Жесткая вода образует накипь что приводит к выходу из строя паровых котлов

Обновлено: 16.05.2024

Возможные неисправности в работе паровых котлов

В котле происходят сложные физико-химические процессы, которые могут вызвать в условиях эксплуатации как отклонения основных параметров рабочих сред от их нормальных значений, так и изменить состояние отдельных элементов, следствием чего может быть отказ в работе агрегата.

Таким образом, неисправности могут привести к изменению давления и температуры пара, воды, воздуха, газов и топлива, а также нарушению нормального процесса горения и изменению уровня воды. Следствием отклонения условий работы от нормальных может явиться появление перегрева или пережога парообразующих труб, а также трещин, свищей и разъеданий металла в отдельных элементах котла.

Неуклонное выполнение правил и инструкций технической эксплуатации - лучшее средство для предотвращения неполадок и выхода котла из строя.

Рассмотрим кратко некоторые наиболее часто встречающиеся неполадки в работе котлов и меры их устранения.

Упуск воды является частой и весьма опасной аварией. Причиной упуска воды чаще всего бывают неполадки в работе автоматов питания и недостаточное наблюдение за уровнем воды в котле. Последняя причина является главной при работе котлов на стоянке, особенно в ночное время. В котлах типа «Ла-Монт» часто засоряются шламом отверстия шайб, установленных на входе воды в змеевики, что нарушает циркуляцию.

Если уровень воды еще виден в стеклах водоуказательного прибора, но быстро снижается, необходимо уменьшить горение (подачу топлива и воздуха) и усилить питание котла. При этом следует перейти на ручное управление питанием и при необходимости воспользоваться вторым питательным клапаном и дополнительными питательными средствами.

В этом случае, если удалось, усилив питание, удержать уровень воды в котле и избежать обнажения поверхностей нагрева, необходимо до восстановления нормального уровня регулировать питание вручную. Упуск воды, т.е. снижение уровня в барабане с оголением нагрева, приводит к тяжелой аварии любого котла и может стать причиной взрыва огнетрубного котла.

Поэтому, если принятые меры не помогли и уровень продолжает снижаться или в обоих водоуказательных стеклах после их продувания воды не видно, следует выключить форсунки быстрозапорным клапаном, остановить топливный насос, выключить вентиляторы и дымососы, прекратить питание и, отключив котел от паровой магистрали путем закрытия главного стопорного клапана, открыть с помощью ручного привода предохранительный клапан для снижения давления пара.

При упуске воды категорически запрещается включать питание, так как подача воды на раскаленные поверхности нагрева приведет к интенсивному парообразованию и может ускорить развитие аварии. Если перерыв в питании продолжался несколько минут и уровень воды затем был восстановлен без видимого ущерба для агрегата, котел необходимо немедленно вывести из действия и тщательно осмотреть, чтобы своевременно обнаружить возможные следы перегрева, деформации труб, камер и других элементов, находящихся под давлением.

Если произошел упуск воды, то после вывода котла из действия и охлаждения до температуры 60-70°С спускают воду, а котел подвергают внутреннему осмотру. Если при осмотре обнаружены следы перегрева, что видно по измененному цвету налета накипи, а иногда и металла, то агрегат нельзя вводить в действие без предъявления инспектору классификационного общества. Котел без признаков перегрева можно снова ввести в действие после испытаний на рабочее давление, убедившись в том, что течи в нем отсутствуют.

Перепитка котла водой (чрезмерно высокий уровень) может произойти при неисправности водоуказательных приборов или автоматов питания. Чаще всего такие случаи наблюдаются на стоянке.

При перепитке возможны гидравлические удары и повреждения паропровода.

Если обнаружено, что уровень воды в котле значительно выше нормального или ушел за верхнюю гайку водоуказательного прибора, следует немедленно открыть краны продувания коллекторов пароперегревателей и продуть водоуказательные приборы. Если при этом уровень понизится, но быстро уйдет вверх, нужно уменьшить питание, открыть верхнее продувание и уменьшить нагрузку котла.

Вскипание воды в котлах в настоящее время происходит редко, так как при правильном водном режиме и нормальной эксплуатации котла устраняются причины этого явления.

Вспенивание воды по всей поверхности зеркала испарения может произойти при содержании в воде масла, при большой плотности воды, или чрезмерном количестве вводимого антинакипина. При перепитке котла или резком увеличении расхода пара может произойти вскипание воды в котле, причем в пароперегреватель будет выброшена значительная масса воды. При вскипании уровень воды в водоуказательных стеклах сильно колеблется.

При вскипании или вспенивании воды принимают такие же меры, как и при перепитке котла. После ликвидации последствий вскипания следует установить и устранить его причину: снизить щелочность воды, установить строгий водный режим.

Перегрев испарительных труб чаще всего возникает в ближайших к топке рядах труб, работающих с наиболее высокими тепловыми напряжениями, в результате расстройства циркуляции и попадания в котел масла или при образовании накипи.

Первый признак перегрева - покраснение и провисание труб. При сильном перегреве в трубах могут появиться трещины. При этом сначала слышен короткий резкий хлопок и затем сильное шипение и свист пара, давление в котле падает, из дымовой трубы выходит пар. Уровень воды в водоуказательных приборах быстро падает.

При разрыве трубы следует считаться с опасностью выбрасывания пламени из топки и ожогов обслуживающего персонала. При первых признаках перегрева труб необходимо немедленно с помощью быстрозапорного клапана на топливной магистрали закрыть клапан подачи топлива, прекратить горение в топке и прекратить питание котла. Затем следует закрыть главный стопорный клапан, создать условия медленного остывания котла вместе с водой.

После остывания котла воду выпускают, находят поврежденную трубку и в зависимости от обстоятельств, трубку заменяют либо заглушают ее изнутри коллекторов коническими пробками из мягкой стали. Затем котел заполняют водой и подвергают гидравлическому испытанию на рабочее давление и при отсутствии замечаний вводят в действие.

Основы Водно-химического режима паровых котлов низкого давления

Водно-химический режим (ВХР) парового котла – это эксплуатирующийся комплекс технологических решений, направленных на обеспечение безаварийной и эффективной работы парового котла.

На самом деле достичь эффективного режима работы парового котла это довольно просто. Для начала главное не утонуть в неверной и малоэффективной (а иногда и вредной) информации, которой в настоящее время заполнено все информационное пространство.

Для начала пару слов о воде. Вода обладает свойством входить в состояние равновесия с окружающей ее системой или с окружающими ее условиями. Т.е. вода в реке контактирует с воздухом, с землей, подземными водами, а также поверхностным стоком. В результате достигается некое равновесие между водой и окружающими ее условиями. В процессе достижения этого равновесия вода может растворять в себе различные вещества. К примеру, вода насыщается углекислотой из воздуха или от процессов окисления органики (гниения). В результате вода получает кислую реакцию и начинает растворять известняк. Растворяя известняк вода насыщается бикарбонатом кальция при этом увеличивая значение рН. Поэтому в воде содержаться различные типы ионов и она при этом имеет сложный газовый состав. И всё это находится в равновесии для данных окружающих условий. Если, к примеру, вы подсчитаете индекс Ланжелье для полноводной реки, то окажется что он всегда будет около нуля.

Теперь представьте, что данная вода попадает в котел. Окружающие условия меняются. Вода нагревается, начинает кипеть, из нее активно начинают удаляться все газы, включая углекислоту. В результате достижения нового равновесия для данных окружающих условий вода начинает выделять из себя ионы и органику в виде накипи и шлама. При этом нагреваясь увеличивается подвижность кислорода и значит увеличивается коррозионная активность.

Таким образом задача ВХР обеспечить подготовку воды таким образом, чтобы в условиях парового котла вода не вызывала коррозии оборудования и не выделяла накипь и при этом определяла высокую энергетическую эффективность работы котла.

В настоящее время котлы разделяют по давлению пара. Для котлов высокого давления требования к воде очень высоки. Но за выполнениями этих требований следит целая команда специалистов. А как быть небольшому предприятию с паровым котлом низкого давления? Создавать химическую службу ради одного котла не имеет смысла. Рынок аутсорсинга на этом направлении, по крайне мере в России, отсутствует.

Проблема усугубляется еще и тем, что требования к котлам низкого давления во многом схожи с котлами высокого давления. Явно прослеживается тенденция того, что требования для котлов низкого давления были просто переписаны с котлов высокого давления (за исключением требований к качеству пара).

В результате получаем очень высокие требования к организации ВХР котельной, но на практике, для небольших предприятий не энергетического профиля, наблюдаем почти полное отсутствие такового.

При этом наблюдается следующий процесс. Около 80 % котельных низкого давления вообще работают без водоподготовки или с «некой» водоподготовкой, когда, как говориться, лучше уж без нее. Причем иногда котел, работающий вообще без водоподготовки, может относительно неплохо эксплуатироваться, а с водоподготовкой выходит из строя. В конце концов, при отсутствии надлежащей эксплуатации, успешность работы котла зависит от источника водоснабжения и качества и доли возврата конденсата.

В этих условиях я хотел бы обозначить основные принципы, при которых паровой котел низкого давления может довольно успешно работать, при этом не требовать к себе «избыточного» внимания.

Прежде всего необходимо понять, что происходит с водой в паровом котле. В котле из воды начинает эффективно удаляться углекислота с паром. В результате в воде начинают появляться карбонаты. В результате из воды выделяется карбонат кальция в виде накипи. Этот процесс происходит в первую очередь. Если в воде присутствуют сульфаты, то возможно выпадение в осадок сульфата кальция (гипса), т.к. котловая вода упаривается и увеличивается концентрация сульфатов и остальных солей. Но выпадение гипса происходит довольно редко (только в случаях их большой концентрации в источнике водоснабжения в условиях отсутствия системы водоподготовки). Т.к. если в воде присутствует кальций, то большая его часть выпадает в осадок с карбонатами и на сульфаты его просто не хватает. Тем не менее в воде также содержится магний, который также будет выпадать в осадок с сульфатами и гидратами.

Выпадение гипса в котле возможно еще по причине дозирования в питательную воду сульфита натрия с целью связывания кислорода. В результате в воде увеличивается концентрация сульфатов и, если установка умягчения перестает работать и в воде появляется достаточное количество кальция возможно выпадение как карбоната, так и сульфата кальция.

Поэтому самое главное, что необходимо сделать для подготовки воды это произвести ее умягчение. В результате в воде появятся ионы натрия вместо кальция и магния. Ионы натрия не будут выпадать в осадок и при удалении из воды углекислоты в воде будет получаться карбонат натрия (сода) а не карбонат кальция. В котле будет происходить гидролиз карбоната натрия с образованием гидрата (ОН). В результате рН воды в котле повысится. Это и есть самое главное преимущество предварительно умягченной воды.

Котловая вода в этом случае будет иметь высокое значение рН. Если в такую воду попадет кальций он сразу будет переведен в шлам. Не в накипь, а именно в шлам. И его можно будет удалить с периодической продувкой. Если в такую воду попадет углекислота она сразу будет переведена в бикарбонат и отогнана с паром. Т.е. котловая вода, образованная из умягченной питательной воды, является своего рода защитным буфером котла. Проскок солей жесткости она переводит в шлам, а углекислоту нейтрализует и удаляет с паром. В этом случае возможна только кислородная коррозия. Большим плюсом также является то, что если в котловой воде содержится гидрат, то кремнекислота полностью диссоциирует и не дает накипи либо выделяется в виде удаляемого шлама.

В результате можно записать следующие мероприятия для успешного ведения ВХР парового котла низкого давления.

Умягчение воды
Максимальный возврат конденсата
Деаэрирование и декарбонизация питательной воды
Обратноосмотическое обессоливание
Постоянный автоматический контроль значений рН и электропроводности котловой воды

Рассмотрим каждый пункт подробнее.

Умягчение воды.
Умягчение воды это основной процесс водоподготовки, который должен быть реализован для парового котла низкого давления. Конечно можно полностью обессолить воду, а затем дозировать в нее едкий натр. Но в условиях отсутствия надлежащего химического контроля — это равносильно «убийству» котла. Процесс умягчения воды для котлов низкого давления имеет еще одно очень большое преимущество о котором будет рассказано в пятом пункте.
Возврат конденсата это крайне важная составляющая успешного ВХР. В конденсат поступает много углекислоты от разложения бикарбонатов в котле. В результате в конденсатном тракте углекислота постепенно переходит в конденсат у уменьшает его рН. Как следствие начинает происходить коррозия конденсатного тракта и конденсат насыпается продуктами коррозии. Чем ниже температура конденсата, тем больше углекислоты в нем растворится и соответственно больше железа перейдет в конденсат. Железо будет вызывать повышенную мутность котловой воды со всеми вытекающими последствиями. Поэтому при проектировании системы возврата конденсата крайне важно избегать линий, где возможно застаивание и захолаживание конденсата. Конденсат необходимо возвращать в головку деаэратора. Преимущества этого в том, что первое, смешиваясь с подпиточной водой он ее нагревает и деаэрация проходит более эффективно, второе в деаэраторной головке из конденсата отгоняется углекислота. Если конденсат возвращать непосредственно в деаэраторный бак, то углекислота вступит в реакцию с гидратом воды в деаэраторном баке. Значение рН питательной воды упадет и потребуется больше пара на барботаж, чтобы обеспечить требуемый рН питательной воды после деаэратора.
Деаэрирование и декарбонизация питательной воды происходит в деаэраторе. При этом необходимо отметить разницу в процессах деаэрирования и декарбонизации. Деаэрирование эффективно происходит только в головке деаэратора. Т.е. для эффективного деаэрирования температура воды на последней (нижней) тарелки должна быть не менее 100 0С. Этого сложно достичь при отсутствии предварительного подогрева подпиточной (умягченной) воды. Поэтому если в головку поступает холодная умягченная вода требуется большой расход пара для того чтобы получить требуемое качество питательной воды по кислороду. Особенно в условиях переменной нагрузки, что свойственно для производственных котлов низкого давления, такой массообменный агрегат как деаэратор работает с очень низкой эффективностью.
Вроде бы очевидно, что необходимо организовывать предварительный подогрев умягченной воды перед деаэратором. Но то что на бумаге выглядит как теплообменник с подводом пара и воды, на практике представляет из себя очень серьезную задачу.
Во-первых, умягченная вода является крайне коррозионной из-за смещения углекислотного баланса в сторону растворения. Поэтому при подогреве такой воды наблюдается, то что можно назвать, взрывная коррозия. Поэтому допустимо использовать только нержавеющую сталь.
Во-вторых, организация работы теплообменника тоже требует очень серьезного подхода. Дело в том, что, нагрев происходит паром. Подпитка деаэратора умягченной водой, то есть, то ее нет. Соответственно, когда расход воды через теплообменник прекращается, а регулятор пара не успевает его перекрыть, к примеру, пластинчатые теплообменники сразу разрушаются от того, что вода по водяной линии просто вскипает.
Все это требует очень серьезного подхода к решению, казалось бы, такой простой теплотехнической задачи.
В результате, как правило, для котлов низкого давления наблюдается значительное превышение кислорода в питательной воде. Но даже в этом случае коррозии подвержены прежде всего стальной экономайзер и питательный тракт парового котла. Попадая непосредственно в котел кислород сразу уносится с паром. В случае, когда деаэрация отсутствует полностью, скорее всего, будет наблюдаться кислородная коррозия стального экономайзера, питательного тракта и, возможно, возвратных труб котла.
Декарбонизация питательной воды это прежде всего удаление свободной углекислоты. Свободная углекислота довольно легко удаляется непосредственно из деаэраторного бака. Дело в том, что углекислота не может удалиться в так называемый ноль. При уменьшении ее концентрации в воде начинают появляться карбонаты и соответственно гидраты. Гидраты связывают свободную углекислоты в бикарбонат. В результате это позволит избежать водородной (кислотной) коррозии питательного тракта и экономайзера котла. В любом случае в котле около 90 % бикарбонатов перейдет в углекислоту, которая удалится с паром.
Обратноосмотическое обессоливание подпиточной воды не является обязательным требованием для работы паровых котлов низкого давления в случае большой доли возврата конденсата и (или) низкого солесодержания исходной воды. Тем не менее я крайне рекомендую использовать обратный осмос в совокупности с умягчением воды. В результате мы получаем глубокоумягченную воду с низким солесодержанием. В этом случае мы имеем небольшую продувку котла. Конденсат становится значительно менее агрессивным. Поэтому, даже неграмотная организация системы возврата конденсата не является критичной. Отсутствие в воде органики не вызывает зашламление котла. Все это приводит к значительному повышению надежности работы всей котельной. В результате из-за отсутствия простоев котельной и, соответственно, всей технологической цепочки предприятие не несет убытки.
По котловой воде как по крови человека можно выяснить сразу почти все болезни. Если и не почти все, то хронические уж точно.

Основные отслеживаемые параметры котловой воды это щелочность по фенолфталеину и метилоранжу и солесодержание. Анализ на щелочность требует наличие лаборанта и лаборатории. Измерение солесодержания котловой воды можно произвести обычным кондуктометром. По общей щелочности котловой воды и солесодержанию рассчитывают некую относительную щелочность котловой воды. Вероятно здесь существует определенное недопонимание. Понятие относительной щелочности, т.е. отношение общей щелочности к солесодержанию пришло из ВХР котлов высокого давления. Для котлов высокого давления данный параметр важен тем, что питательная вода там полностью химически обессолена и в нее дозируется едкий натр для поднятия рН для избежания углекислотной коррозии. В результате если в воду дозируется больше едкого натра чем требуется, это может привести к вскипанию и уносу котловой воды с паром, что критично для энергетических котлов. Для котлов низкого давления, где обессоливания воды не требуется, этот параметр абсолютно не информативен. Он вообще ни о чем не говорит и поэтому вреден, т.к. многие на него ориентируются.

Для котлов низкого давления важно значение рН котловой воды и ее электропроводность. Т.к. из-за отсутствия жестких требований к качеству пара для котлов низкого давления достаточно только умягчения воды. Дело в том, что в зависимости от состава исходной воды и кратности упаривания в котле, в случае полностью умягченной воды, значение рН котловой воды будет только одно и оно будет абсолютно четко соответствовать одному значению электропроводности котловой воды. Т.е. мы можем построить график зависимости значения рН котловой воды от ее электропроводности для конкретного источника водоснабжения.
Соответственно если значение рН котловой воды падает, но при этом значение электропроводности растет или остается таким же, это говорит о том, что в котел начинают поступать соли жесткости и требуется проверка системы умягчения.

Я понимаю, что данная методика является косвенной, но она может быть полностью автоматизирована. При этом контроль может осуществляться удаленно и непрерывно. В результате можно удивительно четко отследить все изменения в ВХР котла просто посмотрев на экран смартфона.

Учитывая особенности работы установки умягчения воды (если что-то не так она начинает работать, периодически выдавая жесткую воду, что сразу будет фиксироваться в виде падения значения рН котловой воды), используя данную методику можно, хоть и косвенно, но легко понять работает ли умягчение и требуется ли более четкий химический контроль для корректировки фильтроцикла установки умягчения. В большинстве случаев на первых порах работы котельной это позволяет понять добавляет ли персонал соль в фидер. Бывает и такое, причем довольно часто.

Для удаленных объектов это просто незаменимо.

В заключении хочу отметить, что грамотный ВХР паровых котлов низкого давления это прежде всего нахождение равновесия воды в зависимости от окружающих условий (условий в котле и питательном тракте) при использовании массообменных процессов (умягчение, осмос, термическая дегазация). Т.к. массообменные процессы не требуют постоянного контроля и успешно работают при относительно стабильных исходных условиях. А вот дозирование различных реагентов в качестве основного инструмента ведения ВХР крайне нежелательно. Если очень хочется, то можно использовать дозирование реагентов как корректирующих и (или) стабилизирующих в очень незначительных концентрациях. Но почти во всех случаях при отсутствии или ненадлежащей работе основной системы водоподготовки дозировании реагентов приведет к довольно негативным последствиям. Так фосфаты и сульфаты можно дозировать только в глубокоумягченную воду. Органические реагенты могут просто зашламить котел. Сульфит натрия требует постоянного обновления раствора, т.к. расходуется на окисление кислорода воздуха. Дозирование аммиака исключает использование пара в пищевых производствах и т.д. И при этом всё это требует серьезного контроля, что редко бывает организовано на небольших предприятиях неэнергетического профиля.

Работая много лет с водно-химическими режимами паровых котлов низкого и среднего давления, я заметил, что даже если питательная вода не соответствует всем требованиям заводов изготовителей котлов, это не всегда приводит к выходу котла из строя (повреждение нагревательных поверхностей котла коррозией или перегрев из-за отложений солей). Возможно ухудшение экономических показателей работы котла, увеличение продувки, более частая замена уравнемерных стекол, частая прочистка датчиков и т.д. Но котлы могут проработать при недостаточном качестве питательной воды, по крайней мере, не менее установленного срока службы. Такое часто случается на производствах, где в силу специфики выпускаемой продукции к котельной относятся недостаточно внимательно и не осуществляют надлежащей эксплуатации и лабораторного контроля. Тем не менее, котлы на одних производствах прорабатывают свой срок службы и даже больше, а на других довольно быстро выходят из строя. При этом качество питательной воды и в том и другом случае оставляет желать лучшего. Давайте попробуем разобраться и понять в каких случаях, и какие параметры имеют критическое значение для работы парового котла, а какие параметры даже при их превышении позволяют эксплуатировать оборудование.

Во первых следует отметить, что при разработке технологии водоподготовки для паровой котельной необходимо обеспечить соответствие всех параметров питательной воды парового котла в соответствии с требованиями завода – изготовителя. Тем не менее, я часто сталкиваюсь с ситуацией, где имеется определенное недопонимание с величиной остаточной жесткости питательной воды.

Для котлов низкого и среднего давления величина жесткости питательной воды (в соответствии с требованиями заводов – изготовителей) должна быть не больше 0,02 мг-экв/л (0,01 ммоль/л). Необходимо учитывать, что в паровом котле происходит упаривание воды. Соответственно, если жесткость питательной воды 0,02 мг-экв/л, то в случае, когда коэффициент упаривания котловой воды равен 10, жесткость котловой воды будет равна 0,02*10=0,2 мг-экв/л. Данное значение жесткости достаточно большое для того чтобы кальций образовывал твердые частички карбоната кальция, а магний образовывал частицы гидроксида магния при наличие в воде бикарбоната и при условии отгонки из воды углекислоты с паром.

Тем не менее, при питании паровых котлов питательной водой с такой жесткостью в котлах не образуется накипь.

При упаривании из котловой воды удаляется углекислота вместе с паром и, соответственно, бикарбонат ион переходит в карбонат, который в свою очередь гидролизируется с образованием гидрата. В результате в котловой воде увеличивается количество гидрата, что можно определить по фенолфталеиновой щелочности котловой воды. Максимальная щелочность котловой воды допускается до 26 мг-экв/л. Как правило, большая часть данной щелочности есть гидратная (ОН). Т.е. в котловой воде имеется большое количество гидрата. Если в такую воду подать питательную воду с повышенной жесткостью, то моментально начнется протекание следующих реакций:

(1)

(2)

Как мы можем видеть, в реакции (1) гидрат натрия связывает водород бикарбоната в воду, при этом бикарбонат становится карбонатом и выпадает в осадок в виде карбоната кальция. Остающийся в котловой воде бикарбонат натрия после удаления углекислоты с паром вновь становиться гидратом натрия.

Реакция (1) протекает достаточно быстро даже в воде при низкой температуре, не говоря уже о мгновенном протекании при температуре воды в котле.

Можно провести простой эксперимент. Набрать 1 литр водопроводной воды с жесткостью 4 мг-экв/л и щелочностью 2,5 мг-экв/л и добавить туда 0,5 грамм NaOH. При интенсивном перемешивании воды образование взвеси в воде начнется через несколько секунд. Через несколько минут вся карбонатная жесткость воды будет находиться в состоянии взвеси. При этом осаживаться данная взвесь будет довольно долго. В воде в растворенном виде останется только некарбонатная жесткость. Движущая сила процесса по реакции (1) тем больше, чем больше гидрата уже содержится в воде или добавляется к воде. При этом для образования взвеси карбонатной жесткости не требуются даже изначальные центры кристаллизации (наличие взвешенных веществ в воде и т.п.). Т.е. чем выше значение рН воды тем быстрее из нее выделяются соли карбонатной жесткости. Этот процесс имеет простой физический смысл. Если воду насыщать углекислотой, то в такой воде будет происходить растворения карбоната кальция с образованием бикарбоната кальция, и, соответственно, если из воды отгонять углекислоту, то бикарбонат кальция будет обратно переходить в твердый карбонат кальция.

Можно сказать, что при наличии в котловой воде большого количества гидрата натрия поступающий с питательной водой бикарбонат кальция и магния переходит в шлам в толще котловой воды, а не на поверхностях нагрева котла.

В случае отсутствия в котле щелочной среды или недостаточного количества гидрата натрия соли карбонатной жесткости будут откладываться на поверхностях нагрева котла, в зоне наибольших температур и, соответственно, интенсивного отведения углекислоты с испаряющейся водой.

При производстве анализа на щелочность по М постепенное уменьшение рН пробы котловой воды в процессе дозирования соляной кислоты растворяет шлам карбоната кальция по формуле:

(3)

Этот процесс увеличивает значение щелочности по метилоранжу, хотя в котловой воде количество растворенного карбоната натрия будет находится на уровне не более 2 ммоль/л. Соответственно, 8 ммоль/л это то количество карбоната которое выпадает в виде шлама с кальцием и магнием.

Что же произошло с котлами?!

Котлы работали в таком режиме около 3-х недель. После ремонта установки водоподготовки был произведен внутренний осмотр котла. И в результате осмотра было принято решение не проводить внеочередную химическую мойку котлов. Состояние поверхностей нагрева котла было вполне удовлетворительно. Фактически, кроме необходимости промывки пробоотборного устройства серьезных проблем не возникло. Практически все соли жесткости удалялись из котла в виде шлама с непрерывной и периодической продувкой (количество которых было значительно увеличено). В данном случае количества гидрата в котловой воде хватило для предупреждения образования плотной накипи на поверхностях нагрева котлов.

Следует отметить, что для водотрубных котлов при таком активном шламообразовании скорее всего забьются конвективные и экранные трубы, что приведет к их перегреву и разрушении.

Еще один пример из практики. В паровой котельной с 2-мя жаротрубными котлами (11 бар) вышла из строя установка умягчения воды вследствие попадания в нее пара. Пар попал в пластиковые баллоны водоподготовки через теплообменник подогрева химочищенной воды перед деаэратором. Редукции пара не было и т.к. в теплообменник пар поступал даже при отсутствии расхода воды, теплообменник со временем был перегрет и пар с давлением 11 бар передавил химочищенную воду.

В результате установка умягчения полностью вышла из строя. Котел питался водой с жесткостью 2,0 мг-экв/л и щелочностью 1,0 ммоль/л (с учетом возврата конденсата). Щелочность котловой воды составила: Ф=0,2-0,5, М= 7,5-8,5. Как можно видеть в котле фактически отсутствовал гидрат, и незначительная щелочность по фенолфталеину была образована только за счет примерно 15-20 мг/л натрия содержащегося в исходной воде источника водоснабжения.

В таких условиях я предположил, что котел не проработает и двух недель. Вода по продувочной линии шла довольно прозрачная. Практически все соли жесткости оседали на поверхностях нагрева в условиях отсутствия достаточного количества гидрата в котловой воде.

Тем не менее, котлы проработали три месяца. За это время была заменена установка умягчения, несмотря на мои предупреждения сделать это как можно быстрее. Затем был произведен осмотр котлов. В результате обнаружилось почти полное забитие котлов солями жесткости. При этом внизу котла имелись твердые образования, по форме которых было видно, как они были образованы и с какой части жаровой трубы отвалились в процессе кипения воды. Не могу сказать сколько бы котел еще продержался, но ситуация была сверхкритическая. Котлы химически промывали около недели.

Эти два случая принципиально показывают развитие процессов образования твердой фазы солей карбонатной жесткости в котловой воде в зависимости от рН. Можно сделать вывод, что наличие в котловой воде гидрата принципиально меняет картину выделения солей жесткости.

Использование фосфатов для связывания солей жесткости котловой воды в гидроксилапатит довольно рискованно, особенно в случае недостаточного контроля за жесткостью питательной воды. Гидроксилапатит образуется только в присутствии в воде гидрата. При отсутствии гидрата, но при наличии солей жесткости они связываются в фосфорит. В отличие от гидроксилапатита, который является шламом и выводится с продувкой, фосфорит образует твердые отложения. В случае дозирования фосфатов в недостаточно умягченную воду перед деаэратором, уже в деаэраторе возможны отложения фосфорита, которые можно будет удалить только трудоемким механическим способом.

Реальный случай из моей практики. Установка водоподготовки паровой котельной должна была состоять из обратноосмотического обессоливания и второй ступени умягчения. В результате неправильной наладки осмос вышел из строя, и котельная около двух лет работала только на одной ступени умягчения. При этом жесткость исходной воды была 11 мг-экв/л. Жесткость питательной воды составляла в среднем 0,15 мг-экв/л после всего одной ступени умягчения. При этом наладочная организация настояла на дозирование фосфатов в воду перед деаэратором. После двух лет работы меня пригласили сделать аудит этой котельной. В результате я выяснил, что примерно 1 раз в квартал, приходилось останавливать котельную из-за того, что переставала поступать вода из деаэратора. В деаэраторе образовывался фосфорит, который отдалбливали и удаляли вручную. При этом так же питательные насосы после деаэратора выходили из строя. Требовался либо их ремонт, либо замена. Как шутку можно сказать, что на данной котельной использовалась новая перспективная осадительная технология водоподготовки, где в качестве отстойника использовался деаэратор. Если исключить дозирование фосфата, то с жесткостью 0,15 мг-экв/л жаротрубный котел в данном случае вполне мог работать. Дело в том, что коэффициент упаривания котловой воды в данном случае был всего 4, из-за высокого солесодержания питательной воды и отсутствия возврата конденсата. В результате солей жесткости в котловой воде было бы всего 0.15*4=0,6 мг-экв/л. Это увеличило бы метилоранжевую щелочность котловой воды на 0,6 мг-экв/л которая определялась бы только при низких значениях рН пробы. Это шлам, который выводится с продувками котла.

Необходимо отметить еще один момент. Известно, что нормируется только жесткость питательной воды. Предположим, что в паровой котельной существует большая доля возврата обессоленного конденсата, около 90%. В этом случае, как правило, устанавливают только одну ступень умягчения. В результате жесткость после одной ступени умягчения можно получить в среднем 0,1-0,07 мг-экв/л (при разумном расходе соли на регенерацию). После смешения умягченной воды и конденсата жесткость питательной воды получится около 0,01 мг-экв/л, что более чем соответствует требованиям. Но, в данном случае, солесодержание питательной воды определенно будет иметь довольно маленькое значение и, соответственно, коэффициент упаривания котловой воды может иметь очень большие значения. В своей практике максимальный коэффициент упаривания, который я устанавливал, был 60. Дело в том, что при значении коэффициента от 55 котловая вода начинает значительно мутнеть, даже если питательная вода проходит осмос, а в конденсате практически не содержится железа. С точки зрения теории мне сложно объяснить этот момент, но практика показывает именно этот порог значения. Вероятно, вещества находящиеся даже в незначительном количестве в питательной воде после упаривания в 60 раз вызывают помутнение воды. Если питательную воду с жесткостью 0,01 мг-экв/л упарить в 60 раз, то жесткость котловой воды достигнет 0.01*60=0,6 мг-экв/л. Это значение равно значению жесткости котловой воды для случая питания котла водой с жесткостью 0,15 мг-экв/л и коэффициентом упаривания 4. При этом с точки зрения правил, в первом случае явное нарушение по солям жесткости в питательной воде, а во втором требования правил соблюдены.

Подводя промежуточный итог необходимо сказать, что для котлов низкого и среднего давления важна не только величина жесткости питательной воды, но и щелочности, а точнее важно их соотношение в питательной воде. Щелочности должно быть в несколько раз больше остаточной жесткости.

Как правило, данное условие всегда соблюдается, т.к. в природных водах щелочность занимает от 50 до 80 % от анионного состава воды. Но в случае использования осмоса для подготовки подпиточной воды щелочность, как и жесткость, будут удалены на мембране. При этом остаточная жесткость должна быть замещена на натрий на установке умягчения. Т.о. жесткости в такой воде практически не будет, и даже небольшого количества щелочности хватит для образования достаточного количества гидрата в котловой воде. Но здесь есть опасность в случае возврата загрязненного конденсата. Даже небольшого количества солей карбонатной жесткости в конденсате будет достаточно для связывания гидрата в бикарбонат и выпадения в осадок. А в случае уменьшения рН котловой воды, даже небольшое, на первый взгляд, количество солей жесткости выпадет в осадок в виде накипи на теплопередающих поверхностях котла и значительно увеличит риск подшламовой коррозии и перерасход топочного газа из-за увеличения термического сопротивления теплопередающей поверхности.

В заключении необходимо упомянуть об отложениях в котле сульфатов и солей кремниевой кислоты. В котле возможно образование сульфата кальция. На практике, в котлах использующих поверхностные воды, как правило, сульфатных отложений не образуется. Сульфатные отложения будут образовываться, только если кальция больше, чем бикарбоната в питательной воде. Т.е. питательная вода практически не должна умягчаться и концентрация кальция должна быть больше концентрации бикарбонатов. Что для поверхностных источников встречается крайне редко. Поэтому, как правило, сульфатные отложения образуются в котлах без водоподготовки работающие на подземных водах или если в воду неконтролируемо дозируется сульфат натрия для целей химической деаэрации.

Образование солей кремниевой кислоты в котле возможно в случае наличия в питательной воде солей жесткости и высокого коэффициента упаривания котловой воды. При этом если в котловой воде имеется гидрат, то будет образовываться не твердая накипь силиката магния, а рассыпчатый тальк. Считается, что для образования талька достаточно, что бы в котловой воде гидрата было в полтора раза больше чем солей кремниевой кислоты. Тем не менее, силикатные накипи чрезвычайно сложно удаляются и необходимо четко придерживаться требований завода изготовителя котла по допустимым концентрациям кремния в питательной и котловой воде.

Определение причин отказов, повреждений судовых паровых котлов и теплообменных аппаратов

Сведения по характерным неисправностям и повреждениям паровых котлов, а также рекомендации по устранению неисправностей представлены в табл. 24.6.

Технологические методы восстановления работоспособности отдельных узлов и элементов паровых котлов и теплообменных аппаратов представлены в табл. 24.7.

В табл. 24.1 приведены сведения об эффективности применения тех или, иных методов для идентификации условий разрушения деталей. Методы обозначены: В - визуальный, М - металлографический, Р - рентгеноструктурный, Т - испытания на твердость, Э - экспериментальное воспроизведение условий разрушения; индекс «д» означает достаточность данного метода для полного определения этих условий. Во всех остальных указанных случаях приведенные методы могут быть успешно применены, но не дают полной уверенности в результатах исследований. Условно обозначены методы обнаружения дефектов: В- визуальные методы, И- специальные измерения, К-- капиллярные методы, Г - гидравлические испытания.

Читайте также: