CC BY
65
УДК 541.183 DOI: 10.17213/0321-2653-2017-4-123-128
ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ АРТЕЗИАНСКИХ ВОД ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ТЕХНИЧЕСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ТЭЦ
© 2017 г. Е.В. Веселовская
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
SPECIAL CHARACTERISTICS OF PREPARING ARTISIAN WATER FOR CHPP TECHNICAL WATER SUPPLY PURPOSES
E.V. Veselovsckaja
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Веселовская Елена Вадимовна - д-р техн. наук, профессор, Veselovsсkaja Elena Vadimovna - Doctor of Technical
кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Sciences, professor, department «Thermal Power Stations
Южно-Российский государственный политехнический уни- and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian
верситет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia.
Россия. E-mail: elenaveselovsckaja@ yandex.ru E-mail: elenaveselovsckaja@yandex.ru
Разработана и апробирована в промышленных условиях технологическая схема подготовки добавочной воды для ТЭЦ, включающая блоки предварительной очистки и корректировки ионного состава в соответствии с правилами технической эксплуатации теплоэнергетических предприятий. Отличительной особенностью данной технологической схемы является использование в качестве потенциального теплоносителя артезианских вод, отличающихся специфическим составом главных ионов и микрокомпонентов, а также применение в технологической схеме технологий, позволяющих избежать образования высокотоксичных вторичных загрязнений.
Ключевые слова: водоподготовка; обратный осмос; ультрафильтрация; ионообменные смолы; обессоливание воды.
A technology system for preparing additional water for CHPPs has been developed and tested industrially, with pre-treatment and ion composition correction units being included in accordance with Technical operation rules for the thermal power enterprises. A distinctive feature of this technology system is the use of artesian waters characterized by specific composition of main ions and microcomponents as a potential coolant, as well as the use of technologies in the technology system avoiding the formation of highly toxic secondary contaminants.
Keywords: water preparation; reverse osmosis; ultrafiltration; ion exchange resins; water desalination.
Как известно, ТЭЦ используются для теп- кой котлов, имеются потери тепла у потребите-
лофикационных целей - отработавший в турбине лей, существенно превышающие внутренние. На
пар направляется для теплоснабжения промыш- восполнение этих потерь требуется добавочная
ленных предприятий и жилых массивов. Совре- обессоленная вода, необходимая для компенса-
менные теплоэлектроцентрали могут быть реа- ции потерь и в контуре паротурбинной установ-
лизованы в двух вариантах - конденсационными ки, и в тепловых сетях.
с регулируемыми отборами или иметь в схеме Качество подпиточной воды тепловых се-
турбины с противодавлением. В обоих случаях тей должно удовлетворять всем требованиям к
ТЭЦ характеризуются повышенными потерями качеству воды, поступающей на котел. Поэтому
рабочей среды - кроме внутренних потерь, свя- показатели сетевой воды будут зависеть не толь-
занных с протечками, использованием пара и ко от температурного режима и особенностей
воды на технические нужды станции и продув- исходной воды, но и от характеристик самого
подогревателя. В табл. 1 приведены показатели подпиточной воды теплосетей в зависимости от организации водоразбора. При этом в соответствии с «Санитарными правилами устройства и эксплуатации систем централизованного горячего водоснабжения» СанПиН 4723-88 исходная вода для систем горячего водоснабжения, поступающая непосредственно на теплоисточники и тепловые пункты, должна соответствовать требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая».
Таблица 1 / Table 1 Требования к качеству подпиточной воды теплосетей / Requirements for heating system make-up water quality
Показатели качества Открытый водоразбор
Сплавы, содержащие латунь Сплавы, не содержащие латунь
Температура теплоносителя, оС
100 150 100 150
Концентрация растворенного кислорода, мкг/л 50 50 50 50
Величина рН 7,0 -8,5 7,0 - 8,5 7,0 - 8,5 7,0 - 8,5
Концентрация взвешенных веществ, мг/л 5,0 5,0 5,0 5,0
Величина карбонатной жесткости при отсутствии использования воды от непрерывной продувки котлов, мкг-экв/л 700 -1500 до 700 700 - 900 400 - 500
Величина общей жесткости при использовании воды от непрерывной продувки котлов, мкг-экв/л Использование продувочной воды котла не допускается
Величина условной сульфатно-кальциевой жесткости, мг-экв/л 6,0 5,0 5,0 4,0
Требования к качеству добавочной воды водогрейных котлов приведены в табл. 2.
Таблица 2 / Table 2
Требования к качеству добавочной воды водогрейных котлов / Requirements for make-up water quality of hot-water boilers
Показатель качества воды Значение нормативного показателя
Концентрация взвешенных веществ, мг/л менее 5
Прозрачность по «кольцу», см 40
Величина общей жесткости, мг-экв/л не нормируется
Величина карбонатной жесткости, мг-экв/л 0,5 - 1,5
Концентрация железа, мг/л 0,3
Концентрация растворенного кислорода, мг О2/л 0,03
Концентрация свободной углекислоты, мг/л менее 3
Величина рН, ед. рН 7,0 - 8,5
Величина относительной щелочности, % не нормируется
Величина сухого остатка, мг/л менее 2000
В целях обеспечения эпидемической надежности горячей воды в открытых системах теплоснабжения деаэрация исходной воды должна быть атмосферной, а в установках водо-подготовки для целей горячего водоснабжения необходимо обеспечить такое качество очистки, чтобы обеспечить стабильное соответствие качества горячей воды требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая».
Кроме этого, подпиточная вода должна подвергаться противонакипной и противокоррозионной обработкам. Для противонакипной обработки воды допускается применение как реагент-ных, так и физических методов обработки, а для противокоррозионной защиты трубопроводов и оборудования проводится термическая деаэрация воды, силикатная обработка и обработка воды комплексонатами цинка. Силикатная обработка осуществляется путем дозирования жидкого натриевого стекла в обрабатываемую воду в таких дозах, чтобы суммарная концентрация силиката в пересчете на SiO2 в обработанной воде была не менее 40 мг/л, а остаточные концентрации ком-плексоната цинка не превышали 5,0 мг/л.
При использовании подземных вод в качестве источника технического водоснабжения ТЭЦ зачастую возникают проблемы, связанные с повышенным содержанием железа. Железо в артезианских водах находится, как правило, в форме ионов двухвалентного железа концентрацией свыше 0,5 мг/л. В таких случаях необходимо проводить обезжелезивание воды.
Для открытых систем горячего водоснабжения допустимо незначительное отклонение от требований ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» по некоторым показателям на срок не более 14 дней, например, в период сезонных отключений систем теплоснабжения или на период проведения ремонтных работ.
Контроль качества теплоносителя в соответствии с Санитарно-эпидемиологическими правилами и нормативами СанПиН 2.1.4 проводится по ряду показателей: температуре, цветности, величинам мутности и рН, концентрациям железа и сероводорода, остаточному содержанию реагентов, применяемых в процессе водо-подготовки, концентрациям ионов тяжелых металлов, способных десорбироваться из материала труб горячего водоснабжения, а также по наличию и концентрации микроорганизмов, отражающих эпидимиологическое состояние тепловых сетей - сульфитредуцирующих клостридий и легионелл [1 - 5].
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
Проведенные с учетом вышеизложенного предпроектные работы позволили разработать технологическую схему подготовки добавочной воды для ТЭЦ, использующей в качестве источника технического водоснабжения артезианскую воду, усредненный состав которой приведен в табл. 3. Вода поступает на очистку из скважины глубиной 30 м и характеризуется высоким соле-содержанием, повышенными концентрациями ионов железа и некоторых других примесей, препятствующими ее непосредственному использованию для нужд теплоэнергетики. Производительность установки по обессоленной воде -10 м3/ч, режим работы - автоматический.
Таблица 3 / Table 3 Химический состав воды источника технического водоснабжения / Water chemical composition of technical water supply source
Показатель Значение
Цветность, град 32
Прозрачность, см 2,1
Жесткость общая, мг-экв/л 8,6
Щелочность общая, ммоль/л 9,2
Общая минерализация, мг/л 690
Растворенный кислород, мг/л 7,96
Величина рН, ед. рН 7,2
Концентрация кальция, мг/л 126
Концентрация магния, мг/л 22
Концентрация аммиака, мг/л 0,18
Концентрация нитритов, мг/л 5,5
Концентрация хлоридов, мг/л 18
Концентрация алюминия, мг/л 0,34
Концентрация железа, мг/л 0,82
Концентрация стронция, мкг/л 0,64
Концентрация марганца, мкг/л 0,37
Концентрация цинка, мкг/л 0,026
Концентрация натрия, мг/л 52
Концентрация калия, мг/л 1,64
Концентрация сульфатов, мг/л 62
Концентрация кремния, мг/л 9,8
Концентрация бора, мкг/л 0,24
Другие компоненты присутствуют в исходной воде в аналитически незначимых концентрациях.
При разработке технологической схемы обессоливания воды руководствовались тем, что подготовка и качество обессоленной воды должны соответствовать «Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации» Минэнерго России. М.: СПО ОРГРЭС, 2003.
С учетом данных факторов была разработана технологическая схема водоподготовки
(рис. 1), включающая предварительную механическую очистку от грубодисперсных взвешенных частиц методами отстаивания и фильтрации, удаление коллоидных соединений и крупных органических молекул, присутствующих в воде в ионизированном состоянии, с помощью макропористых анионообменных смол, предварительное умягчение воды путем удаления катионов жесткости методом Ка-катионирования и финишное обессоливание воды на установках обратного осмоса.
A4
12 X
< J xJ У
Dk
Ь
13
к
14
Рис. 1. Технологическая схема подготовки обессоленной воды: оборудование: 1 - бак-отстойник; 2 - промежуточный бак; 3 - установка УФО-обеззараживания; 4 - механический фильтр; 5 - анионитовый фильтр в Cl-форме; 6 - Na-катионитовый фильтр; 7 - установка обратноосмотического обессоливания; 8 - бак запаса обессоленной воды; трубопроводы: 9 - подачи воды из скважины; 10 - подачи воздуха от компрессора; 11 - подачи отстоянной воды; 12 - подачи обеззараженной воды;
13 - подачи умягченной воды; 14 - подачи обессоленной
воды на хранение; 15 - подачи добавочной воды / Fig. 1. Technological scheme of preparing desalted water: equipment: 1 - settling tank; 2 - intermediate tank; 3 - UV disinfection unit; 4 - mechanical filter; 5 - anion filter in the Cl-form; 6 - Na-cation filter; 7 - Reverse osmosis desalination unit; 8 - the desalinated water tank; Pipelines: 9 - water supply from the well; 10 - air supply from the compressor; 11 - supply of settled water; 12 - supply of disinfected water; 13 - supply of softened water; 14 - supply of demineralized water for storage; 15 - supply of additional (make-up) water
Сооружения механической очистки включают бак-отстойник, промежуточный бак отстоянной воды, установку УФ-обеззараживания, механический фильтр и ионообменный фильтр, загруженный анионообменной смолой в Cl-форме.
На входе в бак-отстойник предусмотрена предварительная аэрация исходной воды, способствующая переводу растворенного двухвалентного железа в нерастворимую форму, которая с учетом величины исходной концентра-
г 2+
ции Fe легко извлекается из воды методами отстаивания и последующей механической фильтрации. Вода поступает в верхнюю часть
6
3
бака-отстойника, рассчитанного на четырехчасовое пребывание в нем воды, и далее движется в направлении сверху-вниз и затем за счет внутренней кольцевой перегородки снизу-вверх со скоростью порядка 1,2 м/ч. Скапливающийся в нижней конической части бака-отстойника осадок не содержит никаких искусственно внесенных химических реагентов и периодически сбрасывается в систему городской канализации. После отстаивания вода попадает в промежуточный бак, откуда насосом подается на установку УФ-обеззараживания и далее на механические фильтры.
Установка УФ-обеззараживания предназначена для предотвращения возможного биообрастания загрузочного материала механических фильтров, представляющего собой антрацитовую крошку фракциями 1,6-2,2 мм. Данный фракционный состав загрузки механических фильтров позволяет обеспечить достаточную степень очистки воды при приемлемых гидравлических характеристиках. Очищенная от грубо-дисперсных взвешенных частиц на механических фильтрах вода поступает на фильтр, загруженный макропористым анионообменным материалом в О-форме. Назначение данного материала - полное извлечение из воды органических соединений и коллоидных частиц, которые оказывают деструктивное воздействие на загрузку катионообменных фильтров и мембраны обрат-ноосмотической установки, сокращая срок их службы и ухудшая качество очистки воды.
Предварительная корректировка ионного состава воды на катионообменном фильтре позволяет удалять катионы жесткости до остаточной величины менее 0,1 мг-экв/л, что способствует улучшению условий эксплуатации мембран обратноосмотической установки в результате снижения скорости процессов осадкообразования.
Преимущество данной технологической схемы - использование 8 %-го раствора для регенерации обоих ионообменных фильтров: и анионообменного в О-форме, и №-катионито-вого.
Обессоленная вода после обратноосмоти-ческой установки, соответствующая по качеству нормам ПТЭ, попадает в баки запаса обессоленной воды.
Регенерация механических фильтров осуществляется обратной промывкой очищенной водой, отбираемой после анионообменного макропористого фильтра. Приготовление раствора
поваренной соли для регенерации обоих ионно-обменных фильтров осуществляется с помощью обессоленной воды, отбираемой из баков запаса обессоленной воды. Эту же воду используют и для приготовления регенерационных растворов для периодических промывок обратноосмотиче-ских мембран.
Работа ВПУ полностью автоматизирована, в том числе управление насосами и узлами приготовления регенерационных растворов, контроль качества воды на входе и выходе из установки и переключение основного оборудования на режимы регенерации осуществляются через заданные интервалы времени.
При эксплуатации установки обессолива-ния артезианской воды образуются следующие виды сточных вод: сбросные воды бака-отстойника, промывные воды механических фильтров, отработанные регенерационные растворы и промывные воды анионитовых фильтров, отработанные регенерационные растворы и промывные воды катионитовых фильтров, отработанные регенерационные воды и концентрат установки обратного осмоса.
Отличительной особенностью всех видов сбросных вод является возможность их сброса в городскую канализационную сеть без предварительной очистки.
Сбросные воды бака-отстойника представляют собой скапливающийся в нижней конической части бака-отстойника осадок, отличительной особенностью которого является отсутствие в нем искусственно внесенных химических реагентов, что позволяет осуществлять его сброс в систему городской канализации. Сброс осуществляется по мере заполнения осадкоприемной конической части бака под гидростатическим давлением в объеме, равном объему конической части бака.
Промывные воды механических фильтров характеризуются повышенным содержанием взвешенных частиц, но не содержат искусственно внесенных химических реагентов. Поэтому данные сточные воды также могут сбрасываться в систему городской канализации.
Отработанные регенерационные растворы анионообменных и №-катионитовых фильтров характеризуются нейтральной величиной рН, а воды с подобными характеристиками подлежат приему в городскую канализацию без предварительного обезвреживания.
Отработанные регенерационные растворы установки обратного осмоса представляют собой
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
низкоконцентрированные растворы органических кислот и могут сбрасываться непосредственно в городскую канализационную сеть. Кроме того, эксплуатация установки обратного осмоса [6 - 10] сопровождается образованием концентрата, основным компонентом которого являются минеральные примеси в истинно растворенном состоянии, величина рН концентрата - нейтральная. Воды с подобными характеристиками могут сбрасываться в городскую канализационную сеть без каких-либо ограничений.
Выводы
Разработанная технология обессоливания артезианской воды имеет следующие преимущества:
1. При эксплуатации установки не образуются осадки, требующие обезвоживания и утилизации.
2. Все сточные воды, образующиеся в процессе эксплуатации установки, подлежат приему в городскую канализационную сеть - они имеют нейтральную величину рН и не требуют создания дополнительных технологических узлов для их нейтрализации и обезвреживания.
3. Для регенерации катионитового и анио-нитового фильтров используется один реагент, что позволяет минимизировать капитальные и эксплуатационные затраты.
4. Очищаемая вода перед установкой обратного осмоса проходит многоступенчатую очистку, в том числе на высокоэффективном анионообменном материале, что позволяет избежать осложнений, характерных для эксплуатации баромембранных установок с недостаточной предочисткой.
5. Узел умягчения (№-катионитовый фильтр) и узел обессоливания (установка обратного осмоса) являются автономными и при выходе одного из них из строя другой в течение краткого периода времени (до устранения неполадок) может осуществлять подготовку добавочной воды приемлемого качества, соответствующего нормам ПТЭ.
Литература
1. Веселовская Е.В., Шишло А.Г. Опыт применения перспективных технологий водоподготовки на отечественных тепловых электростанциях // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2016. № 2. С. 31 - 34.
2. Веселовская Е.В. Повышение экологических показателей водоподготовительных установок теплоэнергетических предприятий // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2017. № 1. С. 31 - 34.
3. Веселовская Е.В., Лысенко С.Е., Ларин А.А. Модернизация оборудования ВПУ энергоблоков К 300-240 Новочеркасской ГРЭС // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. Спец. вып.: Проблемы теплоэнергетики. С. 17 - 21.
4. Веселовская Е.В., Луконина О.В., Шишло А.Г. Современные проблемы реконструкции водоподготовительных установок теплоэнергетических предприятий // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2012. № 2. С. 63 - 66.
5. Веселовская Е.В. Защита ионообменных фильтров ВПУ ТЭС от органических примесей антропогенного происхождения // Теплоэнергетика. 2003. №7. С. 35 - 39.
6. Шишло А.Г. Исследование процесса обессоливания добавочной воды блочной ТЭС методом нано- фильтрации // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2013. № 4. С. 38 - 42.
7. Веселовская Е.В., Лысенко С.Е. Влияние водно-химических режимов на технико- экономические показатели энергоблоков 300 МВт: тез. докл. ХХ сессии семинара АН России «Кибернетика электрических систем» по теме «Диагностика электрооборудования». 21 - 24 сент. 2004 г. Изв. Сев.-Кавк. Техн. науки. 2004. № 3. С. 21 - 22.
8. Веселовская Е.В., Ефимов Н.Н., Лысенко С.Е. Современные технологии обезвреживания и утилизации сточных вод ТЭС. Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: Материалы VI Междунар. на-уч.-практич. конф., г. Новочеркасск, 21 апр. 2006 г.: в 2 ч. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, ЮРГТУ, 2006. Ч. 2. С. 65 - 66.
9. Веселовская Е.В., Ефимов Н.Н., Лысенко С.Е. Применение мембранных технологий на блоках сверхкритических давлений ТЭС // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. № 4. С. 31 - 34.
10. Veselovsckaja Е.V. Reproduction of make-up water of multiplu-unit chp-plant in conditions of elevated cocentration of natural organic compound European Science and Technology: materials of the IX international research and practice conference, Munich, December 24th - 25th, 2014/ publishing office Vela Verlag Waldkaiburg - Munich -Germanu, 2014, Vol. II, P. 471 - 473.
References
1. Veselovskaya E.V., Shishlo A.G. Opyt primeneniya perspektivnykh tekhnologii vodopodgotovki na otechestvennykh teplovykh elektrostantsiyakh [Experience of applying advanced water treatment technologies at the national thermal power plants]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2016, no. 2, pp. 31-34.
2. Veselovskaya E.V. Povyshenie ekologicheskikh pokazatelei vodopodgotovitel'nykh ustanovok teploenergeticheskikh predpriyatii [Increase in ecological indicators of water treatment installations of the heat power entities]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. Tekhn. nauki, 2017, no. 1, pp. 31-34.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIIREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2017. No 4
3. Veselovskaya E.V., Lysenko S.E., Larin A.A. Modemizatsiya oborudovaniya VPU energoblokov K 300-240 Novocherkasskoi GRES [VPU Equipment Modernization of Power Units K 300-240 of the Novocherkassk Power Plant]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki. Spets. vyp. Problemy teploenergetiki, 2005, pp. 17-21.
4. Veselovskaya E.V., Lukonina O.V., Shishlo A.G. Sovremennye problemy rekonstruktsii vodopodgotovitel'nykh ustanovok teploenergeticheskikh predpriyatii [Modern Issues of Reconstruction of Water Treatment Plants at the Thermal Power Enterprises]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2012, no. 2, pp. 63-66.
5. Veselovskaya E.V. Zashchita ionoobmennykh fil'trov VPU TES ot organicheskikh primesei antropogennogo proiskhozhdeniya [Protection of CPG Exchange Filters of Thermal Plants from Organic Impurities of Human Origin]. Teploenergetika = Thermal Engineering, 2003, no. 7, pp. 35-39.
6. Shishlo A.G. Issledovanie protsessa obessolivaniya dobavochnoi vody blochnoi TES metodom nanofil'tratsii [Investigation of additional water desalination of t he block Thermal Power Plant by nanofiltration]. Izvestiya vuzov. Tekhn. nauki, 2013, vol. 4, pp. 38-42.
7. Veselovskaya E.V., Lysenko S.E. [Impact of Water Chemistry on the Technical and Economic Parameters of 300 MW Power Units]. Tez. dokl. KhKh sessii seminara AN Rossii «Kibernetika elektricheskikh sistem» po teme «Diagnostika elektrooborudovaniya» [Proc. Rep. of the Twentieth Seminar Session of the Academy of Sciences of Russia "Cybernetics of Electric Systems" On the Subject of "Diagnosis of Electrical Equipment"]. Izv. Sev.-Kavk. nauch.-tsentra Vyssh. shk.- Tekhn. nauki, 2004, no. 3, pp. 21-22.
8. Veselovskaya E.V., Efimov N.N., Lysenko S.E. [Modern Waste Water Decontamination and Recycling at Thermal Power Stations]. Sovremennye energeticheskie sistemy i kompleksy i upravlenie imi: Materialy VI Mezhdunar. nauch.-praktich. konf. [Managemenetof Modern Power Systems and Complexes: Proceedings of TheVI Intern. Scientific-Practical. Conf.]. Novocherkassk, YuRGTU (NPI), 2006, Part 2, pp. 65-66.
9. Veselovskaya E.V., Efimov N.N., Lysenko S.E. Primenenie membrannykh tekhnologii na blokakh sverkhkriticheskikh davlenii TES [The use of Membrane Technology in the Units of Supercritical Pressure at the Thermal Power Plant]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2004, no. 4, pp. 31-34.
10. Veselovsckaja E.V. Reproduction of Make-up Water of Multiplu-Unit Chp-Plant in Conditions of Elevated Concentration of Natural Organic Compound //European Science and Technology: Materials of the IX International Research and Practice Conference, Munich, December 24th - 25th, 2014/ Publishing Office Vela Verlag Waldkaiburg - Munich - Germany, 2014, vol II, Pp. 471-473.
Поступила в редакцию /Received 22 июня 2017 г. / June 22, 2017
