Общие сведения
Качество подаваемой в котел и находящейся внутри него воды имеет важнейшее значение для надежной и экономичной эксплуатации котла. Требования к качеству воды зависят прежде всего от назначения котлов, а определяющим фактором в этом отношении является рабочее давление.
В судовых условиях различают воду следующих видов:
- котловую, находящуюся внутри котла при его работе;
- питательную, подаваемую в котел;
- конденсат - конденсат отработавшего пара;
- добавочную - добавляемую к конденсату;
- продувочную - удаляемую из котла при его верхнем и нижнем продувании;
- береговую - пресная вода, принимаемая с берега в танки судна и предназначенная для питания котлов;
- дистиллят - продукт испарения забортной или береговой воды;
- умягченную - химически обработанную воду (для удаления из нее накипеобразующих солей);
- катионированную - подвергшуюся фильтрации в специальных катионитовых фильтрах с заменой накипеобразующих солей на более безопасные для эксплуатации котлов;
- забортную - морскую или речную;
Рассмотренные виды воды существенно различаются по качеству, количественную оценку которого проводят по таким показателям, как содержание хлоридов, жесткость, щелочность, концентрация водородных ионов, содержание кислорода, растворенного (сухого) остатка, содержание масла и других нефтепродуктов, кислот и прочих примесей. Сумма всех содержащихся в воде солей называется общим солесодержанием. Вода содержит различные соли, которые обуславливают ее жесткость или другие свойства.
Качественно об общем солесодержании воды можно судить по наличию в ней растворенных хлористых солей: содержанию хлоридов. Количественной мерой этого показателя является концентрация хлор-иона (Cl-), которая измеряется в мг/л. Содержание хлоридов позволяет, например, контролировать степень засоления конденсата морской водой при нарушении герметичности конденсаторов. Применяют выражение солености в градусах Брандта (°Бр) - 1 °Бр соответствует 6 мг/л Cl-.
Жесткость - определяется количеством растворенных в воде солей кальция (Са) и магния (Mg). Различают следующие виды жесткости воды: общую, кальциевую, магниевую, карбонатную и некарбонатную.
Кальциевая и магниевая жесткости определяются концентрацией в воде только ионов кальция и магния.
Карбонатная жесткость обуславливается наличием в воде растворенных солей - бикарбонатов кальция (Са(НСО3)) и магния (Mg(HC03)2). При нагревании воды растворенные в ней бикарбонаты распадаются на угольную кислоту НСО и выпадающие из раствора в осадок карбонаты.
Некарбонатная жесткость определяется наличием в воде сульфатов, хлоридов, нитратов и силикатов кальция и магния: CaS04 (гипс), CaCI2, MgCl2, CaSi03. Вызывающие некарбонатную жесткость соли при нагревании воды химически не изменяются и остаются растворенными.
Единицей измерения жесткости служит мг-экв/л, для воды с малой жесткостью (конденсат, дистиллят) жесткость выражают в мкг-экв/л, т. е. в тысячных долях миллиграмм-эквивалента.
Щелочность - характеризуется содержанием в воде NaOH, NaHC03, NaPO, Са(ОН) и др. Общей щелочностью воды называют также содержание в ней анионов ОН2-, СO32-, НСO3-, РO43-. Основной причиной появления щелочности воды является введение в нее перечисленных здесь химических соединений с целью устранения жесткости (умягчения воды).
Щелочность воды измеряется в миллиграмм-эквивалентах на литр, также используется щелочное число Az - которое представляет собой сумму свободной и связанной щелочи в котловой воде, а количественно это соответствует содержанию NaOH в мг/л.
Фосфатное число Pz - это избыток тринатрийфосфата в котловой воде, выражаемые количеством фосфатного ангидрита РO4 в мг/л.
Нитратное число Nz - содержание в котловой воде нитрата натрия NaNO3 в мг/л, который вводится для нейтрализации агрессивного действия свободной щелочи. Это позволяет исключить межкристаллитную коррозию и хрупкое разрушение металла в местах вальцовочных соединений при наличии в них пропаривания.
Содержание кислорода в воде характеризует процесс коррозии металла пароводяного тракта котла. Особенно интенсивен процесс коррозии в змеевиках горизонтально расположенных труб утилизационных котлов с искусственной циркуляцией при обычной открытой системе их питания. Кислородосодержание воды измеряются в мг/л.
Содержание масла и других нефтепродуктов в воде, измеряемое в мг/л, является характерным для вспомогательных котлов танкеров. Наличие указанных примесей существенно ухудшает процесс теплообмена и парообразования, что может вызвать опасный перегрев металла поверхностей нагрева.
Показатель концентрации водородных ионов pH позволяет оценить кислотность или щелочность воды. Эта оценка основана на том, что в водных растворах содержатся свободные ионы Н+ и ОН-. Кислоты имеют свойство присоединять катионы Н+, а щелочи - анионы ОН-. Для воды при температуре 22°С справедливо ионное произведение [Н+]х[ОН-] = 10-14.
Вода будет иметь нейтральную реакцию, если концентрации [Н+] и [ОН-] равны, т. е. [Н+]х[Н-] = 10-7.
Если к нейтральной воде добавить щелочь, концентрация ионов [ОН -] увеличивается, а концентрация ионов [Н+] уменьшится, так как указанное выше ионное произведение остается неизменным.
Отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода слу¬жит мерой кислотности или щелочности воды, он называется показателем pH, pH = -lg[H+].
Его значения будут равны: pH = 7 для нейтральной воды, pH < 7 - кислая среда, pH > 7 - щелочная среда. Определять щелочность воды (ее агрессивность) можно с помощью показателей pH, когда pH < 10; с этой целью на водяном тракте может быть установлен датчик к рН-метру.
Сухой остаток, измеряемый в мг/л, характеризует содержание растворенных и коллоидных неорганических примесей. Он определяется путем упаривания пропущенной через фильтр воды и высушивания его до температуры 110°С.
Водообработка и водный режим котлов
Питательная вода должна удовлетворять определенным требованиям, которые обусловливаются необходимостью обеспечения высокой надежности и достаточной экономичности котла. Сущность обеспечения требуемого качества воды сводится к тому, чтобы исключить накипеобразование и коррозию элементов пароводяного тракта. Для этого необходимо производить специальную обработку воды как вне, так и внутри котла.
Водный режим - это такая организация докотловой водоподготовки, внутрикотловой обработки воды и продувки котла, которая обеспечивает минимальную коррозию, допустимую величину уноса солей паром и практически безнакипный режим работы котла.
Так как полностью удалить из питательной воды ионы жесткости и газов практически невозможно, то для обеспечения безнакипного режима работы котла в котел вводят небольшое количество химических веществ, способствующих выделению накипеобразующих ионов Са2+ и Mg2+ в виде соединений, дающих легкоподвижный шлам. Такой метод называется коррекцией. Одновременно в котловой воде поддерживаются условия, исключающие развитие коррозии.
В качестве коррекционного метода внутрикотловой обработки воды в практике эксплуатации котлов применяют рекомендованные режимы в зависимости от давления рабочего пара (таблица 9.10).
При всех видах обработки воды в ней стремятся создать избыток фосфатных ионов РО3-. При этом исключается выпадание накипеобразующих соединений Са и Mg.
Для образования шламообразующих соединений и защиты от коррозии необходимо, чтобы кроме избытка фосфат ионов, в котловой воде был избыток ионов ОН-. Этот избыток может быть создан в котловой воде введением в нее вместе с фосфатами щелочей типа NaOH, Na2CO3 (фосфатно-щелочной режим).
При фосфатно-щелочном режиме, применяющемся преимущественно для огнетрубных и водотрубных котлов низкого давления с добавочным питанием сырой пресной водой, в котел вводят фосфаты (Na3POx12H2O) и щелочи (NaOHxNa2CO3).
Щелочи и фосфаты вводят раздельно либо вместе в виде антинакипина, содержащего и щелочи и фосфаты в определенном соотношении.
При использовании только тринатрийфосфата может недопустимо повыситься щелочность воды, вследствие чего она станет коррозионно-агрессивной средой. Для предотвращения этого нежелательного явления дополнительно вводят присадку - нитрат натрия NaNO3.
Введение тринатрийфосфата и нитрата натрия называется фосфатно-нитратным режимом обработки воды внутри котла. Присадки вводят непосредственно в пароводяной барабан или сепаратор утилизационного агрегата. Для этого имеется специальная дозаторная установка, из которой подготовленный раствор насосом подается в питательную магистраль котла.
Для поддержания требуемого качества котловой воды и удаления продуктов фосфатно-нитратного режима и других вредных веществ осуществляется продувка, которая может быть нижней и верхней.
Рекомендованные рабочие нормы качества котловой воды приведены в таблице 9.11 для вспомогательных и утилизационных котлов.
Таблица 9.11
| Показатели качества | Огнетрубный котел | Водотрубный с Р = до 2 МПа | Водотрубный котел с Р = 2-4 МПа |
| Жесткость остаточная, мг-экв/л | 0,4 | 0,2 | 0,05 |
| Общее солесодержание, мг/л | 13000 | 3000 | 2000 |
| Хлориды, мг/л Cl- | 8000 | 1200 | 500 |
| Щелочное число, мг/л NaOH | 150-200 | 150-200 | 100-150 |
| Фосфатное число, мг/л РО3- | 10-30 | 10-30 | 20-40 |
| Нитратное число, мг/л NaNO3 | 75-100 | 75-100 | 50-75 |
Применение фосфата натрия и едкого натрия для осаждения накипеобразователей является обычным в котлах всех видов, однако, как показывает практика эксплуатации котлов, чрезмерное использование фосфатов без продувок, необходимых для удаления шлама, может привести к образованию отложений, порождающих не меньшие трудности, чем отложение накипи. Таким образом, возникают две задачи - предотвращения накипеобразования и уменьшения количества шлама. Современная тенденция заключается в использовании органических полиэлектролитов для обработки накипеобразователей, в частности в котлах низкого давления рабочего пара.
Обработка воды полимерами.
Полимерами называются гигантские молекулы, образованные в результате соединения множества малых простых молекул, часто одного и того же вида. Простые молекулы называются мономерами.
Полиэлектролиты (часто называют флокулянтами) - это высокомолекулярные соединения естественного или синтетического происхождения, которые при растворении в воде образуют ионы.
Полиакрилаты - ионирующие полимеры акриловой кислоты.
Полиамиды - это полимеры, состоящие из мономеров (называемых амидами, относятся к отдельной группе химических веществ).
Для обработки воды используют специальные водорастворимые полимеры для коагуляции, дисперсии и предотвращения образования накипи и шлама.
Одним из наиболее распространенных полимеров, применяемых в процессе водоподготовки, является полиакрилат, используемый в сочетании с едким натром, либо со смесью едкого натра и сульфата натра.
Обработка котельной воды полимерами предотвращает отложения накипи, уменьшает образования шлама, способствует разрыхлению накипи, уже имеющейся на поверхности нагрева котла. Поэтому такую обработку предпочтительно проводить только для очистки котла, иначе могут возникнуть проблемы из-за течи в местах разрыхления накипи, т.е. в местах вальцовки труб.
Такой метод обработки котловой воды используют для большинства вспомогательных котлов, который во многих отношениях превосходит традиционные щелочную и фосфатную обработку.
Обработка котельной воды аминами.
Амины, применяемые для обработки котельной воды, разбиты на две основные группы:
- нейтрализующие, действие которых подобно действию аммиака. Это летучие вещества, которые используют для нейтрализации С02 в паре, конденсате и питательных средах. Обычно применяют циклогексиламин и морфолин, а также комбинацию этих веществ;
- пленочные, также проявляющие нейтрализующие свойства. Однако, их основное назначение заключается в защите поверхности металла с помощью молекулярной водоотталкивающей пленки и таким образом происходит предотвращение коррозии металла котла. Обычно в качестве пленочного амина применяют октадециламин.
Антипенные вещества.
Увеличение концентрации растворенных и взвешенных твердых веществ в котловой воде повышает вероятность вспенивания и уноса воды в котлах как низкого, так и высокого давления рабочего пара. Если по условиям эксплуатации нельзя уменьшить содержание примесей, то могут быть использованы антипенные добавки, уменьшающие стабильность водяной пленки вокруг пузырьков пара и способствующие более легкому их разрушению. Обычно в качестве антипенных веществ используют смеси высокомолекулярных органических веществ, называемых полиамидами.
Некоторые химикаты, применяемые для обработки котловой воды, содержат небольшое количество антипенных добавок. Однако в случае значительного количества примесей в воде рекомендуется регулярно дополнительно вводить антипенообразователи с тем, чтобы поддержать в воде некоторый их резерв. Недостаточный запас присадки может вызвать внезапное сильное вспенивание воды в котле.
Таким образом, возможными веществами для водообработки котловой воды могут быть:
- фосфат натрия — для предотвращения накипеобразования;
- едкий натр - для предотвращения накипеобразования и уменьшения коррозии;
- полимеры - для предотвращения образования накипи и шлама;
- танины (крахмал) - для обработки шлама;
- гидразин (сульфат натрия) - для удаления кислорода;
- антипенные вещества - для предотвращения уноса воды;
- нейтрализующие амины - для нейтрализации СO2;
- пленочные амины - для защиты пароконденсатных магистралей;
В результате ввода химических веществ в котловую воду в процессе водообработки в барабане котла образуется шлам и посторонние вредные вещества, которые необходимо удалять. Таким образом, для уменьшение концентрации твердых веществ, растворенных в котловой воде, для удаления шлама и продуктов коррозии питательной и конденсатной систем, необходимо регулярно производить продувку котла верхним и нижним продуванием.
Часто на теплоходах к вспомогательным котлам относятся как к «самоварам», которые не требуют специальной водообработки для предотвращения накипеобразования и продувания для удаления шлама. Это заблуждение эксплуатационного персонала. Соблюдение водного режима, а также периодическое вскрытие и чистка котла увеличивает срок его нормальной эксплуатации и службы.
Применение химической водообработки основано на регулярном контроле качества котловой воды. Для котлов всех типов и классов предусматривается ежесуточное взятие проб воды. В случае, когда водный режим нарушен и принимаются меры по его восстановлению, а также при наличии посторонних примесей в котловой воде, пробы берут чаще.
В таблице 9.12 приведены предельные значения характеристик котловой воды, устанавливаемые Британским стандартом BS 1170:1968. В таблице не нашло отражения применение наиболее современной полиакрилатной обработки воды. Регулирование водообработки с использованием полиакрилата основано на измерении только щелочности и содержании хлоридов.
Таблица 9.12
| Показатели качества | Давление пара в котле 0-1,5 МПа | Давление пара в котле 1,5-3,0 МПа | Давление пара в котле 3,0-4,0 МПа |
| Жесткость максимальная по ЭДТК, мг/л СаСO3 | Отсутствуют | Отсутствуют | Отсутствуют |
| Щелочность по фенофталеину, мг/л СаС03 | 50-300 | 150-300 | 100-150 |
| Содержание хлоридов максимальное, мг/л СаСO3 | 300 | 150 | 100 |
| Содержание фосфатов в пересчете на мг/л СаСO3 | 30-70 | 30-70 | 20-50 |
| Содержание растворенных твердых веществ, мг/л | 1500 | 1000 | 500 |
| Избыток сульфида или гидразина, мг/л NaO3 | 50-100 | 50-100 | 30-50 |
| мг/л N2H4 | 0,1-0,3 | 0,1-0,3 | 0,1-0,3 |
Примечание: Перевод содержания хлоридов (в пересчете на мг/л СаСO3) в мг/л NaCl производится умножением на 1,17.
Перевод содержания хлоридов (в пересчете на мг/л СаСO3) в мг/л Сl производится умножением на 0,71.
Перевод щелочности (в пересчете на мг/л СаСО3) в мг/л NaOH производится умножением на 0,8.
Перевод фосфатов (в пересчете на мг/л РO4) в мг/л производится умножением на 0,75.
Водоконтроль
Судовой обслуживающий персонал должен быть хорошо знаком с практическими методами определения качества воды и их характеристик и уметь пользоваться средствами водоконтроля для определения всех вышеперечисленных показателей, характеризующих качество котловой и питательной воды.
Определение жесткости воды с помощью трилона Б. Этот метод основан на том, что трилон Б реагирует с солями кальция и магния, содержащимися в воде. Момент окончания реакции определяют по изменению окраски индикатора.
В колбу наливают 100 мл испытуемой воды, вводят туда 5 мл аммиачного, буферного раствора, щепотку индикатора кислотного хромтемносинего и, интенсивно перемешивая, медленно титруют пробу трилоном Б до изменения розовой окраски раствора в синевато-сиреневую.
Пример: На титрование 100 мл пробы воды пошло 12 мл трилона Б
Жобщ. = 12x0,1 = 1,2 мг-экв/л.
Определение щелочности воды (по фенолфталеину). Этот метод основан на нейтрализации кислотой котловой воды, которая содержит щелочи, окрашивающие фенолфталеин в малиново-красный цвет. Реакция кончается в момент добавки последней капли кислоты, когда малиновая окраска исчезает и вода принимает свою первоначальную окраску (до введения в нее фенолфталеина).
В колбу наливают 100 мл испытуемой воды, туда же вводят 2-3 капли фенолфталеина, вода окрашивается в малиново-красный цвет. Затем по каплям пробу воды титруют раствором серной кислоты до исчезновения окраски.
Пример: На титрование 100 мл котловой воды пошло 5 мл кислоты. Щелочность воды равна = 5 мг-экв/л.
Щелочное число котловой воды равняется количеству миллилитров кислоты, затраченному на титрование 100 мл котловой воды, умноженному на 40.
Пример: На титрование 100 мл котловой воды пошло 5 мл кислоты.
Щелочное число воды = 5x40 = 200-мг/л.
Определение содержания хлоридов в воде.
Метод основан на способности солей ртути давать с хлор-ионом малодиссоциированное соединение (НС12) и связывании избытка ионов ртути (Hg2+) дифенилкарбазоном в комплексные соединения, окрашенные в розовофиолетовый цвет.
Концентрацию хлор-иона от 0,1 до 10 мг/л определяют с помощью 0,0025Н раствора азотнокислой ртути, а концентрации хлор-иона от 10 мг и выше - с помощью ее децинормального раствора.
Конденсат - в колбу наливают 100 мл конденсата и добавляют щепотку индикатора - вода синеет. Потом по каплям наливают раствор азотной кислоты до перехода синей окраски в желтую и еще 10 капель этой кислоты.
Затем медленно, сильно взбалтывая, титруют 0,0025Н раствором азотнокислой ртути до перехода желтой окраски в розово-фиолетовый.
Содержание хлоридов численно равно количеству миллилитров раствора азотнокислой ртути, пошедшему на титрование 100 мл пробы, умноженному на 0,08875 и на 10.
Пример: на титрование 100 мл конденсата пошло 0,25 мл раствора азотнокислой ртути. Содержание хлоридов равно: А = 0,25x0,8875 = 0,22 мг/л хлор-иона.
Котловая вода. В колбу наливают 10 мл котловой воды и добавляют 90 мл дистиллята, к пробе добавляют щепотку индикаторной смеси, вода окрашивается в синий цвет, затем по капле добавляют: раствор азотной кислоты до перехода синей окраски в желтую и еще 10 капель этой кислоты. Затем медленно титруют 0,1Н раствором азотнокислой ртути и сильно взбалтывают до перехода желтой окраски в розово-фиолетовую.
Содержание хлоридов численно равно количеству мл раствора азотнокислой ртути, пошедшему на титрование 10 мл котловой воды, умноженному на 3,55 и на 100. Если на титрование взято 100 мл испытуемой воды, то результат анализа умножают на 10.
Пример: на титрование 10 мл пробы котловой воды пошло 4,2 мл 0,1Н раствора азотнокислой ртути. Содержание хлоридов равно: А = 4,2x355 = 1491 мг/л хлориона.
Пример: на титрование 100 мл испытуемой пробы пошло 3,8 0,1Н раствора азотнокислой ртути. Содержание хлоридов равно: А = 3,8x35,5 = 134,9 мг/л хлор-иона.
Определение содержания фосфатов и нитратов в воде. Содержание фосфатов и содержание нитратов измеряют в компараторе путем сравнения окраски испытуемой пробы с окраской эталонных пленок.
Определение фосфатов основано на образовании растворимого соединения окрашенного в интенсивно-желтый цвет.
В пробирку отбирают 210 мл пробы котловой воды и добавляют 2 мл реактива на фосфаты. Раствор тщательно перемешивают и сравнивают окраску со стандартными пленками.
Пример: окраска пробы соответствует окраске пленки 50 мг/л РO4-3 . Содержание фосфатов в пробе котловой воде равно 50 мг/л РO4-3 .
Содержание нитратов измеряется в компараторе путем сравнения испытуемой пробы с окраской эталонных пленок.
В градуированную пробирку отбирают 146 мл пробы котловой воды до метки и перемешивают, затем добавляют 2 мл реактива на нитраты и еще раз перемешивают. Прибавляют ложечку цинковой стружки или порошка, пробирку закрывают пробкой и содержимое тщательно перемешивают и оставляют на 5-10 мин.
Содержимое пробирки приобретает окраску красного цвета, которую сравнивают с эталонной окраской в компараторе - при подборе окраски с эталонной будет составлять содержание нитратов в котловой воде.
Результаты анализов котловой воды дают информацию о том, что происходит в котле, конденсатной и питательной системах и какие меры необходимо принять по корректировке водного режима.
Если результаты анализов показывают повышенное содержание хлоридов, больше чем обычно, следует увеличить частоту продувания котла до тех пор пока концентрация и содержание хлоридов не станет нормальной. В варианте высокого содержания хлоридов в котловой воде необходимо уменьшить паропроизводительность котла и допускается частичная смена воды в котле.
Необходимо определить источник загрязнения котловой воды и устранить.
При повышенном щелочном числе в котловой воде следствием может быть:
- передозировки в котле химических реагентов;
- использование для анализов реактивов нестандартной концентрации;
- использование добавочной питательной воды из цементированного танка;
При определения пониженного щелочного числа причинами могут быть:
- поступление в котел примесей, срабатывающих часть щелочи для осаждения магния (при этом снижается содержание фосфатов);
- потеря воды из котла в результате продувки;
Соблюдение установленных норм водного режима паровых котлов на каждом судне должно регулярно контролироваться также при помощи специальных указывающих и регистрирующих приборов такие как соленомеры, кислородомеры и рН-метры.
