Требования к качеству питательной воды для питания паровых и водогрейных котлов

Различают вещества, хорошо и плохо растворимые в воде. К веществам, хорошо растворимым в воде, относят хлориды (соли хлористоводородной кислоты) СаСl₂, МgСl₂, КаСl, к плохо растворимым — сульфиды (соли серной кислоты) СаSО₄, МgSО₄, N3SO₄ и силикаты (соли кремниевой кислоты) СаSiO₃, МgSiO₃. Присутствие сульфидов и силикатов в питательной воде приводит к образованию твердой накипи на поверхности нагрева котлов.

Растворимость веществ зависит от температуры воды, в которой они растворяются. Различают вещества, у которых растворимость увеличивается с ростом температуры, например СаСl₂, МgСl₂, Мg(NO₃)₂, Са(NO₃)₂, и у которых уменьшается, например СаSО₄, СаSiO₃, МgSiO₃.

В частности, при нагревании воды до 70 — 75°С начинается термический распад хорошо растворимых бикарбонатов кальция и магния с переходом в плохо растворимые карбонаты и гидраты по реакциям:

СаCO₃ + Н₂О + СО₂ ↔ Са(НС0₃)₂   ↔  Са²⁺ + 2НСО₃;

МgСO₃ + Н₂O + СО₂ ↔ Мg(НСО₃)₂ ↔ Мg²⁺ + 2НСО₃;

FеСО₃ + Н₂О + СО₂   ↔ Fе(НСО₃)₂  ↔  Fе²⁺  + 2НСО₃.

При дальнейшем нагреве воды в паровом котле до 200°С и выше могут возникнуть и другие реакции, например

СаSО₄ + Ка₂СО₃ = СаСО₃ + МgSО₄.

Большинство твердых веществ, растворимых в воде, предста­вляет собой электролиты, т. е. вещества, молекулы которых в водной среде распадаются на ионы, атомы или группу атомов, несущих электрический заряд. Молекула электролита распадается на два иона. Один из них имеет положительный заряд, называется катионом и обозначается знаком « + », другой имеет отрицательный заряд, называется анионом и обозначается знаком « — ». Металлы, входящие в молекулу электролита (магний Мg, кальций Са, железо Fе), становятся катионами, а металлоиды (хлор Сl, сера S) — анионами. При этом вода как электролит является всегда электрически нейтральной, поскольку сумма положительно заряженных ионов — катионов всегда равна сумме отрицательно заряженных ионов — анионов.

Обычно в природной воде присутствуют катионы Са²⁺, Мg²⁺ + Nа, Fе²⁺ и анионы НСОз‾ + Сl‾, SO2‾ , Si₃². В слабых раство­рах на ионы распадается все количество электролита, растворенное в воде, в более концентрированных растворах — только часть растворенного электролита. Количество растворенного в воде электро­лита называется степенью электролитической диссоциации.

Газовые растворы.В неочищенной воде (в сырой воде), обычно растворены азот, кислород, двуокись углерода и сероводо­род. Все они нежелательны. Но особенно вредными являются коррозионно-активные газы: кислород и двуокись углерода. Кислород, попавший в котельный агрегат и трубопроводы, непосредственно вступает в реакцию с металлом и вызывает его коррозию.

Газы имеют различную растворимость в воде, которая всегда уменьшается с повышением температуры воды. При кипении воды газы полностью теряют способность растворяться в ней.

 

Это свойство газов используют в процессе подготовки питательной воды для котла, устанавливая ДЕАЭРАТОР. В деаэраторе вода нагревается до температуры кипения или выше ( до 104°С ) и растворенные газы покидают её. Ссылка

 

Степень растворимости в воде при атмосферном давлении кислорода, двуокиси углерода и сероводорода приведена в табл. 1.

 

Таблица 1. Содержание растворенных газов в воде, мк/кг, в зависимости от её температуры .

Температура жидкости, С	Кислород	Двуокись углерода	Сероводород
0	69,5	3350	7070
20	43,4	1690	3850
40	30,8	970	2360
60	22,8	580	1480
80	13,8	-	765

 

Примечание. При температуре жидкости 100 С и выше кислород, двуокись углерода и сероводород отсутствуют.

 

Согласно закону Генри концентрация газа, растворенного в жидкости, прямо пропорциональна давлению газа над раствором.

 

 

Показатели качества воды. Качество воды для питания котельной характеризуется

прозрачностью (содержанием взвешенных веществ),

сухим остатком,

жесткостью,

щелочностью,

окисляемостью.

 

Сухой остаток содержит общее количество растворенных в воде веществ: кальция, магния, натрия, аммония, железа, алю­миния и др., которые остаются после выпаривания воды и высушивания остатка при 110°С. Сухой остаток выражают в миллиграммах на килограмм или в микрограммах на килограмм.

 

Жесткость воды характеризуется суммарным содержанием в воде солей кальция и магния, являющихся накипеобразователями. В частности в ней всегда содержатся в диссоциированном состоянии карбонаты, бикарбонаты, сульфаты и хлориды кальция и магния, т.е. катионы Са⁺⁺ и Mg⁺⁺ и анионы СО₃^--, HCO₃^-, SO₄^-- и Cl^-

 

Различают жесткость воды

общую,

временную (карбонатную) и

постоянную (некарбонатную).

 

Карбонатная жесткость воды определяется содержанием в ней бикарбонатов и карбонатов кальция и магния. При кипячении воды бикарбонаты разлагаются, образуя нерастворимые карбонаты, например

 

Са²⁺ + 2НСО₃ ↔ Са(НС0₃)₂   ↔СаCO₃ + Н₂О + СО₂;

 

карбонаты осаждаются, и жесткость воды уменьшается. Устраняемую таким образом жесткость называют временной.

 

Временная (карбонатная) жесткость обусловлена присутствием в воде сульфатов и хлоридов кальция и магния, сохраняется после кипячения воды и называется постоянной.

 

Временная (карбонатная) жесткость воды характеризуется содержанием в воде бикарбонатов кальция и магния Са(НСО₃)₂ и Мg(НСО₃)₂.

 

Постоянная (некарбонатная) жесткость обусловливается содержанием указанных выше солей кальция и магния (сульфатов и хлоридов кальция и магния), за исключением двууглекислых.

 

Общая жесткость воды является суммой карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости и характеризуется суммой содержания в воде кальциевых и магниевых солей: сернокислых (СаSО₄ и МgSО₄), хлористых (СаСl₂ и МgС1₂), азотнокислых (Са(NО₃)2 и Мg(NО₃)₂), кремнекислых (СаSiO₃ и МgSiO₃), фосфорнокислых (Са₃(РО₄)₂ и Мg(РО₄)₂), двууглекислых (Са(НСО₃)₂ и Мg(НСО₃)₂).

 

Для определения величины жесткости питательной воды для котельных в настоящее время уста­новлена единица показателя жесткости — миллиграмм-эквивалент на 1 кг раствора (мг-экв/кг) или микро­грамм-эквивалент на 1 кг раствора (мкг-экв/кг); 1 мг-экв/кг жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/кг иона кальция Са ⁺ или 12,16 мг/кг иона магния Мg^{2 +}.

 

Общая жесткость воды, мг-экв/кг, выражается суммарной ­ концентрацией в воде катионов Са²⁺ (кальциевая жесткость) и Mg²⁺ (магниевая жесткость)

 

Ж₀  =  Са²⁺ / 20,04 +   Mg ²⁺ / 12,16

 

Где   Са²⁺ и Mg ²⁺   - концентрация в воде катионов кальция и магния, мг/кг,

 

20,04 и 12,16           - соответственно их эквивалентные массы, мг-экв/кг.

 

 

Карбонатная жесткость, мг-экв/кг,

 

Ж _к = НСОз‾ / 61,02

 

Где HCO3¯ 61,02 концентрация в воде анионов бикарбонатов кальция и магния, мг/кг,

61,02 – их эквивалентная масса, мг-экв/кг

 

Постоянная (некарбонатная) жесткость, мг-экв/кг,

Ж_п = Ж о — Ж_к.                                                                                                          (5)

 

Эквивалентная масса равна молекулярной массе вещества, деленной на его валентность.

 

В качестве примера приведена табл. 2 эквивалентных масс солей жесткости.

 

 

Таблица 2. Эквивалентные массы солей жесткости

Соединение	Символ	Молекулярная масса	Эквивалентная масса, мг-экв/кг
Бикарбонат кальция	Са(НСО3)2	162,12	81,06
Сульфат кальция	СаSO4	136,14	68,07
Хлорид кальция	СаС12	110,99	55,49 5
Сульфат магния	МgSO4	120,38	60,19
Хлорид магния	МgСl2	95,23	47,6

 

Щелочность воды характеризуется содержанием в ней щелочных соединений. Сюда относят гидраты, например NаОН — едкий натр, карбонаты Nа₂СО₃ — кальцинированная сода, бикарбонаты NаНСО₃, Na₃РО₄ и др. Величина щелочности воды равна суммарной концентрации в ней гидроксильных, карбонатных, бикарбонатных, фосфатных и других анионов слабых кислот, выраженной в эквивалентных единицах (мг-экв/кг или мкг-экв/кг).

 

В зависимости от преобладающего наличия в воде анионов тех или иных солей различают щелочность:

гидратную (концентрация в воде гидро­ксильных анионов ОН),

карбонатную (концентрация карбонатных анионов CO₃²¯) и

бикарбонатную (концентрация бикарбонатных анионов НСОз³¯.).

 

Окисляемость воды для питания котельных характеризуется наличием в воде кислорода и двуокиси углерода, выраженных в миллиграммах или микро­граммах на килограмм.

 

Данные о составе некоторых речных вод приведены в табл. 3.

 

Таблица 3. Данные анализов воды некоторых рек и водоемов.

Наименование водоемов	Сухой остаток , мг/кг	Жесткость, мг-экв/кг
		карбонатная	некарбонатная
Реки Амур .........	134,2	1,017	0,431
Волга в нижнем течении	433,3	3,316	3,174
Воронеж . . . . . . . . .	320,4	4,586	0,496
Днепр ........	345	4,244	0,81
Днестр	506	5,92	1,212
Дон .........	480	4,208	1,569
Енисей	297	3,566	1,783
Казенный Торец (Донбасс)	1569	9,343	3,744
Кама	338	1,252	1,091
Москва	344	4,244	0,249
Нева   ........	67,2	0,496	0,296
Обь    ........	256	2,603	0,571
Ока   в   нижнем   течении	427	2,204	3,181
Печора	180	2,425	0,863
Северная Двина ....	390	4,707	1,783
Северный Донец ....	772	4,707	3,459
Томь	172	1,783	0,571
Урал	550	4,992	3, 21
Уфа   ........	380,8	3,895	2,346
Исеть	200	2,75	0,05
Кальмиус	3876	6,53	19,7
Кура ........	445,6	3,5	1,86
Миас	1191,7	5, 8	4,86
Сейм	428	3,68	1,92
Чусовая	68	0,83	-
Озера Балхаш ....... Верхне-Исетское ....	1775 8О  68	3,18 0,4 0,83	7,55 0,122 -
Водохранилища Луганское	1700	4,8	7,5
Ольховское	1000	4,65	2,93
Шаларское	349,2	4,4	1,18

 

не Вода, подготовленная для питания котельной установки, не дол­жна давать отложений шлама и накипи, разъедать стенки котла и его вспомогательные поверхности нагрева, а также вспениваться.

Общие понятия о водном режиме паровых котлов. В питательной воде, поступающей в котел, независимо от того, каким способом производилось ее умягчение, всегда остается какая-то часть при­месей.

В процессе получения пара и отвода его из котла, а также посту­пления в котел все новых порций питательной воды в котловой воде увеличивается количество солей, так как сухой пар не растворяет их.

При увеличении содержания солей в котловой воде выше нормы начнется выпадение их в осадок и образование накипи на поверхно­сти нагрева и шлама в толще воды, появится пенообразование и усилится унос паром котловой воды с растворенными в ней соля­ми, что приведет к заносу паропровода и паропотребляющих устройств солями. Поэтому для надежной работы котельной установки недостаточно только очистки питательной воды, необходимо обеспечить также нормальный внутрикотловой режим, заключаю­щийся в поддержании состава котловой воды в пределах устано­вленных норм. Для получения пара нужного качества котловая во­да обрабатывается специальными реагентами, которые заставляют накипеобразующие соли выпадать в котле в виде шлама, легко уда­ляемого продувкой.

Требования к качеству насыщенного пара в котловых агрегатах при­ведены в таблице 4.

Таблица 4. Требования к качеству насыщенного пара

Котлоагрегаты	Возможные пределы напряжения парового пространства, м³/(м³ • ч)	Допустимое содержание в паре			Примечание
		влаги, %	всех солей, мкг/кг	двуокиси углерода, мкг/кг
Жаротрубные и дымогарные вертикальные и горизонтальные котлы,  р <= 0,9 МПа .    . . Водотрубные неэкранированные котлы, р<= 1,4 МПа .  .. Водотрубные экранированные p<= 1,4 МПа .    .    . Тоже, p <= 4,5 МПа	100-1000         250-400   450-900   350-500	1,0         0,5   0,3   0,2	1,0         0,5   0,5   0,2	-           20	Если вырабатываемый пар соприкасается с пищевыми продуктами и используется в теплообменниках с медными, латунными трубками или в открытой системе теплоснабжения, содержание в паре аммиака недопустимо

 

 

Для паровых турбин качество пара должно быть еще выше, оно регламентировано Правилами технической эксплуатации электро­станций и сетей (ПТЭ).

Требования к качеству питательной и котловой воды для производственных и отопительных котельных приведены в табл. 5 и 6.

Для водогрейных котлов качество подпиточной воды должно удовлетворять следующим требованиям: карбонатная жесткость не более 700 мкг-экв/кг, содержание растворенного кислорода — 50 мкг/кг, взвешенных веществ — 5 мкг/кг, содержание свободной дву­окиси углерода не допускается, значение показателя рН не менее 7. Значение рН характеризует концентрацию ионов водорода в растворе. Последнее требование означает, что реакция воды должна быть либо нейтральной (рН = 7), либо щелочной (рН > 7).

 

Таблица 5. Требования к качеству питательной воды котлоагрегатов

Котлоагрегаты	Общая жесткость, мг-экв/кг	Растворенный кислород, мг/кг, в котлоагрегатах с экономайзерами		Содержание в воде, мг/кг			Продувка, %
				железа	меди	масел
		стальными водяными	чугунными
Жаротрубные и дымогарные, р < 0,9 МПа (9 кгс/см2) .   .   .   Водотрубные неэкранированные,  р= 1,4 МПа (14 кгс/см2)...   Водотрубные экранированные,  р=1,4 МПа   То же, р < 4,5 МПа (45 кгс/см2)   Стальные водогрейные . . .	0,03-0,5       <=0,1         <=0,03       0,01-0,015     0,04-0,7	<=0,03       <=0,03         <=0,03       <=0,03     <=0,05	<=0,10       <=0,10         <=0,10       0,03-0,1     —	_       <0,20         <0,2       0,1-0,2     <=0,3	—       <5         <3       <1     —	<5       <5         <5       1-3     —	<10       <8         5-7       <5     —

Таблица 5. Требования к качеству питательной воды котлоагрегатов

Котлоагрегаты	Общая жесткость, мг-экв/кг	Растворенный кислород, мг/кг, в котлоагрегатах с экономайзерами		Содержание в воде, мг/кг			Продувка, %
				железа	меди	масел
		стальными водяными	чугунными
Жаротрубные и дымогарные, р < 0,9 МПа (9 кгс/см2) .   .   .   Водотрубные неэкранированные,  р= 1,4 МПа (14 кгс/см2)...   Водотрубные экранированные,  р=1,4 МПа   То же, р < 4,5 МПа (45 кгс/см2)   Стальные водогрейные . . .	0,03-0,5       <=0,1         <=0,03       0,01-0,015     0,04-0,7	<=0,03       <=0,03         <=0,03       <=0,03     <=0,05	<=0,10       <=0,10         <=0,10       0,03-0,1     —	_       <0,20         <0,2       0,1-0,2     <=0,3	—       <5         <3       <1     —	<5       <5         <5       1-3     —	<10       <8         5-7       <5     —

 

Таблица 6. Требования к качеству котловой воды

Котлоагрегаты	Допустимый сухой остаток в продувке, мг/кг, при механических сепарационных устройствах и испарении			Общая щелочность
	без ступенчатого испарения	двухступенчатом  внутри барабана	ступенчатом в выносных циклонах	абсолютная, мг-экв/кг	относительная, %
Жаротрубные и дымогарные котлы,         р < 0,9 МПа   Водотрубные неэкранированные с нижним барабаном или грязевиком,  р < 1,4 МПа   Водотрубные экранированные с нижним барабаном,    р < 1,4 МПа   То же, но без нижних барабанов . . .   То же, р < 4,5  МПа	4000-16000*       4000-8000       2000-4000     1000-2000     800-1500	—       7000-12000       3000-7000      1500-3000   1000-3000	—       10000-16000       5000-10000     3000-8000   3000-6000	30 - 80       30 - 60       15 - 30      10 -15   9 -12	<50*       <20       <20      <20   <20

* При внутрикотловой обработке воды.

 

Расход воды в котельных установках. Вода, поступающая в ото­пительные и производственные котельные из водопровода, арте­зианских скважин или водоемов, расходуется на восполнение по­терь сетевой воды, конденсата, пара и собственные нужды Котельной установки, включая техническое водоснабжение.

В водогрейных котельных установках вода теряется при обмывке поверхностей нагрева, деаэрации, разогреве мазута, утечках через неплотности, а также в системах теплоснабжения. При открытой системе теплоснабжения к потерям добавляется расход воды на го­рячее водоснабжение потребителей.

В паровых котельных установках потери воды происходят за счет расхода части пара на собственные нужды (привод насосов, подогрев и распыливание мазута, продувку котлоагрегатов, обдувку и очистку его поверхностей нагрева, утечки через неплотности) и других расходов. Кроме потерь пара теряется и его конденсат. При снабжении потребителей паром часть конденсата теряется из-за загрязнения в результате несовершенства теплообменных аппа­ратов, а иногда из-за технологического процесса без возврата конденсата. Расходы воды возмещают в специальных устройствах, комплекс которых называют водоподготовительной установкой.