Водно-химический режим (ВХР) котлов представляет собой совокупность мероприятий, направленных на обеспечение работы электростанций, котельных и тепловых сетей без повреждений и снижения экономичности, вызванных коррозией внутренних поверхностей оборудования, а также образованием накипи и отложений на теплопередающих поверхностях.

Правильное ведение водно-химического режима позволяет не только предотвратить процессы образования накипи и коррозии в котле и трубопроводах, но и обеспечить необходимую чистоту питательной воды, подпиточной воды, насыщенного и перегретого пара. Создание и поддержка оптимальных режимов эксплуатации оборудования с помощью правильно организованного водно-химического режима обеспечивает максимально длительное время сохранения всех эксплуатационных качеств этого оборудования, уменьшает расходы на его техническое обслуживание, сохраняет КПД на должном уровне и улучшает его технические характеристики.

Наладка ВХР котлов осуществляется в соответствии с правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей, правилами в области промышленной безопасности, Законом о гражданской защите, глава 14 «Правила промышленной безопасности на опасных производственных объектах», на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением. Контролю подлежат все паровые и водогрейные котлы.

ВХР ТЭС с барабанными котлами

Требования к качеству теплоносителя (добавочной, питательной водам, пару) зависят от давления. Так, в качестве добавочной воды для котлов низкого и среднего давлений используется умягчённая вода, а для котлов высокого и сверхвысокого давлений — только обессоленная вода. В отличие от прямоточных котлов, в которых примеси, поступающие с питательной водой, либо отлагаются в котле, либо уходят с паром, в барабанных котлах примеси непрерывно выводятся с продувочной водой.

В испарительной части барабанных котлов в условиях многократной циркуляции отсутствуют участки поверхности нагрева, омываемые средой с высоким паросодержанием, на которых возможно выпадение твёрдой фазы соединений, хорошо растворимых в воде при высокой температуре. Поэтому требования к качеству питательной воды могут быть менее жёсткими, чем у прямоточных котлов, особенно при низком давлении пара.

Натрий и калий не образуют труднорастворимых соединений, поэтому можно допускать в контуре с многократной циркуляцией значительные концентрации катионов Na⁺ и K⁺. В связи с этим, особенно в котлах низких и средних давлений, обработка питательной воды ограничивается использованием Na-катионитных фильтров.

Кальций и магний образуют труднорастворимые соединения, такие как CaSO₄, CaCO₃, CaSiO₃, которые могут откладываться на поверхностях нагрева в виде прикипающей накипи. Избежать образования отложений можно ограничением концентраций кальция и магния в воде. Одним из способов предотвращения образования прикипающей накипи в контуре барабанного котла является удаление кальция и магния из воды в процессе подготовки добавочной воды. Другой способ предусматривает коррекционную обработку котловой воды, основная задача которой состоит в выделении кальция в виде солей, которые выпадают в водяном объёме в виде мелкодисперсного шлама, не прикипающего к поверхности нагрева.

В настоящее время водно-химический режим с дозированием фосфатов имеет наибольшее распространение и используется на тепловых электростанциях с барабанными котлами всех параметров. Фосфаты дозируются в барабан котла. Если котёл выполнен со ступенчатым испарением, то ввод фосфатов производится в чистый отсек.

На тепловых электростанциях с барабанными котлами производится коррекционная обработка не только котловой, но и питательной воды. Наиболее распространённым способом обработки питательной воды является дозирование в неё гидразина и аммиака. Гидразин вводится в питательную воду после деаэратора для удаления остаточного кислорода, а аммиак — для достижения определённого значения рН в соответствии с нормами ПТЭ. На тех электростанциях, где после деаэраторов остаточная концентрация кислорода соответствует нормам ПТЭ, гидразин может не дозироваться.

Реагенты для уменьшения отложений продуктов коррозии железа и меди

Одним из реагентов, который может использоваться для уменьшения количества отложений, состоящих из продуктов коррозии железа, является гексаметафосфат натрия (NaPO₃)₆.

Экспериментальные исследования и промышленные испытания показали, что при дозировании этого реагента в котловую воду в 4–5 раз уменьшается скорость образования отложений продуктов коррозии железа на теплопередающих поверхностях. Распределение отложений продуктов коррозии железа по длине экранных труб при дозировании гексаметафосфата более равномерно, чем при дозировании тринатрийфосфата, и практически не зависит от тепловой нагрузки. При дозировании в котловую воду тринатрийфосфата образование медных отложений начинается при тепловых нагрузках 170–200 кВт/м², а при дозировании гексаметафосфата натрия — лишь при тепловых нагрузках, превышающих 400 кВт/м².

При использовании гексаметафосфата натрия для коррекции качества котловой воды необходимо учитывать то обстоятельство, что этот реагент в воде подвергается гидролизу с образованием мононатрийфосфата:

(NaPO₃)₆ + 6H₂O → 6NaH₂PO₄

В результате щёлочность котловой воды снижается и рН может достичь значения, меньшего 7,0. Поэтому, если котлы подпитываются обессоленной водой, гексаметафосфат натрия необходимо дозировать в смеси с едким натром: на каждый грамм PO₄, вводимый в виде гексаметафосфата натрия, необходимо ввести 0,42 г NaOH для нейтрализации до динатрийфосфата и 0,84 г NaOH для нейтрализации до тринатрийфосфата.

Использование комплексонов

Фосфатная обработка котловой воды позволяет получать в котловой воде фосфатно-кальциевый шлам, который выводится с продувочной водой. Но наличие шлама в котловой воде, особенно в застойных зонах, может привести к его прикипанию к теплопередающим поверхностям (образование железофосфатных накипей) и к подшламовой коррозии, в частности фосфатно-кислотной, что является недостатком фосфатирования. Кроме того, при фосфатировании котловой воды решается только задача предотвращения образования кальциевых накипей.

Более современной является обработка воды комплексонами, что приводит к образованию комплексных соединений, растворённых в воде. Комплексонами принято называть производные α-аминокислот с содержанием в молекуле не менее двух метилкарбоксильных групп (СН₂–СООН)₂, связанных с алифатическими или ароматическими радикалами. Наиболее широкое практическое применение из комплексонов нашли этилендиаминтетрауксусная кислота и её соли, в частности её двунатриевая соль — Трилон Б.

Трилонный водно-химический режим используется на барабанных котлах среднего и высокого давлений. Были проведены испытания комплексонного водно-химического режима на барабанных котлах сверхвысокого давления (15,5 МПа). На этих котлах использовался комплексонно-щелочной водно-химический режим с дозированием в воду Трилона Б и NaOH, так как термическая устойчивость четырёхзамещённой соли ЭДТА выше, чем Трилона Б. Результаты проведённых испытаний показали, что толщина отложений при комплексонно-щелочном водно-химическом режиме значительно меньше, чем при фосфатном.

Основные назначения комплексонного водно-химического режима для котлов среднего и высокого давлений различаются. При среднем давлении жёсткость питательной воды больше, а глубина разложения комплексонатов железа меньше, чем при высоком. Поэтому при среднем давлении основное назначение комплексонного водно-химического режима состоит в предотвращении кальциевого накипеобразования и в меньшей степени — в защите поверхностей нагрева котла от коррозии. При высоком и сверхвысоком давлениях жёсткость этой воды низкая и основной примесью питательной воды являются продукты коррозии конструкционных материалов. Поэтому основная задача комплексонного водно-химического режима в этом случае состоит в образовании защитных плёнок на поверхности металла.

Использование хеламина

Одним из способов снижения скорости коррозии в пароводяных трактах ТЭС является применение плёнкообразующих аминов. Плёнкообразующие амины, в частности хеламин, имеют полярные молекулы, которые сорбируются на поверхности металла или его оксидов, покрывая их защитным слоем. Этот слой препятствует контакту металла со средой, которая в подавляющем большинстве случаев является коррозионно-агрессивной. Кроме того, соединения хеламина обладают щелочными свойствами.

При высоких температурах в результате термолиза некоторых хеламинов образуются в очень низких концентрациях уксусная и муравьиная кислоты. Хеламин относится к летучим соединениям, поэтому при парообразовании он в соответствии с коэффициентом распределения переходит из кипящей воды в пар. С паром он поступает в турбину и образует на её поверхности защитную плёнку.

В настоящее время известны более десяти видов хеламина, каждый из которых обладает индивидуальными физико-химическими свойствами и предназначен для использования в определённых целях.

Грамотно организованный водно-химический режим барабанного котла — это не просто выполнение нормативных предписаний ПТЭ, а залог его долговечной, безаварийной и экономичной эксплуатации.

Помните: безупречный ВХР начинается с дисциплины персонала и строгого соблюдения режимных карт!