CC BY
25УДК 628.1:628.54
А.А. Ушакова, Н.В. Журавлева ВОДОПОДГОТОВКА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
В статье рассматриваются вопросы о влиянии водоподготовки на окружающую среду, показателях качества воды и выборе источника и производительности водоподготовительной установки для энергетического предприятия.
Ключевые слова: солесодержание, водоподготовительная установка, окисляемость, ионный состав, теплоэнергетическое оборудование, питательная вода, исходная вода.
На энергетических объектах применяются различные методы обработки воды, однако в основном их можно разделить на безреагентные, или физические методы и методы, в которых используются различные препараты (химические реагенты). Безреагентные (физические) методы применяются и как отдельные этапы в общем технологическом процессе обработки воды, и как самостоятельные методы, обеспечивающие получение воды требуемого качества. Применяя химическую обработку (включая также методы ионного обмена), можно получить как умягченную, так и глубокообессоленную воду; при одном из наиболее распространенных физических методов - термической обработке воды - всегда получают дистиллят, т.е. воду с очень небольшим содержанием примесей. Однако в ряде случаев при термической обработке, проводимой в целях глубокого обессоливания, применяется умягченная вода, т.е. вода, уже прошедшая химическую обработку или ионирование.
Для заполнения контура и восполнения потерь в нем на современных крупных котельных может применяться только глубокообессоленная вода. В настоящее время такую воду получают почти всегда химическим и термическим методами обессоливания. Заполнение тепловых сетей и компенсация потерь в них проводятся обычно водой, умягченной ионированием.
При эксплуатации водоподготовительных установок (ВПУ) образуются сточные воды в количестве 5.. .20% расхода обрабатываемой воды, которые обычно содержат шлам, состоящий из карбонатов кальция и магния, гидроксида магния, железа и алюминия, органических веществ, песка, а также различные соли серной и соляной кислот с концентрацией, достигающей десятков грамм на кубический дециметр, переходящие в стоки при регенерации фильтров. С учетом известных предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в водоемах стоки ВПУ перед их сбросом должны соответствующим образом очищаться, причем затраты на обезвреживание стоков обычно сопоставимы с затратами на приготовление воды требуемого качества, поэтому задача создания малосточных ВПУ является актуальной.
Важнейшими показателями качества воды являются: концентрация грубодисперсных примесей (ГДП); концентрация истинно-растворенных примесей (ионный состав); концентрация коррозионно-активных газов; концентрация ионов водорода; технологические показатели, в которые входят сухой и прокаленный остаток, окисляемость, жесткость, щелочность, кремнийсодержание, удельная электропроводимость и др.
Взвешенные вещества (концентрация грубодисперсных примесей) - это глинистая суспензия, частицы песка или отмершая растительность. В котловой воде - это шлам, содержавший в себе плохорас-творимые вещества (CaCOз, Fe(OH)з, Mg(OH)2 и др.).
Количество взвешенного вещества определяют путем фильтрования через бумажный фильтр, с последовательным просушиванием при 105°С до постоянной массы. Но, так как этот способ очень трудоемким, то часто используют метод «по шрифту» или «по кресту». Чем прозрачнее вода, тем меньше взвешенных веществ. Этот способ некорректный, так как они имеют разную форму, цвет и размер частиц. Поэтому часто строят график, связывающий эти данные.
Сухой остаток - выражает содержание в воде минеральных и органических растворенных примесей.
Определяется путем выпаривания, освобожденного объема от взвешенных веществ, предварительно профильтрованной пробы, и высушивания полученного остатка при 110°С.
Минеральный остаток - общее солесодержание. Можно подсчитать путем суммирования катионов и анионов, определенных в результате полного химического анализа воды.
Солесодержание можно определить электрометрическим путем, основанном на определении электропроводности. Этот метод имеет свои недостатки, такие как завышение показателей при наличии в
© Ушакова А.А., Журавлева Н.В., 2020.
пробе растворенных газов. Для точного определения делают поправки или подвергают пробу глубокой дегазации.
Прокаленный остаток - характеризует содержание в воде минеральных веществ. Определяется путем прокаливания сухого остатка при 800°С. Таким образом, сгорают органические вещества и частично разлагаются карбонаты.
Окисляемость - показатель наличия органических веществ (присутствуют в воде в виде калоидных соединений). Так как аналитически её определить очень трудно, используют косвенный метод, который определяется количеством О2, пошедшим на окисление перманганатом калия (KMnO4).
Жесткость - показатель, определяющий содержание в воде катионов накипеобразования Ca2+ и
Mg2+.
Общая жесткость (Жо) - суммарная концентрация в воде катионов кальциевой жесткости и магниевой жесткости, выраженная в мг-экв/кг. Она подразделяется на карбонатную Жк и некарбонатную Жн.к.. И рсчитывается по формуле (1):
Жо = Жк + Жн.к. (1)
Карбонатная жесткость обуславливается наличием бикарбонатов и карбонатов кальция и магния, её называют временной, так как при нагревании бикарбонаты разлагаются с выделением углекислоты.
Некарбонатная жесткость - присутствием солей, в которых кальций и магний, связанных с анионами сильных кислот.
Щелочность - обуславливается наличием в ней гидроксильных ионов ОН и анионов слабых кислот НСО3, ТО3", PO43", SiOз2" и др., связанных с катионами К+, Са2+, №+, Mg2+ др., которые при диссоциации образуют более сильные щелочи и придают раствору щелочной характер.
Теория электролитической диссоциации объясняет. Каким образом наличие анионов слабых кислот обуславливает щелочность воды.
Общую щелочность выражают в мг-экв на 1 л. Ее определяют титрованием пробы воды кислотой в присутствии индикаторов: финолфталина и метилоранжа. Для вод, в которых может содержаться гидрат-ная форма щелочности, карбонатная или бикарбонатная, вычисление отдельных форм (слагаемых) общей щелочности определяют по табл. 1 в зависимости от результатов титрования пробы.
Таблица 1
Вычисление форм щелочности природной воды
Соотношение Щфф и Щмо Гидраты Щг Карбонаты Щк Бикарбонаты Щб
Щфф=Щмо Щфф; Щмо Нет Нет
Щфф>0,5 Щмо 2 Щфф - Щмо 2 (Щмо - Щфф) »
Щфф=0,5 Щмо Нет Щмо; 2 Щфф »
Щфф<0,5 Щмо » 2 Щфф Щмо - 2 Щфф
Щфф=0; Щмо>0 » Нет ТЩмо
Ионный состав растворенные в воде соли в той или иной степени диссоциированы на ионы. При этом вода как электролит является всегда электрически нейтральной, так как сумма положительно заряженных ионов - катионов всегда равна сумме отрицательно заряженных ионов - анионов, выраженных мг-экв/кг. Это правильно служит основой проверки полного анализа, в котором определяют присутствующие в анализируемой воде катионы и анионы.
В водах энергетических объектов могут присутствовать ионы, приведенные в табл. 2.
Таблица 2
_Ионный состав воды_
Катионы Анионы
Водород № Гидроксильный OH-
Натрий №+ Бикарбонатный HCO3-
Калий ^ Карбонатный CO32-
Аммоний ЫБ4+ Нитритный NO2-
Кальций Ca2+ Нитратный NO3-
Магний Mg2+ Хлоридный Cl-
Железо двухвалентное Fe2+ Фторидный F-
Железо трехвалентное Fe3+ Сульфатный SO42-
Алюминий Al3+ Силикатный SiO32-
Медь ^2+ Ортофосфатный PO43-
Гидросульфидный HS-
Концентрация водородных ионов.
Величина рН - один из важных показателей качества воды; по которому можно определить щелочная вода или кислая. Классификацию воды по величине рН можно представить как в табл. 3.
Таблица 3
Реакция среды Значение рН
Кислая 1.3
Слабокислая 4.6,5
Нейтральная 7
Слабощелочная 7,5.10
Щелочная 11.14
Растворенные газы. Для вод, используемых для энергетических целей, важное значение имеет растворенные в воде газы: кислород, углекислота, сероводород, аммиак.
Кислород (О2) поступает в воду из воздуха. Концентрация кислорода в поверхностных водах близка к значению растворимости его при данной температуре и давления.
Растворенный в воде кислород является главным коррозионном агентом, вызывающим неполадки в работе энергетического оборудования (котлов, теплообменной аппаратуры, тепловых сетей).
Особый интерес представляет углекислота (СО2), которая в природных водах встречается: в виде свободной углекислоты, представляющая собой растворенный в воде газ СО2; полусвязанной углекислоты, то есть в виде бикарбонатных ионов НСО3-; в некоторых случаях - в виде связанной углекислоты, то есть карбонатного иона СО3.
Наличие в воде углекислоты в виде СО2, НСО3 и СО32- зависит от рН среды, температуры и др. Для поддержания в растворе определенной концентрации бикарбонатных ионов необходимо присутствие свободной СО2, называемой равновесной углекислотой.
Если присутствующие в воде количества свободной углекислоты больше её равновесной концентрации, то избыток СО2 называют агрессивной углекислотой, вызывающей коррозию металла, разрушение бетона, растворение карбоната кальция по реакции:
СаС03 + С02 + Н20 ^ Са(НС03)2.
Удельная электропроводимость воды, см/см, характеризуется электрической проводимостью слоя воды, находящегося между двумя противоположными гранями куба с длиной ребра, равной 10.2 м. Она косвенно связана с суммарной концентрацией примесей в истинно растворенном состоянии (солесодержа-нием). В чистой воде, не содержащей примесей, перенос зарядов осуществляется лишь ионами Н+ и ОН-. Удельная электропроводимость такой воды при 20 °С составляет 0,04 м кСм/см. В растворах связь между электропроводимостью и концентрацией ионных примесей зависит от множества факторов, в том числе от температуры, вида ионов, степени диссоциации, что существенно затрудняет измерения. Более определенная связь существует в растворах (проводниках второго рода) при постоянных температуре и степени диссоциации.
Так, удельную электропроводимость водных растворов различных солей с концентрацией до 500 мг/дм3 в условном пересчете на №С1 можно примерно оценить из соотношения 1 мкСм/см ~ 0,6 мг/дм3.
При работе часть пара и конденсата теряется с протечками в арматуре и фланцевых соединениях, с переливами, при дренировании оборудования при пусках и остановах, при использовании пара на разогрев мазута, паровую обдувку поверхностей котла и другие технические нужды. Эти потери возникают непосредственно на предприятии, называются внутренними и составляют обычно 1,0.1,6 % расхода питательной воды. С производственными отборами наряду с внутренними потерями существуют потери пара и конденсата в технологических процессах у потребителей теплоты. Эти внутренние и внешние потери должны восполняться добавочной водой, подготавливаемой на ВПУ, по качеству сопоставляемой с качеством питательной воды котлов. Эксплуатация тепловых сетей также связана с утечкой водного теплоносителя, которая зависит от объема сетей и их типа (закрытые или с открытым горячим водоснабжением). Для подпитки тепловых сетей сооружается специальная ВПУ, готовящая умягченную воду.
При проектировании водоподготовительных установок необходимо произвести:
-выбор источника водоснабжения;
-выбор производительностей установок для приготовления добавочной воды основного цикла и подпиточной воды теплосети;
-выбор принципиальных схем ВПУ;
-выполнить технологические расчеты;
-выполнить чертежи развернутой схемы ВПУ и компоновки оборудования;
-выполнить технико-экономические расчетные обоснования принятых решений и др.
Для приготовления добавочной и подпиточной вод применяют при соответствующем обосновании:
-воды поверхностных источников;
-воды артезианских скважин;
-очищенные сточные воды;
-продувочные воды котлов для термических методов водоподготовки.
Расчетная производительность ВПУ для приготовления добавочной воды котлов складывается в зависимости от типов основного оборудования и вида используемого топлива из четырех основных составляющих: 1) восполнение различных станционных потерь в размере 3 % суммарной номинальной производительности котлов любого типа; 2) восполнение потерь с продувочной водой барабанных котлов в пределах 0,5.. .2 % их паропроизводительности; 3) восполнение потерь пара на разогрев мазута, используемого как основное или резервное топливо, для чего производительность ВПУ увеличивается на 0,15 т на каждую тонну сжигаемого мазута; 4) восполнение потерь пара и конденсата, отдаваемого на производство, с 25 % запасом на расчетный не возвращаемый объем конденсата.
При применении термической схемы обессоливания производительность ВПУ принимается с коэффициентом в зависимости от расчетной потребности в обессоленной воде, при этом производительность установки умягчения воды для питания испарителей не увеличивается.
При проектировании блочных испарительных установок последние необходимо дополнять по пусковым и резервным условиям химобессоливающей или испарительной установкой, производительность которой принимается с коэффициентом 0,4 от расчетной потребности в добавочной воде.
При проектировании водоподготовительных установок, предназначенных для подпитки тепловых сетей, исходят из того, что часовая потеря в закрытых сетях теплоснабжения составляет 0,75 % объема воды в тепловых сетях и 0,5 % объема воды в транзитных магистралях. В открытых системах теплоснабжения в дополнение к отмеченным потерям в сетях необходимо приплюсовывать расчетный среднечасовой расход воды на горячее водоснабжение в отопительный период. В связи с тем, что фактические данные по объемам воды в тепловых сетях зачастую отсутствуют, на основе промышленного опыта рекомендуется принимать расчетный объем воды сети 50 м3 на 1 Гкал/ч (1,163 МВт) отборного тепла при наличии транспортных магистралей и 65 м3 на 1 Гкал/ч при их отсутствии.
Библиографический список
1. Копылов А.С. Водоподготовка в энергетике. // Москва. Издательский дом МЭИ. - 2016.
2. Овсянник Н.В. Водоподготовка и водный режим котельных установок. // Гомель. - 2016.
3. Водоподготовка: Справочник. // Под ред. С.Е. Беликова. М.: Аква-Терм, 2007 г.
УШАКОВА АННА АЛЕКСЕЕВНА - магистрант, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
ЖУРАВЛЕВА НАТАЛЬЯ ВЯЧЕСЛАВОВНА - ассистент, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия
