А. А. Головин, генеральный директор, ООО НПГ «Новые отечественные технологии», О.А. Котюх, д.ф-м.н. А.Е. Резников, генеральный директор, ОАО НПО «Энергомодуль», г. Москва
Введение
Качество сетевой воды, применяемой для питания систем горячего водоснабжения (ГВС), в частности, водоводяных подогревателей по ГОСТ 27590-88, а также котлового оборудования, имеет исключительно важное значение для их безаварийной и экономичной работы.
В связи с тем, что для бытового ГВС водоподготовка (умягчение воды) не производится из санитарных и экономических соображений, а вода, поступающая от предприятий МУП «Водоканал», имеет природную жесткость, то на поверхностях нагрева водоводяных подогревателей, экранных трубках котельного оборудования и в тепловых сетях (ТС) выпадают твердые отложения (накипь и шлам). В результате этих процессов и происходит ухудшение параметров работы вышеуказанного оборудования: снижение напора воды в сетях ГВС из-за снижения пропускной способности трубок подогревателей; термоизоляция этих поверхностей и, как следствие, существенно возрастают энергозатраты на поддержание в норме требуемых выходных параметров (температура и давление) воды, выдаваемой потребителям.
В настоящее время в мире широко используются технологии обработки воды на основе известных акустических, кавитационно-струйных, магнитных, и других эффектов, методов контактной и бесконтактной электрохимической активации, следствием применения которых является некоторое снижение скорости образования накипи в водогрейном оборудовании и, как следствие этого, достижение определенных экономических результатов.
Недостатком вышеперечисленных способов повышения энергоэффективности, как правило, является выраженная избирательная направленность, воздействующая на отдельные параметры системы в ограниченных пределах, необходимость проведения периодического технического обслуживания, и, в подавляющем большинстве случаев, требование дополнительных энергозатрат для их работы.
На сегодняшний день открыт и запатентован способ бесконтактной активации воды на основе обработки ее сверхслабыми направленными электростатическими полями, создаваемыми пьезо-керамическими элементами со специально со-
заданными свойствами и структурой. Данный способ активации реализуется в устройстве нейтрализации накипи (УНН) (конструкция которого защищена патентом РФ на изобретение № 2220913 — прим. авт.) на основе активатора физико-химических процессов (АФХП) (защищен патентом РФ на полезную модель № 48975 — прим. авт.). Уже более 8 лет УНН используются в бойлерах и пластинчатых теплообменниках.
Конструкция УНН и его преимущества
Схема УНН представлена на рис. 1. УНН состоит из корпуса 1 с патрубками подвода 2 и отвода 3, устройства закручивания воды в виде плоской спирали 4. Имеется блок осаждения примесей, выполненный в виде системы коаксиальных труб 5, 6, 7 с чередующимися верхними 8 и нижними 9 и 10 заглушками межтрубного пространства соседних труб. Входы коаксиально установленных труб снабжены скосами 11 в направлении противоположном направлению вращения воды в межтрубном пространстве. АФХП 12, собранный на основе пьезокерамических элементов, является съемным блоком. Имеется также шламоотвод 13, предназначенный для выведения различных отложений. Для наглядности на рис. 2а представлены УНН в сборе, а на рис. 2б составные части УНН.
На рис. 3 показана принципиальная схема установки УНН в сеть для активации воды, идущей на нужды ГВС (водо-водяные теплообменники), а на рис. 4 показана схема включения УНН с АФХП на котельной.
УНН имеет целый ряд преимуществ, которые делают их эксплуатацию простой и эффективной, а именно:
□ отсутствуют кинематические узлы и электрические цепи питания;
□ простота монтажа и отсутствие необходимости технического обслуживания;
□ длительный срок эксплуатации без каких-либо дополнительных денежных затрат (бесперебойный срок службы блока активатора не менее 25 лет — прим. авт.);
D возможность применения совместно с другими способами водоподготовки (деаэрацией и химической очисткой) при повышении эффективности последних;
□ отсутствуют магнитные поля, которые могут оказывать влияние на результаты производства, связанного с нанотехнологиями.
Конструкция УНН разработана таким образом, что его установка не требует изменения проектной документации для котельных и тепловых пунктов и согласования в органах
Котлонадзора.
Об опыте использования УНН
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, а также промышленные испытания совместно со специалистами МГУ им. М.В. Ломоносова, МЭИ (ТУ), НПФ «РАСКО», ОАО «РКС» на базе ОАО «Тверские коммунальные системы» и др. показали эффективность УНН на базе АФХП и перспективность их применения в подготовке питьевой воды и воды, используемой в нуждах ЖКХ.
Приведем несколько примеров по применению УНН на теплоэнергетических объектах.
Пример 1. Защита водо-водяных теплообменников от накипеобразования. В 1998 г. перед одним из двух бойлеров ГВС жилого дома (г. Тверь, ул. Симеоновская, д. 30) по водопроводной воде был установлен УНН производительностью до 50 м3/ч. В соответствии с указанием Дирекции по теплоснабжению ОАО «РКС» 1 июля 2004 г. комиссией в составе представителей компании ОАО «Тверские коммунальные системы» (технический директор, главный инженер, начальник 2-го сетевого района, начальник лаборатории) производился осмотр трубной системы бойлеров ГВС, установленных в указанном выше жилом доме на чистоту внутренних поверхностей. В результате осмотра было выявлено, что в бойлере, перед которым был установлен УНН, следов отложений и ржавчины не было, трубные доски также были чистыми (рис. 5). Вскрытие и чистка этого бойлера не производилась с июня 1998 г. При вскрытии бойлера, в котором отсутствовал УНН, комиссией было установлено, что трубные системы загрязнены, причем отдельные до полной непроходимости, все трубки имели каменистые, спекшиеся отложения. Данный бойлер ранее заменялся на новый в 1999 г. и последняя профилактическая его чистка производилась перед отопительным сезоном 2003-2004 гг. В результате проведенного осмотра комиссия пришла к выводу, что УНН эффективно защищает поверхности нагрева водо-водяных подогревателей от накипи.
На рис. 6 показана трубная система аналогичного бойлера (фото сделано в мае 2005 г. —прим. авт.), расположенного на ул. Коминтерна, 43 (г. Тверь). Установка УНН производилась одновременно с установкой самого бойлера в мае 2000 г., за период эксплуатации профилактические работы не проводились.
Пример 2. Повышение эффективности работы котельного оборудования. Установка УНН производилась в сентябре 2004 г. на котельной пос. Мамулино (г. Тверь), в которой установлено 3 котла VAPOR-8 (Финляндия), топливо -природный газ (ПГ). За период испытаний с 20 сентября 2004 г. по 22 апреля 2005 г. было зафиксировано снижение удельного расхода топлива в среднем на 6,5%, повышение КПД с 90,13% до 96,4% (рис. 7). Также установка УНН проводилась в котельной «Школьная» Сыктывкарских тепловых сетей ОАО АЭК «Комиэнер-го» (г. Сыктывкар), в которой установлено 3 котла КВГ-2,5, топливо — ПГ, установленная мощность котельной — 6,3 Гкал/ч, присоединенная нагрузка — 5,5 Гкал/ч. За период испытаний с 2 ноября 2004 г. по 9 февраля 2005 г. зафиксировано снижение удельного расхода топлива на 6,06%, повышение КПД с 88,14% до 94,1%.
Пример 3. Защита котлов от накипеобразования. 5 декабря 2003 г. в котельной школы № 2 (ул. Машинистов, 22, г. Тверь) был установлен УНН на обратном трубопроводе перед тремя водогрейными котлами производительностью по 0,9 Гкал/ч каждый. Подпитка производится сырой водой до УНН. Обследования котельной после установки УНН производила комиссия в составе представителей Госгортехнадзора России, «Тверьгосэнергонадзора», Администрации Тверской области, ОАО «Тверские коммунальные системы», НПО «Твемос», ООО НПГ «Новые отечественные технологии». 10 декабря 2003 г. на котле № 1 была произведена вырезка экранной трубы длинной 85 см в самом напряженном месте и вместо нее вварена чистая труба. Вырезанный кусок трубы имел отложения солей толщиной 3,6 мм. 2 февраля 2004 г. на котле № 2 была произведена вырезка экранной трубы длиной 70 см, которая имела отложения солей толщиной 1,55 мм.
По окончании отопительного сезона 18 мая 2004 г. в присутствии всех членов комиссии была произведена контрольная вырезка экранных трубок, установленных в начале отопительного сезона (были чистыми) и соседних с ними (были с накипью) на котлах № 1 и № 2.
При осмотре контрольных вырезок было установлено следующее. Котел № 1 находился в работе после установки УНН — 61 сутки. Остальное время стоял на протоке сетевой (активированной) воды. Вырезка чистой контрольной экранной трубы, установленной 10 декабря 2003 г., имела
отложения толщиной 1 мм в самом напряженном месте. Вырезка соседней старой трубы имела отложение накипи толщиной 4,2 мм, по сравнению с вырезанной экранной трубой 10 декабря 2003 г. на 0,6 мм больше. Характер отложений несколько иной, чем образовавшийся ранее — имеет рыхлую структуру и достаточно легко отслаивается.
Котел № 2 находился в работе после 2 февраля 2004 г. в течение 84 суток. Остальное время стоял на протоке сетевой (активированной) воды. Вырезка чистой контрольной экранной трубы (труба № 8), установленной 2 февраля 2004 г., имела отложения толщиной до 0,1 мм в самом напряженном месте. Вырезка соседней старой трубы (труба № 7) имела отложение накипи толщиной 2,65 мм. По сравнению с вырезанной экранной трубой 2 февраля 2004 г. на 1,1 мм больше. Характер отложений аналогичен отложениям на котле № 1.
По результатам осмотра вырезок комиссия пришла к выводу, что налицо существенный эффект защиты УНН котлового оборудования от отложений (предотвращение образования накипи), особенно на чистых, не имеющих накипи трубках (пример котла № 2).
Комиссия также отметила, что конструкция УНН предусматривает наличие шламоотводителя (грязевого фильтра), что, кроме защиты собственно котла от образования отложений, не допускает (при растворении и смыве ранее образовавшихся отложений) засорения сетей и преждевременного выхода их из строя. Комиссией было решено провести повторный осмотр через некоторое время.
18 мая 2005 г. комиссией было проведено повторное вскрытие вышеупомянутых труб котла № 2 (трубы работали в одинаковых условиях, вырезки производилась на одной высоте —прим. авт.), в результате которого было установлено:
□ контрольная труба № 8 проработала целый год и имела тонкий рыхлый налет толщиной в пределах до 0,1 мм, накипь отсутствовала;
□ толщина слоя накипи на контрольной трубе № 7 уменьшилась на 0,5 мм по сравнению с толщиной слоя накипи в контрольной (2,65 мм), вырезанной 18 мая 2004 г., верхний слой накипи в трубе № 7 рыхлый, твердой закоксованности нет;
□ образования накипи и выпадения отложений в трубопроводах системы теплоснабжения не обнаружено.
В итоге комиссия отметила следующее.
1. УНН эффективно защищает поверхности нагрева котла от образования накипи, несмотря на то, что котельная работает без химводопод-готовки и подпитка сырой водой достигает 8 т в сутки.
2. Установлен факт отмывки старых закоксо-ванных отложений накипи и выведение их из системы через шламоотвод, входящий в состав устройства нейтрализации накипи.
3. Рекомендовать УНН к применению на котельных.
Вместо заключения
В результате опытной эксплуатации установлено, что использование УНН позволяет снизить расходы на эксплуатационное обслуживание и повысить эффективность работы котлового оборудования и водо-водяных теплообменников, обеспечить коррозионную стойкость внутренних поверхностей трубопроводов.
На практике установлено, что при использовании УНН бойлеры и пластинчатые теплообменники не нуждаются в профилактиках — химической промывке и механической очистке, что в денежном выражении составляет экономию от 20 до 150 тыс. руб. в год.
Также увеличивается межремонтный и эксплуатационный срок практически в 1,5-2 раза.
При эксплуатации УНН на ряде теплотехнических объектах в Москве, Московской и Тверской областях, в Республике Коми, установлено, что при размещении УНН на обратном трубопроводе котельных: удельный расход газа уменьшается на 6-7,2%; удельный расход электроэнергии на сетевых насосах снижается на 25-31% (на 10% для ТЭЦ). Экономия для котельной мощностью около 6 Гкал/ч за отопительный сезон в натуральных показателях составляет: природного газа -около 120 тыс. м3 в год; электроэнергии — более 150 тыс. кВт.ч в год (экономия в денежном выражении составляет свыше 300 тыс. руб. в год).
УНН целесообразно применять для обработки воды в следующих технологических процессах в сфере ЖКХ:
□ перед бойлерами системы ГВС для эксплуатации их в безнакипном режиме;
□ перед системами химической водоподготов-ки, что позволяет увеличить межрегенерацион-ный пробег ионообменных фильтров и предотвратить инкрустацию теплообменных поверхностей паровых котлов кристаллами солей жесткости;
□ перед водогрейными котлами с целью предотвращения накипеобразования на теплообменных поверхностях и теплосетях, даже при использовании сырой, не химочищенной воды.
В целом при использовании УНН:
□ удаляются образовавшиеся ранее отложения солей жесткости;
□ предотвращается образование новых отложений солей жесткости;
□ обеспечивается безостановочная работа оборудования (не требуются остановки для механической очистки и химических промывок в течение длительного времени эксплуатации);
□ продлевается срок службы и межремонтного периода оборудования за счет исключения использования на промывки химически агрессивных компонентов;
□ улучшается экологическая обстановка на месте эксплуатации тепло-, холодогенерирующей установки;
□ экономятся используемые энергоносители за счет снижения теплового сопротивления на участке теплопередачи: теплоноситель — энергоноситель;
□ полностью исключается (при необходимости или невозможности использования) химическая подготовка воды (соответственно, не используются дополнительные производственные площади). При ее наличии УНН способствует более высокому качеству работы ХВО за счет интенсификации химических реакций.
Эффективность работы УНН не зависит от величины жесткости обрабатываемой воды, т.к. при воздействии АФХП, входящего в его состав, на воду:
□ соли жесткости преобразуются в иную кристаллическую форму, которая не отлагается на теплообменной поверхности, и кристаллы находятся в системе в виде шлама во взвешенном состоянии;
□ кристаллы, находящиеся во взвешенном состоянии, не отлагаются на внутренних поверхностях магистральных трубопроводов и теплотехническом оборудовании конечных пользователей;
□ удаление шлама проводят обычно «продувками» — для паровых котлов и с помощью шламосборников — для закрытых циркуляционных тепловых систем.