Одной из важнейших задач, стоящих перед теплоэнергетиками, является повышение эффективности существующих систем теплоснабжения. В первую очередь это касается повышению эффективности работы котлов, теплообменников, и другого отопительного оборудования, защите стенок и внутренних поверхностей проточной части от отложений накипи, шлама, продуктов коррозии и других образований, ухудшающих процесс теплопередачи и ведущих к разрушению элементов конструкции. 

При этом необходимо учитывать дополнительные затраты на проведение регламентных работ, устранение аварий, явившихся результатом «обрастания» или «зашламовывания» котлов, теплообменников, отопительных приборов, теплопроводов, насосов, счетчиков тепла и другого рабочего и контрольно-измерительного оборудования. К сожалению, не смотря на применение новых конструктивных решений, технологий водоподготовки, значительные инвестиции в совершенствование и модернизацию тепловых систем, в большинстве случаев возникают серьезные затруднения в достижении ожидаемого роста их эффективности.

Практический опыт в области эксплуатации систем теплоснабжения и результаты проведенных исследований позволяют сформулировать следующий вывод: основные условия совершенствования и модернизации тепловых систем – это улучшение качества циркуляционной воды и ограничение процессов коррозии.

Вопросам обеспечения качества воды в настоящее время уделяется большое внимание. Требования к системам водоподготовки, проектным решениям, качеству воды, включая фильтрацию, дэаэрирование, умягчение, химическую, ультразвуковую, магнитную и другие виды обработки, регламентированы СНиП [1] и СП [2, 3]. Согласно правилам необходимо обеспечить обработку подпиточной воды (умягченная и деаэрированная вода, умягченная и декарбонизованная или деминерализованная вода), химическую корректировку циркуляционной воды по ее противоосадочным, антикоррозионным и противоокислительным свойствам, оборудование системы теплоснабжения дополнительными высокоэффективными фильтрами. Реализация такого проекта связана с большими инвестиционными и эксплуатационными затратами при участии факторов энергетической химии. При этом проектировщик стоит перед выбором: применить эффективный, но дорогостоящий и неэкологический метод, требующий больших инвестиций и коренного изменения технологии и параметров системы или эффективный, но дешевый, экологический, требующий только усовершенствования технологии и корректировки отдельных параметров.

В данной статье предлагается эффективный, недорогой и экологический метод повышения показателей качества циркуляционной воды в тепловых системах с различной степенью модернизации.

Согласно более чем 10-ти летнему опыту работы оценка качества циркуляционной воды и выбор способа его улучшения могут производиться на основании так называемого качественного и количественного эффектов [4].

Эти эффекты достаточны для оценки качества воды, хотя они не исчерпывают нормативной характеристики циркуляционной воды, так как относятся только к той группе показателей, которые, несмотря на осуществляемые различными методами корректировочные действия (в том числе высокомодернизирующие), удерживаются в дальнейшем на недостаточно высоком уровне. Необходимо стремиться к обеспечению наиболее эффективного теплообмена через металлические стенки оборудования, и поэтому вода, являющаяся главным теплоносителем, должна быть в контакте непосредственно с чистым металлом, на поверхности которого не должны находиться какие-либо отложения в виде накипи и продуктов коррозии. Таким образом, можно сделать вывод, что качественным эффектом считается состояние теплонапряженных поверхностей всех элементов, работающих в условиях разрушающего воздействия циркуляционной воды. Практика показывает, что полное исключение процессов образования отложений на внутренних поверхностях теплообменного, водопроводного и другого рабочего оборудования тепловых систем не представляется возможным и поэтому необходимо стремиться к их ограничению до удовлетворительного уровня.

В современной теплоэнергетике доминирует мнение о том, что высокое качество цирку-ляционной воды полностью определяется соответствующей обработкой добавочной воды (подпитки). Сводится это к изменению технологии подготовки воды подпитки в части полной деминерализации с химической корректировкой противоосадочных и антикоррозийных свойств и обеспечению высокой герметичности тепловой системы. Однако на практике этот подход часто не подтверждается. В системах, отличающихся высоким уровнем модернизации технологии водоподготовки, также возникают серьезные затруднения в достижении требуемых нормативных значений определенной группы показателей – количественного эффекта, который характеризуется следующими показателями:

• уровнем общего содержания железа,
• уровнем общего содержания взвешенных веществ,
• цветности воды.

Относится это главным образом к эффекту, связанному с сохранением свойственных циркуляционной воде уровней концентрации железа и взвешенных веществ в виде мелких частиц коррозийного происхождения.

В данной статье предлагается альтернативный метод улучшения качества сетевой воды систем теплоснабжения.

Рекомендуемый метод заключается в том, что вполне достаточно оборудовать существующую систему теплоснабжения магнитными шламоотводителями (МШО), обеспечивающими возможность устранения как причин, так и последствий плохого качества циркуляционной воды. В оборудованной таким образом системе достижение высокого качества циркуляционной воды возможно независимо от текущего состояния процесса подготовки подпиточной воды и при отсутствии необходимости обеспечения требуемой химической корректировки противоосадочных и антикорозийных свойств.

На рис.1 представлен внешний вид и конструкция шламоотводителя OISm, на рис.2 - сетевого шламоотводителя MOS.

Магнитный шламоотводитель состоит из цилиндрического корпуса, оборудованного входным и выходным патрубками, съемного профилированного вкладыша, размещенного внутри корпуса, и сетчатого фильтра. Профилированный вкладыш имеет перегородки, определяющие направление и скорость прохождения циркуляционной воды. На перегородках расположены в установленном порядке постоянные магниты. Отверстие выходного патрубка перекрыто изнутри сетчатым фильтром. Все элементы МШО выполнены с учетом обеспечения легкости демонтажа с целью нетрудоемкой и тщательной их очистки.

Магнитные шламоотводители (МШО) типа OISm и MOS представляют собой ком-пактные устройства, в которых последовательно реализуются три процесса очистки сетевой воды:

• инерционно-седиментационный,
• магнитный,
• фильтрационный.

Принцип действия МШО заключается в снижении скорости циркуляционной воды за счет соответствующего увеличения сечения корпуса по сравнению с сечением входного патрубка минимум в три раза для OISm и в два раза – для MOS.

При прохождении через аппарат поток «зашламованной» сетевой воды (суспензии) поступает в лабиринт, организованный специальными перегородками и постоянными магнитами. При уменьшении скорости воды самые крупные частицы загрязнений оседают под действием силы тяжести в нижнюю часть корпуса - шламовую камеру, расположенную под сетчатым дном. Более мелкие частицы, обладающие парамагнитными свойствами, улавливаются магнитами, образуя на них агломераты. Внутри корпуса МШО, перед выходным патрубком располагается сетчатый фильтр с большой фильтрационной площадью, задачей которого является задержание содержащихся в сетевой воде минеральных и органических частиц и защита от попадания в систему ранее задержанных парамагнитных агломератов. Главное достоинство МШО заключается в способности к улавливанию магнитным полем загрязнений в виде частиц размером в несколько микрон без участия фильтрующей сетки. В итоге ограничивается возможность закупоривания сеточного фильтра и тем самым уменьшается динамика роста гидравлического сопротивления потока циркуляционной воды.

Благодаря магнитной обработке сетевой воды происходит значительный рост центров кристаллизации солей кальция и других, содержащихся в воде, минеральных компонентов. При этом кристаллизация происходит не на стенках теплообменников, труб и других контактирующих с водой деталей, а в потоке воды. Образующийся шлам выносится потоком из зоны теплообмена и затем оседает в шламоотводителе.

Защита от коррозии и удаление с поверхности металла ранее образовавшихся отложений связаны главным образом с выпадением магнетита в результате процессов кислородной коррозии металла и образовании оксидной защитной пленки.

Магнитные шламоотводители OISm и MOS полностью безопасны в экологическом отношении, так как для очистки и обработки сетевой воды они не требуют применения химических реагентов и обеспечения питания каким-либо видом энергии.

Рекомендуемый нами метод обеспечивает возможность высокоэффективного повы-шения качества циркуляционной воды в высокопараметрическом и низкопараметрическом контуре системы центрального отопления и горячего водоснабжения как закрытого, так и открытого типа.

Конечно, мерой эффективности предлагаемого метода являются не только исключительные свойства применяемых аппаратов по удалению из зашламованной сетевой воды загрязнений с частицами микронных размеров без участия сетчатого фильтра. В этом отношении большое значение имеет время, по истечении которого достигается ожидаемый уровень качества циркуляционной воды. Время как параметр является функцией нескольких характеристик, достижение требуемых значений которых обуславливается главным образом подбором соответствующего оборудования проектировщиком системы.

Проектирование оснащения существующей системы теплоснабжения магнитными шламоотводителями типа OISm и сетевыми магнитными шламоотводителями типа MOS заключается:

1. В выборе места размещения OISm или MOS в системе теплоснабжения с целью обеспечения:

• защиты тепловой арматуры от разрушающего воздействия зашламованной воды, в том числе котлов, пластинчатых теплообменников, насосов, клапанов;
• защиты от коррозии отдельных составных элементов системы, т.е. трубопроводов, котлов, теплообменников;
• удаления ранее образовавшихся отложений, в особенности с теплонапряженных поверхностей.

2. В выборе типа аппарата и размера ячеек сетчатого фильтра на основании оценки необходимой степени фильтрации для составных элементов системы, требующих обеспечения защиты от разрушающего воздействия как зашламованной воды, так и содержащихся в циркуляционной воде механических примесей.
3. В определении необходимого для системы количества магнитных шламоотводителей OISm или MOS (т.н. насыщенности системы) исходя из следующих условий:

• количество МШО OISm или MOS, устанавливаемых на подающих трубопроводах, должно соответствовать фактическому количеству защищаемых объектов;
• оптимальная пропускная способность МШО типа OISm или MOS на подающих или обратных трубопроводах должна соответствовать расходу воды в подающем трубопроводе.
• при отличии пропускной способности МШО и расхода воды в подающем трубопроводе требуемое соответствие расходов должно быть обеспечено посредством параллельной установки нескольких МШО.

В оборудованной таким образом системе теплоснабжения требуемый качественный и количественный эффект должен быть достигнут уже после первого года эксплуатации.

В настоящее время магнитные шламоотводители MOS и OISm установлены и эффективно работают в различных регионах России. Большой опыт накоплен на предприятиях Санкт-Петербурга и Северо-Западного региона. В качестве примера рассмотрим проекты модернизации систем теплоснабжения, которые были реализованы на системах, отличающихся между собой как уровнем совершенствования, так и исходным состоянием в отношении качества воды и технологии подготовки воды подпитки.

Модернизация систем теплоснабжения г. Колпино и ОАО «Ижорские заводы» в Санкт-Петербургe.

Основной целью первого этапа модернизации было повышение показателей качества сетевой воды до уровня нормативных значений. Схема тепловой сети представляет собой классическую систему теплоснабжения в двухтрубном исполнении. Диаметры подающих и обратных трубопроводов – от 500 до 800 мм. Общий расход воды от 2000 м³/ч до 6000 м³/ч. В качестве исходной используется вода из городского водопровода соответствующая нормативным требованиям по общему содержанию железа и уровню цветности. Характеристика качества сетевой воды, поступавшей в город за период 1996-2000 гг., не удовлетворяла требованиям санитарных норм. Контроль качества воды производился химической службой ТЭЦ и ЮМЦ СЭC Санкт-Петербурга. Результаты в виде графиков представлены на рис.3 и рис.4. Такой уровень загрязненности, естественно оказывал негативное влияние на работу оборудования системы теплоснабжения и вызывал жалобы со стороны населения города. Источники тепла - котлы ПТВМ-50 и КВГМ-100, нуждались в ежегодной химической промывке теплообменных поверхностей «трубных досок котлов» от образовавшихся отложений. Интенсивность процессов накипеобразования превышала 200 г/м² в год.

После опытного оснащения системы теплоснабжения магнитными шламоотводителями MOS на подающих трубопроводах (объем модернизации был ограничен и охватывал только 10% от всего потока поступающей воды) с отопительного сезона 1999-2000 г.г. началась тенденция к повышению показателей качества сетевой воды в сторону достижения нормативных значений.

В 2000 году специалистами ОАО «Ижорские заводы» совместно с администрацией г. Колпино была разработана комплексная программа улучшения качества циркуляционной воды. В ходе решения этой задачи было установлено 12 МШО типа MOS 800/400 суммарной производительностью 11040 м3/ч, которые были пущены в эксплуатацию в начале отопительного сезона 2000-2001 г.г. и обеспечили обработку 100% потока обратной воды. Внешний вид установки представлен на рис. 5.

После модернизации системы, по данным за два года эксплуатации, отмечается качественный эффект в виде снижения интенсивности процессов накипеобразования и уменьшения удельного количества отложений с 200 г/м2 в год до 50 г/м2 за два года.

Как видно из графиков на рис.3 и рис.4, в результате установки МШО впервые за многие годы качество сетевой воды в отношении количественного эффекта, т.е. по содержанию железа и уровню цветности приведено в соответствие с санитарными нормативами, причем нормализация качества воды произошла между 9-12 сутками с начала пускового периода (норматив - 14 суток). Рассматриваемые показатели качества воды достигли следующих уровней: содержание железа - 0,18 мг/л (60% норматива), цветность 16 град. (80% норматива), что практически означает совпадение значений этих показателей со значениями для воды подпитки.

Впервые, в период отопительных сезонов 2000/2001 и 2001/2002, не произошел рост полного гидравлического сопротивления котлов, что явилось следствием кардинального ограничения процессов накипеобразования на внутренних поверхностях трубопроводов и повышения качества сетевой воды.

Необходимо отметить, что существенное улучшение качества сетевой воды является следствием работы магнитных шламоотводителей типа MOS, а не результатом совершенствования технологии или повышения качества исходной воды.

Модернизация котельной и системы теплоснабжения ОАО «ОЛКОН» (г. Оленегорск, Мурманская область).

Рассматриваемая система теплоснабжения представляет собой систему с циркуляцией воды 2000 м³/ч для городской зоны и 850 м3/ч для промышленной зоны. В качестве исходной используется городская водопроводная вода. Среднее содержание железа - 0,17 мг/л, цветность - 22 град. К моменту начала модернизации значения показателей качества воды были на много выше нормативных требований. Содержание железа в сетевой воде составляло от 2,5 мг/л до 8,1 мг/л, т.е. было более чем в 15 раз выше нормативного. В это же время цветность достигала 200 град. и не снижалась ниже уровня 120 град., что означало превышение нормы более, чем в 5,5 раз.

Для необходимого улучшения показателей качества воды в котельной была произведена установка двух сетевых магнитных шламоотводителей типа MOS 800/400 на обратных трубопроводах городской зоны и одного магнитного шламоотводителя MOS 800/400 - промышленной зоны. Контроль качества сетевой воды производился СЭС г. Оленегорска.

Сравнивая результаты представленных на рис.6 и рис.7 текущих анализов с аналогичными данными за отопительный сезон 1999-2000 г.г. необходимо отметить, что вследствие применения сетевых магнитных шламоотводителей был достигнут хороший количественный эффект. Содержание железа в сетевой воде снизилось и удерживалось на уровне нормативного значения 0,3 мг/л (вода подпитки – в среднем 0,17 мг/л), цветность – на уровне незначительно выше нормативного – 29 град. (вода подпитки – в среднем 22 град.). Применение рекомендуемого НИЦ «СПАВ-ТЕСТ» метода позволило также получить качественный эффект в виде существенного сокращения объема ремонтных работ по теплообменному оборудованию. Перед оснащением системы МШО, очистке подвергались каждый год обязательно все восемь подогревателей циркуляционной воды. На момент окончания отопительного сезона 2000-2001 г.г. в очистке нуждались только два подогревателя по причине незначительного повышения гидравлического сопротивления. Начиная с отопительного сезона 2001-2002 г.г. ни один из восьми подогревателей в oчистке не нуждался. В результате произведенного обследования установлено, что трубки пучков подогревателей сетевой воды практически чистые, а наличие шлама отмечается менее чем в 1% трубок.

Отмечается значительно меньше шлама на магнитах, не потерявших полностью своей сорбционной способности. Вода, находящаяся в корпусе магнитного шламоотводителя, отличается абсолютной прозрачностью, через нее хорошо видно сетчатое дно. При каждом последующем осмотре наблюдается постепенное потемнение стенок МШО. Изменение цвета свидетельствует о росте содержания магнетита, как конечного продукта происходящих окислительных реакций. Такое заключение подтверждает гипотезу о стимулирующем воздействии обработанной магнитным способом воды на процессы образования защитной пленки магнетита на стальных поверхностях. Это является характерным качественным эффектом, подтверждающим ограничение процессов коррозии вследствие применения в системах теплоснабжения магнитных шламоотводителей типа OISm и MOS.

И в этом проекте было достигнуто улучшение показателей качества сетевой воды благодаря применению магнитных шламоотводителей типа MOS, без необходимости совершенствования технологии или улучшения качества воды подпитки.

Модернизация «Коломяжской котельной», г. Санкт-Петербург.

Установленная мощность котельной 750 Гкал. Основной целью модернизации было снижение гидравлического сопротивления котлоагрегатов, в частности, защита от так называемых «заносов» в начале отопительного сезона продуктами коррозии, которые накапливаются в большом количестве во внутренних системах отопления зданий и сооружений в течение 5-6 месяцев межотопительного периода. Все это приводило к росту гидравлического сопротивления котлов и необходимости частых промывок.

В 2004 г. было установлено четыре магнитных шламоотводителя MOS 1200/600 на обратном трубопроводе перед сетевыми насосами котлoагрегатов КВГМ-180 суммарной производительностью по очистке воды 4 х 2000 м3/ч = 8000 м3/ч. Из графика, приведенного на рис.8, видно, что после установки МШО в отопительном сезоне 2004-2005 г.г. гидравлическое сопротивление котла КВГМ-180 стабилизировалось и дальнейших тенденций к росту не наблюдалось.