Статья: Правильная эксплуатация системы водоподготовки в котельной (регулирование жесткости воды)

Каждая котельная должна быть оборудована системой водоподготовки (или хим. водоочистке – сокращ. ХВО). Однако, многие организации, эксплуатирующие организации в значительной степени пренебрегают важной ролью системы ХВО, что в последствии приводит к преждевременному выходу основного и вспомогательного оборудования из строя и возможно полной остановке производства (!!!) для устранения последствий. Разумеется, это может привести к значительным финансовым затратам, вплоть до замены основного водогрейного, паропроизводящего и вспомогательного оборудования.

В данной статье будет приведены только основные аспекты, на которые необходимо обращать внимание при контроле уровня жесткости воды.

§1. Основное назначение систем водоподготовки котельных

Основным назначением таких систем является умягчение исходной воды, понижение ее жесткости. Но обо всем по порядку…

При работе паровых котлов происходит процесс парообразования воды в пар. При этом практически все растворенные в воде соли остаются в котле и выпадают в осадок. Процесс известен каждому, кто хоть раз бы грел чайник на кухне. Со временем в чайнике образуется накипь, налет. Это уже твердый остаток растворенных солей. А теперь представьте, что подобный процесс происходит в котле постоянно, в тысячи, десятки или сотни тысяч раз больше, чем в чайнике, да к тому же, зачастую, и непрерывно. Количество образуемого при такой работе осадка, «накипи» катастрофически велико.

В любой бытовой, водопроводной и тем более скважной воде содержатся соли. Основным показателем количества солей в воде – является понятие «Жесткость». В разной документации, странах и инструкциях по эксплуатации приняты разные показатели жесткости.

Очень важно правильно понимать единицы измерения, делать их конвертацию и сопоставление значений, но об этом будет написано в отдельном параграфе далее.

«Жесткость» – это основной показатель количества щелочноземельных элементов (кальция Ca и/или магния Mg), их солей. В нашей статье мы будем использовать в качестве единиц измерения жесткости «мкг-экв/л».

В системах водоподготовки котельного оборудования, самым распространенным способом является Na-катионирование, одноступенчатым или двухступенчатым способом. При такой работе происходит замена ионов Ca2+ и Mg2+ на ионы натрия Na+. В химическом выражении данный процесс выглядит следующим образом:

Ca(HCO3)2 + 2NaR → R2Ca + 2NaHCO3
Mg(HCO3)2 + 2NaR → R2Mg + 2NaHCO3

Другими словами, нерастворимые в воде соли кальция и магния заменяются на растворимые соли натрия.

Таким образом происходит процесс умягчения жесткости исходной воды, который в идеальном случае позволяет снизить жесткость до показателя нескольких мкг-экв/л.

§2. Результат неправильной работы системы водоподготовки котельных

При неправильной работе системы ХВО происходит постепенное увеличение количества солевых отложений на всех трубопроводах, рабочих и не рабочих поверхностях нагревательного оборудования, теплообменниках, резервуарах.

В первую очередь это приводит к значительному снижению мощности нагревательного оборудования. Происходит уменьшение рабочей поверхности, утолщение стенок, увеличение коэффициента передачи, снижение КПД работы системы. В случае отложений на напорных или всасывающих трубопроводах насосов это может привести к их преждевременному выход из строя в первом случае и поломке рабочей крыльчатке из-за явления кавитации во втором.

Одним из косвенных сигналов наличия солевых отложений в котловых установках – это повышение температуры дымовых газов, снижение КПД.

Примеры котельных, с неправильной эксплуатацией системы водоподготовки, в устранении последствии которых принимала компания ТОО «АзияСтройКонтракт».

Объект №1

Причина – неверная запись результатов измерений, которые производились в мг-экв/л, а требования к воде проверялись в мкг-экв/л. Таким образом превышение нормы жесткости воды в паро-конденсатном контуре составляло в тысячу раз, что за полгода привело к огромному количеству солевых отложений, закупорку почти всех труб, выходу из строя двух питательных насосов, паровых форсунок деаэратора и другим поломкам. Следствием этого явилось остановка производства на неделю, промывка всей системы, замена питательных насосов.

Объект №2

Причина – халатное отношение к котельному оборудования и системе водоподготовки, практически полностью не рабочая система водоочистки, что привело к выходу из строя двух питательных насосов, снижению мощности работы котла, перегреву металла котла и другим поломкам. Следствием этого явилось промывка бака, замена рабочего парового котла и питательных насосов.

§3. Как правильно контролировать и настраивать работу системы водоподготовки котельных

При настройке времени работы ХВО следует руководствоваться в первую очередь инструкцией по эксплуатации завода-изготовителя системы.

Обычно, при настройке ХВО, необходимо произвести расчет фильтрующей способности установки – количество исходной воды, которое способна очистить установка, прежде чем наступит этап ее промывки. Иногда в блок управления достаточно прописать основные параметры исходной воды и блок управления сам рассчитает все необходимые параметры.

К основным параметрам, необходимым для настройки ХВО относятся:

  • жесткость исходной воды (определяется лабораторным анализом, либо специализированны прибором);
  • объем фильтрующего материала (катионитной смолы);
  • объем солевого бака;
  • время обратной промывки (рекомендуем принимать не менее 5-10 минут);
  • время протяжки солевого рассола (рекомендуем принимать не менее 40-60 минут);
  • время быстрой промывки (рекомендуем принимать не менее 3-5 минут);

Количество таблетированной соли должно быть рассчитано на 1 промывку ХВО и пополнятся после каждой промывки.

§4. Основные нормы и правила контроля и поддержания водно-химического баланса паровых и водогрейных котлов в Республике Казахстан

Главным нормативным документом для эксплуатации паровых и водогрейных котельных являются «Правила обеспечения промышленной безопасности при эксплуатации оборудования, работающего под давлением», утвержденные приказом Министра по инвестициям и развитию Республики Казахстан от 30 декабря 2014 года № 358. (adilet.zan.kz, zakon.kz)

Раздел 14 данного документа посвящен водно-химическому режиму котлов, согласно которому:

п.849. Подпитка сырой водой котлов, оборудованных устройствами до котловой обработки воды, не допускается. В аварийных ситуациях, когда проектом предусматривается подпитка котла сырой водой, на линиях сырой воды, присоединенных к линиям умягченной добавочной воды или конденсата, а также к питательным бакам устанавливаются по два запорных органа и контрольный кран между ними. Во время эксплуатации запорные органы закрыты и опломбированы, а контрольный кран открыт.

п.850. Каждый случай подпитки котлов сырой водой фиксируется в журнале по водоподготовке (водно-химическому режиму) с указанием длительности подпитки и качества питательной воды в этот период.

В правилах приведены нормы для котловой и питательной воды котлов. Однако, если завод-изготовитель в инструкции по эксплуатации требует производить дополнительный контроль каких-то параметров или значение нормы меньше, чем регламентируется данными правилами, то необходимо руководствоваться рекомендациями и нормами завода-изготовителя.

Дополнительно, желательно периодически брать анализ воды линии конденсата, возвращаемого с производства, а также дополнительно к питательной воде, производить измерение до и после установки ХВО, контролируя ее работу.

Пример требований параметров котловой и питательной воды для паровых котлов производства LOOS (Buderus, Bosch): скачать в формате *.PDF

Далее приведены требования к качеству котловой и питательной воды, согласно правилам Республики Казахстан, упомянутые ранее:

Параграф 2. Качество питательной воды

п.852. Показатели качества питательной воды для котлов с естественной и многократной принудительной циркуляцией паропроизводительностью 0,7 т/ч и более поддерживаются в пределах значений, указанных в приложении 27 «Перечень таблиц для определения качества питательной воды для оборудования, работающего под давлением» (далее – Приложение 27);

  1. для газотрубных котлов, в таблице 1 приложения 27;
  2. для водотрубных котлов с естественной циркуляцией (в том числе котлов-бойлеров) и рабочим давлением пара до 4 МПа (40 кгс/см2), в таблице 2 приложения 27;
  3. для водотрубных котлов с естественной циркуляцией и рабочим давлением пара 10 МПа (100 кгс/см2), в таблице 3 приложения 27;
  4. для энерготехнологических котлов и котлов-утилизаторов с рабочим давлением пара до 4 МПа (40 кгс/см2), а для действующих котлов до 5 МПа (50 кгс/см2), в таблице 4 приложения 27;
  5. для энерготехнологических котлов и котлов-утилизаторов с рабочим давлением пара 11 МПа (110 кгс/см2), в таблице 5 приложения 27;
  6. для высоконапорных парогенераторов парогазовых установок, в таблице 6 приложения 27.

п.853. Качество подпиточной и сетевой воды для водогрейных котлов удовлетворяет требованиям, указанным в таблице 7 приложении 27.

Параграф 3. Качество котловой воды

п.854. Нормы качества котловой воды, режим ее коррекционной обработки, режимы непрерывной и периодической продувок принимаются на основании проектно-конструкторской документации изготовителя котла, технологического регламента по ведению водно-химического режима на основании результатов теплохимических испытаний.

п.855. При этом для паровых котлов с давлением до 4 МПа (40 кгс/см2) включительно, имеющих заклепочные соединения, относительная щелочность котловой воды принимается в пределах 20 %; для котлов со сварными барабанами и креплением труб методом вальцовки (или вальцовкой с уплотнительной подваркой) относительная щелочность котловой воды допускается до 50 %; для котлов со сварными барабанами и приварными трубами относительная щелочность котловой воды не нормируется.

п.856. Для паровых котлов с давлением свыше 4 МПа (40 кгс/см2) до 10 МПа (100 кгс/см2) включительно относительная щелочность котловой воды допускается не выше 50 %, для котлов с давлением свыше 10 МПа (100 кгс/см2) до 14 МПа (140 кгс/см2) включительно - не превышает 30 %.

Приложение 27, Перечень таблиц для определения качества питательной воды для оборудования, работающего под давлением: скачать в формате *.PDF

§5. Единицы измерения жесткости, конвертация, перевод

Согасно следующей приведенной таблице можно производить перевод разных единиц измерения жесткости.

Перевод единиц жесткости воды
°Ж = 1 мг-экв/л mmol/L ppm, mg/L dGH, °dH gpg °e, °Clark °fH
1 русский °Ж = 1 мг-экв/л 1 0.5 50.05 2.804 2.924 3.511 5.005
1 ммоль/л = mmol/L 2 1 100.1 5.608 5.847 7.022 10.01
1 американский° ppmw = mg/L = American degre: 0.01998 0.009991 1 0.05603 0.05842 0.07016 0.1
1 немецкий° dGH, °dH 0.3566 0.1783 17.85 1 1.043 1.252 1.785
1 американская популярная ед. gpg 0.3566 0.1783 17.85 1 1.043 1.201 1.712
1 английский °e, °Clark 0.2848 0.1424 14.25 0.7986 0.8327 1 1.425
1 французский °fH 0.1998 0.09991 10 0.5603 0.5842 0.7016 1

Такое многообразие единиц измерения жесткости возникло в результате того, что разные страны использовали разные подходы к ее измерению, так, например:

  • русский градус жесткости воды °Ж = 1 мг-экв/л: соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его миллимоля на литр, что дает 50,05 мг/л CaCO3 или 20.04 мг/л Ca2+;
  • ммоль/л = mmol/L: соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 100.09 мг/л CaCO3 или 40.08 мг/л Ca2+;
  • американские градусы жесткости воды:
    • gpg = Grains per Gallon: 1 гран (0.0648 г) CaCO3 в 1 американском галлоне (3.785 л) воды. Поделив граммы на литры получаем: 17.12 мг/л СаСО3 - это не "американский градус", но очень употребляемая в штатах величина жесткости воды;
    • американский градус = ppmw = mg/L = American degre: 1 часть CaCO3 в 1000000 частей воды 1мг/л CaCO3;
  • немецкие градусы жесткости воды = °dH (deutsche Härte = "немецкая жесткость" может быть °dGH (общая жесткость) или °dKH (для карбонатной жёсткости)): 1 часть оксида кальция – СаО в 100000 частей воды, или 0.719 частей оксида магния – MgO в 100000 частей воды, что дает 10 мг/л СаО или 7.194 мг/л MgO;
  • английские градусы жесткости воды = °e = °Clark: 1 гран (0.0648 г) в 1 английском галлоне (4.546) л воды = 14.254 мг/л CaCO3;
  • французские градусы жесткости воды (°fH or °f) (fh): 1 часть CaCO3 в 100000 частей воды, или 10 мг/л CaCO3.