II. Основные теоретические положения.

II-1. Основы водоподготовки.

Источниками водоснабжения котельных установок могут
служить хозяйственно-питьевой водопровод, артезианские сква­жины, пруды, реки и озера. Природные воды всегда содержат некоторые примеси, которые могут находиться в ней в виде взвешенных веществ (песок, частицы глины), растворенных со­лей, коллоидно-растворенных соединений и растворенных газов (кислород, углекислый газ и т. д.).

Состав примесей в воде и их количество разнообразны и (зависят от того, через какие породы протекает вода. В большин­стве случаев из растворимых солей в воде содержатся хлори­стый магний MgCl₂, хлористый натрий NaCl, хлористый каль­ций СаСb, сульфаты кальция CaSO₄ и магния MgSО₄, карбо­натные и бикарбонатные соли кальция или магния СаСО₃, MgCO₃, Са(НСО₃)₂, Mg(НСО₃)₂ и др. В коллоидно-растворен­ном состоянии в воде содержатся, в первую очередь, вещества органического происхождения, а также различные соединения железа, алюминия, кремния.

Наличие указанных примесей не позволяет применять без предварительной обработки исходную (сырую) воду для питания котлов и тепловых сетей, так как при нагреве и испарении такой воды на внутренних стенках труб и барабанов котла осаждаются соли, образуя так называемую накипь. Загряз­нение поверхности нагрева накипью значительно ухудшает условия теплообмена и может привести к опасному перегреву стенок труб, а содержание агрессивных газов (О₂, СО₂) вызы­вает их коррозию. Для обеспечения надежной и экономичной работы котлоагрегатов вода к ним подается строго определенного качества. Главными показателями качества воды являют­ся: прозрачность, сухой остаток, щелочность и жесткость.

Прозрачность воды, характеризуется содержанием в ней
взвешенных примесей (мг на 1 кг воды), свободно удаляемых
фильтрованием.

Сухой остаток (мг/кг) представляет собой общее количество растворенных в воде веществ. Его определяют выпариванием воды при температуре 105 - 110 °С.

Щелочность воды выражает количество находящихся в ней; щелочных соединений — гидратов, карбонатов и бикарбонатов.

Жесткость воды характеризует общее содержание в ней солей кальция и магния. Жесткость разделяется на постоянную (некарбонатную), которая обусловлена содержанием выводе сульфатов (CaSO₄, MgSO₄) и хлоридов (СаСl₂, MgCl₂), и временную, которая определяется содержанием в воде бикарбона­тов Са(НСО₃)₂, Mg(НСО₃)₂.

При нагревании воды соли временной жесткости (бикарбо­наты) распадаются и образуют нерастворимые соли, выпадаю­щие в виде рыхлого осадка, удаляемого продувкой; соли постоянной жесткости образуют на стенках труб котла плотный оса­док— накипь.

Общая жесткость воды определяется по выражению

(1)

где Жп и Жв — соответственно постоянная и временная жесткость воды.

За единицу измерения жесткости воды принят миллиграмм-эквивалент на 1 кг (мг-экв/кг), что соответствует содержанию в 1 кг воды 28 мг окиси кальция или 20 мг окиси магния.

По величине общей жесткости все природные воды условно можно разделить на три группы: мягкие (Жо 4 мг-экв/кг), средней жесткости (Жо=4-7 мг-экв/кг) и жесткие (Жо>7 мг-экв/кг).

При установке паровых котлов предъявляются более высо­кие требования к качеству питательной воды, чем при .установ­ке водогрейных котлов, в которых циркулирует почти одна и та же вода (не считая небольших ее утечек). В паровых котлах соли, выделяемые при испарении питательной воды, не уносят­ся с паром, а остаются в котле, ухудшая состав котловой воды. Питательная вода паровых котлов представляет собой смесь конденсата и химически очищенной воды.

Способы обработки воды. Природная вода перед поступле­нием в котел подвергается обработке, которая в общем случае предусматривает: удаление взвешенных примесей из воды, умягчение ее (снижение жесткости), снижение общего солесодержания, уменьшение и поддержание определенной щелочно­сти, удаление из воды агрессивных газов (СО₂, О₂).

Взвешенные примеси удаляются из исходной воды путем фильтрования её в специальных устройствах - механических (осветлительных) фильтрах. В качестве фильтрующих материа­лов применяют, кварцевый песок, мраморную крошку, антрацит. При использовании воды, из водопровода её не фильтруют.

Для умягчения воды существуют два способа обработки - внутрикотловая и докотловая. Внутрикотловая обработка пи­тательной воды используется в неэкранированных котлах низкого давления, а также в жаротрубных котлах. При внутрикотловой обработке в котел вместе с питательной водой вводят различные вещества - реагенты (антинакипины). Реагенты вступают во взаимодействие с солями, образующими накипь, вызывая их осаждение в виде шлама, который по мере накоп­ления удаляется из котла продувкой. В качестве реагентов при­меняют каустическую NaOH и кальцинированную Na₂CO₃ соду.

В современных производственно-отопительных котельных, как правило, применяется докотловая обработка методом катионного обмена. Для этого исходную воду пропускают через спе­циальные фильтры, заполненные материалами, которые вступа­ют в обменные реакции с солями жесткости воды. При этом ка­тионы кальция и магния в воде замещаются на катионы нат­рия или другие, соли которых Не образуют накипь.

Из катионирующих материалов наибольшее распространение имеют глауконит (природный минерал) и сульфоуголь (бурый или каменный уголь, обработанный концентрированной серной кислотой). Сульфоуголь может быть насыщен обменными ка­тионами натрия, водорода или аммония. В зависимости от ви­да применяемого катионитового материала различают натрий-катионирование (Na катионирование), водород-катионирование (Н-катионирование) и аммоний-катионирование (NH₄ - катиовирование).

В производственно-отопительных котельных наибольшее рас­пространение получило Na-катионирование и совместное Na – NH4 -катионирование.

Простейшая схема Na-катионитовой установки показана на рис.1.

Рис.1. Схема натрий-катионитовой установки

Умягчаемая вода поступает в катионитовый фильтр 2, где соли жесткости вступают в реакцию с сульфоуглем. В результате этого жесткость воды резко понижается и может быть доведена до 0,01 - 0,02 мг-экв/кг. В процессе работы уста­новки сульфоуголь насыщается кальцием и магнием и теряет способность к обмену с солями жесткости. Для восстановления обменной способности сульфоугля его периодически обрабаты­вают 6 - 10%-ным раствором поваренной соли (NaCl), посту­пающим в фильтр из солерастворителя 1. Эта операция назы­вается процессом регенерации.

При Na-катионировании щелочность воды несколько повы­шается и в том случае, когда продувка по щелочности велика, избыточную щелочность необходимо нейтрализовать кислотами или присадкой аммониевых солей, в частности сульфата аммо­ния. Под влиянием высокой температуры сульфат аммония в котле разлагается на аммиак и серную кислоту

Аммиак уходит с паром, а серная кислота нейтрализует ще­лочь. Аммониевые соли вводят непосредственно в трубопровод питательной воды с помощью специального дозатора.

Если величина продувки по щелочности составляет более 10%, а по сухому остатку более 5%, для нейтрализации щелоч­ности воды вместо аммониевых присадок применяют совместное натрий-аммоний-катионирование.

Схема установки Na - NН4-катионирования представлена на рис.2.

Рис.2. Схема натрий-аммоний-катионитовый установки

По этой схеме исходная вода вначале проходит через Na-катионитовый фильтр 2, а затем умягченная вода полностью или частично - через NН4-катионитовый фильтр 4, заполненный также сульфоуглем, обогащенным солями аммония.

Аммоний-катионитовый фильтр регенерируется 2 - 3%-ным раствором сульфата аммония, содержащимся в резервуаре 3.

Натрий-катионитовый фильтр, как уже отмечалось, регенери­руют раствором поваренной соли, поступающим из солерастворителя 1.

В небольших установках, в отличие от рассмотренной схемы, может быть осуществлено совместное Na NH4 катионирование. При этом часть фильтра заполняется сульфоуглем, обогащенным поваренной солью (NaCI), а часть - сульфоуглем, насы­щенным сульфатом аммония (NaH4)2SO4. Регенерация фильт­ра осуществляется общим раствором сульфата аммония и хло­ристого натрия.

Рис. 3. Катионитовый фильтр

Общий вид катионитового фильтра показан на рис.3. Катионитовые фильтры имеют диаметры от 700 до 3000 мм и вы­соту примерно от 3 до 6 м. Фильтр заполняют катиовитом при­близительно на 2/3 его высоты. В нижней части катионитового фильтра располагается дренажное устройство, предназначен­ное для равномерного распределения воды по сечению фильтра.

Рис. 4. Смешивающий деаэратор атмосферного типа

Это устройство состоит из коллектора и системы труб и закреп­ляется в бетонной подушке. Фильтр имеет ряд задвижек, с по­мощью которых он включается в работу, производятся взрых­ление, регенерация и промывка его после регенерации. Катионитовый фильтр регенерируют 2-3 раза в сутки.

Деаэрация питательной воды. Рассмотренные способы обра­ботки воды обеспечивают ее умягчение, но при этом из нее не удаляются растворенные агрессивные газы — кислород О2 и уг­лекислый газ СО2, вызывающие коррозию стенок котла. Содер­жание указанных газов в питательной воде не должно превы­шать допустимых пределов.

Процесс удаления из воды растворенных газов называется дегазацией, или деаэрацией. В настоящее время известно не­сколько способов деаэрации - термический, химический, элект­ромагнитный и др.

Наибольшее распространение получил термический способ деаэрации воды, основанный на том, что растворимость газов в воде с повышением ее температуры уменьшается, а при тем­пературе ее кипения газы почти полностью удаляются из воды. Таким способом газы удаляются из воды в специальных уст­ройствах— термических деаэраторах. Существует несколько ти­пов термических деаэраторов.

В паровых котельных применяют смешивающие деаэраторы атмосферного типа. Такой деаэратор (рис. 4.) состоит из го­ризонтального цилиндрического бака / и установленной на нем вертикальной колонки 2 диаметром I—2 м и высотой 1,5— 2 м. Деаэраторный бак, который часто называют баком-аккумуля­тором, предназначен для сбора и хранения дегазированной во­ды и обычно является питательным баком.

Принцип работы деаэратора заключается в следующем.

Вода, подлежащая дегазации, подается в верхнюю часть ко­лонки. Греющий пар поступает в колонку снизу и, поднимаясь, соприкасается с водой, движущейся ему навстречу. При движе­нии вниз вода проходит через систему специально установлен­ных в колонке дырчатых листов (тарелок), разбиваясь на мел­кие струйки. В результате непосредственного контакта с паром вода нагревается до кипения.

Растворенные газы выделяются из нее и вместе с небольшим количеством несконденсировавшегося пара (выпар) отводятся через верхний штуцер колонки, а деаэрированная вода собира­ется внизу в баке. Давление в колонке атмосферного деаэратора поддерживается в пределах 105 -120 кПа, а температура воды — 102 -104°С.

Для повышения эффекта деаэрации применяют продувку (барботирование) воды в баке паром. Для этого в нем разме­щают барботажное устройство - дырчатые трубы или коробку с дырчатыми листами, через которые подается пар с давлением выше давления пара, поступающего в колонку.

II-2. Расчёт питательных устройств.

Питательным баком является конденсатный бак, размещае­мый в подвальной части котельной.

Емкость питательного бака, исходя из двухчасового запаса воды, будет равна:

.

Для подачи воды в котлы установлены два насоса: один ра­бочий, другой резервный; один из насосов имеет паровой при­вод.

Производительность насоса должна быть не менее 110% об­щей производительности всех котлов, т. е.

.

Давление , создаваемое насосом, определяем по формуле:

где - давление в котле, кПа; - полное сопротивление в сети на участке от питательного бака до места ввода воды в котёл, примерно равное 100 - 400 кПа.

По производительности и напору подбирают марку насоса.

II.3. Выбор вида теплоносителя и основного оборудования. Тепловые схемы котельных.

При проектировании котельной вначале выявляют характер потребителей и определяют требуемое количество пара или теп­ла, при этом устанавливают вид теплоносителя я его парамет­ры. При централизованном теплоснабжении для отопления, вен­тиляции и горячего водоснабжения в качестве теплоносителя, как правило, принимается вода с температурой 150° С. При наличии предприятий, требующих пар, последний может быть использован и для целей теплоснабжения. Если паровые нагруз­ки не превышают 20% общих, в качестве теплоносителя можно принять пар и воду. Отпуск пара и горячей воды промышлен­ным предприятиям определяется по их технологическим про­ектам.

После определения вида и параметров теплоносителя, а так­же полного расхода тепла или пара устанавливают тип и про­изводительность проектируемой котельной. Для отпуска тепла в виде горячей воды проектируется котельная с водогрейными котлами, а если в виде пара — котельная с паровыми котлами. Однако очень часто потребители нуждаются в паре и горячей воде, в этом случае в зависимости от их количественного со­отношения можно проектировать котельную с паровыми и водогрейными котлами или чисто паровую котельную с подогрева­телями для нагрева воды.

Число и тип котлов выбирают исходя из годового графика нагрузки котельной. При выборе производительности котлов предпочтение следует отдавать более крупным котлам исходя из расчета, что они полностью будут покрывать нагрузку в зимний период, а в летний — их можно по очереди останавли­вать на ремонт. Желательно, чтобы все котлы, устанавливаемые в котельной, были однотипными и одинаковой производительно­сти. Число их не должно быть меньше двух и больше четырех - шести (последнее число относится к чугунным котлам). Резерв­ные котлы, как правило, не предусматриваются, за исключени­ем тех случаев, когда по условиям технологии производства пе­рерыв или сокращение в снабжении теплом или паром не допу­скается.

Число и тип котлов выбирают исходя из годового графика нагрузки котельной. При выборе производительности котлов предпочтение следует отдавать более крупным котлам исходя из расчета, что они полностью будут покрывать нагрузку в зимний период, а в летний — их можно по очереди останавли­вать на ремонт. Желательно, чтобы все котлы, устанавливаемые в котельной, были однотипными и одинаковой производительно­сти. Число их не должно быть меньше двух и больше четырех - шести (последнее число относится к чугунным котлам). Резерв­ные котлы, как правило, не предусматриваются, за исключени­ем тех случаев, когда по условиям технологии производства пе­рерыв или сокращение в снабжении теплом или паром не допу­скается.

Установив вид и параметры теплоносителей и выбрав число и тип котлов, составляют тепловую схему котельной. Тепловая схема котельной представляет собой схему движения и распре­деления теплоносителя в ее пределах. Для паровой котельной (рис.5) это схема движения и распределения воды и пара; для водогрейной котельной (рис.6) —схема движения и распределения холодной и горячей воды.

При составлении тепловой схемы определяется все необхо­димое оборудование, требуемое для выработки принятого теп­лоносителя, и графически с помощью линий трубопроводов для воды и пара (в соответствии с последовательностью движения теплоносителя) устанавливается связь между оборудованием.

Таким образом, тепловая схема показывает, как соединены ко­тельные агрегаты, теплообменники, устройства водоподготовки, питательные и сетевые насосы и другое оборудование.

Рис. 5. Тепловая схема котельной с паровыми котлами

1 – конденсатный бак, 2 – конденсатные насосы, 3 – питательные центробежные насосы, 4 – питательные паровые поршневые насосы, 5 – деаэратор, 6 – редуктор, 7 – редукционно-охладительная установка, 8 – водяной экономайзер, 9 – котёл. 10 – сепаратор непрерывной продувки, 11 – теплообменник, 12 – барботер.

Рис.6. Тепловая схема водогрейной котельной с закрытой системой горячего водоснабжения

1 – бак расходной воды 2 – эжекторный насос, 3 – водоструйный эжектор, 4 – вакуумный деаэратор, 5 – охладитель выпара, 6 – химводоочистка, 7 – теплообменник, 8 – рециркуляционный насос 9 – котёл, 10 – циркуляционный насос, 11 – теплосеть, 12 – подпиточный насос.