Ликбез №51: Водные процедуры

Интересный факт: порядка 85% причин появления дефектов на теплотрассах в Новосибирске – наружная коррозия трубопроводов. По данным Сибирской генерирующей компании (СГК), чьи подразделения работают в 16 городах Сибири, эта проблема универсальна. При этом внутренняя коррозия труб теплотрасс становится причиной всего лишь 3,6% дефектов. Подобное соотношение может варьироваться, но почти никогда – за исключением случаев самых запущенных, обычно в малых городах, где проблемы в теплосетях копились десятилетиями – не становится обратным. Иными словами, качество теплоносителя, как правило, не провоцирует разрушение трубопроводов, по которым его транспортируют до потребителей.

За счет чего так получается? Ведь на любой ТЭС или котельной в России используют одну и ту же воду – из реки или из городского водопровода, а иногда – из собственной замкнутой системы (при этом неизбежные потери на испарение и утечки так или иначе все равно восполняются их внешних источников). Однако при любом водозаборе исходная вода самотеком в технологические процессы не поступает, а проходит сначала через несколько стадий обработки в специальном цехе водоподготовки. 

Основная задача водоподготовительных установок (или ВПУ) на тепловых электростанциях – обеспечить четкий по параметрам водно-химический̆ режим работы ТЭЦ, ГРЭС или котельной (в последнем случае, к сожалению, водоподготовкой занимаются далеко не везде), а также предприятий тепловых сетей̆. Главное, чего должны добиться специалисты – не допустить образования коррозии и накипи, а также (в случае с подготовкой горячей воды) – удовлетворить требованиям СанПиН. «Коррозия поверхностей нагрева котлов, подогревателей и тепловых сетей вызывается кислородом и углекислотой. Накипь образуется при нагреве и испарении воды, когда из нее выпадают различные растворенные соли, часть из которых осаждается на поверхностях нагрева в виде плотного слоя с низкой теплопроводностью», - на пальцах объяснили «Кислород.ЛАЙФ» в пресс-службе Мурманской ТЭЦ (дочернее предприятие ПАО «ТГК-1»). 

Чтобы убедиться в том, насколько важна водоподготовка в теплоэнергетике, достаточно сравнить трубы теплотрасс в двух муниципалитетах Хакасии. Летом 2019-го СГК, давно работающая в столице республики – Абакане, зашла в «проблемный» Черногорск. И, раскопав магистральный трубопровод на улице Калинина, уложенный, кстати, всего-то в 2000 году, пришла в ужас. Фото срезов двух одинаковых труб можно увидеть вот здесь – фактически, перед нами ярчайший пример полного отсутствия работающих ВПУ на котельных Черногорска.

Водная многозадачность

В природной воде всегда присутствуют различные загрязнители, в том числе и бактерии. Использование воды от городских водоканалов, где ее так или иначе обрабатывают, снимает с сотрудников ТЭС массу головных болей, но не решает задачу водоподготовки окончательно и бесповоротно. Главная задача ВПУ – обеспечить определенное по конкретным параметрам качество воды. «Показателями качества являются: прозрачность, то есть содержание взвешенных частиц, легко удаляемых при механическом фильтровании; сухой остаток – содержание минеральных и органических примесей после выпаривания; жесткость – содержание солей кальция и магния; щелочность – содержание в воде анионов бикарбонатов, карбонатов и гидратов; а также содержание агрессивных газов (кислород и диоксид углерода)», - объясняют специалисты Мурманской ТЭЦ. 

При этом из исходной воды на ТЭС готовят не только теплоноситель для сетей отопления и систем горячего водоснабжения (ГВС). Обработанную в ВПУ воду используют и для получения пара разных параметров, и для охлаждения различных агрегатов, а также отработавшего пара в конденсаторах паровых турбин, и в качестве транспортирующего элемента в системах гидрозолоудаления, и для восполнения потерь в общем технологическом цикле и т.д. Для заполнения контура паротурбинной̆ установки, а также восполнения потерь воды на современных крупных ТЭС, например, применяют глубокообессоленную воду. А вот для заполнения и подпитки тепловых сетей хватит и умягченной.

Что это за воды такие? Одним из наиболее важных для ТЭС показателей качества воды является ее жесткость, которая определяется как сумма концентраций солей кальция и магния. Именно эти химические элементы влияют на образование накипей. «Оборудование современных ТЭС и АЭС эксплуатируется при высоких тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения толщины отложений на поверхностях нагрева по условиям температурного режима их металла в течение рабочей̆ кампании. Есть показатели качества – карбонатные индексы Ик сетевой воды, которые характеризуют интенсивность накипеобразования на поверхностях нагрева. Они прописаны в Правилах технической эксплуатации электростанций и теплосетей РФ, и мы должны обеспечить, что они не оказались повышены. Например, согласно СанПиН, жесткость питьевой воды не должна превышать 7 мг–экв./литр, а к воде, участвующей в процессах теплообмена, выставляют требования более глубокого умягчения, до 0,01–0,05 мг–экв./литр. Умягчение воды – это процесс удаления из воды солей кальция и магния. Снижение совокупной концентрации катионов магния и кальция, а также и анионов, с которыми они при определенных условиях могут образовывать на стенках труб и аппаратов плотные нерастворимые отложения, производится различными методами на системах водоочистки и водоподготовки», - рассказывает Дамир Хасанов, заместитель главного инженера по эксплуатации Новосибирского филиала СГК.

Этих методов, и, соответственно, схем ВПУ, очень много, но в целом они делятся на физические (в том числе термические), и методы, в которых используются химические реагенты. «Применяя химическую обработку (включая также методы ионного обмена), можно получить как умягченную, так и глубокообессоленную воду; при одном из наиболее распространенных на ТЭС физических методов — термической̆ обработке воды — всегда получают дистиллят, то есть воду с очень небольшим содержанием примесей̆», - говорится в учебнике «Водоподготовка в энергетике» выпущенном издательством МЭИ в 2016 году.

Традиции и будущее

В целом, по данным д.т.н., профессора МЭИ Валерия Очкова, основная часть ВПУ на ТЭС, действующих в России и странах СНГ, построены в ХХ веке по традиционной схеме, включающей осветлитель с известкованием и коагуляцией (либо только с коагуляцией), механические фильтры, а также одну или две ступени обессоливания.

«Одной из причин распространенности данной схемы является возможность ее применения для очистки воды различного качественного состава (по солесодержанию и взвешенным веществам). В осветлителе при помощи процесса коагуляции происходит удаление взвешенных и коллоидных веществ. Известкование применяется для снижения щелочности и частично жесткости воды. В механических фильтрах происходит задержание твердой фазы, образовавшейся в результате коагуляции и известкования и не задержанной в осветлителе», - пишет Очков.

Осветленная вода последовательно проходит Н-катионитный и ОН-анионитный фильтры первой и второй ступеней, где происходит задержание различных кислот, а основное количество свободной углекислоты, находившейся в исходной воде, удаляется в декарбонизаторе. «Для отопления и горячего водоснабжения обессоливать воду не требуется, поскольку до таких высоких температур, как в котле, она не нагревается. А вот деаэрация – дело необходимое. В данном случае из воды удаляют только свободный кислород, который содержится в ней в виде пузырьков. И приводит к окислению металла, а также появлению ржавчины в трубопроводах и даже батареях отопления в квартирах. Деаэрация воды перед ее нагревом на станции помогает продлить срок службы металла на каждом из отрезков системы теплоснабжения», - объяснил «Кислород.ЛАЙФ» начальник химического цеха Минусинской ТЭЦ Александр Нуркеев.

Такая схема считается «классической» для подготовки воды для восполнения потерь пара и конденсата на энергоблоках с барабанными котлами. На блоках с прямоточными котлами в «хвосте» ВПУ дополнительно ставят фильтры смешанного действия (ФСД). Впрочем, на крупных ТЭС уже давно используют комбинированные и многоступенчатые схемы очистки. По информации из статьи «Анализ современных технологий водоподготовки на ТЭС», опубликованной в журнале «Новости теплоснабжения» (№7 за 2013 год), «ужесточение экологических требований к сточным водам ВПУ, с одной стороны, ухудшение качества обрабатываемой воды, с другой, удорожание реагентов, ионитов, а также высокие эксплуатационные затраты привели к необходимости совершенствования традиционных технологий и созданию новых схем обессоливания». 

Наиболее перспективными технологиями обработки вод невысокой минерализации с повышенным содержанием органических примесей, что характерно для поверхностных вод центра и севера России, в статье названы методы противоточного ионирования и обессоливания на основе мембранных методов. ВПУ, основанные на противоточных технологиях, были внедрены, к примеру, на Калининской АЭС, Дзержинской ТЭЦ и др. Так, ВПУ номинальной производительностью 1700 кубометров в час на ТЭЦ-ЭВС-2 «Северстали» в Череповце предназначена для выработки глубоко умягченной воды и включает две стадии обработки исходной воды из реки Шексна: осветление на механических однокамерных фильтрах (12 штук с единичной производительностью 145 кубометров в час) с периодическим подключением контактной коагуляции и Na-катионирование на противоточных фильтрах (четыре штуки с единичной производительностью 585 кубометров в час). 

По данным СГК, на Новосибирских ТЭЦ-2, ТЭЦ-3 и ТЭЦ-4 для предварительной очистки воды используются установки УФ-фильтрации. А ТЭЦ-2 еще в 2003 году перешла на один из самых современных способов очищения речной воды от примесей – установку обратного осмоса. Такие же технологии используются на ТЭЦ-12 «Мосэнерго», ТЭЦ «Северстали» в Череповце, Уфимской ТЭЦ-1, на станциях ООО «Ивановские ПГУ» и ряде других станций. «Вода при обратном осмосе пропускается под давлением через мембрану, поры которой задерживают примеси. Удаляются такие вещества как магний, натрий, кальций, нитраты, нитриты, сульфаты, железо и кремниевая кислота. После прохождения такой установки вода по своим свойствам соответствует дистиллированной», - рассказали на Новосибирской ТЭЦ-2. 

В целом, развитие технологий ВПУ на различных ТЭС в России не останавливается. И стимул очевиден. «Использование неподготовленной воды ведет к быстрому нарастанию отложений в трубах и теплообменниках, резко снижает эффективность теплопередачи и выводит из строя теплообменное оборудование. В результате страдает источник тепловой энергии, затрачивая лишнее топливо, а также потребитель, не получая требуемое тепло», - объяснил «Кислород.ЛАЙФ» Дамир Хасанов из СГК.