Особенности водно-химического режима водогрейных котлов

Тихонов И.А.

В данной статье рассматривается, какие изменения происходят в подпиточной воде при ее попадании в котловой и сетевой контуры систем теплоснабжения.

Системы теплоснабжения могут быть одно- и двухконтурные. В первом случае сетевая вода циркулирует в системе теплоснабжения непосредственно через водогрейный котел. Во втором случае сетевая вода циркулирует через сетевой подогреватель, в котором подогревается котловой водой. Котловая вода циркулирует непосредственно через водогрейный котел, нагреваясь в котле и отдавая тепло сетевой воде в подогревателе. В первом случае качество подпиточной воды должно соответствовать жестким требованиям, предъявляемым для водогрейных котлов. Во втором случае к качеству подпиточной воды принято предъявлять несколько менее жесткие требования, т. к. подпитывается только сетевой контур. Котловой контур замкнут и при правильной эксплуатации не требует подпитки.

Для начала давайте рассмотрим одноконтурную систему теплоснабжения. Т. е. вся вода системы теплоснабжения проходит через водогрейный котел.

В контуре теплоснабжения вода нагревается. При этом из воды начинают активно выделяться растворенные в ней газы. Так, при температуре 100 ⁰С при атмосферном давлении растворимость газов в воде равна нулю. Таким образом, при нагреве воды в котловом контуре происходит выделение кислорода и диоксида углерода. Уменьшение диоксида углерода в воде смещает углекислотное равновесие воды котлового контура в сторону выделения твердого карбоната кальция. В подпиточной воде наблюдалось углекислотное равновесие, т. е. карбонат кальция не выделялся из воды, потому что карбонаты находились в форме бикарбонатов. Удаление углекислоты за счет повышения температуры воды вызвало переход бикарбонатов в карбонаты и, соответственно, выпадение в осадок карбоната кальция.

Чем меньше в воде растворенной углекислоты, тем выше значение рН такой воды. Это происходит из-за того, что диоксид углерода удаляется из воды при нагревании и больше не участвует в процессе гидролиза с образованием угольной кислоты. В результате бикарбонат кальция, который был получен в воде в процессе его растворения угольной кислотой из твердой осадочной породы карбоната кальция, снова переходит в карбонат кальция и выделяется из воды.

При значении рН = 8,37 в воде практически полностью отсутствует углекислота, поэтому в воде начинают образовываться карбонаты, которые стремятся перейти в твердую фазу в виде карбоната кальция. При небольших концентрациях карбонат-иона этому препятствуют, вероятно, дипольные свойства воды и ионная сила воды. Чем выше ионная сила воды, тем больше в воде может находиться карбонат-иона. Но при увеличении температуры воды концентрация растворенного карбоната (аниона карбоната) значительно уменьшается. Произведение растворимости для карбоната кальция при температуре 25 ⁰С составляет 4,4*10^-9, при 100 ⁰С составляет 0,47*10^-9.

Это означает, что при концентрации кальция равной 0,1 ммоль/л при температуре 25 ⁰С концентрация карбоната составит 0,06 ммоль/л. При той же концентрации кальция, но при температуре 100 ⁰С концентрация карбоната составит 0,0065 ммоль/л. Выше этих концентраций     начнется выделение твердой фазы карбоната кальция.

Как видно, при температуре в котловом контуре в воде даже при небольших концентрациях карбоната и кальция может начать образовываться твердый осадок карбоната кальция.

Напрашивается простой вывод – необходимо обеспечить глубокое умягчение подпиточной воды котлового контура, чтобы исключить образование отложений карбоната кальция в котловом контуре.

Говорить о каком-либо остаточном количестве кальция в котловом контуре можно только в том случае, если значение рН котловой воды значительно ниже, чем 8,37. В этом случае в воде практически отсутствует карбонат-ион (существуют только бикарбонаты) и кальций находится в виде катиона.

Но можем ли мы говорить о том, что рН воды котлового контура будет ниже 8,37?

В контуре происходит нагрев воды и интенсивное выделение углекислоты через воздушники. В условиях отсутствия подпитки или низкой подпитки углекислоты в котловом контуре практически не будет, и значение рН такой воды будет держаться в диапазоне от 8,0 до 8,5 и больше (в зависимости от температуры и расхода подпитки). Поэтому в такой воде достижение термодинамического равновесия определенно приведет к выделению карбоната кальция даже в случае их небольших концентраций.

Следовательно, для котлового контура при любых условиях необходимо производить глубокое умягчение подпиточной воды.

Надо отметить, что при значениях рН около 8,5 карбонат кальция выпадает в осадок в виде тонкого плотного слоя на поверхностях нагрева. В отличие от паровых котлов с водяным пространством, где высокое значение рН котловой воды (около 12) переводит растворенный бикарбонат кальция питательной воды (если произойдет проскок солей жесткости) в шлам в котловой воде. В водогрейном котле (при относительно низких значениях рН) карбонат кальция выпадет в виде твердого осадка.

В двухконтурной системе теплоснабжения котловой контур не требует подпитки, и это позволит котлу работать даже при заполнении его водой с повышенной жесткостью. Через определенное время работы вода в котловом контуре достигнет термодинамического равновесия для условий повышенной температуры, и часть жесткости выпадет в осадок. Но количество этого осадка будет небольшое. К примеру, если объем котлового контура 20 000 литров. Концентрация кальция в воде 1,5 ммоль/л (1,5*40 = 60 мг/л). Карбоната 1,5 ммоль/л (1,5*60 = 90 мг/л). Итого СаСО₃ = 60+90 = 150 мг/л. Если весь кальций выпадет в осадок с карбонатом, то масса осадка будет равна 20 000*150 = 3 000 000 мг = 3 кг.

Тем не менее даже при таком незначительном количестве карбоната кальция он будет равномерно откладываться на поверхностях нагрева котла. В том случае, если котловой контур заполнять водой с низким значением рН, будет наблюдаться активная водородная коррозия. Естественно, процессы коррозии и осадкообразования будут проходить только на этапе достижения водой нового термодинамического равновесия в котловом контуре. Затем при достижении равновесия коррозионные и осадкообразующие процессы прекратятся, но получившиеся продукты осядут на поверхностях нагрева, дополнительно скрепляя друг друга. В этом случае эффективность теплообмена понизится, но котел сможет вполне неплохо работать. Это будет происходить только в случае отсутствия подпитки котлового контура.

Сетевой контур системы теплоснабжения не имеет поверхностей нагрева с высоким температурным напряжением, как в водогрейном котле. Поэтому принято считать, что качество подпиточной воды сетевого контура может быть значительно ниже, чем котлового. Это обстоятельство отражает критерий оценки качества сетевой воды, называемый карбонатным индексом. Но необходимо помнить, что данный критерий не говорит о том, что в сетевом контуре не идет выделение карбоната кальция. Критерий лишь предполагает, что выделение осадка будет иметь определенную низкую скорость. Это обстоятельство требует периодических осмотров сетевых подогревателей и регулярных химических промывок.

Можно сделать вывод, что при подпитке контура водогрейного котла всегда требуется глубокоумягченная вода. Как в случае с паровыми котлами. При подпитке сетевого контура жесткость подпиточной воды может быть несколько выше, но из-за выделения диоксида углерода будет происходить выделение карбоната кальция с большей или меньшей скоростью. При большом расходе подпиточной воды сетевого контура может быть экономически невыгодно производить ее умягчение и подщелачивание. Тогда необходима организация периодических осмотров и промывок теплообменного оборудования.  Также в случае большой подпитки сетевого контура следует быть готовым к постоянным протечкам трубопроводов, вызванных коррозионными процессами. Большой расход подпитки сетевого контура не позволяет достигнуть термодинамического равновесия воды в зависимости от температуры. Поэтому постоянно будут происходить коррозионные и осадкообразующие процессы. Скорость этих процессов будет напрямую зависеть прежде всего от расхода подпиточной воды, температуры сетевой воды и от концентрации бикарбоната кальция в подпиточной воде.

В заключение хочу сказать, что лучшая водоподготовка для системы теплоснабжения — это организация двухконтурной системы и максимально возможное уменьшение подпитки сетевого контура, и отсутствие подпитки котлового контура. В этом случае система может работать вообще без водоподготовки при условии ежегодного осмотра сетевых подогревателей и, при необходимости, проведения химических промывок теплообменной поверхности подогревателей. Данные рассуждения представлены для систем теплоснабжения с температурой сетевой воды не более 100 ⁰С.