Водное хозяйство теплогенерирующих установок. Системы питания теплогенератора водой.- 2 часа

Питательные устройства

Установка для питания котлов водой состоит из двух или нескольких питательных насосов, которые своими приемными патрубками присоединены ко всасывающей магистрали, а нагнетательными патрубка­ми — к питательной линии или промежуточной сборной линии. Всасы­вающая магистраль соединена с питательным баком, в котором хранится запас воды, прошедшей через деаэраторную колонку. Из питательной ли­нии вода поступает в водяной экономайзер, а далее — в котел. Про­межуточная линия необходима только в тех случаях, когда котельные агрегаты установлены на электрической станции и питательная вода подогревается после насосов в подогревателях высокого давления.

Питательные устройства являются одним из самых ответственных эле­ментов котельной. Ввиду незначительности запаса воды в современном ко­тельном агрегате прекращение питания его водой даже на несколько минут может привести к полному испарению ее; после этого начнется катастрофи­ческий разогрев металла поверхностей нагрева котельного агрегата дымовы­ми газами, что может закончиться пережогом их и выходом котла из строя. Для питания котлов водой применяют насосы высокого давления, рас­считанные на подачу воды с температурой 105—150° С.

Различают три типа питательных насосов: центробежные с приводом от электрического двигателя, центробеж­ные с приводом от паровой турбины и поршневые прямодействующие с паровым приводом.

Наиболее распространены центробежные насосы с электричес­ким приводом, которые обычно применяют как основные для пита­ния котельных агрегатов во всем диапазоне их производительностей от не­скольких сотен килограммов до 950 т пара в час и больше. Эти насосы вы­полняют производительностью от 5—10 до 600—700 м³/ч воды и более и на давление от 12—20 до 200—320 amм и выше.

Обычно насосы выполняют многоступенчатыми, состоящими из 3—12 сту­пеней, на скорость вращения 2 880—2970 об/мин. Корпус насосов пониженного давления выполняют из модифицированного чугуна, а насосов повышенного давления — из стали. Вал выполняют стальным, рабочие колеса и направляющие аппараты — из модифи­цированного чугуна или бронзы. Подшипники насоса выполняют как под­шипники скольжения с кольцевой смазкой (и часто с водяным охлаждением) или шариковые. Осевое усилие насоса воспринимается гидравлической пя­той. Насос и электродвигатель устанавливают на общей сварной раме, зали­ваемой в бетон фундамента. Валы насоса и электродвигателя соединяют эластичной муфтой. Мощность электродвигателей, приводящих питатель­ные насосы, составляет 20—4 000 кВт и более в зависимости от производи­тельности насоса и развиваемого им давления. Вариантом центробежного насоса является центробежно-вихревой насос. Центробежные насосы с паротурбинным приводом обычно при­меняют для питания котельных агрегатов средней и большой паропроизво­дительности. Эти насосы выполняют на такие же про­изводительности и давления, как и центробежные насосы с электрическим приводом. Скорость вращения насоса с паротурбинным приводом обычно равна 4 000—6 000 об/мин, и по этой причине насос с паротурбинным при­водом получается значительно более компактным, чем насос с электрическим приводом, так как его можно выполнить с меньшим числом ступеней (от 1 до 6) и колесами меньшего диаметра. Рабочие колеса обычно изготовляют из высокопрочной латуни или стали. Корпус насоса выполняют стальным. Для уменьшения осевого усилия в насосах предусматривают перепускную трубу, соединяющую разгрузочную камеру с камерой всасывания.

Паровая турбина также получается очень компактной, так как ротор ее обычно получается одноступенчатым. Турбина работает на паре тех пара­метров, на которые рассчитана котельная. Для упрощения установки турбину обычно проектируют для работы с выхлопом пара в атмосферу. Питательные насосы с паротурбинным приводом обычно устанавливают в качестве резерв­ных, так как систематическая эксплуатация приводной турбины сложнее, чем эксплуатация электродвигателя, а, кроме того, такие турбины неэконо­мичны по расходу пара.

Поршневые паровые насосы обычно используют в качестве ре­зервных для питания котельных агрегатов с паропроизводительностью до 6—10 т/ч и давлением до 14 amм, устанавливаемых в промышленных и ото­пительных котельных. Эти насосы выполняют горизонтальными и вертикаль­ными, одно- и двухцилиндровыми. Насос состоит из двух основных частей: блока паровых ци­линдров и блока гидравлических цилиндров, соединенных стальными колонками. На верхней части блока гидравлических цилиндров установ­лена стойка рычагов механизма парораспределения, в состав которого вхо­дят цилиндрические золотники, размещенные внутри парового блока. В бло­ке гидравлических цилиндров размещены четыре нагнетательных и четыре всасывающих тарельчатых клапана.

На приемном и напорном трубопроводах питательного насоса устанав­ливают задвижки для отсоединения от питательных линий после остановки его. Кроме того, на напорной стороне центробежных насосов устанавливают обратный клапан, чтобы предотвратить обратный проход воды из питатель­ной линии в питательный бак через насос в случае неожиданного выключения электродвигателя или турбины, вращающих насос.

Центробежные насосы не могут длительно работать вхолостую или при малом расходе, так как при этом в результате трения дисков о воду в насосе она может закипеть. Поэтому в крупных насосах на напорной линии до обратного клапана предусматривают спускную трубу, отводимую в бак пи­тательной воды, на которой ставят автоматический запорный клапан. При нормальных условиях работы насоса этот клапан закрыт; в тех случаях, когда закрывается обратный клапан насоса или производительность насоса снижается до 25—35% номинальной, клапан спускной линии автоматически открывается, увеличивая количество воды, проходящей через насос.

Питательные насосы размещают на 5—10 м ниже баков питательной воды, чтобы исключить возможность разрыва потока горячей жидкости при входе в насос в результате вскипания ее и образования паровых пузырей. Первое по ходу воды колесо насоса, засасывая воду, создает во входном пат­рубке насоса значительное разрежение, так что абсолютное давление воды в нем становится значительно более низким, чем атмосферное. О величине со­здаваемого разрежения можно составить свое представление, учитывая, что при работе насоса на холодной воде оно позволяет засосать воду с глубины 5—8 м. Разрежение, создающееся в приемном патрубке насоса, приводит к тому, что вода в нем закипает при температуре, значительно более низкой, чем 100° С. В результате при поступлении в насос горячей воды она может вскипеть в приемном патрубке. Это опасно, так как образование паровых пузырей приводит к гидравлическим ударам в питательных линиях и снижению производительности и давления насоса, что может привести к перерыву в подаче воды в котлы и возникновению аварии.

Превышение уровня воды в питательном баке над уровнем оси насоса должно быть тем большим, чем выше температура питательной воды. Насос теряет способность засасывать воду, когда температура воды составляет 70° С. При более высокой температуре воды опасность разрыва потока жид­кости при входе в насос может возникнуть даже в тех случаях, когда насос залит водой; это произойдет, если столб жидкости в приемном трубопроводе будет недостаточно высок, чтобы создать во входном патрубке насоса абсо­лютное давление, более высокое, чем абсолютное давление парообразования, соответствующее температуре воды, поступающей в насос.

На величину требуемого превышения уровня воды в питательном баке над уровнем расположения оси насоса, кроме температуры питательной воды, влияют также давление, под которым находится вода в питательном баке, гидравлическое сопротивление системы трубопроводов между питатель­ным баком и насосом и конструкция насоса. Необходимое давле­ние во входном патруб­ке насоса зависит от его конструкции и, в част­ности, от числа его обо­ротов. Для насосов с электроприводом и 2 950 об/мин величина эта составляет 0,5 — 0,7 amм, а для турбонасо­сов с 4 000—7 000 об/мин она возрастает до 0,8— 1,0 amм. Для предельного уменьше­ния сопротивления трубопроводы следует выполнять короткими, с минималь­ным числом отводов, тройников и запорной арматуры и рассчитывать на скорость воды до 0,5—1 м/сек. В этих условиях при подаче воды с темпе­ратурой до 100° С и при атмосферном давлении в баке превышение уровня воды в баке над уровнем оси насоса должно быть > 5 м для насосов, разви­вающих давление 20 amм, и > 6 м для насосов более высокого давления. Согласно правилам Госгортехнадзора для питания паровых котлов в промышленных котельных устанавливают не менее двух приводимых в дей­ствие независимо друг от друга пи­тательных насосов. В качестве неза­висимых приводов понимают элек­трический и паровой. Суммарная производительность всех насосов с электрическим приводом должна со­ставлять не менее 110%, а с паро­вым приводом — не менее 50% от номинальной паропроизводительности всех котлов. Допускается уста­новка всех питательных насосов только с паровым приводом, а при наличии двух или нескольких ис­точников питания электроэнергией— только с электрическим приводом.

В котельных электрических стан­ций устанавливают питательные на­сосы с электрическим приводом, причем количество и производительность этих насосов выбирают с та­ким расчетом, чтобы в случае оста­новки любого из насосов, оставшиеся обеспечили работу всех рабочих кот­лов (без резервного) при номиналь­ной их паропроизводительности с учетом расхода воды на продувку и других ее потерь. Кроме того, долж­ны быть установлены резервные пи­тательные насосы с паровым приво­дом в тех случаях, когда электро­станция не связана параллельной работой с другими постоянно рабо­тающими электрическими станциями, а также когда на электростанции установлены котлы со слоевым сжи­ганием твердого топлива.

При прямоточных котлах каждый котел должен иметь самостоятельное питательное устройство с электрическим или паровым приводом, независимое от питательных котлов других конструкций.

Для прямоточных котлов паропроизводительностыо 450т/ч и выше на закритические параметры пара питательные насосы выбирают из расчета, чтобы в случае остановки самого мощного насоса, оставшиеся, включая резервный насос, обеспечили бы работу котла с паропроизводительностью не менее 50% номинальной. Все питательные насосы, присоединяемые к общей магистрали, должны иметь характеристики, допускающие параллельную работу.

Трубопроводы

Трубопроводы котельной предназначаются для подачи, распределения и отвода теплоносителя. Система трубопроводов соединяет все действующее теплотехническое оборудование котельной: котельные агрегаты и их элемен­ты, насосы, баки, вспомогательные теплообменные аппараты и ар. Трубо­провод состоит из системы труб, по которым движется теплоноситель, и арматуры, которая имеет назначение открывать, закрывать, регули­ровать и направлять это движение, а также обеспечивать нормальные усло­вия работы трубопровода.

Различают трубопроводы для подачи, распределения и отвода воды — водопроводы и трубопроводы для подачи, распределения и отвода насыщенного и перегретого пара — паропроводы. Кроме того, в ко­тельной могут быть мазуто - и газопроводы, обеспечивающие до­ставку и распределение жидкого и газообразного топлива.

В соответствии с назначением различают главные (основные) и вспомо­гательные трубопроводы. Главными водопроводами ко­тельной являются питательные линии, соединяющие напорную сторону питательных насосов с котельными агрегатами и предназначенные для подачи питательной воды из питательных насосов в котельные агрегаты, а также вса­сывающие линии, соединяющие всасывающую сторону питательных насосов с питательными баками и предназначенные для подачи питательной воды из питательных баков в питательные насосы.

Главными паропроводами являются паропроводы, сое­диняющие котлы с распределительным коллектором, к которому присоеди­няют паропроводы, снабжающие паром различных потребителей, а также паропроводы, идущие к паровым питательным насосам и теплофикационным пароводоподогревателям, установленным в котельной.

К вспомогательным трубопроводам относят продувочные, сливные и дренажные водопроводы, обдувочные, форсуночные и выхлопные паропроводы, а также другие служебные водо- и паропроводы.

Скорость воды в питательных линиях составляет 1—2 м/сек, снижаясь до 0,5—1 м/сек в ответвлениях к котлам. Скорость насыщенного пара в паро­проводах составляет 20—40 м/сек, а скорость перегретого пара достигает 50 и даже 70 м/сек.

Трубопроводы, транспортирующие водяной пар с давлением свыше 2 am или горячую воду с температурой свыше 120° С, изготовляют, монти­руют и эксплуатируют в соответствии с правилами Госгортехнадзора. Со­гласно этим правилам упомянутые трубопроводы делятся на четыре катего­рии. Каждая категория трубопроводов отвечает требованиям, которые снижаются с повышением номера категории.

Трубопроводы, предназначенные для транспорта среды с температурой 300° С и выше и под давлением от 17 аm и выше, выполняют из бесшовных труб, которые изготовляют из углеродистой стали марок 10 и 20 при транс­порте среды с температурой до 450° С и из легированной стали различных марок при транспорте среды с более высокой температурой. Остальные тру­бопроводы можно выполнять из труб со сварным швом. Качество труб, арма­туры, фланцев, крепежных и других материалов должно удовлетворять тре­бованиям правил Госгортехнадзора.

Трубопроводы монтируют на особых опорах, укрепляемых на колоннах и стенах здания, или на особых подвесках, прикрепляемых к его перекры­тиям. Находящийся в ра­боте трубопровод в результате термического удлинения труб, нагреваемых те­плоносителем, удлиняется по сравнению с холодным (выключенным). Это удли­нение, составляющее около 1,2ммна 1 м длины и каждые 100° С температуры теплоносителя, может выз­вать столь значительные термические напряжения в трубопроводе, что они при­ведут к разрушению его. Во избежание этого предусматривают возмож­ность беспрепятственного температурного удлинения его в желательном направлении, для чего жестко закрепляют трубопровод только в местах присоединения его к оборудованию и на предельно ограниченном чис­ле опор (мертвые точки). Остальные опоры выполняют сколь­зящими на роликах или катках. Кроме того, предусматривают компенсацию тепловых удлинений трубопроводов компенсаторами различных типов. Наиболее распространены компенсаторы из труб, изогну­тых П-образно, которые встраивают в прямые участки трубопровода между мертвыми точками. Термические напряжения могут также компенсироваться в тех случаях, когда трубопроводы выполняют изогну­тыми (самокомпенсация).

Трубопроводы монтируют с уклоном не менее 0,001 в сторону движения теплоносителя. В наинизших точках отключаемых участков трубопровода выполняют особые штуцера, через которые из паропроводов спускают скон­денсировавшуюся воду, а из водопроводов — воду при необходимости опорожнения их. В наивысших точках трубопроводов устанавливают воз­душники для удаления скопившегося воздуха.

С целью уменьшения тепловых потерь трубопроводы покрывают тепло­вой изоляцией; затем их окрашивают в цвета соответственно роду теплоно­сителя согласно указаниям правил Госгортехнадзора.

Арматура

Арматуру разделяют на запорную, регулирующую и предохра­нительную.

К запорной арматуре относят вентили, задвижки, клапаны и краны. Задвижки предпочтительнее вентилей, так как они имеют значительно меньшее гидравлическое сопротивление. Однако они не обес­печивают той плотности закрытия, которую создает вентиль. Поэтому в осо­бо ответственных точках следует устанавливать вентили.

Регулирующая арматура служит для ручного или автомати­ческого изменения подачи теплоносителя. Имеется довольно много различ­ных конструкций регулирующих клапанов. Все они, однако, отличаются той особенностью, что в закрытом состоянии не обеспечивают полной плотности. Поэтому регулирующую арматуру надо ставить в сочетании с запорной. К предохранительной арматуре относят обратные и предохранительные клапаны.

Рис. Арматура.

а — задвижка; б—вентиль: в—обратный кла­пан; г - предохранительный клапан.

Обратные клапаны устанавли­вают перед котлами для предотвращения обрат­ного тока воды из котла в питательную линию и на напорной стороне центробежных питательных насосов для предотвра­щения обратного тока воды из питательной линии в питательные баки при аварийной остановке насоса.

Предохранительные клапаны имеют назначение устранять опасность разрушения сосудов, работающих под внутренним давлением, при недопусти­мом повышении его. В этом случае предохранительный клапан под действием повысившегося давления открывается и соединяет внутреннее пространство сосуда с окружающей атмосферой, вследствие чего давление в сосуде начи­нает снижаться. Когда оно достигает давления, на которое отрегулирован предохранительный клапан, последний закрывается, разобщая внутрен­ность сосуда и атмосферу, и в сосуде устанавливается нормальное давление.

Согласно правилам Госгортехнадзора каждый паровой котел произво­дительностью более 100 кг/ч снабжают не менее чем двумя независимыми предохранительными клапанами, сообщающимися с его паровым пространст­вом. Один из предохранительных клапанов является контрольным и имеет устройство, не позволяющее обслуживающему котел персоналу изменять регулировку клапана, но не препятствующее проверке его состояния.

У барабанных котлов часть предохранительных клапанов устанавли­вают непосредственно на барабане котла, присоединяя их к особому штуцеру, а часть — на выходном коллекторе пароперегревателя. У прямоточных кот­лов предохранительные клапаны можно устанавливать в любой точке паро­проводов до запорного устройства.

Предохранительные клапаны выполняют трех типов: рычажные, пру­жинные и импульсные. На стационарных паровых котлах устанавливают рычажные и импульсные предохранительные клапаны, причем на котлах с давлением выше 40 am предохранительные клапаны должны быть только импульсными.

Вода и водное хозяйство

В природной (сырой) воде всегда содержатся взвешенные и растворен­ные твердые вещества, а также растворенные газы. Поэтому сырая вода для питания котлов непригодна, так как при наличии в воде твердых минераль­ных примесей котел быстро зарастает накипью и забивается шламом, а имею­щиеся в воде коррозионно - активные газы (кислород и углерод) вызывают коррозию.

Наилучшей водой для питания котлов является конденсат пара, получаемый в производственных и отопительных поверхностных теплообмен­никах и конденсаторах паровых турбин электрических станций. При плот­ных теплообменниках и конденсаторах такой конденсат содержит весьма малое количество минеральных примесей, потому что растворенные в кот­ловой воде минеральные примеси в процессе испарения ее почти не перехо­дят в пар. Однако конденсат не покрывает полной потребности котельных агрегатов в питательной воде, так как часть пара и воды теряется из цикла и должна быть восполнена соответствующим количеством добавочной воды. На конденсационных электрических станциях эта потеря невелика и не превышает обычно 2—3%, но в производственных котельных и на ТЭЦ часто значительное количество конденсата не возвращается и потребность в добавочной воде может достигать 40—60% всего количества воды в цикле.

Добавочной водой в котельных любой мощности обычно служит сырая вода после тщательной химической и термической обработки ее в специаль­ных установках. В зависимости от свойств воды, а также производительно­сти котельной и давления пара в котлах эти установки могут быть относи­тельно простыми или очень сложными. Обычно сырую воду очищают от грубодисперсных и коллоидальных примесей и накипеобразующих солей и освобождают от растворенного воздуха.

Грубодисперсные примеси удаляют из воды отстаиванием ее в резервуарах либо фильтрацией, т. е. пропуском через слой зерненного кварца, задерживающего грубодисперсную примесь. Во многих случаях процессы отстаивания и фильтрации воды, объединяют: основную массу грубодисперсной примеси отделяют в отстойниках, а более глубокое освет­ление производят в фильтрах, включенных за отстойниками.

Для удаления коллоидальных примесей воду подвергают коагуля­ции, т. е. обработке сернокислым алюминием (коагулянтом), в результате чего коллоидальные примеси превращаются в грубодисперсные, которые затем отделяют от воды фильтрацией. Удаление из воды накипеобразующих солей, т. е. умягчение ее, в настоящее время чаще всего осуществляют путем катионного обмена. При этом способе воду, подлежащую умяг­чению, пропускают через слой особого зернистого материала — катионита, который поглощает из воды катионы кальция и магния, взамен отдавая воде в эквивалентных количествах катионы веществ, не образующих накипи. Освобождение воды от растворенных в ней коррозионно -активных газов осуществляют вдеаэраторах различных типов.

На рис. 23-1 показана принципиальная схема водоумягчительной уста­новки с предварительной коагуляцией и осветлением обрабатываемой воды сначала в отстойнике, а затем в механических фильтрах. Сырая вода по тру­бе 1 поступает в распределитель 2, где она разделяется на два потока. Один поступает в подогреватель воды 3, в который также подается пар по трубе 4, а затем в отстойник 6. Другой поток проходит через вытеснитель коагулян­та 5 и вместе с растворенным коагулянтом также направляется в отстойник 6. Здесь вода отстаивается от значительной части механических и коллоидаль­ных примесей, а затем поступает в промежуточный бак 7, откуда она насо­сом 8 подается в механические фильтры 9 для окончательного осветления. Далее в катионитовых фильтрах 10 вода освобождается от солей жесткости, после чего она подается в деаэраторную колонку 11, где освобождается от растворенных в ней газов, и стекает в питательный бак, из которого пи­тательными насосами подается в котел.

Промышленно-отопительные котельные, как правило, питаются водой - из городского или промышленного водопровода, в котором она профильтро­вана и коагулирована. Поэтому в промышленно-отопительных котельных подготовка добавочной воды заключается обычно в умягчении и деаэрации ее.

В паровых электрических станциях конденсационного типа в качестве добавочной воды к конденсату применяют также дистиллят, т. е. сконден­сированный пар, полученный в испарителях, в которых используется тепло пара, отобранного из промежуточных ступеней паровой турбины.

Несмотря на тщательную очистку, добавочная вода вносит в водопаровой цикл котельной некоторое количество примесей, так как ни в каких установках нельзя удалить из воды абсолютно все количество растворенных в ней минеральных веществ и газов. Попадая в котел, минеральные примеси постепенно накапливаются в. котловой Воде до состояния насыщения и при дальнейшем испарении воды начинают выпадать из нее с образованием накипи и шлама. Растворенные коррозионно - активные газы выделяются из воды сразу по поступлении ее в котел и вступают в химическое взаимодействие с металлом котла, понемногу разрушая его. Поэтому в процессе эксплуатации котельных организуют особый режим котловой воды, имеющий целью устранить или свести к допустимому минимуму образование накипи и коррозию, вызываемые остаточным содержанием минеральных примесей и газов в добавочной воде.

Свойства водных растворов твердых веществ

Твердые вещества, содержащиеся в воде, по степени их дисперсности разделяют на механически взвешенные примеси, состоящие из минеральных и иногда органических частиц размером 0,5 мк и более, коллоидально- растворенные вещества, состоящие из ча­стиц размером 0,001 — 0,5 мк, и истинно растворенные ве­щества.

В зависимости от конкретных условий в воде могут содержаться в раст­воренном состоянии различные вещества и притом в различных количествах. Количество вещества, растворенного в единице массы раствора, определяет концентрацию раствора и обычно выражается в миллиграммах или микрограммах на килограмм раствора (мг/кг или мкг/кг).

Как и всякая жидкость, вода может растворить только определенное максимальное количество того или иного вещества, образуя в этом случае насыщенный раствор. Избыточное количество вещества в раствор не перехо­дит и остается в первоначальной фазе. Концентрация растворенного веще­ства, соответствующая насыщенному раствору, называется раствори­мостью этого вещества в данной жидкости. Различают вещества плохо и хорошо растворимые. Применительно к воде, например, плохо растворимы CaSO₄, СаСО₃, CaSiO₃, хорошо растворимы СаС1₂, MgCl₂.

Растворимость вещества зависит от температуры жидкости, в которой оно растворяется. При этом различают вещества с положительным термиче­ским коэффициентом растворимости, у которых растворимость увеличивает­ся с ростом температуры, и вещества с отрицательным термическим коэф­фициентом растворимости, у которых с ростом температуры растворимость уменьшается. Применительно к воде к первым относятся, например, СаС1₂, MgCl₂ , ко вторым CaSO₄, CaSiO₃, MgSiO₃.

При установившемся состоянии вещества, растворенные в воде, остают­ся химически пассивными. Однако повышение температуры воды может при­вести к возникновению химических реакций между этими веществами и изменению их химического состава, а также к выпадению некоторых возник­ших веществ в осадок.

Когда в воде содержится большое количество солей с отрицательным термическим коэффициентом растворимости, нагрев ее может привести к на­сыщению раствора, после чего при дальнейшем повышении температуры нач­нется выпадение растворенного вещества в осадок. Растворенные вещества неизбежно выделяются из воды и при частичном испарении ее, так как они не переходят в пар. Поэтому в процессе испарения вода неизбежно насыщается растворенными в ней веществами, после чего из­лишек их начинает выделяться; в первую очередь выделяются соли с низкой растворимостью, например CaSO4, СаСО3, CaSiO3 и др.

Большинство твердых веществ, истинно растворенных в воде, представ­ляет собой э л е к т р о л и т ы, т. е. вещества, молекулы которых в водной среде распадаются на ионы — атомы или группы атомов, несущие электри­ческий заряд, тогда как обычные атомы нейтральны. Молекула электролита распадается на два иона. Один из них имеет положительный заряд и назы­вается катионом, другой имеет отрицательный заряд и называется анионом. Металлы, входящие в молекулу электролита (Mg, Ca, Fe), становятся катионами, а металлоиды (Cl, S) и кислотные радикалы (SO₄, СО₃, SiO₃) — анионами. Водород в зависимости от конкретных условий может стать как катионом, так и анионом. В слабых растворах на ионы рас­падается все количество электролита, растворенное в воде; в более концент­рированных растворах на ионы распадается только часть растворенного электролита. Отношение количества распавшегося на ионы электролита ко всему количеству электролита, растворенного в воде, называется сте­пенью электролитической диссоциации его.

Особенности газовых растворов

Растворение газов в жидкостях приблизительно описывается законом Генри, который гласит, что концентрация газа, растворенного в жидкости, прямо пропорциональна давлению газа над раствором и растворимости его. Газы имеют различную растворимость, но она всегда уменьшается с повы­шением температуры жидкости.

При температуре кипения жидкость полностью теряет способность раст­ворять газы, так что при этой температуре растворенных газов в жидкости не содержится.

В сырой воде обычно растворены азот, кислород, углекислый газ, серо­водород. Все они нежелательны, но особенно вредными являются коррозионно- активные газы: кислород и углекислый газ. Кислород, попавший, в водопаровой тракт котельного агрегата, непосредственно вступает в реак­цию окисления металла элементов этого тракта. Углекислый газ, особенно в котлах высокого давления, интенсифицирует кислородную коррозию, препятствуя образованию защитного окисного слоя на поверхности коррози­рующего металла, вследствие чего скорость коррозии не уменьшается со временем.

Показатели качества воды

Основными показателями, характеризующими качество сырой, пита­тельной и котловой воды, являются сухой (или растворенный) остаток, общее солесодержание, жесткость, щелочность, содержание кремниевой кислоты, концентрация водородных ионов и содержание коррозионно - активных газов.

Сухой (или растворенный) остаток характеризует содержание растворенных и коллоидальных неорганических и частично органических твердых примесей, выраженное в мг/кг или мкг/кг. Он определяется как остаток, высушенный при 110° С до постоянного веса после выпаривания воды, профильтрованной через плотный бумажный фильтр.

Общее солесодержание характеризует общее количество минеральных веществ, растворенных в данной воде, выраженное в мг/кг или мкг/кг. Оно является подсчитанной по ионному составу общей концентра­цией солей в воде. Солесодержание, как правило, меньше растворенного остатка воды, поскольку последний включает также коллоидно-дисперсные вещества, которые не являются истинно растворенными веществами.

Жесткость воды характеризует содержание в ней кальциевых и магниевых солей, обусловливающих накипеобразующие свойства воды. Различают жесткость общую, временную (карбонатную) и постоянную (не­карбонатную). Общая жесткость представляет собой сумму вели­чин временной и постоянной жесткости и характеризует суммарное содержа­ние в воде кальциевых и магниевых солей. Временная жесткость характе­ризует содержание в воде бикарбонатов кальция и магния. Постоянная жесткость характеризует содержание пере­численных выше солей кальция и магния, за исключением двууглекислых. Численно величина жесткости воды выражается через концентрацию в воде соответствующих ионов растворенных веществ, выраженную в эквивалент­ных единицах, т. е. мг-экв/кг или мкг-экв/кг.

Величина общей жесткости воды равна выраженной в эквивалентных единицах суммарной концентрации в воде катионов кальция и магния, т. е.

Ж_о = Са²⁺/20,04 + Мg²⁺/12,16

где Са²⁺ и Мg²⁺ — концентрации в воде соответственно катионов кальция и магния, мг/кг; 20,04 и 12,16 — соответственно эквивалентные массы их, мг/мг-экв.

Величина карбонатной жесткости равна выраженной в эквивалентных единицах концентрации в воде анионов бикарбонатов кальция и магния, т. е.

Ж_к =НСО ^-₃/61,02

где НСО ^-₃— концентрация в воде соответственно анионов бикарбонатов кальция и магния, мг/кг; 61,02 — эквивалентная масса их, мг/мг экв. Наконец, величина постоянной (некарбонатной) жесткости равна:

Ж_п = Ж_о — Ж_к, мг-экв/кг.

Щелочность воды характеризует содержание в ней щелочных сое­динений, как-то: гидратов, карбонатов, бикарбонатов, фосфатов окисей нат­рия, кальция и магния. Величина щелочности воды равна суммарной концент­рации в ней гидроксильных, карбонатных, бикарбонатных, фосфат­ных и других анионов слабых кислот, выраженной в эквивалентных единицах, т. е. мг-экв/кг или мкг-экв/кг. В зависимости от обусловливающих щелочность анионов различают гидратную щелочность, обусловленную кон­центрацией в воде гидроксильных анионов ОН-, карбонатную щелочность, обусловленную концентрацией в воде карбонатных анионов СОз- , бикарбонатную щелочность, обусловленную концентрацией в воде бикарбонат­ных анионов НСОз-.

Кремнесодержание характеризует общую концентрацию в воде различных соединений кремния, находящихся в молекулярной и коллоидальной формах. Условно кремнесодержание пересчитывают на SiO₂ и выражают в мг/кг или мкг/кг.

Концентрация водородных ионов является одной из важнейших характеристик воды. В воде происходит непрерывный обратимый процесс диссоциации молекул воды на ионы водорода Н+ и гидроксильные ионы ОН-.Количество одновременно диссоциирующих молекул крайне незначи­тельно, составляя приблизительно одну десятимиллионную часть всех моле­кул воды. Тем не менее, в результате этой диссоциации, в воде содержится некоторое равновесное количество ионов водорода и гидроксильных ионов.

Если вода является химически чистой, т. е. не содержит никаких раст­воренных примесей, то количество водородных ионов в воде равно количест­ву гидроксильных ионов, так как оба эти иона одновалентны. В результате в химически чистой воде концентрация Н+ всегда равна концентрации ОН—. В воде, содержащей растворенные вещества, соотношение концентрации Н+ и ОН- изменяется. При этом если в воде растворены кислоты, которые диссоциируют, с появлением водородного иона, то общая концентрация водород­ных ионов возрастает, а если в воде растворены щелочи, которые диссоци­ируют с появлением гидроксильного иона, то возрастает концентрация гид­роксильных ионов.

В практике концентрацию водородных ионов в воде выражают не непо­средственно, а через отрицательный логарифм ее. В соответствии с этим показатель концентрации водородных ионов, вы­ражаемый символом рН, для абсолютно чистой воды при темпе­ратуре 22° С становится равным рН = 7

Для воды, содержащей растворенные кислоты, т. е. для воды с кислой реакцией, рН<7; для воды, содержащей растворенные щелочи, т. е. для воды со щелочной реакцией, рН>7.

Содержание коррозионно-активных газов в воде характеризуется содержанием в ней кислорода и углекислого газа, выра­женным в мг/кг или мкг/кг.

Умягчение воды в катионитовых установках

Катионитовый фильтр представляет собой цилиндриче­ский сварной стальной корпус диаметром 1 000—3 000 и высотой 3 500— 6 500 мм, приблизительно на две трети высоты заполненный зернистой массой катионита. Вода, подлежащая умягчению, но трубе поступает в распределительную систему. Пройдя сквозь слой катионита и умягчив­шись в нем, вода поступает в дренажное устройство, состоящее из коллекто­ра с системой присоединенных к нему ответвлений, на которых приварены штуцера с навернутыми на них щелевыми колпачками из пластмассы. Пройдя это устройство, умягченная вода по трубе выходит из фильтра.

В процессе умягчения воды катионит постепенно истощается, в резуль­тате чего катионный обмен между водой и катионитом прекращается. Для восстановления умягчающей способности катионит подвергают регенерации, отключая фильтр и пропуская через него водный раствор регенерирующего вещества. Регенерация восстанавливает реактивную способность катионита, и загруженный в фильтр катионит может прослужить несколько лет. Реге­нерирующий раствор получают в солерастворителях, когда реагент твердый, или мерниках, когда он жидкий.

Солерастворитель представляет собой цилиндрический сварной стальной сосуд диаметром 700—1 000 и высотой около I 000 мм, в который загружают несколько слоев кварца различной крупности. Реге­нерирующий реагент подается в солерастворитель через плотно закрывае­мый люк, а вода — через задвижку и трубу. Растворенный реагент фильтруется через слой кварца, поступает в дренажное устройство и затем по трубе выводится из солерастворителя и подается в катионитовый фильтр по трубопроводу, присоединяемому к задвижке и к фланцу филь­тра. Для периодической промывки кварца предусматривают по­дачу воды через задвижку в дренажное устройство с выводом ее через трубу и задвижку в дренаж. Опорожняется солерастворитель через спуск­ную трубу, закрытую задвижкой.

Мерник представляет собой род смесительного сосуда, в котором сильно концентрированный раствор жидкого реагента перед подачей в фильтр для регенерации катионита разбавляют водой до требуемой концентрации.

В процессе катионирования соли жесткости почти полностью удаляются из воды; остаточная жесткость умягченной воды может быть доведена до 0,02—0,01 мг-экв/кг. Однако поскольку соли магния и кальция заменяются в воде эквивалентным количеством аналогичных солей натрия, суммарное солесодержание катионированной воды по сравнению с солесодержанием исходной воды не уменьшается. Щелочность воды, прошедшей Na-катионито-вый фильтр, заметно повышается, так как при катионном обмене вся карбо­натная жесткость исходной воды преобразуется в бикарбонат натрия. По­этому чистое Na-катионирование применяют только при умягчении воды с небольшой карбонатной жесткостью в тех случаях, когда может быть допущена щелочность химически очищенной воды, приблизительно равная щелочности исходной воды, и когда к качеству пара не предъявляют осо­бых требований по содержанию углекислоты. Так как повышенная ще­лочность питательной воды может вызвать вспенивание котловой воды, избыточную щелочность катионированной воды часто нейтрализуют серной или фосфорной кислотой.

Регенерацию Na-катионитовых фильтров осуществляют 5—8%-ным раствором поваренной соли. При этом поглощенные катионитом ионы Са и Mg переходят в раствор, вытесняясь ионами Na.

Существуют две схемы включения Na-катионитовых фильтров: одно- и двухступенчатая. При более простой и удобной в эксплуатации одно­ступенчатой схеме все фильтры включают параллельно, так что весь процесс умягчения воды полностью заканчивается в одном фильтре. Конечная жесткость умягчаемой воды после одноступенчатого катиониро­вания в зависимости от удельного расхода соли на регенерацию может быть снижена до 0,03—0,05 мг-экв/кг. Схему с двухступенчатым катионированием применяют при наличии более жестких требований к умягчен­ной воде. При этой схеме вода, прошедшая фильтр первой ступени и умяг­чившаяся в нем приблизительно до приведенных выше или несколько боль­ших значений жесткости, поступает в фильтр второй ступени, в котором жесткость воды может быть снижена до 0,01 мг-экв/кг.

При одноступенчатом катионировании и в фильтрах первой ступени при двухступенчатом катионировании скорость фильтрации не должна превы­шать: 25 м/ч—для воды с жесткостью до 5 мг-экв/кг, 15м/ч — для воды с жест­костью 5—10 мг-экв/кг и 10 м/ч — для воды с жесткостью 10—15 мг-экв/кг. В Na-катионитовых фильтрах второй ступени скорость фильтрации принимают до 60 м/ч независимо от начальной жесткости воды, так что фильтры второй ступени получаются меньшего диаметра, чем фильтры первой ступени, либо их ставят меньшее количество. Чтобы сохранить сопротивление филь­тров второй ступени при названной повышенной скорости в пределах 12— 15 м вод. ст., высоту слоя катионита в них снижают до 1,5 м. Скорость фильтрации раствора NaCl через слой катионита составляет приблизительно 3—5 м/ч. Так как по мере обогащения катионита натрием скорость регенера­ции уменьшается, целесообразно осуществлять ступенчатую регенерацию, вначале подавая 2—3%-ный раствор соли, а затем увеличивая концентра­цию соли в растворе до 7—10%. Расход поваренной соли на 1 г-экв рабочей обменной способности катионита составляет при одноступенчатом катионировании 150—200 г/г-экв, а при двухступенчатом 120—150 г/г-экв на фильтры первой ступени и 300—400 г/г-экв на фильтры второй ступени.

Водород-катионирование (Н-катионирование) применяют при умягче­нии воды с большой карбонатной жесткостью.

После Н-катионирования все катионы, содержащиеся в исходной воде, заменяются катионами водорода. При этом карбонатная жесткость воды устраняется полностью, что приводит к соответствующему уменьшению солесодержания воды. Кроме того, из воды удаляются все соли кальция и магния, но в воде появляется эквивалентное количество серной, соляной, угольной и кремниевой кислот, присутствие которых в котловой воде неже­лательно. Поэтому вода после Н-катионирования может быть использована только в смеси с водой, прошедшей Na-катионирование, так как в этом слу­чае кислоты Н-катионированной воды будут нейтрализованы щелочами Na-катионированной воды.

Для регенерации истощенного Н-катионита через фильтр пропускают 1 — 1,5%-ный раствор серной кислоты. Скорости фильтрации умягчаемой воды и взрыхления приблизительно те же, что и в Na-катионитовых фильтрах. Регенерационный раствор про­пускают со скоростью не менее 10 м/ч во избежание возможного гипсования катионита; с этой же скоростью через фильтр пропускают и отмывочную воду. Первую половину отмывочной воды сливают в дренаж, вторую соби­рают в бак отмывочной воды для использования при взрыхлении катионита при последующей регенерации. Удельный расход серной кислоты на регененерацию колеблется в довольно широких пределах: 50—150 г/г-экв в зависи­мости от солесодержания исходной воды и жесткости умягченной воды.

Существует несколько схем Н — Na-катионирования, из которых более распространены две: последовательного и параллельного Н — Na-катио­нирования. При схеме с последовательными — Na-катионированием умягчаемая вода полностью или частично проходит сначала Н-ка­тионитовые фильтры, а затем окисленная целиком поступает в Na-катионитовые фильтры. В первом случае Н-катионитовый фильтр регенерируется уменьшенным количеством кислоты («голодная» регенерация) из расчета, чтобы ионы водорода обменивались лишь на то количество катионов умяг­ченной воды, которое эквивалентно ее карбонатной жесткости. Между Н- и Na-катионитовыми фильтрами, как правило, устанавливают декарбонизатор для удаления углекислоты, содержащейся в больших количествах в воде, прошедшей Н-катионитовые фильтры.

Схему последовательного Н — Na-катионирования рекомендуется при­менять при повышенных жесткости и солесодержанни умягчаемой воды.

При параллельном Н — Na-катионировании Н- и Na-катионитовые фильтры включаются параллельно и вода, подлежащая умягчению, проходит через них двумя параллельными потоками. При этом вода на вы­ходе из Н-катионитового фильтра содержит все анионы в виде свободных кислот, а на выходе из Na-катионитового фильтра — бикарбонат натрия в количестве, эквивалентном величине карбонатной жесткости исходной воды. Смешивая эти воды в нужных пропорциях, получают умягченную воду с требуемой щелочностью. Для предотвращения опасности перекисления воды в схему последовательно с параллельно включенными фильтрами вклю­чают так называемый «барьерный» Na-катионитовый фильтр, в котором все кислоты, за исключением углекислоты, превращаются в нейтральные соли. Этот же фильтр задерживает случайные проскоки жесткости из-за расстрой­ства режима работы фильтров. Наконец, барьерный фильтр позволяет су­щественно снизить конечную жесткость умягченной воды, которую можно довести до 0,03 мг-экв/кг и менее. Другое достоинство параллельного Н — Na-катионирования состоит в том, что при нем можно снизить щелочность умягченной воды до 0,3 — 0,4 мг-экв/кг, чего обычно нельзя достигнуть при иных схемах Н — Na-катионирования.

Параллельное Н — Na-катионирование рекомендуется применять в тех случаях, когда концентрация сульфатов и хлоридов в исходной воде не пре­вышает 3 — 4, а содержание натрия 1 — 2 мг-экв/кг.

При аммоний-катионировании (NН₄-катионировании) все катионы ис­ходной воды обмениваются в слое катионита на катион аммония. Таким образом, в умягчен­ной воде появляются соли аммония, так что она не становится кислой. NH₄ катионирование имеет то преимущество перед Н-катионированием, что при нем не приходится иметь дело с серной кислотой, которая требует кислотоупор­ных арматуры, трубопроводов и емкостей, что делает его перспективным для производственно-отопительных котельных. Однако NН₄-катионирование имеет ту особенность, что соли аммония, попадая в котел, из-за высокой температуры воды распадаются на аммиак и свободные кислоты, при этом аммиак и углекислота, будучи газообразными, уносятся паром, a H₂SО₄ и НСI накапливаются в котловой воде, приводя к усилению кор­розии металла котла. Поэтому NН₄-катионирование приходится применять только в сочетании с Na-катионированием. В этом случае названные кисло­ты нейтрализуются внесенными в котел щелочами, содержащимися в воде, прошедшей Na-катионирование, причем NaCl и Na₂SO₄ какипи не образуют и удаляются в виде шлама при периодической продувке.

В качестве катионита при NН₄-катионировании также употребляют сульфоуголь, но обогащенный солями аммония. Регенерируют истощенный катионит 2 — 3%-ным раствором сульфата аммония. Расход ре­агента составляет приблизительно 200 г/г-экв. Недостатком Na-катионирования является загрязнение пара аммиаком, что во многих случаях нежела­тельно, в частности потому, что большая концентрация аммиака в конденса­те в присутствии растворенного кислорода вызывает коррозию медных сплавов.

Существуют две схемы NH₄ — Na- катионирования: параллель­ная и совместная. При параллельном NH₄— Na-катионировании поток умягчаемой воды разделяют на два потока, из коих один проходит через NH₄ -катионитовый фильтр, а другой — через Na-катионитовый фильтр. Доля воды, которую следует пропускать через NH₄ -катионитовый фильтр, определяется карбонатной жесткостью исходной воды и содержанием в ней ионов хлора Cl и сульфата SO₄, а также заданной щелочностью умягчен­ной воды

При совместном NH₄— Na-катионировании умягчение воды происхо­дит в одном и том же фильтре, причем катионит регенерируется смесью сульфата аммония и поваренной соли, растворенных в воде в необходимой пропорции.

Химическое обессоливание добавочной воды

Катионирование добавочной воды решает вопрос водоподготовки только для котельных среднего давления. В котельных высокого и закритического давления к качеству питательной воды предъявляют особенно высокие тре­бования, а потому применяют более совершенные методы обработки доба­вочной воды: обессоливание, т. е. удаление всех растворенных в ней солей, и обескремнивание, т. е. удаление находящихся в ней соединений кремния.

Наиболее эффективным способом обессоливания и обескремнивания воды является испарение ее в теплообменниках (испарителях), обогревае­мых паром, отбираемым из турбин, с последующим получением дистиллята конденсацией испаренной воды. Однако при большом расходе добавочной воды (на ТЭЦ) испарительные установки получаются громоздкими, причем сооружение их не исключает необходимости предварительного водоумягчения, так как испарители при работе на сырой воде быстро зарастают накипью. Поэтому обессоливание и обескремнивание добавочной воды чаще осуществляют химическими методами — сочетанием обработки воды в Н-ка-тионитовых и анионитовых фильтрах. Воду, прошедшую Н-катионитовые фильтры и поэтому содержащую серную, соляную, угольную и крем­ниевую кислоты, фильтруют через слой анионита, т. е. твердого, нераст­воримого в воде материала, способного вступить в реакцию ионного обмена с кислотами.

Рис. Принципиальная схема установки для глубокого химического обессоливания и обескремнивания воды.

На рис. показана принципиальная схема установки для глубокого химического обессоливания и обескремнивания воды. Предварительно коагу­лированную и осветленную воду подают по трубопроводу 1 в Н-катионитовые фильтры 2, а затем в анионитовые фильтры 3, загруженные слабооснов­ным анионитом. В первых фильтрах вследствие реакций катионного обмена находящиеся в жесткой воде катионы заменяются катионами водорода, во вторых вследствие реакций анионного обмена находящиеся в воде анионы сильных кислот заменяются гидроксильными анионами ОН, в результате чего солесодержание обрабатываемой воды резко снижается. Затем воду последовательно пропускают через Н-катионитовые фильтры второй ступени 4 и удалитель СО₂ 5, из которого она сливается в промежуточ­ный бак 7. Продувкой слоя воды воздухом, который подается в аппарат 5 воздуходувкой 6, удаляют из нее СО₂. Из бака 7 вода направляется насосом 8 в загруженные сильноосновным анионитом фильтры 9, в которых в резуль­тате реакций анионного обмена из воды удаляются анионы кремниевой кислоты. После этого химически обессоленная вода поступает в деаэра­тор 10.

Деаэрация питательной воды

Существует несколько способов деаэрации питательной воды: термиче­ский, десорбционный, химический и др., но в настоящее время подавляющее распространение получил термический способ. Этот способ ос­нован на том, что растворение в воде газов уменьшается по мере повышения ее температуры и совершенно прекращается при достижении температуры кипения, когда растворенные газы полностью выделяются из воды. Существует несколько типов термических деаэраторов, но в настоящее время в паровых котельных основное распространение получили смеши­вающие деаэраторы атмосферного типа. Такой деаэратор представляет собой вертикальную металлическую цилиндрическую колонку 4 диаметром 1—2 и высотой 1,5—2 м, установленную на горизонтальном цилиндрическом баке, предназначенном для хранения запаса деаэрированной воды.

Вода, подлежащая деаэрации, подается в верхнюю часть колонки, где она попадает в водораспределительное устройство 2. Перелившись через край этого устройства, вода стекает вниз, проходя через систему дырчатых тарелок 3 и разбиваясь при этом на тонкие струйки. На своем пути вода встре­чает восходящий поток пара, который поступает в колонку у ее основания и, пройдя парораспределительную камеру 5, начинает подниматься навстречу падающим струям воды. В результате непосредственного контакта с паром струйки стекающей воды нагреваются до температуры кипения, вследствие чего содержащийся в них воздух выделяется и удаляется с некоторым не­большим количеством не сконденсировавшегося пара через штуцер 1, вваренный в крышку колонки. Нагретая до температуры кипения деа­эрированная вода, стекает в питательный бак. В описанном деаэраторе поддерживают давление, несколько превы­шающее атмосферное, обычно 1,2 am, в соответствии с чем воду нагревают до температуры 104° С, т. е. до температуры кипения при этом давлении. Ко­личество воды, подаваемой в деаэратор, регулируют, исходя из условия под­держания постоянного уровня ее в баке. Для этого служит регулятор уров­ня поплавкового типа, воздействующий на запорный клапан трубопровода поступающей воды. Регулирование подачи пара может быть как ручным, так и автоматическим. Чтобы предотвратить потерю пара, выходящего из деаэратора через штуцер 1, и заключенного в нем тепла, этот пар направляют в теплообменник (охладитель выпара) для подогрева воды, пода­ваемой в деаэратор.

Кроме деаэраторов атмосферного типа, существуют деаэраторы повышенного давления и вакуумные. Первые работают при давлении 6—7 am; их устанавливают на крупных электри­ческих станциях высокого и закритического давления. Вакуумные деаэра­торы получили распространение для деаэрации подпиточной воды тепловых сетей в отопительных котельных с крупными водогрейными кот­лами, так как в этих котельных отсутствие пара и невысокая температура подогрева сетевой воды в летнее время исключают возможность осуществ­ления атмосферной деаэрации.

Существует несколько схем работы вакуумных деаэраторов, которые, как и атмосферные, состоят из колонки 4 и питательного бака 5. Вакуум создается водоструйным эжектором 3, присоединяемым к выходному штуцеру 1 и работающим на холодной воде, подлежащей деаэрации, что це­лесообразно, так как водоструйные эжекторы работают тем лучше, чем ниже температура эжектирующей воды. Кроме того, для облегчения ра­боты эжектора перед ним устанавливают охладитель выпара 2. Отработав­шая в эжекторе вода собирается в резервуаре 6, откуда она поступает в водо-водяной подогреватель 7, работающий на горячей воде, отведенной от магистрали горячей сетевой воды. Подогревшись здесь до температуры кипения, вода поступает в колонку деаэратора, где она освобождается от растворен­ных газов.

Чтобы деаэрированная вода, собирающаяся в баке 5, сохраняла темпе­ратуру кипения, в этом баке иногда размещают змеевик, также обогревае­мый горячей водой из водогрейных котлов. Из резервуара 6 вода подается в деаэратор атмосферным давлением (поскольку в деаэраторе вакуум) либо особым насосом. Деаэраторы подпиточной воды выполняют на производи­тельность 50—3 200 т/ч. Они работают при давлении 0,3 am, чему соответст­вует температура кипения воды 68,9° С.

Водный режим котельных агрегатов. Внутренняя коррозия

Поступающие в котел с добавочной водой минеральные примеси посте­пенно накапливаются в котловой воде и после наступления состояния на­сыщения начинают выпадать из нее. Прежде всего, состояние насыщения на­ступает для солей жесткости, и они начинают выпадать из воды в первую очередь, обычно в виде кристаллов. Центрами кристаллизации служат ше­роховатости на поверхностях нагрева, а также взвешенные и коллоидаль­ные частицы, находящиеся в котловой воде. Вещества, которые кристалли­зуются непосредственно на поверхностях нагрева в виде плотных отложений, образуют накипь, как правило очень прочную и трудно удаляемую. Вещества, кристаллизующиеся в объеме котловой воды, образуют взве­шенные частицы — шлам.

Наиболее распространены кальциевая и магниевая накипи, в составе которых преобладают CaSO₄, CaSiO_3. Накипь, как правило, имеет низкий коэффициент теплопроводности, со­ставляющий 0,1—2,0 ккал/м•ч•град. Поэтому даже тонкий слой накипи приводит к резкому повышению температуры металла поверхностей нагрева котельных агрегатов. При этом в высокотемпературных поверхностях нагре­ва (экраны, фестоны, первые ряды кипятильных труб конвективного пучка) эта температура по мере увеличения толщины слоя накипи может превысить предельную по условиям прочности металла, после чего начинается постепен­ная деформация его с образованием отдулин, т. е. местного вздутия тру­бы, имеющего диаметр 20—30 мм. Затем на месте отдулины образуется свищ — щелевидное отверстие длиной 20—30 мм вдоль образующей тру­бы. Через него с большой скоростью начинает бить струя воды, и котел при­ходится останавливать для устранения свища. В тех газоходах водотрубных котлов и водяных экономайзеров, где повышение температуры стенки трубы не угрожает надежности работы котла, накипь также недопустима, так как она приводит к уменьшению к. п. д. котельного агрегата и может привести к уменьшению производительности его в результате уменьшения коэф­фициента теплопередачи и связанного с этим повышения температуры отходящих газов.

В отличие от соединений кальция и магния, образующих накипь, сили­кат магния и некоторые другие соединения магния в барабанных котлах образуют подвижный, легко удаляемый шлам.

На нормальный режим работы барабанного котла большое влияние оказывает также щелочность котловой воды. Чрезмерное повышение ее может привести к вспениванию и заполнению вспененной водой всего паро­вого пространства барабана. В этих условиях сепарационные устройства пе­рестают выполнять свое назначение, и вода проникает в пароперегреватель, а затем в паровую турбину, создавая угрозу повреждения ее.

Повышенная щелочность котловой воды может также стать причиной особой формы коррозии металла - щелочной, а также причиной появ­ления трещин в заклепочных швах и развальцованных концах кипятильных и экранных труб (межкристаллитная коррозия или щелоч­ная хрупкость металла). Наряду с этим небольшая щелочность кот­ловой воды желательна, так как она способствует уменьшению кислородной коррозии металла.

В котлах высокого давления начинает вредно сказываться содержание в воде кремниевой кислоты H₂SiO₃. При высоком давлении, начиная при­мерно с 70 am, кремниевая кислота, как уже отмечалось, приобретает спо­собность растворяться в водяном паре, причем с повышением давления эта растворимость резко возрастает. Попадая вместе с паром в пароперегрева­тель, она обезвоживается, в результате чего в паре появляется SiO_2, Попадая затем в турбину, SiO₂ образует на ее лопатках нерастворимые в воде отло­жения, что приводит к необходимости останавливать турбину для удаления их. Большой вред при попадании в водопаровой тракт приносят растворен­ные в питательной воде кислород и углекислота, так как они вызывают раз­личные формы внутренней коррозии металла элементов котельного агрегата, которая может за сравнительно короткое время вывести их из строя.

В связи с изложенным возникает необходимость нормировать качество питательной воды по ряду показателей. Чтобы предотвратить образование отложений на поверхностях нагрева и исключить угрозу повреждения труб котельного агрегата, а также предот­вратить коррозионные процессы металла труб всего водопарового тракта при эксплуатации, организуют специальный водный режим работы котельного агрегата.

Чтобы исключить возможность выпадения из котловой воды накипеобразующих солей и образования накипи в барабанных котлах, необходимо, чтобы концентрация накипеобразующих солей в котловой воде не превы­шала известного значения, находящегося ниже критической концентрации, при которой начинается их выпадение из раствора. Этого достигают про­дувкой котла, т. е. выпуском из него некоторого количества воды, чтобы удалить то же количество солей, которое поступает в него с питательной водой. В результате количество солей, содержащихся в котловой воде, ста­билизуется на некотором уровне, что исключает опасность чрезмерного на­копления солей в котле и выпадения их из раствора. Так как солесодержание котловой воды во много раз выше солесодержания питательной во­ды, то стабилизация солевого балан­са котла достигается продувкой толь­ко очень незначительной части подан­ной в котел воды.

Организуют продувки периодиче­скую и непрерывную. Периоди­ческой продувкой удаляют из котла вместе с небольшой частью котловой воды осевший шлам. Непрерыв­ная продувка обеспечивает равномерное удаление из котла нако­пившихся растворенных солей без на­рушений режима работы его. Периоди­ческую продувку проводят через каж­дые 8—16 ч из нижних барабанов и кол­лекторов котлов, т. е. из мест, в кото­рых накапливается шлам. Непрерыв­ную продувку применяют наряду с периодической из барабана котла (при двухбарабанных котлах — из верхнего). Вода непрерывной продувки по­дается в расширитель 5, в котором давление ее падает до атмосферного. В результате, часть воды испаряется и образовавшийся пар поступает в деаэра­тор, где тепло его используется. Оставшаяся вода проходит в сливной ко­лодец через теплообменник, где также используется часть тепла проду­вочной воды.

Так как часть тепла продувочной воды теряется, стремятся к тому, чтобы количество продувочной воды было минимальным. Эффективным методом снижения величины продувки является ступенчатое испарение, сущность которого состоит в том, что водяной объем и парообразующие циркуляцион­ные контуры котла разделяют на несколько отсеков, соединенных по пару и разделенных по воде. Питательная вода подается только в первый отсек. Для второго отсека питательной водой является продувочная вода первого отсека. Продувочная вода из второго отсека поступает в третий отсек и т. д. При этом концентрация примесей в котловой воде нарастает от отсека к от­секу. Продувку котла проводят из последнего (при двухступенчатом испа­рении — из второго, при трехступенчатом — из третьего) отсека. Так как концентрация примесей в воде второго или третьего отсека значительно выше, чем в котловой воде при одноступенчатом испарении, то для вывода примесей из котла требуется меньшая продувка.

В котлах низкого и среднего давления количество солей, уносимых паром, пре­небрежимо мало по сравнению с количеством солей, поступающих в котел с питатель­ной водой. Процент продувки тем больше, чем при прочих равных условиях выше солесодержание питательной воды или ниже предельно допустимое солесодержание котловой воды. Про­дувка котлов при восполнении потери пара и конденсата дистиллятом, или обессоленной водой не должна быть менее 0,3 и более 0,5% количества выра­ботанного пара. При восполнении потери химически очищенной водой про­дувка должна быть не менее 0,5 и не более 3,096, и только в тех случаях, когда количество невозвращаемого конденсата становится большим, про­дувку можно увеличивать до 5,0%.

Единых норм качества котловой воды для барабанных котлов не суще­ствует. Допустимые предельные значения солесодержания, кремнесодержания и щелочности котловой воды зависят от большого числа факторов: типа и конструкции парового котла, давления пара, характера испарения (одно- или двухступенчатое) и др.

Полностью избежать образования накипи на поверхностях нагрева только путем улучшения качества питательной воды и продувки котла удает­ся не всегда. Необходимо еще дополнительно влиять на качество котловой воды, для чего применяют так называемый коррекционный метод обработки ее. В котловую воду вводят специальные реагенты — коррекционные вещества, анионы которых связывают и осаждают в виде шлама катионы кальция и магния питательной воды, проникшие в котел.

В котлах малой паропроизводительности с давлением не свыше 14 am в качестве коррекционных веществ применяют реагенты, дающие в растворе карбонатные анионы для связывания и осаждения в виде шлама катионов кальция (например, Na₂CO₃), и гидроксильные анионы для свя­зывания и осаждения в виде шлама катионов магния (например, NaOH). Однако карбонатные анионы, будучи нестойкими, переходят в котловой воде в гидроксильные анионы в результате гидролитического расщепления, степень которого тем больше, чем выше давление в котле.

При давлении 50 am почти все карбонатные анионы подвергаются рас­щеплению, поэтому в котлах с давлением выше 16 am вместо карбонатных применяют более стойкие и не подвергающиеся расщеплению фосфат­ные анионы. В качестве реагентов для фосфатного корректирования кот­ловой воды чаще всего применяют тринатрийфосфат

Получающиеся вещества обладают малой растворимостью и выпадают в виде шлама, удаляемого в дальнейшем при периодических продувках. Фосфатирование котловой воды осуществля­ют так, чтобы в ней постоянно содержался некоторый избыток фосфатных анионов. Режим фосфатирования может быть двояким: фосфатно-щелочным и с чисто фосфатной щелочностью, т. е. с отсутствием свободной щелочности. Режим фосфатно-щелочный ведут при питании котлов конденса­том с добавкой химически умягченной воды, а режим чисто фосфат­ный — при питании котлов конденсатом с добавкой дистиллята и хими­чески обессоленной воды. Рекомендуемый избыток РО₄ в котловой воде для этих режимов составляет:

котлы без ступенчатого испарения—не менее 5 мг/кг и не более 15 мг/кг;

котлы со ступенчатым испарением: по чистому отсеку—не менее 5 мг/кг и не более 10 мг/кг; по солевому отсеку — не более 75 мг/кг, При постоянном поддержании жесткости питательной воды менее 3 мкг-экв/кг и содержании в котловой воде кремнекислоты и сульфатов не выше нормы, установленной теплохимическими испытаниями, допу­скается пониженный избыток фосфатов в котловой воде или отказ от фосфатирования.

В прямоточных котлах все поступающие в него с питательной водой ми­неральные примеси оседают на стенках труб котла либо уносятся паром, так как в прямоточных котлах продувку применить нельзя. Отложение солей начинается, когда влагосодержание пара уменьшается до 50—20%, и за­канчивается, когда температура пара начинает превышать температуру насы­щения на 20—30° С. Наибольшее отложение солей происходит в области, где влажность пара становится менее 5—6%.

Поскольку нарастание отложений солей в трубах прямоточных котлов происходит непрерывно, последние приходится периодически останавливать во избежание чрезмерного нарастания накипи. Сообразно с этим проектиро­вание и эксплуатацию прямоточных котлов ведут так, чтобы момент вынуж­денной остановки котла наступал как можно позднее. Для этого при проекти­ровании зону максимального отложения солей размещают в области пони­женной температуры дымовых газов, чтобы облегчить температурный ре­жим этой зоны котельных труб (переходная зона).

Прямоточные котлы питают конденсатом паровых турбин с возмещением потерь пара и воды дистиллированной водой, получаемой в испарителях, или химически обессоленной водой. Водную промывку осуществляют при очередных остановках котла во­дой с температурой 100° С, которую прокачивают через котел. Кислотную промывку осуществляют через каждые 2—3 года слабым раствором хромовой или соляной кислоты.

Внутренняя