Примеси природных вод и технологические показатели качества воды

Лекция 1 Примеси природных вод и технологические показатели качества воды Слайды 1,2 В настоящее время в большинстве промышленно развитых стран выработка электроэнергии в основном производится на ТЭС, т. е. теплоэлектростанциях с классическими паровыми котлами и турбинами (примерно 70% всей электроэнергии). Это относится и к России. Рабочая среда на установках ТЭС – вода, она является сырьем для получения пара и теплоносителем. Необходимым условием длительной, надежной, экономичной и экологически безопасной работы ТЭС является рациональная организация водоподготовки и водного режима станции и, в первую очередь, строгое соблюдение экспериментально обоснованных эксплуатационных норм качества пара, конденсата, питательной и котловой воды. Природная вода из любых источников для питания котлов современных ТЭС не может быть использована, потому что содержание примесей в ней в тысячи раз превышает концентрации, оговоренные эксплуатационными нормами. Для удовлетворения разнообразных требований к качеству воды, потребляемой при выработке электрической и тепловой энергии, возникает необходимость специальной физико-химической обработки природной воды. Переработка природной воды (исходного сырья) в очищенную воду (конечный продукт) сводится к освобождению воды от тех или иных примесей и осуществляется на специальных водоподготовительных установках (ВПУ). Этот процесс и называется водоподготовкой. Поддержание чистоты воды и пара в отдельных агрегатах и частях тракта ТЭС объединяется общим понятием водного режима. Одновременно с очисткой природной воды, поддержанием чистоты технологических сред необходимо комплексно решать вопросы, связанные с утилизацией различными методами образующихся при этом сточных вод. Это является мерой защиты от загрязнения природных источников питьевого и промышленного водоснабжения. Для понимания дисциплины «Химико-технологические процессы на тепловых электрических станциях» студенту потребуются знания по химии – закономерностей процессов электролитической диссоциации, гидролиза, выпадения труднорастворимых веществ и т. д. Следует обратить внимание на те соединения, которые являются обычными примесями природных вод (соли, газы, щелочи, органические примеси, силикаты и др.). Из курса «Котельные установки тепловых электрических станций» студент должен иметь четкое представление о внутрикотловых процессах теплообмена, гидродинамики, ступенчатом испарении, промывке пара, сепарации. Применение воды на тепловых электростанциях (ТЭС) Слайд 3 Продуктами теплоэнергетического производства являются: 1. электрическая энергия; 2. тепло в виде горячей воды в теплофикационных закрытых (отопительных) или открытых (горячее водоснабжение) сетях; 3. пар для различных технологических нужд соседних предприятий. Вода в энергетике, является, по существу, исходным сырьем. На паротурбинных электростанциях вода используется как: 1) рабочее тело. В топке парогенератора вследствие сгорания топлива (или деления ядер урана 235) выделяется тепловая энергия, которая через металлические стенки экранных труб (твэлов) передается циркулирующей воде. Воспринимая это тепло, вода переходит из жидкого состояния в газообразное, т. е превращается в пар, энергия которого приводит во вращение ротор турбины и находящийся с ней на одном валу электрогенератор. 2) теплоноситель. Вода нагревается отборным паром в сетевых подогревателях, а затем направляется к абонентам. В закрытых системах теплоснабжения (отопительных) вода с пониженной температурой возвращается обратно на ТЭЦ, где вновь нагревается. В открытых системах вода расходуется (например, на бытовые нужды) и уже на ТЭЦ не возвращается. 3) участник технологических процессов в различных производствах. 4) охладитель. Для конденсации отработавшего в паровых турбинах пара (в конденсаторах), для охлаждения различных аппаратов и агрегатов ТЭС и АЭС. 5) транспортер золы шлака. Вода используется как осадительный и транспортирующий агент в системах золоулавливания и золоудаления. Задачи водоподготовки и рациональной организации водного режима 1) Организация надежной и экономичной работы основного теплоэнергетического оборудования. 2) Поддержание чистоты пара на уровне обеспечивающем отсутствие отложений в пароперегревателе и турбине. 3) Предотвращение и ограничение образования отложений на поверхностях нагрева пароводяного тракта. 4) предотвращение коррозионных процессов в пароводяном тракте. 5) Сокращение потребления химреагентов при обработке воды. 6) Уменьшение агрессивности сточных вод и их утилизация. Решением задач водоприготовления и водообработки занимается персонал химцеха. Принципиальная схема обращения воды в рабочем цикле ТЭС Составляющие питательной воды . Водный баланс основного цикла ТЭС Слайды 4,5,6,7,8 Дх – часовые расходы соответствующего потока рабочего тела (пара или конденсата), т/ч. Водные балансы тепловых электростанций зависят от назначения станции, которое, в свою очередь, определяет тип установленных на ней паровых турбин. Независимо от параметров пара станция может быть предназначена для выработки электрической или преимущественно тепловой энергии. Типичные схемы обращения воды в рабочих циклах конденсационных тепловых электростанций (КЭС) и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) приведены на рисунках 1, 2 и 3 (сплошные линии – вода и конденсат, пунктирные – пар). Классификация воды по технологическим признакам: – исходная (природная) вода (Dисх.в) забирается из источников водоснабжения и используется в качестве сырья на ВПУ и для других целей; – добавочная вода (Dд.в) – исходная вода, прошедшая обработку с применением физико-химических методов очистки, например, обессоленная вода для подпитки котлов (после ВПУ). Она направляется в контур для восполнения внутренних (внутристанционных) и внешних потерь пара и конденсата; – свежий (основной) пар (Dп) – выработанный котельным агрегатом пар, который через пароперегреватель поступает в паровую турбину. Для прямоточных котлов Dп = Dп.в, для котлов с естественной циркуляцией Dп = Dп.в – Dпр; – основной (турбинный) конденсат (Dо.к) – пар, превращенный в конденсат в конденсаторе. Это самая ценная и основная составляющая питательной воды; – возвратный конденсат (Dв.к) – конденсат, возвращаемый от внешних потребителей пара; после очистки от внесенных загрязнений используется как составная часть питательной воды; – конденсат греющего пара ПНД и ПВД (Dк.ПНД и Dк.ПВД), сетевых подогревателей (Dк.с.п). Часть пара отбирается из турбины на подогрев конденсата в ПНД и ПВД, а также на подогрев сетевой воды в сетевых подогревателях (на ТЭЦ), а потом возвращается через сливные насосы в цикл как составная часть питательной воды; – питательная вода (Dп.в) – вода, подаваемая в котельные установки для замещения испарившейся воды; представляет собой смесь вышеперечисленных потоков, состав которой зависит от типа станции (эти уравнения и принято называть водными балансами основного цикла ТЭС): для КЭС Dп.в = Dо.к + Dд.в + Dк.ПНД + Dк.ПВД, т/ч, для ТЭЦ с отопительной нагрузкой Dп.в = Dо.к + Dд.в + Dк.с.п +Dк.ПНД + Dк.ПВД, т/ч, для ТЭЦ с производственным и тепловым отборами Dп.в = Dо.к + Dв.к + Dд.в + Dк.с.п + Dк.ПНД + Dк.ПВД, т/ч, где Dп.в, Dо.к и т. д. – часовые расходы соответствующего потока рабочего тела (воды или конденсата), т/ч; – котловая вода (Dк.в) – вода, находящаяся в элементах котельной установки; – внутристанционные потери пара и конденсата, в том числе: продувочная вода (Dпр) – вода, выводимая из котла с естественной циркуляцией для поддержания в котловой воде заданной концентрации примесей (состав примесей котловой и продувочной воды одинаков) – и другие потери в основном цикле Dп.ц (в котлах, в турбинах, в различных баках, насосах, трубопроводах, в пробоотборных точках и т. д.); – охлаждающая вода (Do.в) используется в конденсаторах паровых турбин для конденсации отработавшего пара; совершает свой цикл (охлаждающей воды); – пар для производства (Dпроизв). Часть отработавшего пара из отборов турбин отпускается внешним потребителям на производственные нужды (предприятия химической, пищевой, легкой и других отраслей промышленности); – потери пара на производстве (внешние) Dпот.произв; – сетевая вода (Dс.в) – вода в теплофикационных сетях; также совершает свой цикл (теплофикационный); – подпиточная вода (Dп.т.с) – вода для подпитки тепловых сетей для компенсации потерь сетевой воды вследствие утечек и горячего водоразбора). Исходная вода на станции используется в основном и теплофикационном циклах, в цикле охлаждающей воды и т. д. В зависимости от назначения используются разнообразные методы обработки воды и конденсата. Проектируются ВПУ (комплексы водоподготовительного оборудования) отдельно для приготовления подпиточной воды котлов, для приготовления подпиточной воды тепловых сетей, для обработки охлаждающей воды конденсаторов турбин, продувочных вод градирен и продувочных вод золоотвалов, для обработки сточных вод электростанций, для очистки конденсата турбин, для очистки промышленных возвратных конденсатов, для очистки общестанционных загрязненных конденсатов. Во всех случаях вода проходит соответствующую физико-химическую обработку, однако наиболее высокие требования предъявляются в основном энергетическом цикле. Рисунок 1. Схема обращения воды в тракте КЭС: 1 – котел; 2 – конденсационная турбина; 3 – электрогенератор; 4 – ВПУ обессоленной воды для подпитки котлов; 5 – конденсатор турбины; 6 – конденсатные насосы; 7 – БОУ (для станций с прямоточными котлами); 8 – группа ПНД; 9 – сливной насос; 10 – деаэратор; 11 – питательный насос; 12 – группа ПВД Рисунок 2. Схема обращения воды в цикле ТЭЦ с отопительной нагрузкой: 1 – котел; 2 – турбина с отбором пара для нужд теплофикации; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатор турбины; 5 – конденсатный насос; 6 – группа ПНД; 7 – сливной насос; 8 – деаэратор; 9 – питательный насос; 10 – группа ПВД; 11 – вакуумный деаэратор подпитки тепловых сетей; 12 – насос подпитки тепловых сетей; 13 – сетевой насос; 14 – тепловые сети; 15 – группа сетевых подогревателей; 16 – конденсатный насос сетевых подогревателей; ВПУ п.к – водоподготовительная установка обессоленной воды подпитки котлов; ВПУ п.т.с – водоподготовительная установка подпиточной воды тепловых сетей Рисунок 3. Схема обращения воды в цикле ТЭЦ с подачей пара на производство и тепла – на отопление и горячее водоснабжение: 1 – котел; 2 – турбина с отбором пара для нужд производства и теплофикации; 3 – электрогенератор; 4 – производственный потребитель пара; 5 – конденсатор турбины; 6 – конденсатный насос; 7 – группа ПНД; 8 – сливной насос; 9 – деаэратор; 10 – питательный насос; 11 – группа ПВД; 12 – вакуумный деаэратор подпитки котлов; 13 – насос вакуумного деаэратора подпитки котлов; 14 – вакуумный деаэратор подпитки теплосетей; 15 – насос подпитки тепловых сетей; 16 – сетевой насос; 17 – тепловые сети; 18 – группа сетевых подогревателей; 19 – конденсатный насос сетевых подогревателей; ВПУ п.к – водоподготовительная установка обессоленной воды подпитки котлов; ВПУ п.т.с – водоподготовительная установка подпиточной воды тепловых сетей; КО – конденсатоочистка (установка очистки возвратного загрязненного производственного конденсата); БЗК – бак запаса конденсата. П р и м е ч а н и е. Из БЗК поток направляется в вакуумный деаэратор подпитки котлов (12) и параллельно часть потока – в конденсатор турбины (5). Источники потерь пара и конденсата При эксплуатации ТЭС (АЭС) возникают внутристанционные потери пара и конденсата 1) В котлах: – при непрерывной и периодической продувке, – при открытии предохранительных клапанов, – при обдувке водой и паром наружных поверхностей нагрева от золы и шлака, – на распыливание жидкого топлива в форсунках, – на привод вспомогательных механизмов (каких?); 2) В турбинах через лабиринтные уплотнения и паровоздушные эжекторы; 3) По основному тракту в пробоотборных точках; 4) В баках, насосах, трубопроводах при переливе, испарении горячей воды, просачивании через фланцы и т. д. Обычно внутристанционные потери пара и конденсата, восполняемые добавочной водой не превышают в различные периоды эксплуатации ТЭС 2-3%. Внешние потери пара и конденсата существуют на промышленных ТЭЦ, отпускающих пар на различные технологические нужды предприятий. Количество добавочной воды на таких Тэц может достигать 10-50% генерируемого пара. Источники загрязнения питательной воды на ТЭС Слайд 9 Существует несколько источников загрязнений теплоносителя в пароводяных трактах ТЭС: 1) примеси добавочной воды, вводимой в цикл для покрытия внутренних и внешних потерь пара и конденсата. В зависимости от схемы очистки могут быть соли натрия, аммония, кремниевой кислоты, окислы железа, органические вещества, растворенные газы. 2) присосы в конденсат пара охлаждающей воды в конденсаторах или сетевой воды в теплообменниках (СП). Это все примеси природных вод. Присос охлаждающей воды в конденсаторах турбин обусловен более высоким давлением с водной стороны конденсатора по сравнению с паровой, находящейся под глубоким вакуумом. 3) примеси загрязненного конденсата, возвращаемого от внешних потребителей пара на ТЭЦ. Это окислы железа, нефтепродукты, специфические загрязнения, определяемые типом пароиспользующего предприятия. 4) примеси, искусственно вводимые в паровой тракт для коррекции и стабилизации водного режима. Фосфаты, гидразин, аммиак и др. 5) продукты коррозии конструкционных материалов, переходящие в теплоноситель. Оксиды и ионы железа, меди, хрома, алюминия и др. элементов. 6) подсос воздуха в находящуюся под вакуумом часть контура, в результате чего теплоноситель обогащается такими газами, как О2, N2, СО2. Круговорот воды в природе и формирование состава воды. Классификация примесей по степени дисперсности (крупности) и химическому составу Природная вода, условно разделяемая на атмосферную (дождь, туман, снег), поверхностную (реки, озера, пруды), подземную (артезианские скважины, родники, колодцы) и морскую (моря, океаны), всегда содержит разнообразные примеси. Примеси поступают в воду, находящуюся в природном круговороте из окружающей ее среды, кроме того, возможно загрязнение водоисточников бытовыми и промышленными стоками. В нашей стране для водоснабжения энергообъектов используют в большинстве случаев поверхностные и подземные воды, а также воду циркуляционных систем предприятий и малозагрязненные сточные воды. Природные воды классифицируют по ряду признаков: солесодержанию; по преобладающему катиону и аниону, по химическому составу и др. Наиболее употребительна в водоподготовке классификация по степени дисперсности. Примеси природных вод по степени дисперсности (крупности) условно разделяют на истинно-растворенные (ионно- или молекулярно-дисперсные), коллоидно-дисперсные и грубодисперсные. Истинно-растворенные примеси находятся в воде в виде ионов или отдельных молекул. Размер этих частиц менее 1 нм (10-6 мм). В истинно-растворимом состоянии в воде находятся газы, прежде всего кислород, азот, углекислота, сероводород, а также катионы и анионы поступивших в воду солей. Сведения о наиболее распространенных в природных водах ионах и их концентрациях приведены в таблице 1. Таблица 1 Коллоидно-дисперсные примеси имеют размеры частиц от 1 до 100 нм. Каждая из частиц образована большим числом молекул (до нескольких тысяч). Эти агломераты имеют поверхность раздела между твердой фазой и водой. Из-за малых размеров коллоидные частицы не теряют способности к диффузии и имеют значительную удельную поверхность. Эти примеси не выделяются из воды под действием силы тяжести (отстаиванием) и не задерживаются обычными фильтрующими материалами. В природных водах в коллоидно-дисперсном состоянии находятся соединения кремния, алюминия, железа, а также органические вещества, образующиеся в результате распада животных и растительных организмов. Это также гумусовые вещества, вымываемые из почв и торфяников (гуминовые кислоты, коллоидные соединения фульвокислот). Грубодисперные примеси (взвешенные вещества) имеют размер частиц более 100 нм. Они имеют достаточно большую массу и не способны к диффузии. С течением времени примеси либо выпадают в осадок, либо всплывают на поверхность. Они обуславливают мутность природных вод. Их легко выделить из воды отстаиванием и фильтрованием. Это частицы глины, ила, песка, остатки растительности и др. веществ, захватываемых с поверхности почвы дождевыми или талыми водами. По химическому составу примеси природных вод можно разделить на минеральные (соли, кислоты, основания, газы) и органические (белковые вещества, жиры, гуминовые вещества, эфирные масла и др.). Для питания котлов пригодна вода, в которой практически отсутствуют все примеси, находящиеся в обрабатываемой воде во всех состояниях дисперсности. Почему? Грубодисперсные примеси могут просто механически забить оборудование и вывести его из строя. Коллоидно-дисперсные примеси вызывают вспенивание котловой воды, ухудшают качество пара, а главное могут «отравить» ионитные фильтры, т. е. препятствуют удалению из воды истинно-растворенных примесей. Растворенные в воде газы, прежде всего кислород и углекислый газ являются деполяризаторами (стимуляторами) коррозии, а катионы и анионы растворенных в воде солей являются причиной отложений и ухудшения качества пара. Поэтому все эти примеси должны быть из воды удалены. Многообразие примесей диктует разнообразие методов очистки и водоподготовительного оборудования. Исходная вода проходит различные стадии обработки на специальных водоподготовительных установках. Данная тема посвящена изучению химического состава природных вод. Чтобы судить о качестве воды, т. е. о пригодности ее для использования на ТЭС, проводят химический анализ воды, т. е. определяют ряд показателей. Это необходимо для правильной организации водного режима и выбора схемы обработки воды. Химический анализ обязательно проверяют. Методика проверки будет изучаться в ходе практической работы 1. При изучении темы студент должен усвоить основные показатели качества воды и влияние соответствующих примесей на работу оборудования, так как без этих знаний невозможно описать физико-химические процессы, протекающие в теплоэнергетическом оборудовании и при очистке воды. Многообразие примесей диктует разнообразие методов очистки и водоподготовительного оборудования. Важно разобраться в способах выражения концентраций примесей, которые широко используются в водоподготовке. Отношение количества или массы вещества, содержащегося в системе, к объему или массе этой системы называется концентрацией. В водоподготовке используется четыре вида выражения концентраций: 1) массовая доля (процентная). Это массовое количество вещества, отнесенное к 100 массовым частям раствора (не растворителя), выраженное в %. Процентная концентрация показывает, сколько граммов примесей содержится в 100 граммах раствора. Этот способ применяется, главным образом, для выражения концентрации растворов реагентов, употребляемых на водоподготовительных установках; 2) массовая. Это отношение массы растворенного вещества (примеси) к объему раствора, мг/дм3; 3) молярная. Отношение количества вещества (в молях) к объему раствора, г-моль/дм3. Способ используется при приготовлении титрованных растворов; 4) нормальная (эквивалентная). Это отношение количества вещества в г-экв к объему раствора, г-экв/дм3. В водоподготовке используют чаще миллинормальную (мг-экв/дм3) или микронормальную (мкг-экв/дм3) концентрации. Легко можно перейти от массовой концентрации (мг/дм3) к нормальной (мг-экв/дм3) и наоборот: Для более глубокого изучения темы обратитесь к [ДИ 9], с. 9–28. Литература: ОИ [1], ДИ [2], [3], [6], [7], [8].. Контрольные вопросы по теме: Примеси природных вод и технологические показатели качества воды 1 блок 1. В чем заключается процесс водоподготовки? 2. Что понимают под водным режимом? 3. В качестве чего используется исходная (природная) вода на станции? 4. Объясните назначение добавочной воды. 5. Перечислите основные составляющие питательной воды для станции, где Вы работаете. 2 блок 6. Какие примеси и какими путями поступают в различные тракты ТЭС? 7. Какие потери пара и конденсата имеют место на станции? Где они возникают? 8. На какие группы делятся примеси, встречающиеся в природных водах? 9. Перечислите основные показатели качества воды на ТЭС. Приведите их единицы измерений. 10. Что такое жесткость воды? Какова классификация воды по жесткости? 3 блок 11. Чем определяется щелочность воды? 12. Какие виды жесткости и щелочности воды вам известны? 13. Что такое окисляемость воды и как она определяется? 14. В каких единицах измеряются известные вам концентрации водных растворов? 15. Что такое показатель рН среды? Какое значение он принимает в разных средах? Внимание! Отвечать на один любой вопрос из каждого блока. На 9 вопрос отвечать всем. Всего 4 ответа. ПЕРЕЧЕНЬ РЕКОМЕНДУЕМЫХ УЧЕБНЫХ ИЗДАНИЙ, ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСОВ, ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основные источники: Тема 2.3. Водоподготовительное оборудование тепловых электростанций 1. Копылов, А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф. Водоподготовка в энергетике [Текст]: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд. стереот.- М.: Издательский дом МЭИ, 2006. 2. Воронов, В.Н Водно-химические режимы ТЭС и АЭС [Текст]: учебное пособие /В.Н. Воронов,Т.И. Петрова; под ред. А.П Пильщикова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. Дополнительные источники: Тема 2.3. Водоподготовительное оборудование тепловых электростанций 1. Копылов, А.С. Процессы и аппараты передовых технологий водоподготовки и их программированные расчеты[ Текст]: учеб. пособие для вузов / А.С.Копылов, В.Ф.Очков, Ю.В. Чудова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 2. Вихрев В. Ф., Шкроб М.С. Водоподготовка: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1973. 3. Белан Ф. И. Водоподготовка: Учебник для техникумов. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1979. 4. Субботина Н. П. Водный режим и химический контроль на ТЭС. – М.: Энергоатомиздат, 1985. 5. Нормы технологического проектирования тепловых электрических станций. ВНТП-81. – М., 1981. 6. Стерман Л. С., Покровский В. Н. Физические и химические методы обработки воды на ТЭС. – М.: Энергоатомиздат, 1991. 7. Гурвич С. М., Кострикин Ю. М. Оператор водоподготовки. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоиздат, 1981. 8. Кострикин Ю. М., Мещерский Н. А., Коровина О. В. Водоподготовка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 9. Громогласов А. А. и др. Водоподготовка: процессы и аппараты: Учебное пособие для вузов/ А. А. Громогласов, А. С. Копылов, А. П. Пильщиков; под ред. О. И. Мартыновой. – М.: Энергоатомиздат, 1990. 10. Белоконова А. Ф. Водно-химические режимы тепловых электростанций. – М.: Энергоатомиздат, 1985 11. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. Министерство энергетики РФ. – М.: ЗАО «Энергосервис», 2003. 12. Жабо В. В. Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС. – М.: Энергоатомиздат, 1992.