Водоподготовка и водосолевые режимы энергетических установок

Содержание

 

  Введение

  Натрий-катионирование

  Деаэрация

  Комплексная  обработка воды

  Заключение

  Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В теплоэнергетике основным теплоносителем является вода и образующийся из нее пар.

Содержащиеся в воде примеси, попадающие в паровой котел с питательной водой, а в водогрейный – с сетевой, образуют на поверхности теплообмена низкотеплопроводные отложения и накипь, которые теплоизолируют поверхность изнутри, а так же вызывают коррозию. Процессы коррозии в свою очередь являются дополнительным источником поступления примесей в воду.

В результате растет термическое сопротивление стенки, снижается теплопередача, а, следовательно, повышается температура уходящих газов, что ведет к уменьшению КПД котла и перерасходу топлива. При чрезмерных повышениях температуры металла труб уменьшается их прочность, вплоть до создания аварийной ситуации.

При низких и средних давлениях  в барабанных котлах примеси попадают в пар только вследствие уноса  капелек котловой воды, т. е. если недостаточно эффективна осушка аппарата. При высоких  давлениях примеси начинают растворяться в паре и тем интенсивнее, чем  выше давление, и, в первую очередь, кремниевая кислота.

Поэтому с ростом давления значительно  повышаются требования к качеству питательной  и добавочной воды. Требования к  надежности водного режима сформулированы в виде норм водного режима в правилах технической эксплуатации электрических  станций и сетей (ПТЭ) и в правилах устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов.

Наличие отложений вызывает необходимость очистки оборудования, а это трудоемкая и дорогостоящая операция. Таким образом, обработка воды является необходимым атрибутом любой котельной. Чистота воды и пара в отдельных агрегатах и частях трактов котельной, объединяемая общим понятием водного режима котельной, оказывает существенное влияние на экономичность и надежность ее работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Натрий-катионирование

Натрий-катионитовый метод применяют для умягчения воды с содержанием взвеси не более 8 мг/л и цветностью не более 30 град. Жесткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05... 0,1, при двухступенчатом — до Ф,01 мг-экв/л. Процесс Na-катионирования описывается следующими реакциями обмена:

 

 

где [K] — нерастворимая матрица полимера.

После истощения рабочей обменной емкости катионита он теряет способность  умягчать воду и его необходимо регенерировать. Процесс умягчения воды на катионитовых фильтрах слагается из следующих последовательных операций: фильтрование воды через слой катионита до момента достижения предельно допускаемой жесткости в фильтрате (скорость фильтрования в пределах 10... 25 м/ч); взрыхление слоя катионита восходящим потоком умягченной воды, отработанного регенерата или отмывных вод (интенсивность потока 3 ... 4 л/(с*м2); спуска водяной подушки во избежание разбавления регенерирующего раствора; регенерации катионита посредством фильтрования соответствующего раствора (скорость фильтрования 3... 5 м/ч); отмывки катионита неумягченной водой (скорость фильтрования 8 ... 10 м/ч). На регенерацию обычно затрачивают около 2 ч, из них на взрыхление — 10... 15, на фильтрование регенерирующего раствора — 25 ... 40, на отмывку — 30 ... 60 мин.

Выбор метода катионирования диктуется требованиями, предъявляемыми к умягченной воде, свойствами исходной воды и технико-экономическими соображениями. Наиболее простой является схема одноступенчатой Na-катионитовой установки. Вода, пройдя Na-кэтионитовые фильтры, отводится в сборный бак, откуда насосом подается потребителю. При работе по этой схеме отсутствуют вода и растворы с кислой реакцией, отпадает необходимость в применении кислотостойкой арматуры труб и защитных покрытий фильтров.

 

Схема одноступенчатого натрий-катионирования воды.

1,7 — подача исходной  и отвод умягченной воды; 2 —  натрий- катионитовый фильтр; 3 — бак с раствором поваренной соли; 4 — бак с частично умягченной водой для взрыхления катионита; 5 — резервуар умягченной воды; 6 — насос

 

Регенерация Na-катионита достигается фильтрованием через него со скоростью 3... 4 м/ч хлористого натрия концентрацией 5... 8%. При жесткости умягченной воды до 0,2 мг-экв/л принимают концентрацию соли 5%, при жесткости менее 0,05 мг-экв/л предусматривают ступенчатую регенерацию: сначала 5%-ным раствором NaCl в количестве 1,2 м3 раствора на 1 м3 катионита, затем остальным количеством соли в виде 8%-ного раствора.

Процесс регенерации описывается  следующей реакцией:

 

 

Поваренную соль применяют для  регенерации из-за ее доступности, дешевизны, а также вследствие того, что получают при этом хорошо растворимые соли СаС12 и MgCl2, легко удаляемые с регенерационным раствором и отмывочной водой.

Расход соли р на одну регенерацию Na-катионитового фильтра первой ступени находят из выражения

 

 

где а — площадь фильтра, м2; hK — высота слоя катионита в фильтре, м; epNa — рабочая обменная емкость катионита при Na-катионировании; а — удельный расход соли на 1 г-экв рабочей обменной емкости катионита (для фильтров I ступени в двухступенчатой схеме 120... 150, а в одноступенчатой а=150... 200 г/г-экв, удельный расход соли на фильтрах II ступени 300 ...400 г/г-экв).

При фильтровании раствора поваренной соли сверху вниз при регенерации  полный обмен ионов натрия на содержащиеся в катионите Са2+ и Mg2+ происходит в верхних слоях ионообменника, при этом в фильтре возрастает концентрация вытесненных из катионита Са2+ и Mg2+ и снижается концентрация ионов натрия. Возрастание концентрации противоионов (в рассматриваемом случае Ca(II) и Mg(II) в регенерационном растворе подавляет диссоциацию истощенного катионита и ослабляет процесс ионного обмена. Образующийся при этом противоионный эффект тормозит регенерацию, в результате чего по мере продвижения регенерационного раствора в нижние слои катионита их регенерация происходит не полно, и некоторое количество катионов Ca(II) и Mg(II) остаются невытесненными из нижних слоев катионита. Устранение этого недостатка возможно пропуском через катионит свежих порций раствора реагента. Однако, это увеличивает удельный расход поваренной соли и повышает стоимость обработки воды. На практике ограничиваются однократным пропуском соли при жесткости умягченной воды до 0,20 мг-экв/л или двукратным — при жесткости ниже 0,05 мг-экв/л. По аналогии, при фильтровании умягчаемой воды сверху вниз также возникает противоионный эффект, снижающий глубину умягчения воды, при этом противоионами являются катионы натрия. Этот недостаток устраняется путем подачи регенерационного раствора и умягчаемой воды в разных направлениях, последняя, фильтруясь снизу вверх при выходе из фильтра, соприкасается с наиболее полно отрегенерированными слоями катионита, благодаря чему обеспечивается более глубокое умягчение воды. Такой метод умягчения воды называется методом противоточного катионирования. При этом значительно снижается расход реагентов на регенерацию катионита без уменьшения глубины умягчения.

На рис. показан фильтр противоточного катионирования.

Схема одноступенчатого Na-катионирования имеет недостатки, лимитирующие ее применение: невозможность глубокого умягчения воды (до 0,01 ... 0,02 мг-экв/л); высокий удельный расход соли на регенерацию; неполное использование емкости поглощения катионита.

Более глубокого умягчения воды, экономии соли и увеличения фильтроцикла достигают двухступенчатым Nа-катионированием (рис. 20.14). В этом случае в фильтрах 1 ступени вода подвергается умягчению до остаточной жесткости 0,1 ...0,20 мг-экв/л при обычной скорости фильтрования 15 ... 25 м/ч. Затем умягченная вода передается на натрий-катионитовые фильтры II ступени, где жесткость предварительно умягченной воды снижается до 0,02... 0,01 мг-экв/л. Так как количество солей жесткости, поступающих на фильтры II ступени незначительно, скорость фильтрования принимают до 40 м/ч, а высоту слоя катионита 1,5 м. Фильтры II ступени создают своего рода барьер, препятствующий проскоку удаляемых катионов при случайных отклонениях в работе фильтров первой ступени. Поэтому натрий-катионитовые фильтры второй ступени называют барьерными.

 

 Противоточный катионитовый фильтр

1,2 — ввод исходной  и отвод умягченной воды; 3, 10 —  подача регенерационного раствора  и сброс отмывочной воды; 4 —  воздушник; 5 — люк; 6 — реагентораспределитель; 7, 9 — дренажная и распределительная колпачковая система; 8 — слой катионита

 

При их наличии упрощается эксплуатация установки, поскольку катионитовые фильтры первой ступени отключаются на регенерацию не по проскоку катионов солей жесткости, требующему тщательного контроля жесткости фильтрата, а по количеству воды, прошедшей через них. Некоторое повышение количества солей жесткости после фильтров первой ступени неопасно, так как они будут задержаны барьерными фильтрами. Емкость поглощения на фильтрах и сроки их полезной работы при двухступенчатом катионировании увеличиваются. Так как фильтры второй ступени несут небольшую нагрузку по умягчению воды, продолжительность межрегенерационной их работы достигает 200 ч.

 

 Схема двухступенчатого натрий-катионитового умугчения воды

1,9— подача исходной  и отвод умягченной воды; 2, 6 —  натрий-катионитовые фильтры I и II ступени; 3, 5 — баки с раствором соли для регенерации фильтров I и II ступени; 4 — бак с водой для взрыхления загрузки фильтров; 7 — резервуар умягченной воды; 8 — насос

 

Катионит после регенерации  фильтров первой ступени отмывают неумягченной водой до тех пор, пока содержание хлоридов в фильтрате не станет примерно равным содержанию их в отмывочной воде. Половину отмывочной воды направляют в водостоки, а вторую половину в баки для использования при взрыхлении катионита или для приготовления регенерационного раствора. Удельный расход воды на отмывку принимают равным 4... 5 м3/м3 катионита. Катионит в фильтрах второй ступени отмывают фильтратом первой ступени. Удельный расход соли принимают 300 ... 400 г/г-экв задержанных катионов жесткости.

 

 

Примечания: 1. В скобках  даны скорости фильтрования при загрузке мелким катионитом с крупностью зерен 0,3—0,8 мм.

1. Допускается кратковременное увеличение скорости на 10 м/ч по сравнению с указанными при выключении фильтра на регенерацию (максимально допустимая скорость). Скорость фильтрования менее 5 м/ч не допускается из-за возможного резкого снижения обменной емкости катионита.

Вода на взрыхляющую промывку должна подаваться насосами из бака, объем  которого выбирается в зависимости  от диаметра и числа фильтров, подлежащих одновременной промывке; кроме того, этот объем должен обеспечивать одну дополнительную промывку сверх расчетной. Насос, подающий воду в промывочный бак, должен обеспечивать его наполнение за время, меньшее, чем интервалы между промывками фильтров.

Допускается взрыхляющая промывка из трубопровода осветленной воды, если расход на взрыхление не превышает 50% общего расхода фильтрата. Промывка может осуществляться из бака осветленной  воды, емкость которого должна предусматривать  расход воды на промывку и дополнительную промывку сверх расчетного их числа. Скорости в трубопроводах, подающих и отводящих промывную воду, принимаются  равными 1,5—2 м/с. Должны быть исключены  возможность подсоса воздуха  промывочным трубопроводом, а также  подпор воды в отводящих трубопроводах.

2. Число регенераций каждого натрий — катионитного фильтра первой ступени в сутки принимается от одного до трех.
3. При производительности установки менее 20 м3/ч целесообразно при проектировании рассмотреть вариант промывки и регенерации только в дневную смену.

Объем катионита, м3, в фильтрах первой ступени

 

 

 

где Q — расход умягченной воды, м3/ч; Жи — общая жесткость исходной воды, г-экв/м3; epNa — рабочая обменная емкость катионита при натрий-катионировании, г-экв/м3; п— 1 ...3 — число регенераций каждого фильтра в сутки.

Рабочая обменная емкость катионита  при натрий-катионировании

 

 

где αэNа — коэффициент эффективности регенерации (зависит от удельного расхода соли на регенерацию); βNa — коэффициент, учитывающий снижение обменной емкости катионита по катионам Са(П) и Mg(II) вследствие частичного задержания катионов Na+; Еп — полная обменная емкость катионита, определяемая по паспортным данным; qy=4 ... 6 — удельный расход воды на отмывку катионита, м3/м3 .

Площадь катионитовых фильтров первой ступени

 

 

 

где hK — 2 ... 3 — высота слоя катионита в фильтре, м.

Скорость фильтрования воды на катионитовых фильтрах первой ступени принимают в зависимости от жесткости исходной воды

 

Общая жесткость воды, мг-экв/л . . . . до 5 5... 10 10...15

Скорость фильтрования, м/ч 25 15  10

Допускается кратковременное увеличение скорости фильтрования на 10 м/ч по сравнению  с указанными выше значениями при  выключении фильтров на регенерацию  или ремонт.

Количество катионитовых фильтров первой ступени принимают: рабочих — не менее 2, резервных — 1.

Потеря напора (м) в катнонитных фильтрах (включены потери в коммуникациях фильтра, в дренажной системе и катионите)

Примечание. В скобках даны потери иапора для мелкого катионита (зер- на крупностью 0,3—0,8 мм).

Деаэрация воды.

 

Заключительной стадией технологического процесса приготовления питательной  воды является деаэрация. Деаэрация  – это процесс удаления из воды растворенных в ней газов, а именно кислорода и диоксида углерода. Удаление газов из воды необходимо для уменьшения интенсивности коррозии внутренних поверхностей нагрева силового оборудования.

Известны несколько способов деаэрации  воды: термический, химический, электромагнитный, высокочастотный и ультразвуковой. Наибольшее распространение в паровых и водогрейных котельных получил термический способ.

Растворимость идеальных газов  в воде определяется законом Генри: при постоянной температуре и  невысоком давлении растворимость  газа в данной жидкости прямопропорциональна парциальному давлению данного газа над водой.

Превышение температуры до температуры  насыщения при данном давлении снижает  до нуля парциальные давления газов  над водой, а следовательно и растворимость газов в воде снижается до нуля. Вследствие нарушения равновесия в системе происходит выделение газов из воды (физическая десорбция).

Кроме того увеличение температуры  воды способствует росту интенсивности  диффузии молекул газа, что облегчает  их выход в паровую фазу. На этом и основывается процесс термической  деаэрации.

Аппараты, в которых осуществляется термическая деаэрация называются термическими деаэраторами. Нагрев воды в них осуществляется паром. Необходимо, чтобы вода непрерывно контактировала с новыми порциями пара при максимальной площади соприкосновения. Этим объясняется их конструкция и принцип работы.

Существует несколько типов  термических деаэраторов, но в паровых  котельных применяются в основном смешивающие деаэраторы атмосферного типа низкого избыточного давления. В таком деаэраторе струйки воды движутся вниз навстречу поступающему из парораспределительной камеры пару, и, соприкасаясь с ним, нагреваются до температуры кипения, в результате чего из воды выделяется растворенный в ней воздух. В ДСА поддерживается давление 0,12 МПа, а вода нагревается до 104 ⁰С, т.е. до температуры кипения при этом давлении. Испарившаяся вода и воздух через штуцер направляются в теплообменник для подогрева воды, поступающей в деаэратор. Номинальная производительность таких деаэраторов 25-300 т/ч.

В котельных  с водогрейными котлами, где нет  пара, используются вакуумные деаэраторы, в которых поддерживается давление около 0,03 МПа при температуре  кипения около 69 ⁰С. Такое разрежение создается при помощи водоструйного эжектора.

Деаэратор располагается после  фильтров, перед питательным насосом.

Причем деаэратор должен располагаться  выше питательного насоса, чтобы создать  антикавитационный запас высоты. При давлении в деаэраторе до 0.12 МПа высота установки деаэратора над питательным насосом принимается равной 6 м, при 0.35 МПа – 9 м и при 0.6 МПа – 12 м и более.

При необходимости проводится удаление свободной углекислоты методом  аэрации, при этом используют декарбонизатор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Комплексная обработка воды.

           Химводоподготовка для котельных подразумевает под собой комплексную обработку воды, поступающей в водогрейные и паровые котлы, специальными химическими реагентами с целью снижения жесткости воды и ее очищения от вредных примесей. Химводоподготовка для котельных различного типа обеспечивает сохранение работоспособности всех систем котельной. Главная задача химводоподготовки для котельных - предотвратить коррозию и защитить нагревательные элементы от образования накипи.

        Таким образом, основным и обязательным элементом водоподготовки для котельных: будь то водогрейные или паровые установки, является процесс умягчения воды, который осуществляется с помощью специальных установок непрерывного действия. Подобные установки также используют на промышленных предприятиях с непрерывным производственным циклом.

        Умягчение воды позволяет не только предотвратить образование твердых солевых отложений на внутренних поверхностях котлов, труб и нагревательных элементов, но и способствует экономному потреблению различных моющих средств. Практика показывает, что комплексная химводоподготовка для котельных снижает жесткость воды до 0,07-1 мг. экв/л (воду с таким показателям жесткости используют на текстильном, бумажном, химическом производствах), в некоторых случаях, например, для питания котлов среднего и низкого давления, в которых допускается использование воды с показателем жесткости не более 0,3 мг. экв/л, требуется двухступенчатая обработка воды, после которой показатель жесткости не превышает 0,01-0,02 мг. экв/л.

     Как правило, умягчающие воду установки и фильтры умягчители, используемые для химводоподготовки для котельных, представляют собой конструкцию из двух фильтров, параллельно скрепленных между собой. Сами фильтры – выполненные из стеклопластика корпуса, которые имеют ламинированную полиэтиленом внутреннюю поверхность. Другими обязательными элементами установки для химводоподготовки в котельных являются два автоматических управляющих клапана, фильтрующая среда, дренажно-распределительная система и баки, в которых приготавливается раствор реагентов.

      Существуют множество моделей фильтров непрерывного действия, применяемых в системах химводоподготовки для котельных, но все они работают по одной из трех схем: Twin Alternating, Twin Parallel (Duplex) и Triplex.

       Первая из схем работает следующим образом: два фильтра включены параллельно, однако, только один из них работает в режиме фильтрации, другой же может быть либо в состоянии регенерации, либо ожидания. Когда цикл фильтрации завершается, фильтры меняются ролями и следующий цикл фильтрации осуществляется уже тем фильтром, который был в режиме ожидания или регенерации. Установки с подобными системами химводоподготовки для котельных используются, прежде всего, там, где необходимо постоянно поддерживать заданную изначально производительность.

       Вторая из названных схем подразумевает одновременную работу двух параллельно включенных фильтров в режиме фильтрации. Такая система водоочистки и водоподготовки отличается двойной производительностью. Однако фильтры также нуждаются в периодической регенерации, которая происходит по очереди и мере надобности. Соответственно, в какой-то момент на определенный временной период в режиме фильтрации будет находиться только один фильтр, в результате чего производительность установки резко падает.

     Схема Triplex представляет собой усовершенствованию схему Twin Parallel: к двум параллельно включенным фильтрам, работающим в режиме фильтрации, подсоединяется третий. Такая установка химводоподготовки для котельных отличается тройной производительностью в момент работы всех трех фильтров. В режим регенерации фильтры переключаются также поочередно. Таким образом, двойная производительность схемы Twin Parallel поддерживается непрерывно.

     Фильтрующая среда в установках для химводоподготовки для котельных может быть различной. Среди методов, применяемых для умягчения воды, наиболее распространенными являются: реагентный, при котором в воду вмешивают реагенты, вступающие в химические реакции с солевыми растворами, содержащимися в воде. В результате образуются малорастворимые кальциево-магниевые соединения, которые выпадают в осадок.

     Другой метод – катионитовый, основанный на свойствах некоторых веществ, заключается в том, чтобы обменивать свои катионы (это может быть натрий или водород) на катионы магния и кальция, которые содержаться в соли, растворенной в воде. В результате образуются натриевые соли, не передающие воде жесткость. Зачастую в процессе комплексной химводоподготовки для котельных используют комбинацию названных методов умягчения воды.

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Итак, для безаварийной и экономичной  работы котельных установок большое  значение имеет качество воды, которой  питаются котлы.

Выбор схемы водоподготовки и оборудования зависят от многих параметров. Правильно  обработанная вода обеспечит эффективность  и долговечность оборудования.

Размещено на Allbest.ru

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1.    Стерман Л.С. Физические и химические методы обработки воды на ТЭС-М.:Энергоатомиздат, 1991 .-328с.
2.    Лившиц О.В. Справочник по водоподготовке котельных установок.-М.: Энергия, 1976. -288с.
3. http://bwt.ru/useful-info/