Руководящие документы по ведению водно-химического режима (ВХР) паровых котлов предписывают производить непрерывную продувку котлов по сухому остатку или солесодержанию. Например, технический материал РТМ 108.030.114–77 [1] приводит следующую формулу для расчёта процента непрерывной продувки [%] от паропроизводительности котла:
здесь Sх и Sк — сухой остаток или солесодержание химически подготовленной и котловой воды, соответственно, мг/л; А — доля химически подготовленной воды в питательной воде парового котла, А = 1 — К, где К — доля возврата конденсата в питательную воду.
Уравнение (1) предполагает, что солесодержание возвращаемого конденсата и солесодержание производимого пара равны нулю. Данное уравнение применяется повсеместно для расчёта доли (процента) продувки парового котла от паропроизводительности.
На самом деле расчёт по данному уравнению несёт в себе значительную погрешность. Всё дело в способе определения солесодержания котловой воды.
Солесодержание котловой воды определяется исходя из её электропроводности. В этом случае определяющую роль играет коэффициент пересчёта значения электропроводности в солесодержание:
S = nE, мг/л, где S — солесодержание воды, мг/л; E — электропроводность воды, мкСм/см; n — коэффициент пересчёта.
Коэффициент n в стандартных кондуктометрах находится в пределах от 0,5 до 0,6.
Если в кондуктометре предполагается, что вся соль в воде представлена в виде NaCl, то коэффициент пересчёта принимается равным 0,5. Некоторые производители, понимая, что большинство вод имеют значительное количество бикарбонатов, используют коэффициент пересчёта, равный 0,6. Но для определения солесодержания котловой воды данные коэффициенты пересчёта принципиально недопустимы.
В этом случае гораздо проще, понятнее производить расчёт продувки по значению щёлочности химически очищенной и котловой воды. Для этого в уравнении (1) просто заменяются значения солесодержания на значения щёлочности:
где Щх и Щк- общая щёлочность химподготовленной и котловой воды, соответственно, 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, так как в деаэраторе и котле происходит следующий процесс. Происходит интенсивная отгонка углекислоты, и в результате бикарбонат натрия переходит в карбонат натрия, который, в свою очередь, гидролизуется в воде с образованием едкого натра и того же бикарбоната натрия.
Данный 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 солесодержания котловой воды определяется едким натром. Коэффициент пересчёта электропроводности в солесодержание для едкого натра равен 0,17. Соответственно, в корне неверно использовать коэффициент пересчёта 0,5 (тем более 0,6) для определения солесодержания котловой воды исходя из её значения электропроводности. При этом щёлочность размерностью [мг-экв/л] не даёт погрешности. Просто эквивалентное количество щёлочности в питательной воде, представленное бикарбонатом, переходит в эквивалентное количество щёлочности в котловой воде, представленное гидратом, карбонатом и бикарбонатом. Фактически количество отогнанного из воды углекислого газа заменилось на эквивалентное количество гидрата, за счёт чего и выросло значение рН котловой воды.
Рассмотрим пример расчёта процента непрерывной продувки парового котла по уравнениям (1) и (2).
В качестве подпиточной воды парового котла имеем воду следующего состава:
1. Катионы К:
- Na — 4,0 мг-экв/л = 5,0×23 = 115 мг/л.
2. 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:
- NaHCO3–2мг-экв/л;
- Na2SO4–1мг-экв/л;
- NaCl — 1 мг-экв/л.
Солесодержание: 2×84 + 1×142 + 1×58,5 = 368,5 мг/л.
Для простоты расчёта предположим, что возврат конденсата отсутствует. Соответственно, А = 1.
В процессе работы котла были проведены анализы котловой воды на щёлочность и электропроводность.
Щёлочность котловой воды по фенолфталеину равна 20 мг-экв/л, по метилоранжу — 2,0 мг-экв/л. Общая щёлочность 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, равного 0,5:
Sк = 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:
То есть питательная вода в котле упаривается в 11 раз. Соответственно, в 11 раз увеличивается концентрация катионов и анионов сильных кислот:
- Na2SO4 = 142×11 = 1562 мг/л;
- NaCl = 58,5×11 = 643,5 мг/л.
Сумма составляет 2205,5.
Отдельно рассчитаем солесодержание гидрата и карбоната в котловой воде. Упрощённо можно принять, что в котловой воде количество гидрата равно:
ОН = Щфф — Щмо = 20–2= 18 мг-экв/л.
Соответственно, количество карбоната составит:
Щоб — ОН = 22–18 = 4 мг-экв/л.
Для простоты расчёта примем допущение, что бикарбоната в котловой воде не содержится. Расчёт гидрата и карбоната представлен в очень упрощённой форме. Более подробную информацию можно найти в [2]. Получаем:
- NaОН = 18×40 = 720 мг/л;
- Na2СО3 = 4×23 + 2×60 = 212 мг/л.
Получаем следующее солесодержание котловой воды [мг/л]:
Sк = NaOH + Na2CO3 + Na2SO4 + NaCl = 720 + 212 + 1562 + 643,5 = 3137,5.
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 щёлочности котловой воды.
Дело в том, что в соответствии с представленной выше схемой разложения бикарбоната в котле происходит уменьшение солесодержания котловой воды за счёт того, что бикарбонат натрия замещается на едкий натр. При этом молярная масса едкого натра составляет 40, а бикарбоната натрия — 84. Соответственно, солесодержание котловой воды, определяемое бикарбонатом натрия, становится в два раза ниже после замещения бикарбоната гидратом.
В данном случае справедливо предположить, что в котле не происходит разложение бикарбонатов. Тогда гипотетически можно представить, что вся щёлочность котловой воды определяется бикарбонатом натрия.
Тогда «гипотетическое» солесодержание котловой воды [мг/л] будет равно:
Sк = NaHCO3 + Na2SO4 + NaCl = 22×84 + 11×142 + 11×58,5 = 4053,5.
Рассчитаем процент непрерывной продувки:
В данном случае процент непрерывной продувки совпадает с процентом, рассчитанным с использованием щёлочности котловой воды и питательной воды.
Далее рассчитаем реальную электропроводность котловой воды.
Пересчитаем солесодержание котловой воды в электропроводность, используя данные [3, 4]. Коэффициенты пересчёта n при данном солесодержании:
- едкого натра — 0,17;
- карбоната натрия — 0,55;
- сульфата натрия — 0,65;
- хлорида натрия — 0,5.
Соответственно, умножаем каждый коэффициент пересчёта n 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 = 1,0.
Умножаем коэффициенты пересчёта n на соответствующую долю: 0,41×0,17 + 0,55×0,09 + 0,25×0,65 + 0,25×0,5 = 0,4.
Получаем коэффициент пересчёта электропроводности в солесодержание для котловой воды данного состава, равный 0,4. Соответственно, значение электропроводности котловой воды в данном случае будет равно 3137,5/0,4 = 7843 мкСм/см. Полученная величина довольно близка к измеренной (7798). Это говорит о правильности методики расчёта.
Если использовать коэффициент пересчёта 0,5 (заложенный в большинство кондуктометров), то получим:
3137,5/0,5 = 6275 мкСм/см.
Как видно, расхождение составляет более 1500 мкСм/см. Тем не менее, использование данного коэффициента пересчёта (0,4) неправомерно для расчёта непрерывной продувки, поскольку он не учитывает уменьшение солесодержания вследствие уноса углекислоты с паром.
Использование коэффициента пересчёта 0,5 неправильно с точки зрения состава котловой воды, но по счастливой случайности даёт более точный расчёт процента продувки, так как учитывает солесодержание бикарбоната в случае отсутствия его термического разложения.
Очевидно, что контролировать расход непрерывной продувки по значению солесодержания, конечно, можно, но контролировать расход непрерывной продувки по значению общей щёлочности котловой воды гораздо проще и правильнее по химии процесса. Для этого необходимо в процессе производства наладочных работ определить оптимальное значение щёлочности котловой воды, при котором обеспечивается нормативное качество пара. При этом значение щёлочности не должно превышать нормативного значения. Для паровых котлов низкого давления это, как правило, 26 мг-экв/л.
Затем, определив оптимальное значение щёлочности котловой воды, определить расход непрерывной продувки котловой воды по уравнению (2).
При этом оптимальному значению щёлочности будет соответствовать значение электропроводности. Необходимо определить коэффициент пересчёта электропроводности в солесодержание расчётным, а затем экспериментальным путём.
Если коэффициенты пересчёта получились одинаковые, значит, состав котловой воды полностью соответствует требованиям (без учёта специфических загрязнителей). Затем нужно проводить непрерывную продувку котла, основываясь на значении электропроводности. В этом случае отпадает необходимость в производстве большого количества анализов на щёлочность котловой воды.
Многие предприятия-изготовители котлов вводят норму по электропроводности котловой воды в дополнение к норме по общей щёлочности. В этом случае необходимо руководствоваться более строгими требованиями.
Нормативное значение электропроводности котловой воды должно быть не более 6000 мкСм/см, а щёлочность — 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 щёлочности в 26 мг-экв/л. Как правило, для поверхностных гидрокарбонатных вод значению электропроводности котловой воды в 6000 мкСм/см будет соответствовать значение общей щёлочности величиной от 18 до 20 мг-экв/л.
Заключение
Расчёт расхода непрерывной продувки парового котла по щёлочности — использование уравнение (2) — позволяет просто и точно определить процент продувки без использования такого комплексного и сложного понятия, как солесодержание воды.
Таким образом, расчёт коэффициента упаривания воды по щёлочности позволяет точно определить солесодержание котловой воды, затем электропроводность и проводить автоматизированную продувку парового котла по значению электропроводности котловой воды с постоянным поддержанием нормативных значений солесодержания и щёлочности котловой воды.
