8,5, а вот железо может быть неустойчивым по отношению к коррозии, если pH < 9.

Хлоридная коррозия приводит к разрушению пассивирующей пленки, поэтому содержание хлоридов в воде нормируется значением 150-200 мг/л.

Пенообразователи

Это вещества, которые приводят к образованию пены, преимущественно это фосфаты, щелочи, смазочные масла и нефтепродукты. Стоит отметить, что эти компоненты частично вводятся в воду для того, чтобы нейтрализовать соли жесткости и предупреждать накипь. Эти примеси особо опасны для паровых котлов, поскольку приводят к загрязнению пара и образованию на лопастях турбин осадка примесей, увлеченных пеной.

Важно знать, что чем выше температура нагрева, тем чище должна быть вода, которая подается в котел. Также более жесткие требования ставятся к замкнутым системам.

Подготовка котловой воды

Тут мы объясним, каким образом происходит подготовка качественной воды для котлов с помощью современных технологий, и как усовершенствовать устарелые системы.

Начнем с того, что существует две базовых технологии: ионный обмен и обратный осмос.

В зависимости от типа и паспортных требований котлового оборудования выбирается один из типов системы. Качество исходной воды уже обуславливает дополнительные этапы предварительной очистки и добавление определенных реагентов при проведении процесса очистки.

Также технологическую схему частично обосновывают мощностью или производительностью котла. Мы не будем здесь приводить классификацию котлов, поскольку это материал посвящен все-таки водоподготовке, а не котельному оборудованию.

Домашняя водоподготовка для котлов

Маленькие бытовые или коммерческие водогрейные котлы бывают газовыми, электрическим и твердотопливными. Их мощность зачастую до 30, реже до 50 кВт. Качество воды в таких системах обычно не нормируется в инструкции. Но мутность и жесткость воды в конечном итоге все равно приводят к повышенным теплопотерям, а также к потребности в регулярном обслуживании. С точки зрения водоподготовки сюда можно отнести и бытовые бойлеры.

Фильтрационные системы

Фильтр от накипи

Промывка домашнего котла

Вторым шагом является промывка котла, которая является одним из этапов обслуживания. Ее можно производить как самостоятельно, так и с помощью специалистов. Промывку нужно производить планово по инструкции или же при возникновении ряда признаков. Например, постоянно включенной горелки, непрерывного гула циркуляционного насоса, длительного прогрева радиаторов в доме, роста потребления газа при обычном использовании, снижения давления горячей воды.

Для промывки используются два метода: разборный и безразборный. Названия в целом описывают принцип исполнения очистки. При разборном котел отключается от подачи воды и питания, а все детали на 10-12 часов замачиваются в растворе. Безразборный метод предусматривает отключение от теплоносителя, отопительной системы и подключения к специальному устройству, которое обеспечивает циркуляцию раствора реагентов в течении 6-8 часов.

Для промывки котлов используются кислотные реагенты, которые способны растворять отложения накипи, при этом не влияя на поверхность труб теплообменника.

Коммерческие и промышленные котельни

Выше мы рассказали о бытовых котлах, теперь же поговорим о водоподготовке для больших водогрейных и паровых котлов. В данном случае качество воды очень серьезный параметр. Оно жестко нормируется инструкциями и в зависимости от типа котла будет играть одну из основных ролей в работе оборудования.

Водогрейные котлы применяются преимущественно для отопления и горячего теплоснабжения жилых и нежилых зданий, также иногда как добавочное оборудование ТЭЦ и в производственных целях. Номинальная температура воды на выходе из котла, которая может достигать от 70 до 115 ^оС, определяет качество воды, поскольку интенсивность формирования отложений прямо пропорционально зависит от температуры.

При нагреве воды до 100 ^оС нормативная жесткость воды будет зависеть от мощности котла, если же котел производит перегретую воду, тогда выдвигаются жесткие требования и по другим компонентам.

Что касается паровых котлов, то требования к котловой воде значительно жестче, поскольку там по сути происходит нагрев воды до парообразного состояния (то есть сначала кипения после чего происходит перегрев пара), соответственно процессы образования осадков становятся более интенсивными. Степень чистоты воды зависит от рабочего давления. Самые жесткие требования выдвигаются к воде для котлов критического (18-20 МПа) и сверхкритического (более 22,5 МПа) давления, работающих на ТЭС.

Ниже мы приведем нормативные значения качества воды для паровых котлов и котлов утилизаторов.

Схемы подготовки котловой воды

Традиционная система водоподготовки предусматривает несколько этапов.

1. Механическая очистка для снижения мутности воды (1) — этот этап является обязательным в любой схеме водоподготовки. Традиционно используются засыпные фильтры с кварцевым песком.
2. Обезжелезивание/деманганизация для удаления примесей железа и марганца, которые быстро окисляются при повышенной температуре, образуя осадки и взвеси, а также способствуют коррозии, или же очистка воды от органики на угольных фильтрах. Эти фильтры обозначены позицией (2). Стоит отметить, что данный этап исключается, если качество воды изначально хорошее.
3. Двухступенчатое умягчение воды на ионообменных смолах (3,5) - в процессе ионного обмена катионы солей жесткости (кальций и магний) заменяются на безопасные, не образующие накипи катионы натрия.  Когда реурс материала исчерпывается, производится его регенерация раствором хлорида натрия из бака-солерастворителя (4,6).
4. Дозирование реагентов (7): регуляторов pH, антискалантов и пр.
   

Данная схема обеспечивает качество воды, которое способно полностью удовлетворять потребности водогрейного котла, что касается паровых, то использование такой воды для паровых котлов критического и сверхкритического давления приводит к увеличению затрат энергоносителя и частым промывкам теплообменников.

Еще одним недостатком такой технологии является большое количество единиц довольно габаритного оборудования и, соответственно, площадь, которую оно занимает.

Что же может предложить современная водоподготовка?

Существует две основных схемы: все тот же двухступенчатый ионный обмен с определенными усовершенствованиями или обратный осмос. Обе технологии используются как для водогрейных и паровых котлов.

Ионообменные технологии

Компания Ecosoft реализовала множество проектов с усовершенствованной схемой. Стоит отметить, что при реализации таких проектов для старых котелен, обычно частично используется оборудование, которое было установлено ранее. Ниже приведем схему, которую мы предлагаем нашим клиентам.

На первом этапе (1) устанавливаются фильтры механической очистки. В зависимости от качества исходной воды это могут быть как дисковые, так и засыпные фильтры. Преимущества дисковых фильтров:

• не нужно производить промывку и перезасыпку фильтрующего материала, такие фильтры промываются вручную или автоматически относительно небольшим объёмом исходной воды;
• компактные габариты дисковых фильтров позволяют использовать производственные площади более эффективно.

На втором этапе в зависимости от типа воды могут быть установлены два типа систем (2):

• система умягчения (Na-катионирования) для удаления из воды солей жесткости, такая установка подойдет в том случае, если вода высокого качества, не имеет высокой цветности и не содержит железа и марганца;
• система комплексной очистки воды с материалом Ecomix обеспечивает удаление железа, марганца, а также умягчение воды и снижение цветности.

Регенерация в обоих случаях производится раствором хлорида натрия из солевого бака (3).

Оборудование устанавливается таким образом, чтобы когда один фильтр входит в режим регенерации, остальные могли работать. Это обеспечивает непрерывность процесса водоподготовки.

Следующим этапом будет установка вторичного умягчения воды (4). Это всегда Na-катионирование. Регенерация производится из бака с солевым раствором (5). Установка также работает в непрерывном режиме.

На конечном этапе в воду дозируются растворы реагентов (6,7):

• регулятора pH — обычно это щелочные реагенты, которые обеспечивают повышение pH-показателя воды до необходимого уровня;
• антискалантов — вещества, которые препятствуют образованию кристаллов накипи;
• веществ для связывания кислорода;
• пеногасителей.

Стоит отметить, что при высоком качестве исходной воды, умягчение может проходить в одну стадию.

Обратный осмос

Это, пожалуй, самое оптимальное решение для подготовки воды для паровых котлов. В зависимости от количества ступеней обратного осмоса, он может обеспечивать практически деминерализованную воду, которая обеспечит максимальную энергоэффективность системы. Согласно исследованиям и опыту наших клиентов дорогостоящие системы обратного осмоса окупаются примерно в течение года.

На теплоэлектростанциях применяются также системы электродеионизации.

Ниже представлена схема для небольшой паровой котельни.

На первом этапе устанавливаются фильтры механической очистки (1) это могут быть дисковые, сетчатые или засыпные фильтры, которые удовлетворят условия предварительной механической очистки.

Следующим этапом (2) будет удаление специфических примесей для доведения воды до состояния безопасного для мембран обратного осмоса.

Если система работает на водопроводной воде, то это могут быть угольные фильтры для снижения содержания хлора и органических веществ. Если система работает на скважинной воде, то возможна установка обезжелезивателей.

Если качество воды достаточное для безопасной работы мембран обратного осмоса, то первый и второй этапы могут не использоваться.

Система обратного осмоса состоит из картриджных фильтров предварительной очистки для удаления частиц размером более 5 мкм, контролирующих приборов и блока мембранных элементов, который, собственно, и является сердцем системы. Обратный осмос задерживает 99% примесей воды, приводя необходимость продувок котлов к минимуму.

Вода после глубокой очистки подается в бак накопитель (5) и из него поступает в котел. При этом из систем дозирования (6) в трубопровод вносятся растворы необходимых реагентов.

Фильтр для замкнутых контуров

Компания Ecosoft имеет большой опыт реализации решений для котелен, начиная с небольших котлов для пищевых производств, и заканчивая большими системами для ТЭЦ.

Подготовка воды для теплоэлектростанций, которые работают на высоком и сверхвысоком давлении, требует еще более глубокой очистки. В случае с Киевской ТЭЦ 6 была разработана система, которая состояла из двух этапов обратного осмоса и электродеионизации.

Мы попытались максимально сжато рассказать о том, какие проблемы должны решать фильтры для котельни, и что предлагает современная водоподготовка. Если у вас есть еще какие-либо вопросы, касающиеся материала данной статьи, с радостью ответим в комментариях.