Вода для котельні

Будь-яке водонагрівальне обладнання - побутовий чи промисловий котел, вимагає певної якості води. Більшість обмежень пов'язані з тим, що при підвищених температурах утворюється накип, який і веде до сумних наслідків. Нижче ми детально поговоримо про те, які наслідки для котлів несе в собі вода, до яких показників потрібно очищати її, та які типи водоочисного обладнання підійдуть для підготовки води для парових і водяних котлів, а також інших теплообмінників.

Вимоги до води для котлів

Якість води для промислових котлів визначається інструкцією до обладнання або нормативним документом. В Україні це ДНАОП 0.00-1.08-94 «Правила будови та безпечної експлуатації парових і водогрійних котлів».

До чого призводять різні забруднення, ми розберемося далі.

Великі механічні та колоїдні забруднення

Великі механічні частинки представлені переважно піском і глиною, іноді також частками іржі і накипу. Склад цих видимих частинок, які призводять до підвищеної каламутності води, залежить переважно від джерела води (свердловина або трубопровід). Крім цього, в систему можуть вноситися продукти корозії металевих труб і нагрівальних елементів. У разі перевищення допустимих значень таких компонентів часто спостерігаються поломки насосного обладнання, запірної та регулювальної арматури, забивання труб і, як наслідок, зменшення їх внутрішнього діаметру.

Що стосується розчинних домішок, то їх буде раціонально поділяти на кілька груп, що ми зробимо нижче.

Солі твердості та інші малорозчинні солі

Солі твердості (карбонати кальцію і магнію) — це базові компоненти накипу. При підвищеній температурі вони схильні випадати в осад швидше, утворюючи рівномірну вапняну кірку. Варто відзначити, що такі компоненти як сульфат кальцію, силікати, сполуки марганцю і міді також мають здатність кристалізуватися при температурах вище 100 °C. Наприклад, для сульфатів точка кристалізації знаходиться на 130 °C.

Утворений наліт порушує процес тепловіддачі поверхонь і призводить до зниження потужності котла. Це, в свою чергу, веде до збільшення витрат на енергоресурси та знижує термін служби котлів. Утворення навіть тоненької кірки заважає теплообміну і може призвести до перегріву металу, а згодом до утворення розривів і тріщин на поверхні труб.

Існує також ряд домішок, які можуть сприяти процесам корозії. Важливо знати, що існує два типи корозії: хімічна та електрохімічна.

Хімічна — має на увазі під собою процес руйнування матеріалу під дією агресивних компонентів води, а ось електрохімічна грунтується на тому, що на металевих поверхнях створюються мікрогальванічні пари переважно з іонами заліза і мангану.

Розчинені агресивні гази

Розчинені гази O₂ і CO₂ — це домішки, які є основними генераторами корозійних процесів в котлах, внаслідок окислювальних властивостей. Також одним з важливих параметрів в зниженні корозійної активності є pH води. Потрібно корелювати його відповідно до хімічних властивостей металу трубної обв'язки. Оскільки, наприклад, алюміній стійкий при pH - 8,3 - 8,5, а ось залізо може бути нестійким до корозії, якщо pH < 9.

Хлоридна корозія призводить до руйнування пасивуючої плівки, тому вміст хлоридів у воді нормується значенням 150-200 мг/л.

Піноутворювачі — це речовини, які призводять до утворення піни, переважно це фосфати, луги, мастила та нафтопродукти. Варто відзначити, що ці компоненти частково вводяться в воду для того, щоб нейтралізувати солі жорсткості та запобігати накипу. Ці домішки особливо небезпечні для парових котлів, оскільки призводять до забруднення пари та утворення на лопатях турбін осаду домішок захоплених піною.

Важливо знати, що чим вища температура нагріву, тим чистішою повинна бути вода, яка подається в котел. Також більш жорсткі вимоги висуваються до замкнутих систем.

Підготовка котельної води

Тут ми пояснимо, яким чином відбувається підготовка якісної води для котлів за допомогою сучасних технологій, і як удосконалити застарілі системи.

Почнемо з того, що існує дві базових технології: іонний обмін і зворотний осмос.

Залежно від типу та паспортних вимог котлового обладнання вибирається один з типів системи. Якість вихідної води зумовлює додаткові етапи попереднього очищення і додавання певних реагентів при проведенні процесу очищення.

Також технологічну схему частково обґрунтовують потужністю або продуктивністю котла. Ми не будемо тут приводити класифікацію котлів, оскільки це матеріал присвячений все-таки водопідготовці, а не котельному устаткуванню.

Домашня водопідготовка для котлів

Маленькі побутові або комерційні водогрійні котли бувають газовими, електричним і твердопаливними. Їхня потужність часто до 30, рідше до 50 кВт. Якість води в таких системах зазвичай не нормується в інструкції. Але каламутність і твердість води в кінцевому підсумку все одно призводять до підвищених тепловтрат, а також до потреби в регулярному обслуговуванні. З точки зору водопідготовки сюди можна віднести й побутові бойлери.

Фільтраційні системи

Для підготовки котельної води вдома ми рекомендуємо установку систем пом'якшення або комплексного очищення на весь будинок. Ці установки мають невеликі габарити та часто складаються з таких елементів:

• механічний картриджний або сітчастий фільтр для видалення піску, іржі та мулу;
• система комплексного очищення з матеріалом Ecomix для зниження твердості, вмісту заліза та кольоровості води або системи пом'якшення води з іонообмінними смолами;
• додатково можуть встановлюватися вугільні фільтри та УФ-лампи.

Детальніше про те, як працюють фільтраційні системи для будинку можна почитати в нашому матеріалі про побутову водопідготовку.

Фільтр від накипу

Простішим, компактним і дешевим рішенням є установка фільтра від накипу для котла. Ці пристрої встановлюються прямо в трубопровід перед котлом або бойлером і являють собою колбу, всередині якої знаходиться змінний картридж, що містить гранули або кристали. Вони здатні виділяти в воду, що проходить через них невелику кількість речовини, яка зв'язує солі жорсткості, перешкоджаючи утворенню накипу на нагрівальних елементах і трубній обв'язці водонагрівачів. Недоліком такої системи буде вузька дія фільтра — практично нульова ефективність стосовно заліза, органічних домішок та ін.

Промивання домашнього котла

Другим кроком є промивка котла, яка є одним з етапів обслуговування. Її можна проводити як самостійно, так і за допомогою фахівців. Промивання потрібно робити планово по інструкції або ж при виникненні ряду ознак. Наприклад, постійно включеного пальника, безперервного гулу циркуляційного насоса, тривалого прогріву радіаторів в будинку, зростання споживання газу при звичайному використанні, зниження тиску гарячої води.

Для промивання використовуються два методи — розбірний і безрозбірний. Назви в цілому описують принцип виконання очищення. При розбірному котел відключається від подачі води та живлення, а всі деталі на 10-12 годин замочують в розчині, безрозбірний метод передбачає відключення від теплоносія, опалювальної системи та підключення до спеціального пристрою, який забезпечує циркуляцію розчину реагентів протягом 6-8 годин.

Для промивання котлів використовуються кислотні реагенти, які здатні розчиняти накип, при цьому не впливаючи на поверхню труб теплообмінника.

Комерційні та промислові котельні

Вище ми розповіли про побутові котли, тепер же поговоримо про водопідготовку для великих водогрійних і парових котлів. В даному разі якість води — дуже серйозний параметр. Вона жорстко нормується інструкціями та в залежності від типу котла буде грати одну з основних ролей в роботі обладнання.

Водогрійні котли застосовуються переважно для опалення та гарячого теплопостачання житлових і нежитлових будівель, також іноді як додаткове обладнання ТЕЦ і в виробничих цілях. Номінальна температура води на виході з котла, яка може досягати від 70 до 115°C визначає якість вихідної води. Оскільки інтенсивність формування відкладень прямо пропорційно залежить від температури.

При нагріванні води до 100 °C нормативна твердість води буде залежати від потужності котла, якщо ж він виробляє перегріту воду, тоді висуваються жорсткі вимоги й на інші компоненти.

Що стосується парових котлів, вимоги до котельної воді значно жорсткіші, оскільки та відбувається нагрів води до пароподібного стану, тобто до кипіння, і подальший перегрів пари, відповідно, процеси утворення осадів стають більш інтенсивними. Ступінь чистоти води залежить від робочого тиску. Найжорсткіші вимоги висуваються до води для котлів критичного (18-20 МПа) і надкритичного (понад 22,5 МПа) тиску, що працюють на ТЕС.

Нижче ми наведемо нормативні значення якості води для парових котлів і котлів утилізаторів.

Схеми підготовки котлової води

Традиційна система водопідготовки передбачає кілька етапів.

1. Механічне очищення для зниження каламутності води (1) — цей етап є обов'язковим в будь-якій схемі водопідготовки. Традиційно використовуються засипні фільтри з кварцовим піском.
2. Знезалізнення/деманганація для видалення домішок заліза і мангану, які швидко окиснюються при підвищеній температурі, утворюючи осади та суспензії, а також сприяють корозії або ж очищенню води від органіки на вугільних фільтрах. Ці фільтри позначені позицією (2). Даний етап виключається, якщо якість вихідної води хороша.
3. Двоступеневе пом'якшення води на іонообмінних смолах (3,5) — в процесі іонного обміну катіони солей твердості — кальцій і магній замінюються на безпечні катіони натрію, що не утворюють накипу. Коли ресурс матеріалу вичерпується, проводиться його регенерація розчином хлориду натрію з бака-солерозчинника (4,6).
4. Дозування реагентів (7) — регуляторів pH, антискаланта тощо.

Дана схема забезпечує якість води, яка здатна повністю задовольняти потреби водогрійного котла, що стосується парових, то використання такої води для систем критичного і надкритичного тиску призводить до збільшення витрат енергоносія і частих продувок.

Ще одним недоліком такої технології є велика кількість одиниць досить габаритного обладнання і, відповідно, площа, яку воно займає.

Що ж може запропонувати сучасна водопідготовка?

Існує дві основні схеми: все той же двоступеневий іонний обмін з певними удосконаленнями або зворотний осмос. Обидві технології використовуються як для водогрійних, так і для парових котлів.

Іонообмінні технології

Компанія Ecosoft реалізувала безліч проєктів з вдосконаленою схемою. При реалізації таких рішень для старих котелень, зазвичай частково використовується обладнання, яке було встановлено раніше. Нижче наведемо схему, яку пропонуємо нашим клієнтам.

На першому етапі (1) встановлюються фільтри механічного очищення. Залежно від якості вихідної води це можуть бути як дискові, так і засипні фільтри. Переваги дискових фільтрів:

• не треба оплачувати промивку та перезасипку фільтруючого матеріалу, такі фільтри промиваються вручну або автоматично відносно невеликим обсягом вихідної води;
• компактні габарити дискових фільтрів дозволяють використовувати виробничі площі більш ефективно.

На другому етапі в залежності від типу води можуть бути встановлені два типи систем (2):

• система пом'якшення (Na-катіонування) для видалення з води солей твердості, така установка підійде в тому випадку, якщо вода високої якості, не має високої кольоровості та не містить заліза і марганцю;
• система комплексного очищення воды с материалом Ecomix обеспечивает удаление железа, марганца, а также умягчение воды и снижение цветности.

Регенерація в обох випадках проводиться розчином хлориду натрію з сольового бака (3).

Устаткування встановлюється таким чином, щоб коли один фільтр входить в режим регенерації, інші могли працювати. Це забезпечує безперервність процесу водопідготовки.

Наступним етапом буде встановлення вторинного пом'якшення води (4). Це завжди Na-катіонування. Регенерація проводиться з бака з сольовим розчином (5). Установка також працює в безперервному режимі.

На кінцевому етапі в воду дозуються розчини реагентів (6,7):

• регулятора pH — зазвичай це лужні реагенти, які забезпечують підвищення pH-показника води до необхідного рівня;
• антискаланти — речовини, які перешкоджають утворенню кристалів накипу;
• речовин для зв'язування кисню;
• піногасників.

Варто відзначити, що при високій якості вихідної води, пом'якшення може проходити в одну стадію.

Зворотний осмос

Це, мабуть, саме оптимальне рішення для підготовки води для парових котлів. Залежно від кількості ступенів зворотного осмосу, він може забезпечувати практично демінералізовану воду, яка забезпечить максимальну енергоефективність системи. Згідно з дослідженнями та досвідом наших клієнтів дорогі системи зворотного осмосу окупаються приблизно протягом року.

На теплоелектростанціях застосовуються також системи електродеіонізаціі.

Нижче представлена схема для невеликої парової котельні.

На першому етапі встановлюються фільтри механічного очищення (1). Це можуть бути дискові, сітчасті або засипні фільтри, які задовольнять умови попереднього механічного очищення.

Наступним етапом (2) буде видалення специфічних домішок для доведення води до стану безпечного для мембран зворотного осмосу.

Якщо система працює на водопровідній воді, то це можуть бути вугільні фільтри для зниження вмісту хлору та органічних речовин. Якщо система працює на свердловини воді, то можлива установка знезалізнювачів.

Якщо якість води достатня для безпечної роботи мембран зворотного осмосу перший і другий етапи можуть не використовуватися.

Система зворотного осмосу складається з картриджних фільтрів попереднього очищення (для видалення частинок розміром понад 5 мкм), контролюючих приладів і блоку мембранних елементів, який власне і є серцем системи. Зворотний осмос затримує 99% домішок води, приводячи необхідність продувок котлів до мінімуму.

Вода після глибокого очищення подається в бак накопичувач (5) і з нього надходить в котел. При цьому з систем дозування (6) в трубопровід вносяться розчини необхідних реагентів.

Фільтр для замкнутих контурів

Сучасне котлове обладнання також передбачає механічні фільтри для замкнутих контурів. Продуктивність фільтрів до 20 м.куб/год. Такі пристрої можуть видаляти частинки іржі, накипу розміром понад 25 (50 *) мкм, а також магнітні частинки — оксиди металів та ін.

 * в залежності від моделі.

Пристрій складається з:

1. корпусу і кришки з нержавіючої сталі;
2. мішкового фільтра;
3. магнітного елемента;
4. регульованої підставки.

Компанія Ecosoft має великий досвід реалізації рішень для котелень — починаючи невеликими котлами харчових виробництв і закінчуючи великими системами для ТЭЦ.

Підготовка води для теплоелектростанцій, які працюють на високому і надвисокому тиску вимагає ще ретельнішого очищення. У випадку з Київською ТЕЦ 6 була розроблена система, яка складалася з двох етапів зворотного осмосу та електродеіонізаціі.

У даній статті ми спробували максимально стисло розповісти про те, які проблеми має вирішувати водопідготовка для котельні та що пропонує сучасна водопідготовка. Якщо у вас є ще які-небудь запитання, що стосуються теми даної статті, з радістю відповімо в коментарях.