Т.В. Цуканова, начальник химического цеха Кировской районной котельной Омского филиала ОАО «ТГК-11», г. Омск
Широкое применение на тепловых электростанциях и котельных для предотвращения образования отложений на поверхностях нагрева оборудования находят комплексообразующие соединения — комплексоны [1, 2, 3]. Эти соединения используются как для коррекции водно-химического режима, так и для отмывки водогрейного оборудования и трубопроводов от отложений.
Антинакипное действие фосфонатов, в основном, определяется их адсорбцией на активных центрах зародышей кристаллизующейся соли. Проведенные в [5] расчеты показывают, что при концентрации фосфоната 3 мг/л ингибирование образования отложений СаSО4 происходит в том случае, когда фосфонат покрывает 7% поверхности зародышей. Поэтому очень малые добавки фосфонатов в пересыщенные растворы резко снижают вероятность образования зародышей критических размеров и, тем самым, уменьшают скорость роста кристаллов.
При исследовании растворов СаСО3, содержащих фосфонаты [4], было показано существование порогового эффекта: при увеличении концентрации фосфонатов выше определенной величины их эффективность уже не возрастает.
В большинстве случаев исследованием объектов теплоснабжения и выдачей рекомендаций по коррекционной обработке антинакипинами занимаются не специализированные научные организации или инженерные центры, а организации-производители реагентов, которые часто не имеют возможностей для проведения научных исследований.
Используя многолетний опыт применения разных ингибиторов для коррекционной обработки подпиточной воды теплосети на котельной с установленной мощностью 585 Гкал/ч (водогрейные котлы типа ПТВМ-30М-4 и КВГМ-100), и научные исследования в рамках кандидатской диссертации автора статьи можно сформулировать основные правила эффективного применения ингибиторов солеотложения, как бы не назывался конечный товарный продукт, назовем их антинакипинами. Схема коррекционной обработки подпиточной воды теплосети с использованием антинакипинов представлена на рис. 1.
Правило № 1. Выбрать эффективную концентрацию антинакипина и поддерживать концентрацию в зависимости от температуры воды в системе теплоснабжения.
Как правило, коррекционная обработка подпиточной воды теплосети начинается с обследования специализированной организацией системы теплоснабжения объекта, подбора ингибитора, выбора условий его эффективного применения. Итак, определен антинакипин, его концентрация в различных диапазонах температур системы теплоснабжения, введена в эксплуатацию установка дозирования, определены режимы коррекционной обработки. Что же необходимо учесть, чтобы результат оправдал ваши ожидания?
При расчете необходимой концентрации антинакипина в расчет необходимо принимать максимальную температуру (!) системы теплоснабжения вашего объекта. Например, наладочной специализированной организацией определены следующие эффективные концентрации:
Температура воды, °С
80-110
130
150
Концентрация антинакипина, мг/дм3
1,7
2,7
3,6
Тогда, для режима системы теплоснабжения: температура прямой сетевой воды 90 ОС, температура сетевой воды после сетевого подогревателя 130 ОС, температура воды после водогрейного котла 110 ОС, необходимо поддержание концентрации антинакипина в системе 2,7 мг/дм3, а при достижении температуры воды 140 ОС, поддерживать концентрацию 3,6 мг/дм3. При необходимости изменения концентрации антинакипина в системе теплоснабжения важно учитывать «инерционность» системы, т.е. изменение концентрации нельзя произвести мгновенно, от изменения задания для насоса-дозатора до получения заданной концентрации в системе может проходить от 3 до 14 дней, поэтому для некоторых систем возможно установление «зимней» и «летней» концентрации с обязательным учетом следующих условий.
Как показывают исследования [4, 5], принцип действия антинакипинов основан на явлении «порогового» эффекта. Эффект описывается зависимостью скорости кристаллизации солей жесткости от концентрации антинакипина-фосфоната, представленной на рис. 2.
Принимаем, что скорость кристаллизации солей жесткости или скорость образования отложений (Vmax) максимальна для исходной воды без коррекционной обработки антинакипинами, причем условие выполняется как для систем теплоснабжения с предварительной подготовкой воды, так и для систем теплоснабжения без водоподготовки, разница лишь в значении Vmax для каждой системы. В области 0-А концентрация фосфоната недостаточна для снижения скорости накипеобразования [6], в области А-Б концентрация фосфоната обеспечивает минимальную скорость образования отложений за счет адсорбции на активных центрах зародышей кристаллизующейся соли, в области от т. Б далее в сторону увеличения концентрации антинакипина концентрация фосфоната превышает необходимую концентрацию для адсорбции на активных центрах кристаллов солей и избыток фосфоната образует прочные комплексные соединения с ионами кальция, магния и железа, которые могут в теплонапряженных участках образовывать устойчивые отложения, трудно поддающиеся очистке и промывке. Диапазон концентраций области А-Б будет разным для каждого антинакипина, для каждой конкретной системы теплоснабжения, зависит от качества исходной воды, температуры, рН и может находиться в пределах 0,5-10 мг/дм3. Определить диапазон эффективных концентраций для конкретной системы теплоснабжения может специализированная наладочная организация по результатам проведенных лабораторных и промышленных испытаний.
Значения эффективных концентраций анти- накипина, соответствующих области А-Б, могут быть проверены эксплуатирующей организацией при работе системы теплоснабжения:
■ при значениях концентрации в области 0-А происходит интенсивное накипеобразование на поверхностях нагрева, оценить данный процесс можно по увеличению температурных напоров сетевых подогревателей и при осмотрах внутреннего состояния оборудования. При этом образуются карбонатные отложения светлые, рыхлой структуры до 5-10 мм (рис. 3). При растворении отложений в 0,1% растворе соляной кислоты происходит бурная реакция с выделением углекислого газа;
■ при значениях концентрации в области значений концентраций больше т. Б происходит процесс комплексообразования, который можно оценить по результатам химического контроля следующим образом: происходит некоторое увеличение (на 10-20%) значения жесткости подпиточной и сетевой воды в сравнении с исходной водой системы теплоснабжения и происходит значительное (в 2 и более раза) снижение концентрации железа в подпиточной и сетевой воде в сравнении с исходной водой системы теплоснабжения. Увеличение концентрации антинакипина больше эффективной не только приводит к образованию прочных отложений, но и к увеличению расходов антинакипина, следовательно, к увеличению затрат на реагенты, а учитывая высокую стоимость ингибиторов, затраты могут быть значительными.
Большое значение имеет возможность поддержания постоянной заданной концентрации антинакипина. Это зависит от возможностей дозирующего оборудования — идеальная система дозирования обеспечивает заданную концентрацию реагента в точке дозирования с допустимыми отклонениями в автоматическом режиме и возможность изменения режима дозирования в границах заданного диапазона концентраций. Необходимо так же определить точку ввода антинакипина таким образом, чтобы обеспечить качественное смешение реагента со средой, т.е. от точки дозирования до теплообменного оборудования должно быть расстояние не менее 10 диаметров трубопровода, в котором происходит смешение антинакипина со средой.
Правило № 2. Проводить качественный аналитический контроль концентрации антинакипина в системе теплоснабжения, уметь интерпретировать результаты аналитического контроля.
Метод определения концентрации антинакипинов [7] основан на определении количества органических фосфатов в пробе с дальнейшим расчетом концентрации антинакипина методом умножения на коэффициент, определенный производителем антинакипина для каждого ингибитора.
При выполнении определения концентрации антинакипина рекомендуем учесть следующие особенности:
■ выполнение анализа требует безупречной лабораторной техники — для отбора проб и выполнения анализа следует определить отдельную химическую посуду, которая не используется для других анализов и строго выдерживать время добавления реактивов и время проведения измерения оптической плотности после образования окрашенного комплекса, указанное в методике выполнения измерений;
■ подготовка посуды включает в себя следующие обязательные операции: ополаскивание проточной водой от остатков пробы, обработка посуды хромовой смесью, тщательная промывка посуды от остатков хромовой смеси проточной, затем дистиллированной водой, сушка посуды в сушильном шкафу 2-3 ч. Описанным способом рекомендуется производить обработку химической посуды для выполнения анализа через каждые 8-10 определений, чаще не стоит;
■ при выполнении определений концентрации антинакипина обязательно учитывать количество неорганических фосфатов (это подробно описано в [7]).
Учитывая, что неопределенность метода определения концентрации разных антинакипинов составляет от 15 до 45%, рекомендации по аналитическому контролю позволят минимизировать неопределенность, устранить мешающие влияния и определять истинную концентрацию антинакипина в системе, что является обязательным условием эффективного использования ингибиторов для коррекционной обработки систем теплоснабжения.
При интерпретации результатов аналитического контроля следует обратить внимание на следующие моменты: в системе «подпиточная вода — прямая сетевая вода — обратная сетевая вода» при условии насыщения системы ингибитором и при поддержании постоянной концентрации на дозирующем оборудовании разница концентраций антинакипина в указанных точках отбора не должна отличаться на величину более неопределенности методики, т.е. 15-20%. Снижение концентрации антинакипина в системе «подпиточная вода — прямая сетевая вода» может свидетельствовать о термолизе (разложении) антинакипина в теплонапряженных участках водогрейного оборудования и теплообменниках, т.к. большинство антинакипинов разлагаются с образованием фосфатов и аммиака и, учитывая, что скорость коррозии латуни в присутствии аммиака составляет 6 мм/год, возрастает вероятность повреждения трубных пучков латунных теплообменников.
Правило № 3. В режиме реального времени суметь оценить эффективность коррекционной обработки и режимы ведения ВХР системы теплоснабжения.
Мероприятия, позволяющие оценить эффективность использования конкретного антинакипина для коррекционной обработки подпиточной воды системы теплоснабжения, могут быть следующими.
Выполнение дополнительных пробоотборных точек в системе теплоснабжения: исходная вода без антинакипина, подпиточная вода с антинакипином до теплообменного оборудования и деаэратора, подпиточная вода с антинакипином после деаэратора (если деаэраторов несколько, после каждого деаэратора), сетевая вода с антинакипином после каждого теплообменника. Такое количество пробоотборных точек позволит в любой момент времени методами химического аналитического контроля оценить эффективность работы дозирующей установки и эффективность заданной концентрации антинакипина, используя рекомендации по интерпретации химического контроля, предложенные выше.
Установка индикаторов коррозии и отложений (или специальных устройств — коррозиметров) не только на сетевых трубопроводах, но и в трубопроводах системы теплоснабжения объекта, в корпусе деаэраторов. В этом случае методом простого сравнения количества образованных на индикаторных пластинах отложений в разных участках системы теплоснабжения можно оценить эффективность коррекционной обработки антинакипинами. При наличии возможности выполнения качественного состава отложений индикаторных пластин может быть определена правильность выбора эффективной концентрации антинакипина: если в составе отложений отсутствуют (или присутствуют в минимальном количестве) соединения кальция, магния и фосфаты, а количество отложений не более 200 г/м2 или до 1 мм, то диапазон поддерживаемых концентраций антинакипина соответствует области А-Б (рис. 2) и метод коррекционной обработки может быть признан эффективным.
Заключение
Коррекционная обработка подпиточной воды систем теплоснабжения ингибиторами-антинакипинами — это эффективный, надежный, экономичный способ водоподготовки, который при выполнении условий, определенных по результатам опытно-промышленных испытаний специализированных организаций, и терпении (первые результаты применения данного способа водоподготовки могут быть получены не менее, чем через 2 года после начала коррекционной обработки) позволяет получить отличные результаты по защите оборудования систем теплоснабжения от отложений: снижение концентрации железа в сетевой и подпиточной воде, отсутствие отложений на теплопередающих поверхностях оборудования, сетевых теплообменниках, снижение удельной загрязненности труб котлов, что позволит исключить затраты на проведение химических промывок котлов.
Литература
1. Дрикер Б.Н., Михалев А.С., Пинигин В.К. и др. Ресурсосберегающие технологии в водоподготовке промышленных предприятий и теплоэнергетики. // Энергосбережение и водоподготовка, 2000, № 3, с. 45-47.
2. Маклакова В.П. и др. Ингибирование накипеобразова- ния и коррозии в оборотных системах, использующих артезианскую воду. М., Труды ИРЕА, 1985, с. 88-92.
3. Машанов А.В., Щелоков Я.М., Раменский П.П. и др. Обработка воды в системе теплоснабжения фосфонатами. //Энергетик, 1990, № 4, с. 14-15.
4. Дрикер Б.Н., Смирнов С. В. О механизме ингибирования минеральных отложений органическими фосфонатами. // Энергосбережение и водоподготовка, 2003, № 1, с. 39-41.
5. Михалев А.С., Дрикер Б.Н., Ремпель С.И. Применение электрокинетического метода для определения эффективности реагентной обработки воды. ЖПХ, 1976, т. 49, с. 2650-2653.
6. Цуканова Т.В. Оптимизация водно-химического режима котлов низких и средних параметров, систем теплоснабжения при использовании комплексных соединений для подготовки подпиточной воды. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Московский энергетический институт (ТУ). 2007.
7. «Воды производственные тепловых электростанций. Методы определения фосфатов» СО 153-34.37.523.9-90 (ВТИ, 1989).