Подбор системы химической очистки воды для совершенствования работы парового прямоточного котла змеевикового типа

Acknowledgments. The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 22-19-20011,

Химическая подготовка воды играет важнейшую роль в исправной работе любого котельного агрегата. Данная операция предназначена для обеспечения строго регламентированных показателей качества питательной воды.

Для разных видов котельных агрегатов существуют различные требования по химическим показателям воды. Для прямоточных котельных агрегатов определены жёсткие требования по качеству воды [1]. Это связано с тем, что в таких котлах отсутствует продувка поверхностей нагрева.

Основными химическими показателями воды являются жёсткость, щёлочность, водородный показатель (pH), содержание нефтепродуктов, фенолов, а также химических элементов, таких как магний, кальций, натрий, железо [2].

Несоблюдение требований по химическому составу воды или отсутствие системы химводо-очистки (далее по тексту – ХВО) может привести к загрязнению поверхностей нагрева котла, коррозии и выходу из строя агрегата [3].

На рис. 1 показаны эксплуатационные отложения на внутренних стенках труб змеевика парового прямоточного котла, эксплуатируемого в реальных условиях на кустовой площадке месторождения нефти Варьёган (ХМАО) [4].

Рис. 1. Загрязнение змеевика при ненадлежащем качестве питательной воды

Fig. 1. Coil contamination with poor quality feed water

Вследствие наличия данных загрязений бесперебойная работа данного агрегата и получение качественного пара не представляются возможными. Стоит отметить, что вода перед подачей в котёл проходила химическую очистку, однако данная процедура оказалась неэффективной из-за плохого качества исходной воды [5].

Постановка задачи

В процессе работы прямоточного парового котла змеевикового типа следует найти наиболее проблемные места, в которых будут появляться загрязнения поверхности змеевиковых труб. При расчёте и выборе системы ХВО необходимо учитывать характер движения воды и пара, который сказывается на местах отложений внутри коаксиальных труб.

Моделирование системы химической водоподготовки прямоточного парового котла змеевикового типа заключается в наблюдении за изменением скорости течения воды в змеевике, который помещён в цилиндр, при использовании системы ХВО и при её отсутствии. Данная модель показывает появление загрязнений во время течения воды и парообразования внутри змеевика.

Для подбора и проектирования системы ХВО, которая будет обеспечивать требуемые химические показатели воды на входе в паровой прямоточный котёл змеевикового типа, необходимо выполнить следующие задачи:

• 1)    обработка экспериментальных данных с реальной установки прямоточного парового котла и моделирование течения воды внутри змеевиковых труб при наличии системы ХВО и при её отсутствии;

• 2)    подбор нескольких оптимальных вариантов системы ХВО;

• 3)    расчёт систем ХВО;

• 4)    предложение наилучшего варианта по результатам предыдущих действий;

• 5)    рассмотрение практического применения выбранной системы ХВО в реальных условиях.

Теоретическая часть

Для выбора элементов системы ХВО следует сравнить следующие варианты: установка Na-катио-нитового фильтра, установка обратного осмоса, установка электромагнитного воздействия на воду. Все эти методы исправно и эффективно применяются для очистки воды в бытовых и промышленных условиях, а также являются доступными для потребителей и производственных предприятий.

Принцип работы Na-катионитового фильтра основан на реакции ионного обмена, в результате которой натрий-катионит занимает место ионов кальция и магния, тем самым происходит умягчение воды. Такой тип фильтра может обеспечить минимальную жёсткость 0,1 мг-экв/л [6]. Традиционно данная установка состоит из двух баков-осветлителей и двух Na-катионитовых фильтров. Метод Na-катионирования эффективно применяется в составе системы ХВО для барабанных паровых котлов.

Очистка воды от примесей в установке обратного осмоса происходит за счёт приложения давления со стороны протекающей исходной воды в обратноосмотической мембране. Также обработка воды происходит в механических и сорбционных фильтрах, через которые вода протекает перед мембраной. Степень очистки обратноосмотической мембраны от солей жёсткости составляет 96,2 % [7], степень очистки сорбционного угольного фильтра от нефтепродуктов и от щелочноземельных металлов равна 95 % [8].

Сущность метода электромагнитного воздействия на воду состоит в кристаллизации в толще водяного потока накипеобразующих элементов, таких как примеси кальция, магния и железа. При этом соли жёсткости уносятся с потоком воды, а появившиеся ранее отложения удаляются [9]. После проведения метода электромагнитной очистки воды следует провести обезжелезивание путём упрощённой аэрации, так как после электромагнитного воздействия на воду повышается содержание железа. Селективность установки обезжелезивания составляет 96,6 % [10]. Преимуществами установки электромагнитного воздействия на воду являются простота монтажа и эксплуатации, небольшой расход электроэнергии, минимальное количество осаждаемых солей магния и кальция на поверхностях нагрева.

Основными показателями качества питательной воды являются площадь фильтрования, скорость фильтрации, жёсткость и содержание катионов щелочных, щелочно-земельных металлов и нефтепродуктов. Жёсткость исходной воды составляет 6,85 мг-экв/л, содержание ионов натрия – 45,58 мг-экв/л, содержание нефтепродуктов – 0,7 мг-экв/л, содержание ионов железа – 0,362 мг-экв/л [11].

Требуемые показатели качества воды после системы ХВО: жёсткость 12–15 мкг-экв/л, содержание ионов натрия 5 мкг-экв/л, содержание нефтепродуктов 0,1 мг-экв/л, содержание ионов железа 10 мкг-экв/л [1, 12].

Содержание нефтепродуктов и катионов железа после проведения электромагнитного воздействия и упрощённой аэрации вычисляется по формуле

C Fe ( о ) = C Fe ( и ) ' ( 1 — 0,966 ) ,                    (1)

где C _Fe ( ₀ ) - содержание нефтепродуктов и катионов железа в воде после проведения электромагнитного воздействия и упрощённой аэрации, мг/л;

C F_e ( _u ) — содержание нефтепродуктов и катионов железа в исходной воде из скважины, мг/л.

Одной из основных характеристик любого фильтра является площадь фильтрования. Площадь фильтрования любой очистной установки определяется по формуле

F = — ,                       (2)

wн где Q – производительность фильтра по осветлённой воде, м3/ч;

α – коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды фильтров;

w _н – скорость фильтрования при нормальном режиме работы фильтра.

Практическая часть

При расчёте и подборе системы ХВО необходимо учитывать характер движения воды и пара, который сказывается на местах отложений загрязнений внутри коаксиальных труб [4].

Результаты проведённых расчётов установок Na-катионирования, обратного осмоса и электромагнитного воздействия представлены в таблице, а также приведено сравнение характеристик показателей качества воды после проведения выше изложенных методов.

На рис. 2a показано движение воды в змеевике при отсутствии системы ХВО. В данном случае происходит значительное загрязнение змеевика из-за соблюдения нормативных показателей качества воды. При образовании отложений шероховатость змеевиковых труб увеличивается, следовательно, скорость движения воды внутри трубы уменьшается и стремится к нулю. В определённый момент течение теплоносителя и парообразование прекращаются.

На рис. 2b представлено движение воды в змеевиковых трубах при применении системы

Сравнение характеристик установок Na-катионирования, обратного осмоса и электромагнитного воздействия The characteristics of Na-cation, reverse osmosis, and electromagnetic exposure filters

Показатель	Установка Na-катионирования	Установка обратного осмоса	Установка электромагнитного воздействия
Общая площадь фильтрования, м2	1,72	0,873	0,381
Скорость фильтрации, м/ч	5	8	5,72
Жёсткость после очистки, мкг-экв/л	100	1,3	100
Содержание нефтепродуктов после очистки, мг-экв/л	0,1	0,04	0,05
Содержание натрия после очистки, мкг-экв/л	100	45,58	227,9
Содержание железа после очистки, мкг-экв/л	0,9	0,9	12

a)

b)

Рис. 2. Результаты моделирования течения теплоносителя в змеевике: a – без применения системы ХВО; b – при применении системы ХВО Fig. 2. Results of modeling the coolant flow in the coil: a – without CWTS; b – with CWTS

ХВО, а именно установки обратного осмоса. Если перед подачей теплоносителя в котёл использовать систему химической подготовки воды, то количество отложений на поверхностях змеевика будет значительно меньше, и установка будет работать продолжительное время без перебоев.

Для того чтобы показать влияние загрязненности змеевика на скорость течения жидкости, в нем была спроектирована гидравлическая модель движения жидкости с использованием операционной среды ANSYS.

Изначально была спроектирована геометрическая модель змеевика высотой 563 мм и общим диаметром 302 мм из труб диаметром D/d = 14/12 мм.

После построения геометрической модели змеевика была создана его конечно-элементная (дискретная) модель.

Следующим этапом оказалось задание условий течения жидкости, а также всех граничащих условий. Были заданы скорости жидкости на входе и выходе из змеевика, механические параметры змеевика, а также химический состав воды [13]. При расчётах была использована k -ɛ модель турбулентности. Для описания турбулентных величин в ней используется система двух нелинейных диффузионных уравнений: для массовой плотности турбулентной энергии k и скорости диссипации турбулентной энергии ε.

После введения всех требуемых для решения параметров был произведен запуск расчёта модели, результаты которого были записаны в базу данных. Результат был представлен в виде гидравлической модели движения жидкости в змеевиках. Для наглядности была представлена гидравлическая модель движения жидкости в чистом змеевике (рис. 2b), а также загрязненном (рис. 2a).

Моделирование переноса и осаждения примесей в змеевике позволило выяснить влияние загрязненности змеевика на скорость жидкости внутри змеевика, а также установить при какой степени загрязненности движение внутри змеевика становится невозможным [14].

Исходя из результатов расчётов систем ХВО и моделирования течения жидкости внутри змеевиковых труб, можно сказать, что для бесперебойной работы прямоточного парового котла змеевикового типа и подачи качественного пара необходима компактная установка системы ХВО, чтобы обеспечить нормативные химические показатели питательной воды, а также для удовлетворения потребностей нефтедобывающей, автотранспортной, железнодорожной промышленности, а также строительства и медицины. Наиболее подходящим вариантом из рассмотренных является установка обратного осмоса, так как химические показатели после очистки воды в этой установке практически полностью соответствуют нормативным значениям [1, 12], а установки Na-катионирования и электромагнитного воздействия не могут обеспечить надлежащее качество воды для рассматриваемого котельного агрегата [15–17]. Установка обратного осмоса может быть использована в реальных условиях при работающей передвижной котельной установке. При подготовке воды в выбранной системе ХВО топливо расходуется в рациональном количестве, потери с уходящими газами стремятся к нулю, КПД прямоточного парового котла змеевикового типа соответствует номинальному и, тем самым, ППУ работает энергоэффективно.

Прямоточный паровой котёл змеевикового типа входит в состав передвижной парогенераторной установки (далее – ППУ). Данная установка применяется в основном в нефтедобывающей промышленности. Пар применяется для очистки нефтедобывающего оборудования, трубопроводов, цистерн, трубозапорной арматуры и для депарафинизации ископаемого сырья [5]. В медицине пар, вырабатываемый в ППУ, требуется для осуществления термических процедур, такие как ингаляционная терапия, парафинотерапия, глиноте-рапия и т. п. [11]. Также ППУ нашла своё применение в сельском хозяйстве для припарки кормов, таких как фасоль, люпин, масличные, также для очистки и уборки помещений. В железнодорожной и автотранспортной промышленности мобильная парогенераторная установка применяется для разогрева цистерн. В строительстве ППУ нашла применение в разогреве бетона, кладочных смесей и асфальта для более быстрого процесса постройки [8].

Заключение

В ходе решения поставленных задач было выполнено следующее.

• 1.    Произведены расчёты установок Na-катионирования, обратного осмоса и электромагнитного воздействия и представлены их результаты.

• 2.    Представлена геометрическая модель змеевика парового прямоточного котла, с помощью которого можно следить за скоростью воды в коаксиальных трубах при наличии системы ХВО и при её отсутствии.

• 3.    Сделан выбор в пользу установки обратного осмоса как наиболее приемлемого для парового прямоточного котла змеевикового типа как с точки зрения качества питательной воды, так и с точки зрения практического применения вместе с передвижной парогенераторной установкой в реальных условиях.