14.3. Предотвращение загрязнения конденсаторов при оборотном водоснабжении

14.3.1. При оборотных системах возникает задача борьбы с обрастанием (цветением) открытых и освещаемых охладителей циркуляционной воды в результате развития растительных организмов-водорослей и фитопланктона, а при водохранилищах-охладителях - также высшей водной растительности тростника, камыша, осоки и др.).

Зарастание и цветение водоохладителей не только отражается на их работе, но может ухудшить и работу конденсаторов в результате забивания отмершей растительностью водоочистных сеток и фильтров, что должно учитываться при проектировании и эксплуатации систем водоснабжения.

14.3.2. При оборотных системах водоснабжения с испарительным охлаждением воды, особенно в градирнях или брызгальных устройствах (бассейнах, каналах), основной причиной загрязнения конденсаторов является обычно образование твердых минеральных отложений (накипи) на стенках трубок. Оно связано с тем, что рост солесодержания циркуляционной воды по сравнению с солесодержанием исходной подпиточной воды в результате ее упаривания и потери водой в охладительном устройстве значительной части содержащейся в ней свободной двуокиси углерода приводят к распаду растворенных в воде бикарбонатов кальция и магния, переходящих при этом в плохо растворимые карбонаты, выпадающие в форме твердых кристаллов из пересыщенного, раствора.

14.3.3. Для каждой воды существует зависящая от ее состава и температуры предельная карбонатная жесткость, при превышении которой карбонатные соли выпадают из раствора. Значения предельной карбонатной жесткости тем меньше, чем больше общее солесодержание воды. Поэтому при одном и том же значении карбонатной жесткости и той же температуре вода может не обладать склонностью к накипеобразованию в случае низкого общего солесодержания и обладать этой склонностью при высоком ее общем солесодержании. Значения предельной карбонатной жесткости воды данного состава определяются экспериментальным путем.

Предварительная оценка склонности воды к накипеобразованию может производиться по значению "индекса стабильности" Ризнара

I_R = 2pH_s – pH, (14.1)

где pH_s - число рН, соответствующее равновесному состоянию (насыщению) раствора углекислых соединений;

рН - действительное значение рН для данной воды.

Число pH_s определяется функциями температуры воды f₁(t), содержания в ней кальция f₂(Са⁺⁺), общей щелочности f₃(Щ_o) и общего солесодержания f₄(p) и подсчитывается по формуле

pH_s = f₁(t) - f₂(Са⁺⁺) - f₃(Щ_o) + f₄(p) + 8,05. (14.2)

Значения функций f₁, f₂, f₃, f₄ могут быть найдены на рис. 14.1.

При I_R = 7 вода нейтральная (равновесное состояние), при I_R < 7 - коррозионно-активная (кислая) и при I_R > 7 - склонная к образованию накипи (щелочная).

Следует, однако, иметь в виду, что I_R не является универсальным показателем, пригодным для любых вод, так как не отражает влияния всех примесей, которые могут содержаться в воде, на стабильность раствора бикарбонатов. Необходимо также учитывать, что состав подпиточной и циркуляционной воды не постоянен, а подвержен сезонным колебаниям.

При выборе методов борьбы с накипеобразованием, особенно при водах, существенно отличающихся по содержанию в них тех или иных примесей от состава достаточно хорошо изученных на практике вод, целесообразно проведение лабораторных исследований при условиях, приближающихся к натурным, в частности при наличии теплообмена и определенной его интенсивности, соответствующих значениях температуры воды и стенки труб и скорости воды.

Рис. 14.1. Номограмма для определения рН равновесного насыщения воды карбонатом кальция

14.3.4. Для предотвращения накипеобразования применяются следующие основные методы и их сочетания:

- продувка оборотной системы, ограничивающая степень упаривания в ней воды, а соответственно и максимальную карбонатную жесткость циркуляционной воды при данном составе подпиточной воды;

- понижение жесткости подпиточной воды и ограничение рН циркуляционной воды путем дозирования серной или соляной кислоты, при взаимодействии с которыми часть карбонатных солей переводится в хорошо растворимые сульфаты или хлориды и освобождается часть связанной двуокиси углерода, реже путем известкования и катионирования воды;

- стабилизация пересыщенного раствора карбонатных солей (повышение предельной карбонатной жесткости воды, при которой выпадающие из раствора карбонатные соли образуют накипь) путем дозирования поверхностно-активных веществ (фосфатов, акрилатов или др.), которые при незначительных их концентрациях, адсорбируясь на зародышах кристаллов, препятствуют их росту, агломерации и отложению на стенках трубок;

- обогащение воды, прошедшей через водоохладители (градирни, брызгальные установки), двуокисью углерода;

- осуществление циркуляции через трубки конденсатора шариков из эластичной губчатой резины (см. п. 14.2.6), удаляющих осаждающиеся на стенках, трубок кристаллы карбонатных солей (для очистки трубок от имеющейся на них накипи используются резиновые шарики с корундовым пояском).

Предложены кроме шариковой очистки, другие методы безреагентной борьбы с накипеобразованием (магнитная обработка воды, воздействие ультразвуком и др.), но они не апробированы, и вопрос об их эффективности остается пока на стадии изучения.

14.3.5. Продувка оборотных систем водоснабжения с градирнями и брызгальными установками происходит частично в результате уноса капельной влаги из водоохладителя потоком воздуха, но в основном она осуществляется путем слива из системы части циркуляционной воды с повышенной карбонатной жесткостью Ж_ц и замены еe свежей подпиточной водой с меньшей жесткостью Ж_д.

Значение Ж_ц при отсутствии продувки составляет

Ж_ц = Ж, (14.3)

где  - степень упаривания воды в системе.

При предельной карбонатной жесткости (мг-экв/л) циркуляционной воды размер непрерывной продувки (слива воды из системы) определяется из уравнения

, (14.4)

где р₁, р₂, р₃ - потери воды соответственно на испарение, унос и продувку, в доли единицы или %.

Значение следует определять по экспериментальным данным, подученным при близких к рассматриваемым условиям на действующих установках, а при отсутствии таких данных - на экспериментальном контуре с оборотным охлаждением воды. Иногда применяется упрощенный метод определения , заключающийся в определении карбонатной жесткости исследуемой воды после встряхивания ее с CaCO₃ или пропускания через фильтр с мраморной крошкой и достижения насыщения раствора CaCO₃.

Если жесткость подпиточной воды Ж_д относительно велика и поддержание карбонатной жесткости циркуляционной воды на допустимом уровне требует слишком большой продувки, последняя может быть уменьшена путем обработки воды, приводящей к понижению Ж_ц (см. п. 14.3.7) или увеличению (см. п. 14.3.8).

14.3.6. При водохранилищах-охладителях непрерывная продувка в указанной выше форме не осуществляется, хотя в проточных водохранилищах, созданных запруживанием рек, происходит некоторый водообмен. Основным средством борьбы с накипеобразованием при охлаждении воды в таких водохранилищах, а также в непроточных водохранилищах (в том числе наливных), подпитываемое водой из рек, является смена в них воды в период весенних паводков, когда часть минерализованной воды сбрасывается перед половодьем из водохранилища и заменяется паводковыми водами, имеющими малое солесодержание. Это позволяет при благоприятных условиях избежать образования накипи в конденсаторах на протяжении всего года. При определении количества заменяемой воды необходимо исходить из прогноза сезонного изменения минерализации воды в водохранилище и предельной карбонатной жесткости циркуляционной воды.

Объем сбрасываемой минерализованной воды не должен превосходить обеспеченный объем воды, который может быть восполнен за счет притока паводковых вод и подан из внешнего источника для заполнения водохранилища до НПУ. Уровень воды в водохранилище не должен опускаться в период сброса минерализованной воды ниже минимальной отметки, обеспечивающей возможность работы циркуляционных насосов.

14.3.7. Для понижения карбонатной жесткости щелочной воды ее нейтрализации ("подкисления") - применяется обычно серная кислота, что по экономическим и эксплуатационным соображениям предпочтительнее применения соляной кислоты.

В сравнительно редких случаях, например при работе системы на морской воде, обработка ее серной кислотой может повлечь за собой увеличение концентрации в воде сульфата кальция до значений, при которых возможно выпадение из раствора гипса. Образование гипсовой накипи может быть предотвращено путем соответствующей продувки системы и полностью исключено при нейтрализации воды соляной кислотой. Для предохранения бетонных и железобетонных элементов системы (градирен, бассейнов) от разрушения сульфатом кальция может оказаться необходимым поддержание концентрации последнего в воде на уровне, более низком, чем тот, при котором начинается выпадение гипса.

Нейтрализация воды кислотой применяется в системах с градирнями и брызгальными, бассейнами, причем предварительно подготовленный раствор кислоты может подаваться или в подпиточную, что предпочтительно, или в циркуляционную воду. В обоих случаях требуемая доза кислоты определяется начальной жесткостью Ж_д и заданной остаточной карбонатной жесткостью Ж_о подпиточной воды. Эта доза (г/м³), определяется по формуле:

, (14.5)

где g_э - удельный расход 100%-ной кислоты (г/м³ воды), необходимый для понижения карбонатной жесткости воды на 1 мг-экв/л;

K - относительное содержание кислоты в техническом продукте.

Для серной кислоты g_э = 49,0, для соляной - 36,4 г/м³.

Содержание H₂SO₄ в купоросном масле 0,925, в башенной кислоте 0,75.

Значение Ж_о принимается не менее 1,5 мг-экв/л при использовании подземных вод и 2-2,5 мг-экв/л при использовании поверхностных вод. Эти значения Ж_о предохраняют систему от попадания в нее свободной кислоты, вызывающей коррозию насосов и других металлических элементов системы.

14.3.8. Метод стабилизации карбонатной жесткости воды на более высоком уровне также используется в оборотных системах с градирнями и брызгальными бассейнами. Для этой цели применяются неорганические полифосфаты - гексаметафосфат и триполифосфат натрия, тринатрийфосфат и др. Требуемая дозировка фосфата зависит от солевого состава и температуры воды, причем существует предел перенасыщения раствора карбонатных солей, при превышении которого увеличение дозы фосфата не препятствует отложению накипи, которая, однако, оказывается при этом более рыхлой и легче удаляемой, чем при отсутствии фосфатирования.

При карбонатной жесткости подпиточной воды до 3 мг-экв/л, ее постоянной жесткости до 2 мг-экв/л и поддержании в циркуляционной воде концентрации 1,5-2,0 мг Р₂О₅/л безнакипный режим обеспечивается при карбонатной жесткости циркуляционной воды до Ж_ц = 44,5 мг-экв/л. В случае необходимости поддержание Ж_ц на указанном уровне может обеспечиваться продувкой системы. Степень упаривания воды в системе должна быть не более 1,6.

Поскольку присутствие в воде фосфатов благоприятствует развитию биологических обрастаний конденсаторов и цветению воды в охлаждающих устройствах, фосфатирование воды, как правило, нецелесообразно сочетать с ее хлорированием.

В последнее время в СССР и за рубежом установлено, что более эффективными реагентами для стабилизации карбонатной жесткости воды являются фосфороорганические соединения и поликрилаты. Опыт применения на ТЭЦ с градирнями оксидоэтиладендифосфоновой кислоты (ОЭДФ) привел при поддержании в циркуляционной воде концентрации ОЭДФ 0,7-1,0 мг/л к повышению стабильной жесткости воды Ж_ц до 5-6,5 мг-экв/л против 4,5 мг-экв/л при применении фосфатов и позволил уменьшить продувку системы примерно в 3 раза. Кислота ОЭДФ малотоксична и по действующим временным нормам в воде, используемой для хозяйственно-бытовых и питьевых целей, допускается концентрация ее до 2 мг/л.

Требуемая при фосфатировании доза реагента определяется для различных вод опытным путем. Количество вводимого реагента с учетом убыли его в связи с образованием труднорастворимых соединений (например, ортофосфата кальция при применении неорганических полифосфатов) может быть ориентировочно определено по формуле (мг/л)

, (14.6)

где С - заданная концентрация Р₂О₅ или другого реагента в циркуляционной воде, мг/л;

А - размерная постоянная, составляющая 0,2-0,4 при градирне и 0,04-0,08 л/(мгч) при брызгальном бассейне;

U - вместимость системы охлаждения, м³;

G_g = W(P₁ + Р₂ + Р₃) - расход подпиточной воды (W – расход циркуляционной воды), м³/ч;

K - относительное содержание реагента в техническом продукте.

Значение K (содержание Р₂О₅) составляет для гексаметафосфата натрия 0,50-0,52, тринатрийфосфата 0,17-0,18, суперфосфата 0,16-0,18.

14.3.8. При подпиточной воде, имеющей карбонатную жесткость, близкую к предельной карбонатной жесткости охлаждающей воды при фосфатировании, и высокую некарбонатную жесткость, фосфатирование может оказаться недостаточным для предотвращения образования накипи в конденсаторе. В таких случаях может оказаться целесообразным сочетание фосфатирования с предварительным подкислением добавочной воды. Это позволяет сократить расход серной кислоты на подкисление и ограничить размер продувки системы примерно до 1-1,5% расхода циркуляционной воды.

14.3.9. Рекарбонизация циркуляционной воды с использованием уходящих из паровых котлов дымовых газов для насыщения воды содержащейся в газах двуокисью углерода устраняет потребность в получении со стороны реагентов для химической обработки воды, что особенно существенно для оборотных систем водоснабжения с водохранилищами-охладителями. Она требует, однако, сооружения и эксплуатации ряда устройств для подачи и очистки значительного количества дымовых газов, содержащих золу и агрессивные примеси.

Очистка отбираемых из газохода котла за дымососом газов от золы может осуществляться в циклоне, электрофильтре или абсорбере, подача очищенных газов для обработки добавочной или циркуляционной воды - вентилятором или водоструйным эжектором [23]. Вследствие возникших при эксплуатации установок для рекарбонизации воды трудностей поддержания требуемого режима обработки воды при колебаниях состава как газов, так и воды уточной дозировки газов, предотвращения коррозии оборудования при передозировке двуокиси углерода и др.) этот метод обработки охлаждающей воды не получил распространения на электростанциях.