Значение водоподготовки для ТЭС.

Вода является самым распространенным веществом, применяемым во всех отраслях промышленности. Вода - это и растворитель различных веществ, среда для протекания разнообразных химических реакций, составная часть многих технических и бытовых продуктов, охлаждающее и нагревающее рабочее тело для деталей машин и аппаратов, промышленных агрегатов и в отопительных системах.

В теплоэнергетике вода и водяной пар являются рабочим телом для преобразования тепловой энергии, полученной в парогенераторе, в механическую, энергию вращения ротора турбины, которая далее превращается в электрическую в генераторе электрического тока, ротор которого приводится во вращение турбиной.

Непосредственное использование природных вод для промышленных и бытовых нужд является в большинстве случаев неприемлемым.

Предъявляемые в промышленности требования к качеству потребляемой воды определяются специфическими условиями технологических процессов. Так, например, в бумажной промышленности особенно нежелательны в воде соли железа, вызывающие пятна на бумаге, в охлаждающей воде нежелательно присутствие микроорганизмов, вызывающих зарастание микрофлорой и водорослями омываемых водой поверхностей. Питьевая вода должна быть без цвета, без запаха, не содержать вредных для здоровья веществ и болезнетворных микроорганизмов.

В настоящее время насчитывается более 300 видов производств, требующих ту или иную предварительную обработку применяемой природной воды.

Для удовлетворения разнообразных требований к качеству воды, потребляемой различными отраслями, возникает необходимость специальной физико-химической обработки природной воды, осуществляемой на водоподготовительных установках.

Чаще всего обработка воды выделяется в отдельный цех.

Особенно высокие требования к качеству потребляемой воды предъявляет теплоэнергетика. На тепловых электростанциях производится тепловая и электрическая энергия.

В паровом котле за счет тепла сгорания топлива происходит нагрев воды, движущейся по экранным трубам, превращение ее в пар и дальнейший перегрев. Эффективность передачи тепла от горящего факела к воде определяется чистотой контактирующих с водой и паром поверхностей нагрева котла. Наличие накипи и других отложений на поверхности металла приводит к увеличению термического сопротивления стенки, ухудшению теплопередачи и перерасходу топлива. Кроме того, увеличение термического сопротивления стенок труб котла может привести к перегреву стенок, а затем к пережогу, вплоть до выхода из строя парогенератора.

Чистота перегретого пара необходима для надежной работы турбины. Так как образование даже весьма незначительных отложений на лопатках турбины приводит к увеличению сопротивления и соответственно повышению давления за ступенью, что снижает выработку электроэнергии. Более значительные и неравномерные отложения на лопатках вследствие высоких скоростей вращения 3000 об/мин. могут вызвать повреждение отдельных лопаток, нарушение центровки и балансировки ротора вплоть до аварийного останова турбины.

Для предотвращения аварийных остановов теплоэнергетического оборудования необходимо строго соблюдать нормы качества питьевой воды и пара, то есть самое серьезное внимание обращается на водоподготовку.

Таким образом, конечной целью водоподготовки является достижение экономичного и надежного водного режима электрических станций путем использования соответствующих способов обработки и организации внутрикотловых процессов. Водоподготовка широко использует теоретические положения, выводы и достижения физики, химии, термодинамики, без знания основ которых невозможно понять сущность многих рассматриваемых в водоподготовке процессов.

Потери пара и конденсата на ТЭС.

ТЭС занимают ведущее положение в энергетике России. От надежности и экономичности работы станции зависят общая выработка электроэнергии и ее себестоимость.

Чистота воды и пара в отдельных агрегатах и частях тракта ТЭС объединяется общим понятием водного режима станции.

ВПУ предназначены для выполнения потерь пара и конденсата в цикле ТЭС обработанной водой надлежащего качества указанного в Правилах технической эксплуатации электрических станций.

ВПУ служит для восполнения потерь пара и конденсатора в основном цикле станции обработанной, обессоленной или химически очищенной водой.

Основной цикл станции:

котел - турбина - конденсатор - деаэратор - котел.

Потери пара и воды в цикле станции называют внутристанционными.

Рассмотрим основные виды внутристанционных потерь пара и конденсата.

1) непрерывная и периодическая продувка в котле.

Для предотвращения образования отложений в паровом тракте ТЭС и поддержания эксплуатационных норм качества котловой воды служит

непрерывная продувка. Она производится из барабана котла в зонах наибольших солевых концентраций, то есть рядом с местами ввода кипятильных или отводящих экранных труб.

Она может достигать 3-5% и выше, что сопряжено с большими потерями тепла с продувочной водой. Поэтому последнюю направляют в расширитель продувочной воды, где происходит вскипание ее. Выделившийся пар сепарируется и направляется в деаэратор, а тепло оставшейся продувочной воды может быть использовано в теплообменнике для подогрева химически очищенной воды с водоподготовки. После чего она сбрасывается в канализацию или используется, например, для подпитки теплосетей или взрыхляющей промывки осветлительных фильтров.

В водяном объеме парогенератора может образовываться высокодисперсный шлам, который обычно скапливается в нижних точках циркуляционного контура котла (коллекторы экранов, нижние барабаны) и удаляется из котла периодической продувкой. Величина этой продувки составляет 0,3-0,5% паропроизводительности котла и позволяет избежать отложений «вторичной» накипи и заноса шламом внутренних поверхностей трубных пучков.

2) В котле могут быть потери пара на привод вспомогательных механизмов_; обдувку наружных поверхностей нагрева со стороны топки от золы и шлака, на распыливание в форсунках жидкого топлива.

3) В турбине имеются потери пара через лабиринтные уплотнения в паровоздушных эжекторах, отсасывающих из конденсаторов воздух вместе с некоторым количеством пара.

4. В термических деаэраторах - при выпаре.

5. В пробоотборных точках - с конденсатом и водой.

6) В баках, насосах, трубопроводах при переливе, испарении горячей воды, просачивании горячей воды через сальники, фланцы и т.п.

Обычно внутристанционные потери пара и конденсата составляют 1-3% общей паропроизводительности паровых котлов. Эти потери восполняются добавочной водой с ВПУ.

На промышленных ТЭЦ приходится восполнять добавочной водой и внешние потери пара и конденсата у потребителей.

Водный баланс промышленных ТЭЦ характеризуется следующим уравнением

где - расход питательной воды, - расход конденсата турбин,. - обратный конденсат внешних потребителей, - пар из расширителя непрерывный продувки, - расход добавочной воды.

В качестве добавочной воды могут использоваться химически очищенная вода и дистиллят (конденсат вторичного пара испарителей). Следовательно

Чаще всего восполнение потерь производится только химически очищенной водой. Величина отношения

называется добавкой химически обработанной воды.

Важным показателем является солесодержание питательной воды.

- солесодержание соответственно конденсата

турбин, обратного конденсата, пара расширителя продувки и добавочной воды, мг/кг.

Характеристика загрязнений природных вод.

Поверхностные воды рек, озер и искусственных водохранилищ используются для водоснабжения тепловых электростанций и промышленных предприятий. Качество поверхностных вод зависит от характера питания реки водоема, которые включают в себя:

- поверхностный сток - горно-снеговые и ледниковые воды, сток с бо- лот, дождевые и снеговые воды с поверхности почвы.

• грунтовое питание водами подземных источников.

• сточные воды промышленных предприятий и населенных пунктов. Химический состав воды рек сильно зависит от времени года и

гидрометеорологических условий, так как поверхностный сток, возникающий за счет атмосферных осадков, в отдельные периоды года является основным (периоды снеготаяния, периоды учащенных дождей и т.д.).

Почвенный покров, тесно соприкасающийся с водой, выпавшей в виде осадка, играет большую роль в процессе нормирования состава природных вод. Если вода фильтруется через бедные солями торфянистые и болотные почвы, она загрязняется большим количеством органических веществ и лишь в малой степени минеральными веществами. Черноземные и каштановые

почвы, особенно солончаковые, загрязняют воду преимущественно минеральными солями.

Породы, подстилающие почву, также влияют на состав воды, входящей с ними в контакт при просачивании сквозь почву. Они загрязняют воду минеральными веществами, в том числе и накипеобразователями.

Состав природных вод в значительной мере определяется климатом.

Например, на Севере, в зонах повышенной влажности большое количество выпадающих осадков создают увлажнение местности, почвы хорошо промыты, а образующиеся стоки поэтому мало минерализованы. В засушливых районах почвы отличаются значительным содержанием легкорастворимых солей, создающих повышенную жесткость.

В период весеннего таяния снега поверхностный сток достигает максимума. Талые воды бедны солями. Поэтому в паводковый период жесткость, щелочность и сухой остаток речной воды значительно понижаются, но увеличивается содержание взвешенных веществ и органических загрязнений (окисляемость) вследствие смывания водой верхнего покрова почвы. Величина окисляемости вод может колебаться от 2-3 мг/кг 0₂ до 30 мг/кг 0₂. Наибольшие величины окисляемости имеют виды, содержащие органические вещества гумусового происхождения, то есть вещества вымываемые водой из почв, торфяников, лесного перегноя. Поэтому реки севера отличаются наибольшей окисляемостью.

В послепаводковый период минерализация воды постепенно возрастает и достигает максимума в зимний период, когда доля грунтового питания реки становится преобладающей. Сезонные изменения качества воды поверхностных источников необходимо учитывать при проектировании водоподготовительных установок.

Воды морей и океанов отличаются высокой минерализацией. Солесодержание вод океанов и открытых морей равно приблизительно 35 г/кг, а солесодержание внутренних морей (Балтийского, Каспийского и Черного) 7,5-16 г/кг. При этом основными ионами в воде океанов являются натрий 30% и хлор (55%).

Подземные воды также отличаются высокой минерализацией. Степень минерализации зависит от условий залегания водоносного горизонта и колеблется от 100 мг/кг до нескольких граммов на 1 килограмм. Воды артезианских скважин, как правило, не содержат взвешенных веществ. Количество растворенного кислорода в подземных водах бывает обычно меньше предельной растворимости кислорода при данной температуре. Нередко подземные воды содержат значительные количества растворенной углекислоты, а также железа и сероводорода.

Вещества, загрязняющие природные воды

Все вещества, содержащиеся в природных водах можно разделить на следующие 3 группы

1. грубодисперсные (взвешенные вещества);

2. коллоидные вещества;

3. молекулярные и ионодисперсные (растворенные) вещества.

К первой группе относятся частички песка, глины, остатки растительности и другие вещества. Грубодисперсные вещества имеют столь большую массу, что практически не способны к диффузии. С течением времени устанавливается определенное равновесие, и примеси либо выпадают в осадок, либо всплывают на поверхность. Длительно оставаясь во взвешенном состоянии, грубодисперсные вещества обусловливают мутность воды. Эти загрязнения обычно характеризуются массовым количеством, содержащимся в единице объема воды (мг/л) без указания их химического состава.

В коллоидном состоянии присутствуют в воде вещества как органического, так и минерального происхождения.

Из органики - это гуминовые вещества, которыми особо богаты воды болотного происхождения. Они окрашивают воду в желтый или коричневый цвет. Из-за сложности индивидуальной классификации органических примесей в практике используют общую способность органических примесей окисляться под действием специфических окислителей. Этот критерий не дает точного представления о реальной концентрации органических веществ в воде, однако позволяет приближенно характеризовать воды различного типа.

Из неорганических веществ в коллоидном состоянии присутствует соединительная железа, кремния, алюминия.

К группе молекулярно-дисперсных веществ относятся растворенные в воде соли и газы. Так как соли в водном растворе в значительной степени диссоциированы, то наиболее часто в природных водах встречаются: катионы Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺, анионы Сl^-, S0₄²⁺, HC0₃^-. Эти ионы наиболее распространены, но обычно в небольших количествах содержатся нитриты N0₂^-, нитраты N0₃^-, катионы NH₄⁺, соединения двухвалентного железа.

Ионы кальция и магния являются важнейшими примесями воды и во многом определяют возможность её использования, т.к. эти ионы образуют труднорастворимые соединения с некоторыми находящимися в воде анионами. Например, при упаривании может происходить выделение труднорастворимых солей кальция и магния на поверхностях нагрева в виде твердой фазы. Поэтому их стремятся удалить до поступления в пароводяной тракт.

Ионы железа находятся в природной воде в основном в виде ионов Fe²⁺, которые с большинством ионов не образуют труднорастворимых солей и в сравнительно малой степени подвергаются гидролизу. При повышенных концентрациях растворенного кислорода (поверхностные слои воды) ионы Fe²⁺ окисляются до ионов Fe³⁺, которые легко подвергаются гидролизу с образованием труднорастворимого Fe(OH)₃. Поэтому в поверхностных водах железо находится в коллоидной форме, а в глубинных – в истинно растворенном состоянии, обычно в виде гидрокарбоната двухвалентного железа Fe(HCO₃)₂. В поверхностных водах железо также входит в состав органических соединений.

Кремниевая кислота находится в природной воде в основном в недиссоциированном состоянии, так как ее диссоциация становится заметной лишь при рН > 8. Ангидрид кремниевой кислоты SiO₂ образует с водой ряд кислот: метакремниевую, ортокремниевую и др. поликремниевые. Содержание кремниевой кислоты в воде существенно зависит от ионного состава воды. Так, присутствие в воде ионов кальция и магния приводит к образованию малорастворимых силикатов, что снижает содержание кремниевой кислоты. Кремниевые кислоты практически нерастворимы в воде и образуют в ней коллоидные растворы. При рН > 8. часть кремниевых кислот существует в воде в истинно растворенном состоянии, причем с повышением рН степень их диссоциации возрастает. При многообразии форм кремниевой кислоты в воде целесообразнее не идентифицировать их, а определять в виде суммарного кремнийсодержания воды.

Анионы угольной кислоты (НСО₃^-; СО) являются одними из важнейших анионов в природных водах, во многом определяющих поведение различных примесей в них, а также в процессах очистки воды. В природных водах содержится несколько форм угольной кислоты, а именно:В воде угольная кислота диссоциирует, поэтому одновременно присутствуют гидрокарбонат-ионы, карбонат-ионы и свободная углекислота.

Показатели качества воды

Жесткость воды является одним из важнейших показателей. Общей жесткостью воды Ж_о называется суммарная концентрация ионов кальция и магния, выражаемая в мг-экв/дм³. По определяющему катиону общая жесткость подразделяется на кальциевую Ж_Ca и магниевую Ж_Mg. Общая жесткость воды подразделяется на карбонатную и некарбонатную. Карбонатная жесткость Ж_к в основном обусловливается присутствием в воде бикарбонатов кальция и магния (Ca(HCO₃)₂ , Mg(HCO₃)₂), так как СаСО₃ и MgCO₃ малорастворимы в воде. Некарбонатная жесткость Ж_нк обусловливается наличием в воде хлоридов, сульфатов и других некарбонатных солей кальция и магния: CaCl₂, MgCl₂, CaSO₄, MgSO₄, CaSiO₃ и др. Таким образом, общая жесткость воды равна сумме кальциевой и магниевой жесткостей, с одной стороны, и сумме карбонатной и некарбонатной жесткостей с другой. Для вод, у которых , принимается, что Ж_о = Ж_к, а

Ж_нк = 0. По величине общей жесткости природных вод установлена следующая классификация: Ж_о< 1,5 – малая; Ж_о = 1,5 - 3,0 – средняя; ; Ж_о = 3,0 - 6,0 - повыщенная; Ж_о = 6,0 - 12,0 – высокая; Ж_о> 12 – очень высокая. Жесткие воды образуют плотные отложения на поверхностях нагрева. Процесс выделения из воды ионов кальция и магния называется умягчением.

Общей щелочностью воды Щ_о называется общее содержание в ней веществ, обусловливающих при диссоциации или в результате гидролиза повышенную концентрацию ионов ОН^-. В природных водах щелочность выражается концентрацией таких анионов, как а также присутствием солей некоторых слабых органических кислот (гуматов), которые в результате гидролиза связывают ионыН⁺ и тем самым повышают концентрацию ионов ОН^-. В зависимости от того, какой анион присутствует в воде различают:

а) гидратную щелочность Щ_г, обусловленную концентрацией в воде ионов ОН^-, б) карбонатную щелочность Щ_к, обусловленную концентрацией в воде карбонатных ионов CO; в)бикарбонатную (гидрокарбонатную) щелочность Щ_бк, обусловленную концентрацией бикарбонатных ионов . Обычно в природных водах бикарбонатная щелочность существенно преобладает над другими видами щелочности, поэтому её значение без большой погрешности выражает общую щелочность воды. Гидратная щелочность определяется лишь прирН > 9.

Водородный показатель служит для характеристики степени кислотности по концентрации водородных или гидроксильных ионов. Для удобства эту концентрацию выражают в виде десятичных логарифмов, взятых с обратным знаком, и обозначают символом рН:

Условие нейтральности воды при 25 ^оС

.

При рН < 7 – кислая среда; при рН > 7 – щелочная среда.

Окисляемость характеризует загрязненность воды органическими веществами Она обычно выражается количеством миллиграммов кислорода, необходимых для окисления в определенных условиях органических веществ, содержащихся в 1 кг исследуемой воды, и обозначается мг/кг О₂. Окисляемость отражает содержание органических веществ в воде лишь косвенно. Перманганатом калия окисляются не только органические вещества, содержащиеся в воде, но и некоторые легкоокисляющиеся минеральные вещества. В то же время некоторые органические вещества перманганатом калия не окисляются.