8.4. Водно-химический режим
8.4.1. Задачи водно-химического режима
Водно-химический режим (ВХР) должен обеспечить работу котлов и питательных трубопроводов без повреждений их элементов вследствие отложений накипи и шлама или в результате коррозии металла, в частности, из-за повышения щелочности котловой воды до окисного предела.
ВХР должен способствовать безопасной, надежной и экономичной эксплуатации тепломеханического оборудования и потребителей пара. При этом средствами ВХР следует подавить образование отложений и накипеобразований; уменьшить образования шлама; подавить коррозию; обеспечить потребительские свойства пара.
8.4.2. Нормы качества питательной, котловой
и добавочной воды
Надежность работы котельных агрегатов и питательных трубопроводов во многом зависит от качества питательной, котловой и добавочной воды. Качество этих вод регламентируется правилами технической эксплуатации электрических станций (ПТЭ) (для ТЭЦ и промышленных котельных, входящих в энергосистемы [14]) и правилами устройств и безопасной эксплуатации котлов ПУ БЭК (для ТЭЦ и промышленных котельных, не входящих в энергосистемы). В табл. 8.10 представлено качество питательной воды для паровых котлов различных параметров.
Максимальное солесодержание котловой воды принимается на основании инструкции предприятия-изготовителя. При этом для паровых котлов давлением до 4 МПа включительно, имеющих заклепочные соединения, относительная щелочность котловой воды не должна пре-
вышать 20 %. Для котлов со сварными барабанами и креплением труб методом вальцовки относительная щелочность допускается до 50 %, для котлов со сварными барабанами и приварными трубами относительная щелочность котловой воды не нормируется.
Качество добавочной воды не должно ухудшать качество питательной воды.
Основными показателями качества питательной, котловой и добавочной воды являются: прозрачность, общее солесодержание, общая щелочность и щелочность по фенолфталеину, относительная щелочность, значение pH и содержание растворенного кислорода в воде.
Прозрачность воды характеризуется содержанием в ней взвешенных примесей, выражается в сантиметрах и может быть определена с помощью методов шрифта и креста. Взвешенные вещества удаляются при отстаивании и механическом фильтровании.
Общее солесодержание (с/с) выражается в мг/дм3 и характеризует общее количество растворенных в анализируемой воде веществ. Солесодержание определяется по массе сухого остатка после выпаривания анализируемой пробы при температуре 105 °С.
Общая жесткость
(Ж0)
воды определяется суммарным содержанием
в ней соединений кальция (кальциевая
жесткость) и соединений магния (магниевая
жесткость), выраженным в ммоль/дм3.
Часть Жо,
эквивалентная концентрации бикарбонат-ионов
(
),
называется карбонатной жесткостью
(Жк).
Разность между общей и карбонатной
жесткостью называется некарбонатной
жесткостью (Жнк).
Общей щелочностью воды (Що) называется выраженная в ммоль/дм3 суммарная концентрация анионов слабых кислот и гидроксильных ионов за вычетом концентрации ионов водорода:
(8.19)
Экспериментально
щелочность определяют титрованием
пробы воды кислотой в присутствии
кислотно-щелочных индикаторов, меняющих
свою окраску при
-
щелочность по фенолфталеину (Щфф)
и при
-
общая щелочность. Зная Щфф
и Щ0,
легко определить щелочность гидратную,
бикарбонатную и карбонатную.
Относительная щелочность котловой воды (Щотн) выражается в % и может быть определена по формуле
(8.20)
Значение pH характеризует реакцию воды (рН< 7 кислая, щелочная рН>, нейтральная рН=7). По определению pH – это отрицательный логарифм активной концентрации ионов водорода:
.
(8.21)
Растворимость в воде газов, в частности кислорода, выражается в мг/дм3 и зависит от физических свойств, температуры и парциального давления кислорода.
8.4.3. Влияние накипи и отложений на работу
Оборудования
Одной из основных функций тепломеханического оборудования является нагрев или охлаждение воды, т.е. передача тепла, полученного при сжигании топлива или при утилизации тепла технологических потоков. Накипь и отложения (в дальнейшем отложения) затрудняют теплопередачу. По этой причине уменьшается полезный тепловой поток; растут тепловые потери и снижается тепловая экономичность оборудования; растет температура теплопередающих стенок; уменьшается их механическая прочность, вследствие чего становится возможным разрушение стенок из-за отдулин и свищей.
Например, температура середины стенки котельной трубы парового котла может быть определена по уравнению теплопередачи :
,
(8.22)
где tкип – температура кипящей котловой воды, °С;
q – плотность теплового потока, Вт/м2;
a2 – коэффициент теплоотдачи к кипящей воде, Вт/(м2×оС);
dотл – толщина отложений внутри экранной трубы, м;
lотл – коэффициент теплопроводности внутренних отложений, Вт/(м×°С);
lст – коэффициент теплопроводности материала стенки трубы, Вт/(м×°С);
dст – толщина стенки трубы, м.
Из уравнения (5.4) видно, что температура стенки возрастает при увеличении плотности теплового потока; температуры кипящей воды (эта температура растет при увеличении давления в котле); толщины отложений и стенки.
Температура стенки увеличивается при уменьшении коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи. Опасному перегреву стенок труб способствуют местные (локальные) высокие тепловые потоки в районе горелок, отложения карбоната кальция, силикатов, промасленные накипи, вялая циркуляция воды в трубах.
Отложения карбоната кальция тормозят внутреннюю коррозию, но усиливают наружную газовую за счет увеличения температуры стенки. Отложения оксидов металлов ускоряют как наружную, так и внутреннюю (ракушечную) коррозию.
Отложения шлама приводят к вторичной накипи и подшламовой коррозии. Наиболее опасны отложения соединений меди, стимулирующие гальванокоррозию.
Полезный полный тепловой поток, Вт, определяется уравнением
Q = H× К× Dt . (8.23)
Здесь Н – площадь теплопередающей поверхности, м2;
Dt – среднелогарифмическая разность температур теплоносителя и нагреваемой среды;
K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×°С),
, (8.24)
где a1 – коэффициент теплоотдачи к стенке снаружи, Вт/(м2×°С).
Из уравнения видно, что отложения уменьшают коэффициент теплопередачи и величину полезного теплового потока Q. При этом уменьшаются КПД и тепловая экономичность оборудования:
.
(8.25)
где Qполн – полный тепловой поток, Вт.
Отложения увеличивают гидравлическое сопротивление труб, уменьшают тем самым скорость циркуляции кипящей воды в них и ухудшают охлаждение этих труб.
Отложения увеличивают гидравлическое сопротивление теплообменников, вызывая перерасход электроэнергии на прокачку через них воды.
Ненадежное оборудование не является безопасным. При разрыве трубы может пострадать человек. Потери воды вследствие аварий требуют восполнения химочищенной водой. Получение такой воды сопровождается сбросом загрязненных регенерационных вод, т.е. экологическим ущербом.
Отложения периодически удаляются при механических или химических очистках оборудования. Сброс отмывочных вод обусловливает дополнительный экологический ущерб.
Основным накипеобразователем в паровых котлах при их нормальной эксплуатации являются соединения железа. Влияние основных факторов на загрязненность поверхности нагрева железоокисными накипями описывается формулой
,
(8.26)
где K – эмпирическая постоянная;
CFe – содержание продуктов коррозии в воде;
q – плотность теплового потока, Вт.
Из формулы видно, что для уменьшения железоокисного накипеобразования необходимо обеспечить чистоту питательной и котловой воды, подавить коррозию внутренних поверхностей труб, ограничить локальные тепловые потоки.
При нарушении норм качества питательной воды по жесткости основным накипеобразователем становится карбонат кальция. Скорость накипеобразования в этих условиях значительно выше.