Водоподготовка и противонакипные устройства
В процессе работы теплообменного оборудования образуются карбонатные отложения, то есть накипь, что приводит к значительному перерасходу топлива, снижению коэффициента полезного действия оборудования, сокращению межремонтных сроков, увеличению затрат на обслуживание и ремонт. Например, при наличии карбонатных отложений толщиной всего один миллиметр теплообменное оборудование перерасходует в среднем 2-3 процента топлива.
Наиболее интенсивными эти отложения бывают при эксплуатации теплообменного оборудования без химической водоподготовки либо при низком уровне эксплуатации водоподготовительного оборудования. В этих случаях толщина карбонатных отложений достигает 4-6 миллиметров, что приводит к перерасходу топлива в объеме до 9 процентов. Кроме того, по завершении определенного цикла эксплуатации теплообменного оборудования необходимо выполнять довольно трудоемкую работу по очистке оборудования от карбонатных отложений, связанную с большими затратами.
Очистка эта обычно осуществляется химическим, а именно, кислотным, а также механическим способом, причем оба метода отличаются высокой трудоемкостью. Кроме того, существует опасность повреждения металлических нагревательных поверхностей оборудования. В период между мероприятиями по очистке карбонатные отложения образуются вновь, что опять приводит к непроизводительным потерям топлива и увеличению эксплутационных затрат. Карбонатные отложения обладают низкой теплопередающей способностью, причем коэффициент теплопроводности карбонатного отложения в 200-300 раз меньше, чем металла. По этой причине поверхности нагрева теплообменного оборудования подвергаются сильному перегреву, что в ряде случаев приводит к появлению на трубах вздутий, трещин и ведет к их разрыву.
Карбонатное отложение представляет собой сложный процесс, состоящий из таких основных стадий, как достижение состояния пересыщения, образование центров кристаллизации и рост кристаллов. Несмотря на предварительную обработку питающей воды, в ней всегда содержится какое-то количество растворенных солей в виде катионов кальция, магния, различных анионов, в частности, сульфатных, силикатных, карбонатных.
Во время работы теплообменного оборудования в результате испарения воды концентрация ионов, находящихся в воде, постепенно возрастает, и по истечении определенного времени достигается состояние перенасыщения. Дальнейшее увеличение концентрации этих ионов приводит к выделению из раствора мельчайших кристалликов, центров кристаллизации, являющихся основой будущих карбонатных отложений.
Наиболее интенсивно образование центров кристаллизации происходит на границе двух сред, воды и поверхности теплообменного оборудования. Дело в том, что именно здесь вследствие наиболее интенсивного парообразования наблюдается наибольшая концентрация солей.
Далее происходит рост кристаллов, и процесс кристаллизации идет в двух направлениях. Имеются в виду выделение твердой фазы непосредственно на поверхностях нагрева с образованием карбонатных отложений и выделение твердой фазы в объеме воды в виде мельчайших кристалликов, затем укрупняющихся и образующих шлам.
Шлам может прилипать и прикипать к поверхностям нагрева, образуя так называемое вторичное карбонатное отложение. Таким образом, в основе процесса образования карбонатных отложений лежит явление выделения твердой фазы из перенасыщенного раствора солей в воде теплообменного оборудования.
Для уменьшения и исключения образования карбонатных отложений питательная вода подвергается предварительному умягчению в установках водоподготовки. Основным методом умягчения воды является метод катионного обмена, основанный на способности катионита поглощать присутствующие в воде катионы, образующих карбонатные отложения кальция и магния.
Этот метод может обеспечить исключение карбонатных образований в теплотехническом оборудовании, однако сооружение водоподготовительных установок и их эксплуатация связаны со значительными затратами и большим расходом необходимых химических реагентов. В связи с высокой стоимостью реагентов, а также невысоким уровнем подготовки обслуживающего персонала эти установки во многих случаях эксплуатируются неудовлетворительно. Наряду с химическими методами предотвращения карбонатных отложений в последние годы находят все более широкое практическое применение физические, безреагентные методы, в частности, ультразвуковой.
Ультразвуковой метод предотвращения карбонатных отложений
Метод заключается в том, что с помощью специальной установки возбуждаются ультразвуковые колебания в воде, заполняющей теплообменное оборудование, и в металле поверхностей нагрева. Под действием механических колебаний ультразвуковой частоты в толще воды образуются кавитационные пузырьки, площадь поверхности которых на порядок больше поверхности теплообменного оборудования.
Кроме того, кавитационные пузырьки являются границей раздела жидкой и твердой фаз, границей между жидкостью и твердым телом, и вокруг них происходит оседание взвешенных частиц. Соли кристаллизуются непосредственно в толще воды, образуя мелкодисперсный шлам, а колебания поверхностей нагрева препятствуют осаждению шлама на стенках труб. Поэтому шлам находится в воде во взвешенном состоянии и удаляется из теплообменного оборудования при регулярных продувках.
Кроме того, ультразвук оказывает разрушающее действие на ранее образовавшиеся карбонатные отложения. Ультразвуковые колебания, воздействуя на поверхность нагрева, создают знакопеременные механические усилия, под влиянием которых прочность связей внутри карбонатных отложений, а также между карбонатным отложением и металлом нарушается, и при этом образуются трещины.
Вода под действием капиллярных сил быстро проникает через трещины-капилляры к поверхности нагрева, где она мгновенно испаряется, вызывая вспучивание и отслаивание карбонатных отложений. Содержащиеся в воде газовые пузырьки, также попадая в трещины между накипью и металлом, начинают колебаться с ультразвуковой частотой, ослабляя сцепление карбонатных отложений с металлом. Отслоившиеся мелкие частицы и чешуйки карбонатных отложений скапливаются в нижней части теплообменного оборудования и удаляются периодической продувкой.
Действие ультразвука не ограничивается только предотвращением образования карбонатных отложений и увеличением долговечности теплотехнического оборудования. Ультразвуковые колебания увеличивают теплопередачу греющей поверхности за счет микропотоков, образуемых колебаниями стенок труб и воды в них, и повышения скорости потока воды из-за снижения гидродинамического сопротивления труб с колеблющимися стенками. Под действием ультразвука улучшается отвод пузырьков пара от поверхности нагрева и дегазация воды вследствие лучшего перемешивания жидкости на границе сред «металл-жидкость», что также способствует увеличению теплопередачи.
Явление снижения гидродинамического сопротивления особенно эффективно проявляется в узких микронных щелях естественных дефектов внутренних поверхностей труб, где в обычных, без ультразвука, условиях в теплообменном оборудовании сохраняется кислород воздуха, а при воздействии ультразвуковых колебаний он легко покидает эти щели.
В результате этого нейтрализуется один из механизмов кислородной коррозии металла труб. Длительное воздействие ультразвуковых импульсов на внутреннюю поверхность труб, обладающую дефектами в виде микротрещин, производит деформацию наиболее податливых участков поверхности вблизи микротрещин.
Благодаря этим деформациям происходит наклеп краев трещин, в результате чего они оказываются закрытыми и не подверженными проникновению в них кислорода при сливе воды из оборудования. Внутренняя поверхность труб становится гладкой, и полная площадь ее резко уменьшается, что приводит и к уменьшению вероятности коррозии. Получаемый таким образом эффект коррозионной защиты в какой-то степени заменяет пассивирование внутренней поверхности труб.
Вышеизложенные факторы взаимосвязаны и в совокупности являются причиной положительного воздействия ультразвука на процессы предотвращения образования карбонатных отложений, снижения коррозии металла и повышения эффективности работы теплообменного оборудования.
Опыт эксплуатации ультразвуковых противонакипных устройств USP показал, что в теплообменном оборудовании после применения ультразвука образовавшиеся карбонатные отложения отслаиваются и оседают в виде рыхлого шлама и небольших чешуек. Новое карбонатное отложение, как правило, не образуется.
Удаление из теплообменного оборудования образующегося шлама осуществляется периодическими продувками в дренаж, а при остановке теплообменного оборудования при профилактическом осмотре промывкой струей воды с давлением 0,2-0,3 мегапаскаля. Таким образом, отпадает необходимость в трудоемкой и дорогостоящей очистке оборудования и удается избежать связанных с ней экологических проблем.
При непрерывной работе ультразвуковых установок теплоэнергетическое оборудование эксплуатируется в режиме, исключающем образование карбонатных отложений, что позволяет поддержать его коэффициент полезного действия близким к оптимальному и, следовательно, обеспечить значительную экономию топлива. Поверхности нагрева при воздействии ультразвука не подвергается сильному перегреву, увеличивается их теплопередача, снижается коррозия металла, что в свою очередь увеличивает срок службы теплообменного оборудования и снижает вероятность возможных аварий.
Применение ультразвукового метода исключает загрязнение окружающей среды вредными стоками водоподготовительных установок, а стоимость обработки кубометра воды этим способом, как показывают ориентировочные расчеты, в 200-250 раз ниже стоимости химической обработки. Капитальные вложения, связанные с приобретением, монтажом и наладкой устройств USP, окупаются в течение нескольких месяцев их работы.
Устройства эти являются разработкой Всероссийского научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института релестроения и предназначены для предотвращения образования карбонатных отложений на поверхностях теплообменного оборудования широкого профиля с температурой оболочки в местах установки преобразователей до 160 градусов. Рассчитаны на непрерывный режим работы.
Могут устанавливаться на паровых и водогрейных котлах низкого давления, бойлерах, конденсаторах, опреснителях, сетевых водонагревателях. Отличаются от аналогов относительно большей мощностью генератора и возможностью, в связи с этим, использования одним генератором до 6 излучателей.
Это позволяет охватывать одним комплектом USP относительно мощное теплообменное оборудование. Генератор устройства позволяет осуществлять подстройку частоты импульсов в довольно широком диапазоне частот, обеспечивая получение высокого КПД работы излучателей, и имеет встроенную защиту от перегрузки. Блок логики генератора обеспечивает автоматическое повторное включение устройства после срабатывания защиты.
Сергей ЗОЛОТОВ
Наиболее интенсивными эти отложения бывают при эксплуатации теплообменного оборудования без химической водоподготовки либо при низком уровне эксплуатации водоподготовительного оборудования. В этих случаях толщина карбонатных отложений достигает 4-6 миллиметров, что приводит к перерасходу топлива в объеме до 9 процентов. Кроме того, по завершении определенного цикла эксплуатации теплообменного оборудования необходимо выполнять довольно трудоемкую работу по очистке оборудования от карбонатных отложений, связанную с большими затратами.
Очистка эта обычно осуществляется химическим, а именно, кислотным, а также механическим способом, причем оба метода отличаются высокой трудоемкостью. Кроме того, существует опасность повреждения металлических нагревательных поверхностей оборудования. В период между мероприятиями по очистке карбонатные отложения образуются вновь, что опять приводит к непроизводительным потерям топлива и увеличению эксплутационных затрат. Карбонатные отложения обладают низкой теплопередающей способностью, причем коэффициент теплопроводности карбонатного отложения в 200-300 раз меньше, чем металла. По этой причине поверхности нагрева теплообменного оборудования подвергаются сильному перегреву, что в ряде случаев приводит к появлению на трубах вздутий, трещин и ведет к их разрыву.
Карбонатное отложение представляет собой сложный процесс, состоящий из таких основных стадий, как достижение состояния пересыщения, образование центров кристаллизации и рост кристаллов. Несмотря на предварительную обработку питающей воды, в ней всегда содержится какое-то количество растворенных солей в виде катионов кальция, магния, различных анионов, в частности, сульфатных, силикатных, карбонатных.
Во время работы теплообменного оборудования в результате испарения воды концентрация ионов, находящихся в воде, постепенно возрастает, и по истечении определенного времени достигается состояние перенасыщения. Дальнейшее увеличение концентрации этих ионов приводит к выделению из раствора мельчайших кристалликов, центров кристаллизации, являющихся основой будущих карбонатных отложений.
Наиболее интенсивно образование центров кристаллизации происходит на границе двух сред, воды и поверхности теплообменного оборудования. Дело в том, что именно здесь вследствие наиболее интенсивного парообразования наблюдается наибольшая концентрация солей.
Далее происходит рост кристаллов, и процесс кристаллизации идет в двух направлениях. Имеются в виду выделение твердой фазы непосредственно на поверхностях нагрева с образованием карбонатных отложений и выделение твердой фазы в объеме воды в виде мельчайших кристалликов, затем укрупняющихся и образующих шлам.
Шлам может прилипать и прикипать к поверхностям нагрева, образуя так называемое вторичное карбонатное отложение. Таким образом, в основе процесса образования карбонатных отложений лежит явление выделения твердой фазы из перенасыщенного раствора солей в воде теплообменного оборудования.
Для уменьшения и исключения образования карбонатных отложений питательная вода подвергается предварительному умягчению в установках водоподготовки. Основным методом умягчения воды является метод катионного обмена, основанный на способности катионита поглощать присутствующие в воде катионы, образующих карбонатные отложения кальция и магния.
Этот метод может обеспечить исключение карбонатных образований в теплотехническом оборудовании, однако сооружение водоподготовительных установок и их эксплуатация связаны со значительными затратами и большим расходом необходимых химических реагентов. В связи с высокой стоимостью реагентов, а также невысоким уровнем подготовки обслуживающего персонала эти установки во многих случаях эксплуатируются неудовлетворительно. Наряду с химическими методами предотвращения карбонатных отложений в последние годы находят все более широкое практическое применение физические, безреагентные методы, в частности, ультразвуковой.
Ультразвуковой метод предотвращения карбонатных отложений
Метод заключается в том, что с помощью специальной установки возбуждаются ультразвуковые колебания в воде, заполняющей теплообменное оборудование, и в металле поверхностей нагрева. Под действием механических колебаний ультразвуковой частоты в толще воды образуются кавитационные пузырьки, площадь поверхности которых на порядок больше поверхности теплообменного оборудования.
Кроме того, кавитационные пузырьки являются границей раздела жидкой и твердой фаз, границей между жидкостью и твердым телом, и вокруг них происходит оседание взвешенных частиц. Соли кристаллизуются непосредственно в толще воды, образуя мелкодисперсный шлам, а колебания поверхностей нагрева препятствуют осаждению шлама на стенках труб. Поэтому шлам находится в воде во взвешенном состоянии и удаляется из теплообменного оборудования при регулярных продувках.
Кроме того, ультразвук оказывает разрушающее действие на ранее образовавшиеся карбонатные отложения. Ультразвуковые колебания, воздействуя на поверхность нагрева, создают знакопеременные механические усилия, под влиянием которых прочность связей внутри карбонатных отложений, а также между карбонатным отложением и металлом нарушается, и при этом образуются трещины.
Вода под действием капиллярных сил быстро проникает через трещины-капилляры к поверхности нагрева, где она мгновенно испаряется, вызывая вспучивание и отслаивание карбонатных отложений. Содержащиеся в воде газовые пузырьки, также попадая в трещины между накипью и металлом, начинают колебаться с ультразвуковой частотой, ослабляя сцепление карбонатных отложений с металлом. Отслоившиеся мелкие частицы и чешуйки карбонатных отложений скапливаются в нижней части теплообменного оборудования и удаляются периодической продувкой.
Действие ультразвука не ограничивается только предотвращением образования карбонатных отложений и увеличением долговечности теплотехнического оборудования. Ультразвуковые колебания увеличивают теплопередачу греющей поверхности за счет микропотоков, образуемых колебаниями стенок труб и воды в них, и повышения скорости потока воды из-за снижения гидродинамического сопротивления труб с колеблющимися стенками. Под действием ультразвука улучшается отвод пузырьков пара от поверхности нагрева и дегазация воды вследствие лучшего перемешивания жидкости на границе сред «металл-жидкость», что также способствует увеличению теплопередачи.
Явление снижения гидродинамического сопротивления особенно эффективно проявляется в узких микронных щелях естественных дефектов внутренних поверхностей труб, где в обычных, без ультразвука, условиях в теплообменном оборудовании сохраняется кислород воздуха, а при воздействии ультразвуковых колебаний он легко покидает эти щели.
В результате этого нейтрализуется один из механизмов кислородной коррозии металла труб. Длительное воздействие ультразвуковых импульсов на внутреннюю поверхность труб, обладающую дефектами в виде микротрещин, производит деформацию наиболее податливых участков поверхности вблизи микротрещин.
Благодаря этим деформациям происходит наклеп краев трещин, в результате чего они оказываются закрытыми и не подверженными проникновению в них кислорода при сливе воды из оборудования. Внутренняя поверхность труб становится гладкой, и полная площадь ее резко уменьшается, что приводит и к уменьшению вероятности коррозии. Получаемый таким образом эффект коррозионной защиты в какой-то степени заменяет пассивирование внутренней поверхности труб.
Вышеизложенные факторы взаимосвязаны и в совокупности являются причиной положительного воздействия ультразвука на процессы предотвращения образования карбонатных отложений, снижения коррозии металла и повышения эффективности работы теплообменного оборудования.
Опыт эксплуатации ультразвуковых противонакипных устройств USP показал, что в теплообменном оборудовании после применения ультразвука образовавшиеся карбонатные отложения отслаиваются и оседают в виде рыхлого шлама и небольших чешуек. Новое карбонатное отложение, как правило, не образуется.
Удаление из теплообменного оборудования образующегося шлама осуществляется периодическими продувками в дренаж, а при остановке теплообменного оборудования при профилактическом осмотре промывкой струей воды с давлением 0,2-0,3 мегапаскаля. Таким образом, отпадает необходимость в трудоемкой и дорогостоящей очистке оборудования и удается избежать связанных с ней экологических проблем.
При непрерывной работе ультразвуковых установок теплоэнергетическое оборудование эксплуатируется в режиме, исключающем образование карбонатных отложений, что позволяет поддержать его коэффициент полезного действия близким к оптимальному и, следовательно, обеспечить значительную экономию топлива. Поверхности нагрева при воздействии ультразвука не подвергается сильному перегреву, увеличивается их теплопередача, снижается коррозия металла, что в свою очередь увеличивает срок службы теплообменного оборудования и снижает вероятность возможных аварий.
Применение ультразвукового метода исключает загрязнение окружающей среды вредными стоками водоподготовительных установок, а стоимость обработки кубометра воды этим способом, как показывают ориентировочные расчеты, в 200-250 раз ниже стоимости химической обработки. Капитальные вложения, связанные с приобретением, монтажом и наладкой устройств USP, окупаются в течение нескольких месяцев их работы.
Устройства эти являются разработкой Всероссийского научно-исследовательского проектно-конструкторского и технологического института релестроения и предназначены для предотвращения образования карбонатных отложений на поверхностях теплообменного оборудования широкого профиля с температурой оболочки в местах установки преобразователей до 160 градусов. Рассчитаны на непрерывный режим работы.
Могут устанавливаться на паровых и водогрейных котлах низкого давления, бойлерах, конденсаторах, опреснителях, сетевых водонагревателях. Отличаются от аналогов относительно большей мощностью генератора и возможностью, в связи с этим, использования одним генератором до 6 излучателей.
Это позволяет охватывать одним комплектом USP относительно мощное теплообменное оборудование. Генератор устройства позволяет осуществлять подстройку частоты импульсов в довольно широком диапазоне частот, обеспечивая получение высокого КПД работы излучателей, и имеет встроенную защиту от перегрузки. Блок логики генератора обеспечивает автоматическое повторное включение устройства после срабатывания защиты.
Сергей ЗОЛОТОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 03 за 2009 год в рубрике вода и тепло
