11. ВОДНЫЕ РЕЖИМЫ КОТЛА

11.1. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОДЫ. НАКИПЕОБРАЗОВАНИЕ НА ПОВЕРХНОСТЯХ НАГРЕВА

Показатели качества воды. Воду, находящуюся постоянно в природном круговороте, условно делят на атмосферную, поверхностную, подземную (грунтовую) и морскую. Каждая из этих видов воды имеет свои качественные показатели, от которых зависит возможность ее использования в тех или иных целях. В судовой энергетике применение воды сводится обычно к роли теплоносителя и с этой точки зрения предпочтительнее среда с минимальной минерализацией. Однако обычная пресная вода (поверхностная) всегда содержит примеси солей и растворенные газы.

По химическому составу примеси природных вод делят на минеральные и органические. Минеральные примеси обусловливаются содержанием в воде различных солей, кислот, осно-

ваний, находящихся преимущественно в диссоциированной форме, т.е. в виде катионов и анионов. К этой же группе примесей относятся и растворенные газы N2, O2, СО2, NH3, CH4, H2S.

Органические примеси состоят из гумусовых веществ, вымываемых из почв, а также органических веществ различных типов, поступающих из всевозможных стоков (сельскохозяйственных, промышленных).

Природные воды характеризуются высоким содержанием катионов Na+, К+, Са+, Mg+ - со следами NH+4, Fe2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+, Ni2+, Al3+. Среди анионов в составе примесей основными явля-

ются НС03, С1-, SO2-4", HSiO3-, N03, CO32-. При этом натрий и калий практически не образуют труднорастворимых соединений, в то время как кальций и магний являются важнейшими примесями в процессе загрязнения теплопередающих поверхностей. Они вступают в реакцию с анионами и образуют соли с низкими коэффициентами растворимости.

В судовых условиях различают воду следующих видов: питательную, котловую, конденсат, дистиллят, добавочную, загрязненную нефтепродуктами (сточную, льяльную). Для котлов питательной водой служат конденсаты пара, отработавшего в главном турбоагрегате, турбогенераторах, турбоприводных насосах, подогревателях и других потребителях пара. Во время работы котла имеют место неизбежные потери воды и пара через неплотности в арматуре и трубопроводах, на сажеобдувочные устройства, на форсунки, с продувками котла и пр. Для восполнения этих утечек используют добавочную волу, в качестве которой используют дистилляты от испарителей или запасы пресной воды. Для приготовления дистиллята применяют забортную воду. Котловой водой называется вода, находящаяся внутри котла (во всех его элементах).

Рассмотренные виды воды существенно различаются по качеству, которое оценивают по таким показателям, как жесткость, содержание хлоридов, щелочность, фосфатное число, концентрация водородных ионов, содержание кислорода, масла и других нефтепродуктов и различных примесей.

Жесткость - это одна из основных характеристик качества воды. Самым распространенным показателем является общая жесткость Ж0 - сумма всех растворимых в воде солей кальция (кальциевая жесткость) и магния (магниевая жесткость), выраженная в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л).

Для пересчета выраженных в единице мг/л концентраций кальция и магния в единице мг-экв/л

их значения делят на эквивалентные массы этих катионов, т.е. используют следующие соотношения: 1 мг-экв/л жесткости = 20,04 мг/л Са+2 1 мг-экв/л жесткости = 12,16 мг/л Mg2+ где 20,04 и

12,16 -эквивалентные массы кальция и магния.

Таким образом, общая жесткость может быть представлена суммой карбонатной Жк и некарбонатной Жнк составляющих или кальциевой ЖСа и магниевой ЖMg жесткостью: Ж0 = Жк + ЖНК =

ЖСа + ЖMg.

С повышением общей минерализации воды возрастает магниевая составляющая, а кальциевая уменьшается. Например, вода в Неве содержит около 0,44 мг-экв/л Са2+ и 0,1 мг-экв/л Mg2+, а для воды Средиземного моря эти показатели соответственно 3,3 и 223 мг-экв/л.

Карбонатная жесткость обусловливается присутствием в воде бикарбонатов кальция и магния: Са(НСОз)2 и Mg(HCО3)2. Карбонатную жесткость иногда называют временной, так как в процессе

работы котла она уменьшается. Это вызывается тем, что бикарбонаты при нагреве воды разлагаются и образуют нерастворимые соли, которые скапливаются на поверхности нагрева (накипь). Например, растворенный в воде бикарбонат кальция при нагревании и кипении воды распадается на карбонат кальция СаСОз и угольную кислоту НСОз. Карбонат кальция выпадает в осадок.

Некарбонатная жесткость обусловливается другими солями кальция и магния, которые при нагреве воды химически не изменяются и остаются растворенными. Эти соли жесткости выпадают лишь в зоне испарения, когда концентрация их превысит предел растворимости. К этой группе относятся соли, образующиеся в результате взаимодействия Са и Mg с сильными кислотами (хлориды, сульфаты, силикаты, нитраты). Некарбонатную жесткость иногда называют постоянной (остаточной).

Хлориды - это соли соляной кислоты. Наиболее распространенной солью является хлорид натрия NaCl. Вследствие хорошей растворимости в воде (26,4 % при 15 'С; 28,4 % при 100 0С) хлорид натрия является основной составляющей солености воды, т.е., говоря о содержании хлоридов в воде, имеют в виду ее соленость. Выражается соленость через концентрацию NaCl или хлориона и измеряется единицей мг/л. Однако следует иметь в виду, что есть и отдельный показатель - общее солесодержание, под которым подразумевается суммарная концентрация (мг/кг) в воде мо- лекулярно-дисперсных веществ.

При использовании пресной береговой воды в качестве добавочной происходит приток хлористых солей (наряду с другими) в котловую воду в большей степени, чем при использовании для этой цели дистиллята, в котором содержание хлоридов не превышает 5-10 мг/л. Таким образом, одним из источников увеличения хлоридов в котловой воде является добавочная вода.

Для охлаждения конденсаторов СЭУ морских судов используют морскую забортную воду. Ее характерной особенностью является высокое общее солесодержание (до 35 000 мг/л). Основными составляющими солесодержания являются хлористые соли СаС12, MgCl2, NaCl. Через неплотности в соединениях конденсатора часть морской воды может поступать в конденсат пара, вследствие чего ухудшается качество питательной воды, а значит, и качество котловой воды (в частности, возрастает содержание хлоридов).

Щелочность, являющаяся одним из важнейших показателей качества котловой воды, представляет собой сумму миллинормальных концентраций всех анионов слабых кислот и ионов гидроксила. Она обусловливается прежде всего присутствием в воде ионов ОН-, С032-, НСОз, PO42-.

В зависимости от того, какой вид ионов присутствует в воде, щелочность называют соответственно гидратной ЩГ(ОН-), карбонатной ЩК(СОз2-), бикарбонатной ЩБК(HCO3-), фосфатной

ЩФ(P043-). Общая щелочность равна их сумме: Щд = Щт+Щк + Щбк + Щф.

Оценивается щелочность содержанием щелочных солей, пересчитанных на NaOH. Эта величина называется щелочным числом и выражается в мг/л NaOH.

В судовой документации (особенно судов зарубежной постройки) иногда щелочность выражается содержанием ионов водорода, т.е. используется водородный показатель рН. Для котловой воды рН > 9,0 - 10. Водородный показатель рН является наиболее достоверным показателем коррозионной активности воды.

При определении щелочности судовой лабораторией водоконтроля результаты получаются в нормальных единицах измерения - мг-экв/л. В нормативных документах указываются объемные единицы измерения - мг/л. Для перехода от единицы мг-экв/л к мг/л при определении показателя щелочности воды используют коэффициент 40, соответствующий химическому эквиваленту NaOH, т.е. результат анализа умножают на 40.

Фосфатное число котловой воды контролируют при поддержании фосфатно-нитратного водного режима. Фосфаты - это растворенные в воде соли фосфорной кислоты. В котловой воде должен быть всегда избыток фосфатных ионов Р043-, что исключает выпадение в осадок накипеобразующих соединений кальция и магния. Следовательно, это приводит к предотвращению образования накипи.

Содержание фосфатов определяется обычно количеством ионов Р043- - или выражается в виде окисла P2О5 и измеряется в единице мг/л. Перейти от Р043- к P2О5 можно расчетным путем.

Для поддержания фосфатно-нитратного водного режима в котловую воду вводят нитраты в виде натриевой селитры NaNOs. Нитраты образуют на поверхности металла, т.е. на внутренних стенках котла, защитную пленку, которая препятствует развитию коррозии. Нитрат натрия не

принимает участия во внутрикотловых процессах, и его количество в котловой воде уменьшается в процессе работы вследствие уноса паром и продувания котла.

Содержание нитратов в котловой воде выражается нитратным числом в мг/л NaNO3. Его значение обычно составляет около 50 % щелочного числа котловой воды.

При исследовании влияния качества воды на внутрнкотловые процессы для оценки качественного и количественного составов воды используют показатели ее электропроводности.

Нормы качества воды, рекомендуемые ПТЭ, приведены в табл. 11.1.

Накипеобразование на поверхностях нагрева. В процессе работы котла в котловой воде протекают различные физико-химические процессы, обусловливающие разрушение одних соединений и образование других. Это приводит к возникновению веществ с различной степенью растворимости. Труднорастворимые вещества выделяются из воды в виде осадка, образующего при определенных условиях накипь или шлам.

Накипью называют плотные отложения, возникающие на поверхности нагрева. К шламу относятся выпадающие вещества в виде подвижного осадка, которые могут также образовывать вторичную накипь, прикипая к поверхности труб.

Образование осадка в виде накипи или шлама происходит при наличии пересыщенного раствора, т.е. высокой концентрации солей. Испарение котловой воды, подача питательной и добавочной воды с более высокой минерализацией создают благоприятные условия для этого процесса. Произведение концентраций находящихся в растворе ионов труднорастворимого вещества называется произведением растворимости, т.е.

ПР = СКУ СВН

где СкУ, СВН - концентрация соответственно катиона и аниона труднорастворимого соеди нения.

Произведение концентраций при данной температуре является постоянной величиной и, если СКУСВН > ПР, происходит выпадение осадка (твердой фазы). Образующиеся в толще воды кристаллические частицы осаждаются на поверхности нагрева в виде слоя накипи или остаются во взвешенном состоянии как подвижный шлам.

Накипь может появиться в результате увеличения концентрации одного из ионов, образующих труднорастворимые соединения, что является следствием химических процессов. Например, если рассмотреть условия возникновения осадка CaSO4, то совсем не обязательно, чтобы высокую концентрацию имели как ионы Са2+, так и SO42_. Осадок появится при условии CCa2+ CSO42− > ПРCfSO4

Таким образом, низкое содержание Са в воде еще не означает, что не будет кальциевых отложений.

Наибольшее влияние на процесс накипеобразования оказывают катионы Са2+ и Mg2+- и анионы СО32-, ОН-, S042-, SiO32-. Определенные сочетания этих катионов и анионов в виде солей представляют собой труднорастворимые вещества. Накипеобразующими соединениями, например, являются: карбонат кальция и магния (СаСОз, MgCO3), гидрат магния (Mg(OH)2), сульфат кальция (CaSO4), силикаты кальция и магния СаSiOз, MgSiO3).

Карбонат кальция образуется в результате нагрева из бикарбоната: Са(НС03)2 → СаС03 + Н20 +

С02.

Повышение концентрации в воде углекислоты С02 может смещать равновесие реакции влево, т.е. ведет к образованию бикарбоната. Однако для котловой воды, где идет процесс кипения и CO2 удаляется, наиболее характерен переход Са(НСОз)2 в карбонат СаСОз.

Аналогичная реакция идет и с бикарбонатом магния при нагревании: Mg(HC03)2 → MgCO3 +

Н2О + С02.

При нагревании воды с высокой щелочностью происходит гидролиз карбоната магния с образованием труднорастворимого соединения -гидроокиси магния: MgCOs + 2H20 →Мg(ОН)2 + Н2СОз.

Карбонаты кальция образуют в котле карбонатную накипь. С повышением щелочности воды они осаждаются в грубодисперсном состоянии и входят в состав шлама.

Соединение Mg(OH)2 находится в воде преимущественно в виде шлама и может образовывать вторичную накипь (прикипание осаждающегося шлама).

Силикаты СаSiOз и MgSiO3 в природной воде находятся в коллоидальной форме в небольшом

количестве. Однако в случае образования силикатной накипи на поверхности нагрева слой загрязнения становится прочным, трудноудаляемым.

Одной из причин образования насыщенных растворов и выпадения осадка является понижение растворимости некоторых соединений при повышении температуры воды. Такие соединения имеют отрицательный коэффициент растворимости. К ним относятся СаСОз, CaS04, Mg(OH)2, CaSiO3 MgSiO3.

Вторичную накипь могут образовывать продукты коррозии металла, заносимые в котел с питательной водой.

Таблица 11.1

11/2. ОБРАБОТКА ПИТАТЕЛЬНОЙ ВОДЫ

Для обеспечения требуемых норм качества питательную воду подвергают различной обработке: фильтрации, деаэрации, дистилляции, электрохимическому и химическому обессоливанию и т.д.

Фильтрация воды и очистка конденсата от масла имеют особо важное значение для судов с паровыми поршневыми механизмами и для котлов дизельных танкеров, где имеется подогрев груза. Для очистки конденсата от масла применяют фильтры, установленные в теплых ящиках или на магистралях питательной воды и состоящие из кокса, люфы, махровой ткани, синтетических материалов (поролона) и т.д. Фильтрующий материал выбирают главным образом по его способности очищать воду от нефтепродуктов. Для этой же цели на некоторых судах теплый ящик имеет внутри ряд перегородок, образующих каскадное движение воды (рис. 11.1).

Конденсат отработанного пара по трубопроводу 3 поступает в верхнюю часть теплого ящика и прежде, чем попадет в фильтр 1, проходит каскадный маслоотделитель 2. По перепускному патрубку 7 конденсат направляется в нижнюю часть теплого ящика, а оттуда по трубопроводу 5 к питательным насосам. В нижней части теплого ящика установлен змеевик 6 для охлаждения питательной воды. Существенным недостатком этой установки является подача добавочной воды в нижнюю часть теплого ящика 4. Это приводит к тому, что если вода в танках запаса содержит механические примеси, то они беспрепятственно попадают в питательную магистраль котла. Особенно интенсивные загрязнения теплого ящика и магистрали наблюдаются в плохую погоду, когда качка судна вызывает переход осадка в танках во взвешенное состояние.

Конденсат к теплому ящику подводится от подогревателей топлива и масла, как правило, через

специальную контрольную цистерну, имеющую смотровое стекло для визуального наблюдения за качеством конденсата. В случае необходимости загрязненный конденсат может перепускаться в сточную цистерну. Пар из системы отопления и других потребителей, где нет опасности загрязнения, идет в конденсатор и оттуда конденсат поступает в теплый ящик.

Подвод конденсата от обогрева танков -2 (рис. 11.2) и других потребителей 3 возможен через охладитель 4 конденсата, если нет опасности загрязнений, минуя контрольную цистерну 12. В тех случаях, когда конденсат направляется через контрольную цистерну, он охлаждается специальным змеевиком, установленным в ней, по которому проходит забортная вода из той же магистрали I, что и для охладителя конденсата. Кроме того, цистерна 12 расположена в теплом ящике 5 и частично теплота от нее отводится омывающей снаружи водой. Цистерна оборудована смотровым стеклом, патрубками слива нефтепродуктов 11 и осушения 10.

Питание котлов на этих судах может осуществляться автоматически через регуляторы питания (трубопроводы 7) или вручную по обводной системе 9. Питательные насосы 8 могут брать воду как из теплого ящика, так и непосредственно из танка. Для ввода в котел химических препаратов обработки воды в системе предусмотрен дозировочный бачок 6 вместимостью 10 л.

Рис. 11.1. Принципиальная схема теплового ящика судов типа “Вытегралес”

На судах отдельных серий (преимущественно финской постройки) охладитель конденсата отсутствует, а его роль выполняет змеевик, установленный в теплом ящике (рис. П.З). Пароконденсатная смесь от потребителей по трубопроводу 9 поступает в змеевик и только после этого попадает в ящик. В змеевике происходят конденсация остатков пара и охлаждение конденсата. Для охлаждения воды в теплом ящике установлены дополнительно два змеевика, прокачиваемые забортной водой. Подвод забортной воды (трубопровод 1) осуществляется из системы охлаждения главного и вспомогательного двигателей, температура ее на входе в теплый ящик составляет около 20 0С даже в зимнее время. Это приводит к тому, что вода в теплом ящике нагревается до 90 0С, а иногда и выше. Отводится забортная вода через трубу 3. Конденсат от подогрева топлива и масла по магистрали 6 подается через контрольную цистерну 5, в случае загрязнения его предусмотрен слив 7. Добавочная вода подается через трубу 8, а на случай переполнения теплого ящика предусмотрен перепуск 2 в танк. Для предотвращения избыточного давления в теплом ящике и котрольной цистерне они оборудованы воздушной трубой 4.

Деаэрация воды производится с целью удаления растворенных в ней газов. Для СКУ главной задачей этого вида обработки является удаление из воды кислорода и углекислоты. Наиболее эффективный способ удаления растворенных газов из воды - десорбция. Он основан на известных законах Генри - Дальтона, характеризующих зависимость между концентрацией растворенного газа и его парциальным давлением. Концентрация растворенного в воде газа выражается уравне-

нием

Cr = Kr pr = Kr (p0 − pВП )

где Кг - коэффициент абсорбции газа водой (растворимости); Рг, РВП - парциальное давление газа и водяного пара, МПа; р0 - общее давление над поверхностью воды, МПа.

Из приведенного выражения видно, что концентрация газа в воде уменьшается при увеличении парциального давления водяных паров, чему способствует повышение температуры воды. От температуры воды существенно зависит и коэффициент абсорбции газа водой (растворимость в воде). На рис. 11.4 показана эта зависимость для кислорода и углекислоты, т. е. наиболее харак-

терных газов для питательной воды СКУ.

Рис. 11.2. Конденсатно-питательная система судов типа “Иловайск”

Рис. 11.3. Система охлаждения конденсата на судах типа “Игорь Грабарь”

Основным коррозионно-активным газом для судовых котлов является кислород. Выбор и использование эффективного способа обескислороживания питательной воды зависят от назначения и типа котельной установки, параметров пара, условий работы и принятой системы питания и водоподготовки, исходной и конечной концентраций растворенного в воде кислорода.

Кислород удаляют из воды десорбционными (физическими) и химическими методами. Применительно к СКУ десорбционный метод реализуется преимущественно на паротурбинных судах (главные котлы) с использованием термических деаэраторов. В деаэраторах вода нагревается до температуры кипения при одновременном распылении и удалении из нее газов. В соответствии с законами Генри и Дальтона (закон Дальтона является частным случаем закона Генри) условиями хорошей работы деаэратора являются нагревание воды до температуры кипения при давлении, поддерживаемом в аппарате, тонкое распыление и равномерное распределение воды по сечению деаэратора, удаление паровоздушной смеси из аппарата.

Для вспомогательных КУ большое распространение получили химические методы деаэрации, основанные на связывании кислорода в коррозионно-инертные вещества в результате окислитель- но-восстановительных процессов. В качестве восстановителей используют такие реагенты, как сульфит натрия, гидразин.

Обработка воды сульфитом натрия основана на реакции окисления сульфита растворенным в воде кислородом:

2Na2 SO3 + O2 → 2Na2 So4

Интенсивность реакции зависит от температуры воды и водородного показателя. Наиболее благоприятные условия для ее протекания существуют при температуре воды не менее 80 0С и рН

< 8.

Рис. 11.4. Зависимость растворимости углекислого газа (1) и кислорода (2) в воде от температуры.

Обескислороживание воды гидразином осуществляется с применением преимущественно гидразингидрата N2H4·H2O, который активно взаимодействует с кислородом, не увеличивая при этом солесодержание воды:

N2 H 4 H 2O + O2 → 3H 2O + N2

В зарубежной практике используют химические реагенты на основе гидразина с введением катализаторов. Так, в Германии активированный гидразин имеет товарное наименование левоксина, а фирма „Дрю Амероид" (США) выпускает подобный препарат с названием амерзин. Интенсивность обескислороживания гидразином значительно выше, чем при сульфитировании, и быстро увеличивается при повышении температуры воды. В обоих случаях препараты вводят в питательную воду, и температурный режим контролируют по воде в теплом ящике.

Гидразин, вводимый в питательную воду, взаимодействует с оксидами железа и меди, присутствующими в воде и на поверхности металла, восстанавливая их по следующим уравнениям

6Fe2O3 + N2 H 4 → 4Fe3O4 + N2 + 2H 2O

4Fe(OH )3 + N2 H4 → 4Fe(OH )2 + N2 + 4H2O

2Cu2O + N2 H4 → 4Cu + N2 + 2H2O

2CuO + N2 H4 → 2Cu + N2 + 2H2O

В котловой воде и в пароперегревателях избыток гидразина разлагается с образованием аммиака:

3N2 H4 → 4NH 3 + N2

При использовании гидразингидрата необходимо учитывать его свойства. Гидразингидрат - бесцветная жидкость, легко поглощающая из воздуха кислород, углекислоту и водяные пары, хорошо растворим в воде. Гидразин токсичен, а при концентрации более 40 % - горюч. При обращении с ним следует строго соблюдать соответствующие правила безопасности труда.

Ионообменную обработку питательной воды производят с целью снижения ее жесткости и предотвращения таким образом накипеобразования в котле. В зависимости от типа применяемых материалов для ионного обмена процесс, происходящий в ионообменном фильтре, может быть катионным и анионным

В судовой практике чаще всего применяют метод катионирования, сущность которого заключается в замене накипеобразующих ионов Са2+, Mg?+ ионами Na+ или Н+ при фильтрации жесткой воды через особые материалы, склонные к ионному обмену. Если условно обозначить формулу натрий-катионита через NaR, то при Na-катионировании протекают реакции

2NaR +Ca2+ ↔ CaR2 + 2Na+

2NaR + Mg 2+ ↔ MgR2 + 2Na+

а при Н-катионировании аналогично

2HR +Ca2+ ↔ CaR2 + 2H +

Общее солесодержание воды при катионировании не изменяется. Жесткость обычной пресной воды после прохода через катионит существенно понижается и не превышает 0,02 - 0,03 мг-экв/л. При истощении фильтра катионит подвергается регенерации пропусканием через него 5 - 10 % - ного раствора поваренной соли для Na-катионита или 2 %-ного раствора серной кислоты для Н- катионита со скоростью 7-10 м/ч. В результате регенерации ионы Са2+ и Mg2+ вновь заменяются катионами Na или Н. Регенерация производится, как правило, ежесуточно продолжительностью около 1 ч.

Наиболее распространены Na-катионитовые фильтры. Фильтрующими материалами могут быть естественные (глауконит - минерал, водный алюмосиликат железа и калия сложного химического состава, имеющий зеленоватый оттенок) и искусственные (суль-фоуголь).

При Na-катионировании жесткость воды уменьшается, но растет щелочность вследствие образования едкого натра и отпадает необходимость вводить дополнительную щелочь. Однако если обработке Na-катионированием подвергается вода с большой жесткостью, то в котле может появиться избыток щелочи и привести к щелочной коррозии.

Для предотвращения образования избытка щелочи целесообразно использовать смешанное (параллельное или последовательное) катионирование, пропуская воду через Na и Н-катиони- товые фильтры.

Сложность оборудования, большие размеры, а также необходимость иметь на судне материалы регенерации являются причинами ограниченного применения этого метода водообработки на судах.

Применительно к малым установкам использование сложных схем водообработки экономически нецелесообразно. В этих случаях рациональное решение проблемы водоподготовки может быть достигнуто путем применения простых и дешевых средств, к числу которых могут быть отнесены физические методы обработки воды (ультразвуковой, электростатический, магнитный и т.д.).

Ввиду простоты применяемых устройств и удобства эксплуатации большое применение находит магнитный метод обработки. В составе отечественного флота этот способ используют на судах типов „Беломорсклес", „Ленинская гвардия", „Игорь Грабарь", „Муром", имеющих магнитные фильтры (постоянные магниты) на магистралях питательной воды.