Водные режимы тепловых сетей

Безнакипная и бесперебойная работа водогрейных котлов в той степени, в какой на нее влияет водно-химический режим, определяется качеством сетевой воды. В котел поступает как подпиточная вода, добавляемая для покрытия водоразбора и потерь в открытой системе или только потерь в закрытой системе, так и вода, возвращаемая от потребителей (вода обратной магистрали). Ухудшение качества сетевой воды в результате присосов сырой воды, не прошедшей противонакипную обработку, и поступления примесей, выносимых из местных отопительных приборов, оказывает отрицательное влияние на работу водогрейных котлов.

Водно-химический режим должен обеспечивать нормативные показатели качества подпиточной и сетевой воды, поддержание которых должно предотвратить накипе- и шламообразование, а также коррозионные повреждения в водогрейном оборудовании и по всему тракту тепловых сетей.

Нормы качества подпиточной воды служат руководящим материалом при выборе схем водоподготовки для каждой конкретной теплосети. Но если качество воды, добавляемой в теплосеть любого типа, определяется схемой установки водоподготовки и правильной ее эксплуатацией, то качество сетевой воды во многом зависит от работы теплофикационного оборудования и подогревателей, находящихся в ведении потребителей и службы теплосети. Иначе говоря, забота о поддержании водно-химического режима является не только задачей ТЭЦ и районных котельных, но тепловых сетей, обслуживающих теплотрассы и тепловые пункты. Кроме того, надежность водно-химического режима системы теплоснабжения обеспечивают режимы работы самих водогрейных котлов, предупреждающие появление пристенного кипения. Это гидравлические режимы, обеспечивающие поддержание максимального расхода воды при давлении большем 1,0 МПа, и налаженный топочный режим.

В практике теплоснабжения широкое распространение получили водяные системы открытого типа, имеющие обычно два вида тепловой нагрузки –отопление и горячее водоснабжение. Отличительная черта открытых систем состоит в том, что горячее водоснабжение абонентов осуществляется водой непосредственно из тепловой сети. Горячая вода поступает к потребителям с ТЭЦ или из районной котельной по прямому трубопроводу, а возвращается на станцию или в котельную по обратному трубопроводу. Расход сетевой воды из подающей линии теплосети равен сумме расходов воды на отопление и горячее водоснабжение. В качестве исходной воды, поступающей на приготовление добавочной воды теплосети с непосредственным водозабором, используется, как правило, водопроводная вода, соответствующая требованиям ГОСТ «Вода питьевая». Однако надежная и экономичная работа водогрейного оборудования может быть гарантирована не при любом химическом составе воды, разрешаемом названным стандартом. Дополнительная обработка воды перед нагреванием должна обеспечить выполнение указанных в Правилах технической эксплуатации (ПТЭ) норм. С другой стороны, эта дополнительная обработка не должна ухудшить органолептические и бактериологические ее показатели, а также показатели безвредности. Водно-химический режим должен быть подчинен основной задаче: нагреть воду до температуры, требуемой температурным графиком, не ухудшив органолептических и других санитарных показателей. При выборе рациональной схемы водоподготовки для данного типа теплосети в каждом конкретном случае учитывают химический состав исходной воды, нормативные показатели качества очищенной воды, подаваемой в теплосеть и способ присоединения системы горячего водоснабжения. Схема водоподготовки должна включать несколько стадий обработки воды: коагуляцию и осветление или обезжелезивание (первая стадия); противонакипную обработку (вторая стадия); деаэрацию (последняя стадия). Первая стадия очистки водопроводной воды должна осуществляться на ТЭЦ только в случае необходимости доведения исходной воды до качества, соответствующего ГОСТ «Вода питьевая», главным образом по органолептическим показателям (мутность, цветность, запах). Для этого обычно применяют методы коагуляции и осветления. При использовании артезианских вод необходимость в коагуляции и осветлении отпадает, а обязательной становится стадия обезжелезивания. Противонакипные мероприятия (вторая стадия) осуществляется теми или иными методами водоподготовки (умягчение с помощью подкисления, известкования, частичного Н- и Na-катионирования, и др.) практически во всех схемах кроме случая использования природной воды с жесткостью ниже норм ПТЭ. Применение органических фосфонатов (т.е. коррекционной обработки, заменяющей водоочистку) имеет ограничения по температуре воды на выходе из водогрейного котла, карбонатному индексу и значению рН. В схемах водоподготовки для тепловых сетей этого типа противонакипная обработка должна применяться в сочетании с деаэрацией для предотвращения коррозии оборудования и сетей, а, следовательно, и появления в воде железоокисных отложений. Деаэрация является обязательной последней стадией, наиболее целесообразно применение термическойдеаэрации, позволяющей сочетать надежное устранение агрессивных газов с обеззараживанием воды. Коррекционную обработку подпиточной воды щелочными реагентами для регулирования значений рН следует проводить в тех случаях, когда при налаженной работе ВПУ коррозионная активность воды не снижается. Основным корректирующим щелочным реагентом должен служить силикат натрия. В случаях невозможности его использования из-за накипеобразования следует применять гидроокись натрия.

Сетевая вода, циркулирующая в закрытых системах, не имеет непосредственного контакта с людьми, и поэтому нет необходимости соблюдать санитарные требования, в частности, по такому показателю, как рН. Это обстоятельство позволяет использовать для подпитки теплосети отмывочные воды анионитных фильтров и продувочную воду паровых котлов, т.е. чистые сточные воды с очень маленькой жесткостью. Применение вредных веществ (гидразина) для коррекционной обработки воды в этом случае не допускается. Для закрытых систем теплоснабжения, и особенно в тепловых схемах с применением водо-водяных теплообменников, должен быть установлен контроль поступления в теплосеть водопроводной (необработанной и недеаэрированной) воды в виде присосов. Основной схемой подготовки подпиточной воды для закрытых теплосетей, когда нужно снизить только карбонатную жесткость, следует считать известкование, совмещенное с коагуляцией. Эта схема применима для вод гидрокарбонатного класса. Когда исходная вода обладает высокой некарбонатной жесткостью, требуется проводить доумягчение воды. В подобных случаях схемами водоподготовки могут быть содоизвесткование и известкование с коагуляцией и последующим Na-катионированием. Традиционно используемые схемы умягчения методом Na-катионирования без предварительного снижения карбонатной жесткости становятся нецелесообразными из-за отсутствия экономически приемлемых способов уменьшения солесодержания сбросных вод и высокого расхода соли на регенерацию ионитных фильтров. Коррекционную обработку подпиточной воды щелочными реагентами для регулирования значений рН следует проводить аналогично, применение органических фосфонатов также имеет ограничения по температуре воды на выходе из водогрейного котла и карбонатному индексу.

Для централизованного горячего водоснабжения при закрытой системе теплоснабжения обработка воды должна предусматриваться в центральных тепловых пунктах в тех случаях, когда это требуется по коррозионным и накипеобразующим показателям водопроводной воды. Противонакипная и противокоррозионная обработка воды не требуется, если исходная водопроводная вода отвечает установленным нормам по следующим показателям: карбонатная жесткость, содержание железа и суммарное содержание сульфатов и хлоридов.

Оценка стабильности воды

Качественную оценку стабильности воды проводят аналитическим или расчетным способами. Аналитический способ основан на увеличении щелочности воды при взаимодействии агрессивной двуокиси углерода с карбонатом кальция (мрамором) по уравнению:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О↔Са(НСО₃)₂

Стабильность воды характеризуют результаты титрования двух проб раствором соляной кислоты с индикатором метиловым оранжевым до и после контакта воды с мрамором. Если щелочность воды после контакта не изменилась, вода стабильна.

Расчетный метод определения стабильности воды основан на вычислении водородного показателя рН_S, показывающего, какое значение водородного показателя (рН) имела бы вода при условии содержания только равновесной двуокиси углерода. Сравнивая вычисленное значение рН_S, со значением рН, найденным аналитически, определяют стабильность воды. При рН > рН_S - вода обладает свойством выделять карбонатные отложения, при рН < рН_S – вода агрессивна, а при рН = рН_S – вода стабильна.

В качестве количественной характеристики для ориентировочной оценки интенсивности образования карбонатных отложений используется индекс стабильности.Индекс стабильности рассчитывается для заданной температуры нагрева воды по формуле:

J = pH – pH_S ,

где рН – измеренное значение водородного показателя воды с поправкой на температуру ее нагрева; рН_S – водородный показатель равновесного насыщения воды карбонатом кальция при данной температуре, определяемый по формуле:

где , , , - величины, зависящие соответственно от температуры воды, содержания в ней ионов кальция, щелочности и общего солесодержания. Они определяются по номограмме на рисунке 5

Рисунок 5 Номограмма для определения рН_S

Для определения индекса стабильности нужно знать не только рН_S, но и рН исследуемой воды. Если индекс насыщения нужно рассчитать для нагретой воды, то в измеренное значение рН₂₅ должна вноситься поправка в соответствии с формулой:

рН ≈ рН₂₅ - ,

Поправки для температуры 50-100˚С приведены в таблице 2.

Таблица 2

рН₂₅	t˚C	Щ_о=0.5 мг-экв/дм³	Щ_о=1 мг-экв/дм³	Щ_о=2 мг-экв/дм³	Щ_о=3 - 4 мг-экв/дм³	Щ_о=6- 8 мг-экв/дм³

8,0-8,4		0,1-0,3	0,1-0,2	0,1-0,2	0,1-0,15	0,1-0,15
7,6-8,4		0,1-0,5	0,1-0,4	0,1-0,3	0,1-0,25	0,1-0,2
7.6-8,4		0,3-0,7	0,2-0,6	0,15-0,5	0,15-0,3	0,1-0,3
7,6-8,4		0,5-0,9	0,4-0,8	0,3-0,7	0,25-0,5	0,2-0,4
7,6-8,4		0,7-1,1	0,6-1,0	0,5-0,9	0,3-0,7	0,3-0,5
7,6-8,4		0,9-1,3	0,8-1,2	0,7-1,1	0,5-1,0	0,4-0,7

Многочисленными экспериментальными и промышленными испытаниями установлено, что воды, значение J которых находится в пределах 0 < J < 0,5 вызывают образование отложений в водо-водяных подогревателях со скоростью, не превышающей 0,2 г/(м^{2 .}ч).

Природные воды, характеризующиеся значением 1,0 > J ≥ 0,5 имеют интенсивность накипеобразования 0,5 г/(м^{2 .}ч). При использовании таких вод требуется проводить противонакипную обработку перед ее нагреванием. Природные воды с интенсивностью накипеобразования выше 0,5 г/(м^2.ч) характеризуются J > 1 и относятся к природным водам с высокой накипеобразующей способностью.

Использование индекса стабильности для оценки склонности природных вод к карбонатному накипеобразованию возможно только для конкретного диапазона температур нагрева воды (50-100˚С) и водо-водяных теплообменников. Для других видов теплообменников (паро-водяных) эти закономерности могут быть использованы в качестве ориентировочных. Для случая нагрева воды до 150˚С в водогрейных котлах они не предназначены.