А.Г. Андреев, гл. инженер, П.А. Панфиль, директор ООО «Кольцо», г. Москва
Внедрение энергосберегающих технологий является одним из приоритетных направлений развития теплоэнергетики. Сокращение поставок природного газа, в том числе и в сектор муниципального теплоснабжения, прогнозируемое, в разы, увеличение цен на газ, и не менее серьезное повышение тарифов на тепло, приводит к росту востребованности энергосберегающих технологий. Одной из наиболее эффективных, применяемых в настоящее время, является ультразвуковая технология предотвращения образования накипи в теплообменном оборудовании.
Образование накипных отложений на теплообменных поверхностях является одной из главных проблем теплоэнергетики на протяжении всей истории ее развития. Накипеобразованию подвержены теплообменники различных типов и назначения: конденсаторы, деаэраторы, пароохладители, инжекторы, котлы и испарители, все виды нагревателей, в том числе пластинчатые и скоростные. Отложения солей карбонатной жесткости на теплообменном оборудовании вызывает уменьшение эффективности его работы. За счет различных значений коэффициентов теплопроводности металла и образующегося слоя накипи, увеличение толщины слоя отложений приводит к снижению температуры нагреваемой воды. В зависимости от карбонатной жесткости нагреваемой воды и ее температуры, время увеличения слоя накипи до толщины в несколько миллиметров составляет от трех недель до трех лет. И каждая вновь образующаяся доля миллиметра слоя накипи приводит к ухудшению процесса теплопередачи, к увеличению удельного расхода количества тепла, энергоносителей, электроэнергии.
Образование слоя накипи, толщина которого составляет 1 мм, ухудшает процесс теплообмена в котлах, по данным различных источников, на 5-20% в зависимости от состава накипи и типа котла. А при даже непродолжительной работе котлов на химически неподготовленной воде толщина слоя накипи достигает 50 мм. На рис. 1 приведено фото среза выходной трубы (диаметр 200 мм) деаэратора через два года эксплуатации – диаметр свободного от накипи канала составляет всего 30 мм!
Рис. 1. Выходная труба деаэратора через два года его эксплуатации.
Продолжительная работа нагревателей даже при невысоких температурах нагреваемой воды вызывает образование значительной толщины слоя накипных отложений и ведет к уменьшению воспринимаемой нагреваемой водой части количества тепла теплоносителя. Результаты обследования кожухотрубных нагревателей систем горячего водоснабжения в Москве показали, что толщина слоя накипи внутри теплообменных трубок превышает порой 1 мм, что приводит к уменьшению эффективности использования теплоносителя до 30%. При этом количество переданного нагреваемой воде тепла в три раза меньше, чем количество тепла, содержащееся в прошедшем через нагреватель теплоносителе. Нарастающий слой накипи из-за своей низкой теплопроводности препятствует нормальному протеканию процесса теплообмена, вызывая снижение температуры нагреваемой воды на выходе нагревателя. Поддержание температуры нагреваемой воды на заданном уровне достигается путем увеличения расхода теплоносителя, что и приводит к дополнительным потерям.
Загрязнение теплообменных поверхностей нагревателя накипными отложениями не только снижает эффективность его работы и требует периодической остановки для проведения очистки, но и, что самое важное, вызывает цепочку экономических потерь при производстве, транспортировке и потреблении тепла.
В тепловых пунктах это увеличение потребления электроэнергии насосами, перекачивающими повышенный объем теплоносителя, дополнительные гидравлические и тепловые потери в нагревателях, необходимость их разборки и чистки теплообменных поверхностей.
Тепловые потери при транспортировке тепла пропорциональны количеству тепла, содержащегося в прошедшем по теплопроводам теплоносителе. Увеличение расхода греющей воды в ТП вызывает необходимость транспортировки повышенного объема теплоносителя, что приводит к дополнительным тепловым потерям в теплопроводах и дополнительному расходу электроэнергии.
При производстве тепловой энергии требуется компенсировать потери тепла как при потреблении, так и при его транспортировке, что вызывает расход дополнительных объемов природного газа (как основного энергоносителя). Повышенный расход теплоносителя в тепловых пунктах является так же причиной увеличения температуры обратной сетевой воды, что негативно сказывается на воспроизводстве тепловой энергии.
Наиболее часто сегодня используются следующие способы борьбы с накипеобразованием: уменьшение в воде содержания солей жесткости посредством химической подготовки воды и применение электрохимических, электромагнитных, ультразвуковых устройств, обеспечивающих снижение скорости образования накипи.
Однако для контуров горячего водоснабжения применение умягченной воды не рекомендуется, а необходимость обеспечения заданной температуры горячей воды у потребителя при больших тепловых потерях на теплотрассах вынуждают повышать температуру на выходе подогревателя выше оптимальных значений.
Применение химической подготовки воды предотвращает образование накипи на теплообменных поверхностях котлов при соблюдении технологии ее использования в течение всего времени работы теплообменного оборудования, но аварийные заборы воды нарушают технологические процессы, что приводит к скоротечному образованию слоя накипи. В этом случае применяется электрохимическая подготовка воды. В электрохимических противонакипных аппаратах процесс накипеобразования переносится на спецфильтры, образование накипных отложений на которых происходит более интенсивно, чем в теплообменном оборудовании. Но и очищать фильтры электрохимического аппарата от накипи приходится чаще, чем теплообменные поверхности. Кроме того, применение обедненной солями воды в системе горячего водоснабжения нежелательно.
Более передовой технологией является применение ингибиторов для предотвращения отложений в системах тепло-водоснабжения, использующее реактивы на основе фосфонатов и поликарбоксилатов. Внедрение данной технологии требует доработку теплообменного оборудования, монтаж дополнительных химических блоков и ежемесячные расходы на приобретение импортных реактивов.
Альтернативными способами снижения скорости образования накипи являются магнитная и электромагнитная обработка воды, которые предотвращают образование накипи посредством формирования из накипеобразующих солей шлама с его последующим удалением при продувках и межсезонных чистках.
Для защиты угольных и мазутных котлов от нагара и накипи применяются инфразвуковые системы, габариты которых сравнимы с размерами котла, а цена превышает стоимость защищаемого оборудования.
В таблице 1 приведены основные применяемые технологии и их стоимость для защиты в течение двух лет от накипных отложений шестисекционного нагревателя воды типа МВН 2052-32.
Таблица 1.
№ п/пТехнологияПоставщикСтоимость, руб.Примечание1Ультразвуковая ООО «Кольцо»45000Полная стоимость2Электрохимическая«АРМА–О»64000Без учета монтажа3ЭлектромагнитнаяООО «Ватер-Кинг»960003200 USD4Применение ингибиторов«BK Giulini Chemie»1620003000 USD + 100 USD/месяц5Инфразвуковая«Infrasonic»2400008000 USD
Ультразвуковая технология предотвращения образования накипи основана на возбуждении ультразвуковых колебаний, распространяющихся по теплообменной поверхности или в толще воды. При воздействии ультразвука на воду происходит дробление образующихся в воде кристаллов солей, что не позволяет кристаллам достичь размеров, необходимых для образования осадка. Вынужденные высокочастотные вибрации теплообменной поверхности препятствуют осаждению накипи, отталкивая кристаллы солей, существенно снижая скорость формирования твердых отложений.
Какой из этих механизмов является основным, определяется способом передачи ультразвуковых колебаний от излучателя ультразвука к возбуждаемой среде. Для кожухотрубных водонагревателей и охладителей наиболее оптимальным является сварное соединение излучателей с трубной доской, в результате чего УЗ колебания распространяются по трубной доске, передаваясь через сварные или вальцованные соединения на теплообменный пучок. В случае паровых или водогрейных котлов излучатели привариваются на барабаны и коллектора боковых и заднего экранов, обеспечивая защиту от накипи наиболее высокотемпературных участков котлов. Для пластинчатых теплообменников предпочтительнее формирование УЗ колебаний в толще воды, что достигается некоторым изменением конструкции излучателей. Частота вынужденных ультразвуковых колебаний составляет 20 — 25 кГц и выбрана по результатам многочисленных исследований, как оптимальная для предотвращения образования отложений и не оказывающая негативного влияния на сварные и вальцованные соединения.
Из всех применяемых технологий по защите теплового оборудования от накипных отложений ультразвуковой метод является наиболее экономичным при высокой эффективности его применения.
Ультразвуковая технология предотвращения образования накипи позволяет получить качественные показательные результаты работы за сравнительно небольшое время. Наиболее наглядно эффективность применения АПУ проявляется на кожухотрубных теплообменниках системы ГВС с артезианской водой, карбонатная жесткость которой составляет до 10 мг-экв/литр, при выходной температуре нагреваемой воды до 80°С. Работа теплообменника в таком режиме приводит к необходимости ежемесячной его остановки для проведения очистки теплообменных поверхностей. Толщина слоя накипи, образующегося за месяц работы теплообменника, достигает 3-5 мм. Оснащение таких нагревателей противонакипными устройствами серии «Акустик-Т» приводит к увеличению срока работы нагревателя между его вынужденными остановками для проведения очистки. На рис. 2 приведены фотографии трубного пучка одного из таких нагревателей через месяц работы до и после установки АПУ «Акустик-Т2».