Непрерывная продувка парового котла по значению щелочности котловой воды

И.А. Тихонов

Руководящие документы по ведению водно-химического режима паровых котлов предписывают производить непрерывную продувку котлов по сухому остатку или солесодержанию.

К примеру, РТМ 108.030.114-77 (Котлы паровые стационарные низкого и среднего давления. Организация водно-химического режима.) приводит следующую формулу для расчета процента непрерывной продувки от паропроизводительности котла.

     ,    %   (1)

 

Где,

S_х – сухой остаток или солесодержание химически подготовленной воды, мг/л

S_к – сухой остаток или солесодержание котловой воды, мг/л

А – доля химически подготовленной воды в питательной воде парового котла

А=1-К,

К – доля возврата конденсата.

Уравнение (1) предполагает, что солесодержание возвращаемого конденсата и солесодержание производимого пара равны нулю.

Данное уравнение применяется повсеместно для расчета доли (процента) продувки парового котла от паропроизводительности.

На самом деле расчет по данному уравнению несет в себе значительную погрешность. Все дело в способе определения солесодержания котловой воды.

Солесодержание котловой воды определяется исходя из ее электропроводности. В этом случае определяющую роль играет коэффициент пересчета значения электропроводности в солесодержание (n).

S=E*n, мг/л

Где,

S – Солесодержание воды, мг/л

E – Электропроводность воды, мкСм/см

Коэффициент (n) в стандартных кондуктометрах находится в пределах от 0,5 до 0,6. Если в кондуктометре предполагает, что вся соль в воде представлена в виде NaCl, то коэффициент пересчета принимается равным 0,5. Некоторые производители, понимая, что большинство вод имеют значительное количество бикарбонатов используют коэффициент пересчета равный 0,6.

Но для определения солесодержания котловой воды данные коэффициенты пересчета принципиально не допустимы.

В этом случае гораздо проще, понятнее производить расчет продувки по значению щелочности химочищенной и котловой воды. В этом случае в уравнении (1) просто заменяется значения солесодержания на значения щелочности.

     ,    %    (2)

 

Где,

Щ_х – общая щелочность химподготовленной воды, мг-экв/л

Щ_к – общая щелочность котловой воды, мг-экв/л

В этом случае практически исключается ошибка в определении доли продувки парового котла и соответственно потери тепла с продувочной водой.

Уравнение (2) справедливо т.к. в деаэраторе и котле происходят следующий процесс. Происходит интенсивная отгонка углекислоты и в результате бикарбонат натрия переходит в карбонат натрия, который в свою очередь гидролизует в воде с образованием едкого натра и того же бикарбоната натрия.

Процесс иллюстрируется следующей схемой.

2NaHCO₃ <-> Na₂CO₃ + CO₂

                               +

                            H₂O  <-> NaOH + NaHCO₃

В результате чем больше отгоняется углекислоты, тем больше образуется едкого натра.

В котле образуется большое количество едкого натра. Фактически около половины солесодержание котловой воды определяется едким натром. Коэффициент пересчета электропроводности в солесодержание для едкого натра равен 0,17. Соответственно в корне неверно использовать коэффициент пересчета 0,5 (тем более 0,6) для определения солесодержания котловой воды исходя из ее значения электропроводности.

При этом щелочность, взятая в мг-экв/л не дает погрешности. Просто эквивалентное количество щелочности в питательной воде представленное бикарбонатом переходит в эквивалентное количество щелочности в котловой воде представленное гидратом, карбонатом и бикарбонатом.

Фактически количество отогнанного из воды углекислого газа заменилось на эквивалентное количество гидрата. За счет чего и выросло значение рН котловой воды.

Рассмотрим пример расчета процента непрерывной продувки парового котла по уравнениям (1) и (2).

В качестве подпиточной воды парового котла имеем воду следующего состава.

Катионы (К):

Na – 4,0  мг-экв/л = 4,0*23= 92 мг/л

Анионы (А):

НСО3 – 2,0 мг-экв/л = 2,0*61=122 мг/л

SO4 – 1,0 мг-экв/л = 1,0*96 = 96 мг/л

Cl – 1,0 мг-экв/л = 1,0*35,5 = 35,5 мг/л

Сумма К=А = 4 мг-экв/л

Или

NaHCO3 – 2 мг-экв/л

Na2SO4 – 1 мг-экв/л

NaCl — 1 мг-экв/л.

Солесодержание = 2*84+1*142+1*58,5=368,5 мг/л

Для простоты расчета предположим, что возврат конденсата отсутствует. Соответственно А = 1.

В процессе работы котла были проведены анализы котловой воды на щелочность и электропроводность.

Щелочность котловой воды по фенолфталеину равна 20 мг-экв/л, по метилоранжу 2,0 мг-экв/л. Общая щелочность равна 22,0 мг-экв/л.

Электропроводность котловой воды – 7798 мкСм/см.

Рассчитаем процент непрерывной продувки по уравнению (2).

  %

 

В данном случае количество непрерывной продувки составляет 10 % от количества, производимого котлом пара.

Рассчитаем солесодержание котловой воды с использованием переводного коэффициента (n) равного 0,5.

S_к = 7798*0,5=3899    мг/л

Рассчитаем процент непрерывной продувки по уравнению (1).

        %

 

Разница между двумя рассчитанными значениями составила 0,43 %.

Давайте определим какое реальное значение солесодержания при этом будет иметь котловая вода.

Рассчитаем коэффициент упаривания котловой воды

К_у = Щ_к/(Щ_х*А) = 22/(2,0*1)=11

Т.е. питательная воды в котле упаривается в 11 раз. Соответственно в 11 раз увеличивается концентрация катионов и анионов сильных кислот.

Na2SO4 = 142*11=1562мг/л

NaCl=58.5*11=643.5 мг/л

Сумма = 2205.5

Отдельно рассчитаем солесодержание гидрата и карбоната в котловой воде.

Упрощенно можно принять, что в котловой воде количество гидрата равно

ОН= Щ_фф-Щ_мо=20-2 = 18 мг-экв/л

Соответственно, количество карбоната составит Щ_об — ОН= 22-18=4 мг-экв/л.

Для простоты расчета примем допущение, что бикарбоната в котловой воде не содержится.

(Расчет гидрата и карбоната представлен в очень упрощенной форме. Более подробную информацию можно найти в [1])

Получаем,

NaОН=18*40=720 мг/л

Na2СО3 = 4*23+2*60=212 мг/л

Получаем следующее солесодержание котловой воды:

S_к = NaOH+Na2CO3+Na2SO4+NaCl = 720+212+1562+643.5= 3137,5 мг/л.

Рассчитаем долю непрерывной продувки по уравнению (1) с использованием значения реального солесодержания котловой воды

  %

 

Получаем неожиданный результат. Процент продувки вырос на 3 %.

Какой же процент продувки верен?

Верен процент продувки, полученный с использованием щелочности котловой воды.

Дело в том, что в соответствии с представленной выше схемой разложения бикарбоната в котле происходит уменьшение солесодержания котловой воды за счет того, что бикарбонат натрия замещается на едкий натр. При этом молярная масса едкого натра 40, а бикарбоната натрия 84. Соответственно солесодержание котловой воды, определяемое бикарбонатом натрия, становится в 2 раза ниже после замещения бикарбоната гидратом.

В данном случае справедливо предположить, что в котле не происходит разложение бикарбонатов. Тогда гипотетически можно представить, что вся щелочность котловой воды определяется бикарбонатом натрия.

Тогда «гипотетическое» солесодержание котловой воды будет равно,

  S_к = NaHCO3+Na2SO4+NaCl = 22*84+11*142+11*58.5=4053.5 мг/л

Рассчитаем процент непрерывной продувки

   %

 

В данном случае процент непрерывной продувки совпадает с процентом, рассчитанным с использованием щелочности котловой воды и питательной воды.

Далее рассчитаем реальную электропроводность котловой воды.

Пересчитаем солесодержание котловой воды в электропроводность используя данные [2,3].

Коэффициенты пересчета (n) при данном солесодержании:

Едкого натра – 0,17

Карбоната натрия – 0,55

сульфата натрия – 0,65

хлорида натрия — 0,5

Соответственно умножаем каждый коэффициент пересчета на его долю в общем солесодержании.

Доля содержания:

едкого натра (18+18)/88=0,41

карбоната натрия (4+4)/88=0,09

сульфата натрия (11+11)/88=0,25

хлорида натрия (11+11)/88=0,25

Сумма: 0,41+0,09+0,25+0,25=1

Умножаем коэффициент пересчета (n) на долю

0,41*0,17+0,55*0,09+0,25*0,65+0,25*0,5=0,4

Получаем коэффициент пересчета электропроводности в солесодержание для котловой воды данного состава равный 0,4.

Соответственно значение электропроводности котловой воды в данной случае будет равно:

3137.5/0.4=7843 мкСм/см

Полученная величина довольно близка к измеренной (7798). Это говорит о правильности методики расчета.

Если использовать коэффициент пересчета 0,5 (заложенный в большинство кондуктометров), то получаем

3137,5/0,5=6275 мкСм/см.

Как мы видим расхождение составляет более 1500 мкСм/см.

Тем не менее использование данного коэффициента пересчета (0,4) неправомерно для расчета непрерывной продувки, т.к. он не учитывает уменьшение солесодержания вследствие уноса углекислоты с паром.

Использование коэффициента пересчета 0,5 неправильно с точки зрения состава котловой воды, но по счастливой случайности дает более точный расчет процента продувки, т.к. учитывает солесодержание бикарбоната в случае отсутствия его термического разложения.

Очевидно, что контролировать расход непрерывной продувки по значению солесодержания неправильно.

Необходимо контролировать расход непрерывной продувки по значению общей щелочности котловой воды.

Для этого:

Необходимо в процессе производства наладочных работ определить оптимальное значение щелочности котловой воды при котором обеспечивается нормативное качество пара. При этом значение щелочности не должно превышать нормативных значение. Для паровых котлов низкого давления это как правило 26 мг-экв/л.

Затем определив оптимальное значение щелочности котловой воды определить расход непрерывной продувки котловой воды по уравнению (2).

При этом оптимальному значению щелочности будет соответствовать значение электропроводности. Необходимо определить коэффициент пересчета электропроводности в солесодержание расчетным, а затем экспериментальным путем.

Если коэффициенты пересчета получились одинаковые значит состав котловой воды полностью соответствует требованиям. (без учета специфических загрязнителей).

Затем проводить непрерывную продувку котла основываясь на значении электропроводности. В этом случае отпадает необходимость в производстве большого количества анализов на щелочность котловой воды.

Многие предприятия изготовители котлов вводят норму по электропроводности котловой воды в дополнении к норме по общей щелочности. В этом случае необходимо руководствоваться более строгими требованиями.

Нормативное значение электропроводности котловой воды должно быть не более 6000 мкСм/см и щелочность не более 26 мг-экв/л.  В этом случае в зависимости от ионного состава исходной воды один из контролируемых параметров будет достигаться раньше другого.

В подавляющем большинстве случаев для поверхностных вод электропроводность котловой воды в 6000 мкСм/см будет достигаться раньше значения щелочности в 26,0 мг-экв/л. Как правило для поверхностных гидрокарбонатных вод значению электропроводности котловой воды в 6000 мкСм/см будет соответствовать значение общей щелочности в 18-20 мг-экв/л.

В заключении.

Расчет расхода непрерывной продувки парового котла по щелочности (использование уравнения (2)) позволяет просто и точно определить процент продувки без использования такого комплексного и сложного понятия как солесодержание воды.

Расчет коэффициента упаривания воды по щелочности позволяет точно определить солесодержание котловой воды и затем электропроводность и проводить автоматизированную продувку парового котла по значению электропроводности котловой воды с постоянным поддержание нормативных значений солесодержания и щелочности котловой воды.

С Уважением

Иван Тихонов

Список источников

1. Тихонов И.А. Влияние различных форм углекислоты в воде на ее значение рН — https://tiwater.info/the-influence-of-various-forms-of-carbon-dioxide-in-water-on-its-ph-value/
2. РД 34.37.302 Методические указания по применению кондуктометрического контроля для ведения водного режима электростанций
3. Тихонов И.А. Влияние ионного состава воды на её электропроводность — https://tiwater.info/the-influence-of-ion-composition-of-water-on-its-electrical-conductivity/