Водные проблемы котлов

Вода, одновременно являясь дешевым теплоносителем и универсальным растворителем, может представлять угрозу для водогрейного или парового котла. Риски, в первую очередь, связаны с наличием в воде определенных примесей. Решение и предотвращение проблем в работе котельного оборудования невозможно без четкого понимания их причин, а также знания современных технологий подготовки воды.

Для котловых систем характерны три группы проблем, связанных с присутствием в воде следующих примесей:
- нерастворимых механических
- растворенных осадкообразующих
- коррозионноактивных

Каждый из типов примесей может служить причиной выхода из строя того или иного оборудования тепловой установки, а также вносит свой вклад в снижение эффективности и стабильности работы котла.

Использование в тепловых системах воды, не прошедшей механическую фильтрацию, приводит к наиболее грубым поломкам — выводу из строя циркуляционных насосов, уменьшению сечения, повреждению трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры (Рис. 1). Обычно механические примеси — это песок и глина, присутствующие как в водопроводной воде, так и в воде из артезианских источников, а также продукты коррозии трубопроводов, теплопередающих поверхностей и других металлических частей системы, которые находятся в постоянном контакте с агрессивной водой.

 Рис. 1. Отложение механических примесей в тепловых системах

Растворенные примеси могут вызывать более серьезные неполадки в работе энергетического оборудования, которые чаще всего связанны с:
- образованием накипных отложений
- коррозией котловой системы
- вспениванием котловой воды и уносом солей с паром

Эта группа примесей требует особого внимания, поскольку их присутствие в воде зачастую не так очевидно, как наличие механических примесей, а последствия воздействия на котельное оборудование могут быть самыми плачевными — от снижения энергоэффективности системы до полного ее разрушения.

Карбонатные отложения, вызываемые повышенной жесткостью воды, — хорошо известный результат процессов накипеобразования, протекающих даже в низкотемпературном теплообменном оборудовании, однако далеко не единственный. Так, при нагреве воды свыше 130 °С сильно снижается растворимость сульфата кальция и происходит образование особо плотной накипи гипса.

Образующиеся накипные отложения (Рис. 2), во-первых, ухудшают теплоотдачу теплообменных поверхностей, что приводит к перегреву стенок котла и снижению срока его службы, а во-вторых, увеличивают потери тепла. Ухудшение теплообмена приводит к перерасходу энергоносителей, что отражается на эксплуатационных затратах (Рис. 3). Образование на поверхностях нагрева даже незначительного по толщине (0,1-0,2 мм) слоя отложений приводит к перегреву металла и, как следствие, к появлению отдулин, свищей и даже разрыву труб.

 Рис. 2. Накипные отложения в трубах котловой установки

Рис. 3. Оценка энергетических потерь, связанных с образованием слоя накипи различной толщины

Образование накипи является однозначным признаком использования в котловой системе воды низкого качества. В этом случае неизбежно развитие коррозии металлических поверхностей и накопление, вместе с накипными отложениями, продуктов окисления металлов.

В котловых системах могут проходить два типа коррозионных процессов: химическая и электрохимическая коррозия. Электрохимическая коррозия связана с образованием большого количества микрогальванических пар на металлических поверхностях.
Часто причиной электрохимической коррозии является неполное удаление из воды таких примесей как железо и марганец.
В большинстве случаев коррозия возникает в неплотностях металлических швов и развальцованных концов теплообменных труб, а результатом таких поражений являются кольцевые трещины. Основными стимуляторами коррозии являются растворенный кислород и углекислый газ. Если конструкции выполнены из черной стали, любое отклонение от диапазона рН 9-10 приводит к развитию коррозии. В случае алюминиевых конструкций, превышение рН 8,3-8,5 приводит к разрушению пассивирующей пленки и коррозии металла.

Особое внимание стоит обратить на поведение газов в котловых системах. С повышением температуры растворимость газов в воде снижается — происходит их десорбция из котловой воды. Этот процесс обуславливает высокую коррозионную активность кислорода и диоксида углерода (рисунок 4). Кроме того, в процессе нагрева и испарения воды происходит разложение гидрокарбонатов на карбонаты и диоксид углерода, который уносится вместе с паром и обуславливает низкий рН и высокую коррозионную активность конденсата. Поэтому при выборе схемы химводоочистки и внутрикотловой обработки следует предусматривать способы нейтрализации кислорода и диоксида углерода.

а) б)

Рис. 4. Последствия точечной кислородной коррозии (а) и общей углеродной (б)

Другой вид химической коррозии — хлоридная коррозия. Хлориды, из-за своей высокой растворимости, присутствуют во всех доступных источниках водоснабжения. Хлориды разрушают пассивирующую пленку на поверхности металла, чем стимулируют развитие вторичных коррозионных процессов (Рис. 5). Предельно допустимая концентрация хлоридов в воде котловых систем — 150-200 мг/л.

Рис. 5. Последствия хлоридной коррозии

Накипеобразование и коррозионные процессы являются результатом использования в котловой системе воды низкого качества — химически агрессивной и нестабильной. Эксплуатировать котловые системы на такой воде экономически нецелесообразно и опасно с точки зрения техногенных рисков. Более того, гарантии производителей котельного оборудования не распространяются на случаи, связанные с эксплуатацией котлов на неочищенной либо неправильно подготовленной воде.

Какая бывает вода?

Обычно в качестве источников водоснабжения котловых систем используются водопровод и артезианские скважины. Каждый тип воды имеет свои недостатки и набор типичных проблем.
Первой типичной проблемой любой воды являются соли кальция и магния, обуславливающие общую жесткость. В Украине, в зависимости от региона и типа источника водоснабжения, жесткость как водопроводной, так и артезианской воды может принимать значения от 4 до 30 мг-экв/л.
Другой типичной примесью украинских вод являются растворенные соли железа, содержание которых в природных водах Украины находится в интервале между 0,3 и 20 мг/л. При этом в большинстве артезианских скважин уровень растворенного железа превышает 3 мг/л.
Контроль качества воды котловых систем осуществляется путем лабораторных анализов или экспресс-тестов. Лабораторные анализы для водогрейных систем средней мощности рекомендуется выполнять при каждом плановом осмотре или обслуживании, но не реже трех раз в год, а для промышленных — раз в смену. Для паровых котлов лабораторный анализ должен выполняться с периодичностью раз в 72 часа, при этом обычно отбирается несколько проб воды — вода после ХВО, котловая вода, конденсат. Базовый набор экспресс-тестов и карманных измерителей рекомендуется иметь каждому специалисту по эксплуатации котлов, в то время как лабораторные анализы лучше проводить в специальных лабораториях.
Для проведения экспресс-тестов на жесткость воды, содержание железа, щелочность и хлориды используются капельные экспресс-системы. Результаты, полученные с помощью таких экспресс-систем, могут служить ориентиром для оценки качества котловой воды и эффективности работы системы химводоочистки.
Измерение таких показателей качества воды как рН, солесодержание и растворенный кислород проводят с помощью карманных приборов — рН-метров, TDS-метров и оксиметров.

Таблица 1. Портативные измерители pH, солесодержания и растворенного кислорода

Как получить правильную воду

Котловые системы принято подразделять по их назначению на водогрейные и паровые. Для каждого типа существует свой набор требований к химочищенной воде, которые также зависят от мощности котла и температурного режима. Требования к качеству воды для котловых систем устанавливаются на уровне, обеспечивающем эффективную и безопасную работу котла при минимальном риске образования отложений и коррозии. Разработку официальных требований осуществляют надзорные органы (Госэнергонадзор), однако эти требования всегда мягче рекомендаций производителей, которые устанавливаются исходя из гарантийных обязательств. В Европейском союзе требования производителей проходят всестороннюю экспертизу в органах стандартизации и профильных организациях, поэтому с точки зрения эффективной и длительной эксплуатации котла целесообразно ориентироваться именно на эти требования.
Расход подпиточной воды и требования к ее качеству определяют оптимальный набор водоочистного оборудования и схему химводоочистки. Особое внимание во всех нормативных документах, касающихся качества подпиточной воды, уделяется таким показателям как жесткость, рН, содержание кислорода и углекислоты.

Значения показателей качества воды для котлов во всех нормативных документах установлены существенно ниже требований к качеству питьевой воды, следовательно, использование водопроводной воды без соответствующей подготовки недопустимо.

ХВО для водогрейных котлов

Системы с водогрейным котлом (Рис. 6) относятся к системам закрытого типа. В этих системах вода не должна изменять свой состав. Закрытая система заполняется химически очищенной водой один раз и не требует постоянной подпитки. Потери воды обычно случаются из-за протечек в трубопроводах или вследствие ошибок в обслуживании. При правильной эксплуатации пополнение химочищенной воды в водогрейных контурах осуществляется перед началом отопительного сезона или не чаще, чем раз в год. Однако, если речь идет о бытовом водогрейном котле, система химводоочистки используется также для постоянного холодного и горячего водоснабжения.

Рис. 6. Оборот воды в системе с водогрейным котлом

Обязательное требование для всех видов воды, используемой в котлах всех типов, — отсутствие взвешенных примесей и окраски. Для отопительных установок с предписанными рабочими температурами до 100 °С большинство производителей используют упрощенные требования к качеству воды, лимитирующие только уровень общей жесткости (Таблица 2).

Таблица 2. Основные требования к качеству воды в водогрейных системах с температурой нагрева <100 °С

Для отопительных установок с допустимой температурой нагрева выше 100 °С рекомендуется использование деминерализованной или умягченной воды и в зависимости от типа применяемой воды устанавливаются нормативы ее качества (Таблица 3).

Таблица 3. Основные требования к качеству воды в водогрейных системах с температурой нагрева >100 °С

Системы подготовки воды для водогрейных котлов можно классифицировать в соответствии с мощностью котельной установки и ее назначением:
- для бытовых котлов — очистка воды для заполнения замкнутой системы отопления, холодного и горячего водоснабжения. Очищенная вода должна соответствовать требованиям производителя котельного оборудования и нормативам на питьевую воду
- для котлов средней мощности (до 1000 кВт) — системы для периодической подпитки котлового контура, как правило, с коррекцией рН и растворенного кислорода
- для промышленных котлов — системы постоянной подпитки глубокоумягченной водой с обязательной коррекцией рН и растворенного кислорода

Часто в качестве источника водоснабжения для бытовых водогрейных котлов используется водопроводная вода с характерным набором проблем: механические примеси и повышенная жесткость. Схема очистки воды в этом случае состоит из двух стадий — механическая фильтрация и умягчение.

Очистка воды от взвешенных примесей должна осуществляться в механических фильтрах сетчатого или картриджного типа (Рис. 7) . При выборе механического фильтра необходимо соблюдать условие — рейтинг фильтрации не выше 100 мкм, иначе высока вероятность попадания примесей в систему химводоочистки или в питательную воду.

Механические сетчатые фильтры изначально стоят дороже картриджных, однако они значительно дешевле в эксплуатации и могут работать в автоматическом режиме.

Для корректировки жесткости воды используют системы умягчения, основанные на применении сильнокислотных катионитов в натриевой форме. Эти материалы поглощают катионы кальция и магния, обуславливающие жесткость воды, взамен выделяя эквивалентное количество ионов натрия, которые не образуют при нагреве воды нерастворимых соединений (Рис. 8).

 Рис. 8. Типовая система умягчения и комплексной очистки Ecosoft

При использовании воды из артезианской скважины схемы с умягчением будет недостаточно, так как артезианская вода обычно содержит повышенные концентрации железа и марганца. В этом случае применяется один из вариантов сорбционных технологий — многостадийная, ставшая традиционной, и более современная и эффективная — комплексная одностадийная. Последний вариант стал возможным благодаря специальной разработке украинской компании НПО Экософт — технологии Ecomix.

При использовании традиционной трехступенчатой технологии подбор оборудования и фильтрующих материалов начинают с подробного химического анализа воды. Его результаты должны быть тщательно проанализированы специалистом-химиком, который затем правильно выбирает фильтрующие материалы для каждой стадии системы и определяет требуемую конфигурацию оборудования. Многоступенчатая технология сложна в эксплуатации, кроме того, в этом случае производится раздельная регенерация различными реагентами и отмывка трех видов загрузок, используемых в системе, что требует значительного расхода воды на собственные нужды. Для регенерации каталитических фильтров используется, как правило, раствор перманганата калия, приобретение и сброс которого в канализацию требуют специального разрешения.

В случае применения технологии комплексной очистки ситуация значительно упрощается. Для принятия решения необходимо знать не более четырех показателей качества воды, причем в большинстве случаев достаточно провести определение экспресс-методами, поскольку технология адаптирована ко всем формам удаляемых примесей, характерным для артезианской воды. В основе технологии комплексной очистки воды лежит специальная фильтрующая загрузка Ecomix — смесь из 5 ионообменных и сорбционных материалов, которая регенерируется раствором поваренной соли, что исключает образование высокотоксичных отходов и сокращает расход воды на собственные нужды. Системы ХВО на базе технологии Ecomix аналогичны стандартным системам умягчения по принципу работы, аппаратурному оформлению и сервису. Для обслуживания такой системы не требуется специально подготовленный персонал в силу ее простоты.

Использование подготовленной воды для бытовых котлов позволит защитить, помимо котлов, бойлеры для нагрева воды, систему отопления, а также бытовое оборудование.
Схемы очистки воды для водогрейных котлов средней мощности (до 1000 кВт) аналогичны системам для бытовых водогрейных котлов. В этом случае подготовленная вода применяется как для заполнения контура котла, так и для подпитки контура. Для современных котельных расход воды на подпитку обычно не превышает 1,5 м3/час.

Для водогрейных котлов мощностью 500-1000 кВт, как правило, необходимо применять реагенты внутрикотловой обработки воды. Традиционно применяют автоматические дозировочные станции для ввода реагентов в предварительно подготовленную воду и реагенты для связывания кислорода (сульфит или бисульфит натрия), корректировки рН (гидрокисид натрия), а также в некоторых случаях фосфаты. Такой подход требует несколько дозировочных станций, тщательного приготовления растворов и постоянного контроля концентрации дозируемых веществ в котловой воде.

Современный подход к внутрикотловой обработке воды заключается в применении комплексных реагентов, которые полностью защищают котловую систему и дозируются в сравнительно небольших количествах.

При этом контроль дозирования заключается только в измерении рН котловой воды. Примером комплексных реагентов являются реагенты Epurocet: Epurocet W300 и Epurocet W320. Оба реагента состоят из органических компонентов и выполняют полную защиту котловой системы:

- являются ингибитором коррозии и осадкообразования
- корректируют рН

Реагент Epurocet W300 применяется для большинства систем и повышает рН до 9.5, а Epurocet W320 — для систем с алюминиевыми радиаторами и повышает рН до 8.3-8.5.
Очистка воды для промышленных водогрейных колов — более сложная задача, поэтому, в зависимости от требований к жесткости очищенной воды, могут применяться как одноступенчатые системы умягчения, так и двухступенчатые. При этом оборудование химводоподготовки должно обеспечивать непрерывную подпитку водогрейного контура, а рабочий расход подготовленной воды может варьироваться в широком диапазоне и определяется для каждой котельной индивидуально. Типичная схема подготовки воды состоит из механической фильтрации, умягчения или комплексной очистки на 1-ой ступени и умягчения на 2-ой ступени, завершающихся деаэрацией и корректировкой рН. В случае промышленных водогрейных котлов могут применяться как физические методы деаэрации и корректировки рН (вакуумные деаэраторы), так и химические (дозирование реагентов).

Рис. 9. Системы двухступенчатого умягчения Ecosoft (типа дуплекс)

ХВО для паровых котлов

В отличие от водогрейного, в паровом котле проходит непрерывный процесс испарения воды. Потери пара в парогенераторных системах неизбежны, поэтому необходимо постоянное их восполнение за счет химочищенной воды. Примеси, поступающие в котел вместе с химочищенной водой, непрерывно накапливаются, следовательно, солесодержание воды в котле постоянно увеличивается. Для предотвращения пересыщения котловой воды осуществляется замещение ее части химочищенной водой за счет непрерывной и периодической продувок. Таким образом, возникает необходимость пополнения контура химочищенной водой в объеме, достаточном для компенсации продувочной воды и потерь пара. Очевидно, что чем выше качество очищенной воды, тем меньше примесей вносится в систему и меньше величина продувки, а значит тем выше качество пара и ниже расход энергоносителя.

К воде, которая используется в системах с паровым котлом, предъявляются наиболее жесткие требования. Принято разделять две группы требований в соответствии с типом воды — для питательной (Таблица 5) и котловой (Таблица 6).

Таблица 5. Основные требования к качеству питательной воды для паровых котлов