Требования к воде и пару

Вода, используемая в парогенераторах и водогрейных котлах, в зависимости от участка технологической цепи, на котором она используется, носит различные названия. Вода, поступающая в котельный цех от различных источников водоснабжения, называется исходной или сырой водой. Эта вода, как правило, поступает для предварительной химической подготовки перед использованием ее для питания парогенераторов и водогрейных котлов.

Вода, поступающая для питания парогенераторов и предназначенная для восполнения испарившейся воды, называется питательной водой, а для восполнения потерь или расходов воды в тепловых сетях - подпиточной водой. Котловой водой называют воду в котле, из которой получается пар.

Пар, получаемый в промышленных котлах, направляется в различные теплоиспользующие аппараты, конденсат из которых возвращается не полностью. Кроме того, часть пара и воды при наличии неплотностей теряется. В связи с этим необходимо систематически добавлять некоторое количество воды извне. В водогрейные котлы также приходится добавлять некоторое количество воды из-за ее утечек в системе теплоснабжения или использования потребителями.

Лучшей для питания котлов является вода, получаемая при конденсации пара, так как в ней содержится незначительное количество загрязняющих ее веществ. Вода, получаемая из различных источников водоснабжения, всегда хуже конденсата. Поэтому сырую воду перед использованием для питания котлов или подпитки тепловых сетей предварительно обрабатывают с целью улучшения ее качества.

Качество сырой, питательной, подпиточной и котловой воды характеризуют сухим остатком, общим солесодержанием, жесткостью, щелочностью, содержанием кремниевой кислоты, концентрацией водородных ионов и содержанием коррозионно-активных газов.

Сухим остатком называется содержание растворенных и коллоидных неорганических и органических твердых примесей, выраженное в мг/кг или мкг/кг. Сухой остаток определяется выпариванием воды, профильтрованной плотным бумажным фильтром, с последующей сушкой остатка при температуре 110 °С.

Общее солесодержание характеризует суммарное содержание минеральных веществ, растворенных в данной воде, выраженное в мг/кг или мкг/кг.

Общей жесткостью воды называют суммарное содержание в воде солей магния и кальция. Различают карбонатную жесткость, обусловленную растворенными в воде солями кальция [Са(НС0₃)₂] и магния [Mg(HC0₃)₂], и некарбонатную, обусловленную всеми остальными солями кальция и магния (CaS0₄, MgS0₄, СаС₁₂, MgCl₂ и др.).

Общая жесткость разделяется на временную и постоянную. Временная жесткость, обусловленная содержанием в воде бикарбонатов кальция и магния Са(НС03)2 и Mg(HC03)2, устраняется при кипении воды. Постоянная жесткость обусловлена содержанием в воде солей магния и кальция, кроме двууглекислых. Жесткость воды выражается концентрацией соответствующих ионов растворенных веществ, выраженной в эквивалентных единицах - микрограмм-эквивалент на килограмм (мкг-экв/кг) или миллиграмм-эквивалент на килограмм (мг-экв/кг). При этом 1 мкг-экв/кг=0,0005 ммоль/кг.

Щелочностью воды называют суммарное содержание в ней гидроксильных, карбонатных, бикарбонатных и других анионов. В зависимости от содержания анионов, характеризующих щелочность, различают: гидратную щелочность, обусловленную концентрацией гидроксильных анионов; карбонатную, обусловленную концентрацией карбонатных анионов; бикарбонатную, обусловленную концентрацией бикарбонатных анионов. Щелочность измеряется в мкг-экв/кг или мг-экв/кг.

Кремнесодержанием называют суммарную концентрацию в воде различных соединений кремния, которые могут находиться как в молекулярной, так и в коллоидной формах. Кремнесодержание условно пересчитывают на Si0₂ и выражают в мкг/кг или мг/кг.

Весьма важное значение имеет показатель pH, характеризующий концентрацию в воде водородных ионов. В воде происходит непрерывный обратимый процесс диссоциации молекул воды на ионы водорода Н⁺ и гидроксильные ионы ОН^-. Одновременно диссоциирует весьма небольшое число молекул (около десятимиллионной части всех молекул). Однако в результате диссоциации в воде находится определенное равновесное число ионов водорода Н⁺ и гидроксильных ионов ОН^-. В чистой воде концентрация водородных ионов всегда равна концентрации гидроксильных ионов. При наличии в воде растворенных веществ указанное равенство нарушается. Концентрация водородных ионов в химически чистой воде при температуре 22 °С равна 10-7. Концентрацию водородных иолов в воде принято выражать десятичным логарифмом этого числа, взятым с обратным знаком, и обозначать pH. Следовательно, для абсолютно чистой воды pH = 7. При pH, меньшем 7, концентрация ионов водорода увеличивается, что свидетельствует о кислой реакции воды. Для воды, содержащей растворенные щелочи. pH больше 7.

Коррозионно-активными газами, содержащимися в воде, являются кислород и углекислый газ. Содержание их в воде выражается в мкг/кг или мг/кг.

В соответствии с правилами Госгортехнадзора к питательной воде котлов, имеющих естественную циркуляцию при давлении до 4 МПа, и к подпиточной воде водогрейных котлов применяются определенные требования к воде и пару. Нормы качества питательной воды для парогенераторов при докотловой обработке в соответствии с ГОСТ 20995-75 приведены в табл. 6-1.

Нормам качества подпиточной воды для тепловых сетей соответствуют требования к воде и пару СНиП 11-36-73 «Тепловые сети. Нормы проектирования» приведены в табл. 6-2.

Требования к воде и пару предъявляются при питании котельных агрегатов химически очищенной водой малой жесткости когда возможно отложение накипи на поверхностях нагрева. Поэтому применяют коррекционный метод обработки, вводя в котловую воду специальные реагенты, называемые коррекционными веществами. В качестве коррекционных веществ в котловую воду экранированных котлов вводятся фосфаты.

Ввод фосфатов служит также для предупреждения межкристаллитной коррозии. Для паровых котлов давлением более 1,6 МПа рекомендуется солефосфатный режим, при котором в котловой воде допускается наличие определенного избытка щелочей наряду с фосфатами, сульфатами и хлоридами. Эти соединения оказывают положительное воздействие на металлы, так как они, имея ограниченную растворимость при высоких температурах, при упаривании котловой воды выпадают в осадок и закупоривают неплотности в котле. Избыток фосфатов в котловой воде с одной ступенью испарения должен быть при солефосфатном режиме не менее 10 и не более 20 мг/кг; для котлов со ступенчатым испарением по чистому отсеку не менее 10 и по солевому отсеку - не более 75 мг/кг.

В последнее время наряду с фосфатированием для барабанных паровых котлов предъявляются требования к воде и пару и рекомендуется комплексонный водный режим, разработанный Т. А. Моргуловой. При этом режиме в питательную воду вводится определенная доза этилендиаминтетра - уксусной кислоты (ЭДТА) или ее двухзамещенной натриевой соли, называемой трилоном Б. Эти соединения способны образовывать растворимые в воде комплексы со всеми накипеобразующими катионами, включая железо, при значениях pH воды не выше 9,5. Комплексно должен вводиться в питательную воду перед питательным насосом. Весь тракт дозирования должен быть выполнен из нержавеющей стали. Концентрация дозируемого раствора не должна превышать 15 мг/кг.

Пар, получаемый в котле, должен быть чистым во избежание отложения накипи на внутренней поверхности труб пароперегревателя н теплообменных аппаратов. Качество пара, получаемого в котлах, зависит от его влажности и концентрации загрязняющих котловую воду веществ.

Влажный пар характеризуется влажностью и солесодержанием. Влажностью называют массовую долю влаги, содержащейся в насыщенном паре. Под солесодержанием пара понимают отношение (мг/кг)

Качество насыщенного и перегретого пара в соответствии с ГОСТ 20995-75 должно отвечать нормам, приведенным в табл. 6-3.

Для снижения влажности пара применяются паросепарационные устройства, описанные в § 6-6. Для уменьшения содержания веществ, загрязняющих котловую воду, производится продувка, т. е. удаление части котловой воды и замена ее питательной водой. Содержание загрязняющих веществ в котловой воде тем меньше, чем больше при прочих равных условиях продувка.

Различают продувку непрерывную и периодическую. Непрерывная продувка производится без перерывов в течение всего времени работы котла, а периодическая - кратковременно через большие промежутки времени. В результате периодической продувки из котла вместе с небольшим количеством котловой воды удаляют осевший шлам, который образуется из веществ, кристаллизующихся в объеме котловой воды. Периодическую продувку производят из нижних точек (нижний барабан и нижние коллекторы экранов). Непрерывная продувка обеспечивает равномерное удаление из верхнего барабана растворенных в котловой воде солей. С непрерывной продувкой теряется значительное количество теплоты. При давлении пара 1,0-1,4 МПа каждый процент неиспользуемой продувки увеличивает расход топлива примерно на 0,3%. Использование теплоты непрерывной продувки возможно в системе отопления, в водяных тепловых сетях для подпитки или в специально устанавливаемых сепараторах (расширителях) для получения вторичного пара. Однако использование теплоты продувочной воды не означает, что продувка может быть большой. Следует учитывать, что котловая вода имеет более высокий тепловой потенциал по сравнению с водой, используемой в сепараторе (расширителе) продувки. Поэтому необходимо всемерно снижать продувку.

Одним из наиболее эффективных методов снижения потерь котловой воды с продувкой является ступенчатое испарение. Ступенчатое испарение заключается в том, что в водяном объеме котла создают зоны с различным содержанием солей в котловой воде. Это достигается разделением водяного объема барабана котла с его поверхностями нагрева на отдельные отсеки. При этом продувка производится из отсека с наиболее высоким содержанием солей, а отбор основной массы пара, направляемого в пароперегреватель, производят из отсека с наименьшей концентрацией солей в котловой воде.

Простейшим является двухступенчатое испарение, сущность которого заключается в следующем. Водяной объем верхнего барабана разделяется перегородкой с отверстием на два отсека (рис. 6-4): чистый 6 и солевой 2. Питательная вода поступает в чистый отсек, а солевой питается из чистого через отверстие в перегородке 3. В чистом отсеке образуется примерно 80 % пара, а в солевом -20%. Следовательно, из чистого отсека в солевой поступает 20 % воды, которая для чистого отсека является продувочной.

При такой продувке содержание солей в чистом отсеке крайне мало и из него получается пар весьма хорошего качества. В солевом отсеке поддерживается высокое содержание солей за счет малой продувки и, следовательно, получаемый из него пар имеет высокое солесодержание. Однако из пара, выдаваемого солевым отсеком, стремятся удалить капельки котловой воды, пропуская пар через сепарирующие устройства и затем в паровое пространство чистого отсека. При прохождении через это пространство пар солевого отсека дополнительно очищается. В результате качество пара, выдаваемого котлом, определяется содержанием солей в котловой воде чистого отсека. Конструктивно ступенчатое испарение в котлах выполняют с расположением солевых отсеков непосредственно в верхнем барабане или устанавливают выносные циклоны. Чаще всего на вторую ступень испарения включают боковые экраны котла.

Режим продувки и качество котловой воды устанавливаются путем специальных теплохимических испытаний. Предельные значения солесодержания котловой воды, рекомендуемые заводами-изготовителями котлов, приведены в табл. 6-4.