Системы водоподготовки для градирен
Для того, чтобы обеспечить эффективность технологических процессов и длительный срок службы оборудования, предприятиям, применяющим градирни в составе систем охлаждения, обычно требуется система подготовки оборотной воды, используемой в градирне. Если не следить за качеством воды в градирне, и не обращать внимания на рост неорганических и органических отложений, образование накипи и коррозию, эти факторы могут существенно снизить производительность системы, привести к ее простою в связи с заменой запчастей и даже потребовать дорогостоящей замены оборудования.
Ниже рассмотрены основы и технологии по обработке воды и жидкостей на водной основе, используемых в системах холодоснабжения, кондиционирования воздуха, а также технологических процессах. Приведены рекомендации с точки зрения управления процессами коррозии, загрязнения внутренних поверхностей трубопроводов и аппаратов указанных систем как минеральными, так и биологическими отложениями. Кроме того, подготовка воды не только помогает сохранить водные ресурсы, но и способствует созданию более здоровой и устойчивой окружающей среды.
Характеристики воды
Объем воды, находящейся на поверхности и в атмосфере нашей планеты, играет важную роль в формировании климатических и погодных условий в различных регионах. Уникальной характеристикой воды является способность собирать, удерживать и переносить теплоту. Вода, хотя и является самым обычным веществом, она обладает уникальными свойствами, которые делают ее идеальной для использования в процессах нагрева, охлаждения и генерации пара. Вода является единственным распространенным веществом, которое существует во всех трех состояниях вещества: твердое тело (лед), жидкость (вода) и газ (пар) при нормальных температурах на Земле.
Для повышения своей температуры вода требует количества подведенной теплоты больше, чем любое другое обычное неорганическое вещество. При атмосферном давлении вода расширяется в 1600 раз при переходе в состояние пара. Пар способен переносить большое количество теплоты. Эти уникальные свойства, а также сравнительно высокая доступность воды и ее относительно низкая стоимость, делают ее идеальным материалом для процессов нагрева, охлаждения и выработки энергии.
В системах кондиционирования и холодоснабжения зданий используются градирни, работающие по принципу испарительного охлаждения. Вода взаимодействует с потоком воздуха, и при этом часть воды испаряется, что приводит к охлаждению оставшейся воды. Когда циркулирующая в градирне вода взаимодействует с потоком воздуха, небольшое количество воды покидает градирню в виде капель и в виде пара. Более подробно процесс работы градирни описан здесь. Механически неповрежденный, чистый ороситель градирни имеет необходимую площадь поверхности, чтобы воздух и вода эффективно взаимодействовали, а количество образовавшихся водяных паров и капель воды было бы сведено к минимуму. Для современных высокоэффективных градирен эти потери составляют примерно 0,1% от объема воды, циркулирующей в градирне.
Для старых градирен или градирен, находящихся в технически плохом состоянии с поврежденным оросителем или отсутствующими каплеуловителями, эти потери намного больше, и могут составлять до 2,5% от полного объема воды, циркулирующего в градирне. При этом следует иметь в виду, что растворенные в воде вещества остаются внутри контура циркуляции. И наоборот, вода, которая покидает градирню в виде водяных капель, также может нести растворенные в воде вещества. То есть, состав воды в градирне постоянно изменяется. В дополнение к потерянной энергоэффективности, часть воды, покидающая контур градирни может являться источником «болезни легионеров», вызываемой содержащимися в воде органическими и биологическими загрязнителями.
Любая вода содержит большое количество примесей, которые в случае применения воды в промышленном оборудовании могут вызвать образование накипи, коррозию и другие проблемы. Примеси в воде зависят от параметров окружающей среды, поскольку в воде растворяются минералы или другие вещества, с которыми она контактирует. Кроме этого, вода собирает различные органические загрязнения из воздуха, почвы и растительности. По этой причине воду часто называют универсальным растворителем. Растворенные вещества в воде могут быть твердыми веществами, жидкостями или газами.
Концентрации растворенных веществ в природных водах зависят от геологии района, в котором находится вода. В некоторых регионах Земли, магматические породы являются основным геологическим компонентом, из которого на протяжении веков путем выветривания создавалась почва. Другие регионы планеты имеют в большей степени осадочные породы, например, известняк. Он состоит в основном из карбоната кальция, который легко растворяется в воде, и образует так называемую «жесткую воду». Степень жесткости определяется наличием содержащимися в ней ионами кальция и магния, оба из которых заряжены положительно. Поскольку эти заряды должны быть сбалансированы, преобладающими отрицательными зарядами являются карбонат и бикарбонат.
Вода, протекающая через районы изверженных горных пород, обычно содержит относительно малые количества кальция, магния и карбоната. Поскольку кальций, магний и карбонат присутствуют в воде так часто вместе, и ранние химические методы обнаружения не могли легко различить эти три вида, то все три соединения сегодня выражаются в виде известняка (CaCO3), что является основным веществом, для уменьшения концентрации которого, создаются многие системы «умягчения» воды.
Общая жесткость в виде карбоната кальция представляет собой сумму жесткости кальция и жесткости магния, выраженную в виде карбоната кальция. Сумма бикарбонатных, карбонатных и гидроксид-ионов в воде еще называют «Щелочностью». Другие ионы, такие как борат, фосфат или силикат, также способствуют щелочности. Поскольку эти вещества могут быть растворены в горных породах, в которых начинают свою жизнь многие реки, не является неожиданным тот факт, что эти вещества при повышении их концентрации в воде, выпадут в осадок, тем самым образовывая известковые отложения на поверхностях, взаимодействующих с водой.
Карбонат кальция, присутствующий в воде, используемой для отопления или холодоснабжения, может в конечном итоге откладываться во внутренних поверхностях оборудования и трубопроводов в виде накипи, что может привести к увеличению потребления электроэнергии, затрат и времени на проведение технического обслуживания и повлечь длительные остановки оборудования и в конечном итоге вызвать необходимость его замены.
Состав воды изменяется, когда она транспортируется по трубопроводам, нагревается для образования пара, испаряется для охлаждения или участвует в других процессах теплообмена. Примеси в воде могут достигать предела растворимости и откладываться на этом пути, а также вода может разъесть металлическое оборудование, в котором она содержится. Влияние воды на системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха зависят от состава и количества примесей в ней, от температуры и давления, которым она подвергается, а также от особенностей систем, в которых она используется. Для правильной оценки коррозионной активности воды и/или тенденции к образованию накипи и других отложений в водяных системах, необходимо определить, какие примеси содержит вода, какие проблемы они могут вызывать, и как их содержание в воде можно снизить путем механического или химического воздействия.
Отложения карбоната кальция в трубах или на теплообменных поверхностях могут создавать дополнительное сопротивление потоку воды, так и отрицательно влиять на процессы теплообмена. На рисунке выше показано сечение трубы с уменьшенным вследствие наличия отложений внутренним диаметром.
Уменьшение диаметра трубы из-за наличия отложений карбоната кальция уменьшает расход циркулирующей воды, при этом позволяя еще большему количеству карбоната кальция осаждаться на внутренних поверхностях. Отложения карбоната кальция на внутренних поверхностях труб в теплообменниках, конденсаторах или испарителях водоохлаждающих машин, уменьшают теплопередачу от воды к хладагенту через стенку трубы. Это приводит к более высоким затратам электроэнергии и увеличивает износ механического оборудования. Размер кусков окалины, которые образовались и в последствие отслоились внутри трубы большого диаметра может составлять от 1 до 3 см в зависимости от диаметра трубы, в которой они образовались. Частицы такого размера могут и вовсе заблокировать поток воды через трубки теплообменника холодильной машины или форсунки системы распределения воды градирни.
Дополнительные растворимые вещества, способствующие очистке воды - это хлориды и сульфаты. Хлориды не влияют на образование твердого осадка, но способствуют коррозии из-за своей электропроводимости. Сульфаты же напротив, способствуют образованию твердого осадка в воде с высоким содержанием кальция. Однако, осадок сульфата кальция образуется только при гораздо большей концентрации, чем более обычный осадок, состоящий из карбоната кальция. Высокое содержание сульфатов также способствует усиленной коррозии из-за своей высокой электропроводимости.
Натрий и калий - два других катиона (положительно заряженные ионы), содержащиеся в природных водах. Концентрации натрия и калия обычно не контролируются в системах подготовки воды, потому что они настолько растворимы, что их осаждение анионами происходит крайне редко. Кроме того, поскольку простых методов определения концентрации этих двух веществ не существует, обычным способом количественного определения этих двух катионов является атомно-абсорбционная спектроскопия. Оба эти вещества являются важными составляющими для измерения электропроводности воды.
Кремнезем может образовывать силикатные отложения, особенно в контурах, в которых циркулирует горячая вода. Если образуются силикатные отложения, их удаление особенно затруднено. При этом эти отложения являются отличными изоляторами. Например, теплоизоляция из стекловолокна, которая представляет собой кремнезем, была разработана для уменьшения теплообмена с воздухом. Поддержание концентраций кремнезема в циркулирующей воде на определенном уровне является гарантией того, что отложения кремнезема не образуются. Кремнезем может поступать в водяной контур градирни через контур подпитки в виде мельчайших песчинок. Силикаты также используется в качестве компонента некоторых ингибиторов коррозии.
Коррозия
Если вода градирни не очищена должным образом, это вызывает коррозию металлических компонентов оборудования. Это происходит, когда определенные загрязнители в воде, в основном газы, такие как кислород и углекислый газ, вызывают разрушение металла и превращение его в состояние оксида посредством электрической или электрохимической реакции. Это приводит к уменьшению толщины некоторых участков металлических трубопроводов, увеличивая вероятность их разрыва. Коррозия является серьезной проблемой, поскольку может существенно снизить эффективность процессов теплообмена, и даже привести к выходу оборудования из строя.
В дополнение к растворенным газам, на процессы развития коррозии влияют некоторые другие факторы, такие как:
• Бактериальные загрязнения;
• Колебания температуры;
• Щелочность (pH);
• Растворенные и взвешенные вещества.
В градирнях обычно наблюдается коррозия следующих типов:
• Точечная коррозия является наиболее разрушительной, поскольку возникает на небольших участках, и ее трудно обнаружить. Однако, в этом случае металл может разрушиться на всю толщину за короткие сроки.
• Генеральная коррозия происходит равномерно по всей поверхности металла и способствует повышению уровня загрязнения, снижая эффективность работы системы.
• Гальваническая коррозия происходит, когда два разных металла вступают в контакт, создавая гальваническую пару. Например, в паре медь-алюминий большая разница их электродных потенциалов приводит к разрушению более активного металла - алюминия.
Содержание меди и железа в воде для подпитки водяного контура градирни должно быть низким, не более 0,1 мг на литр. Медь и железо представляют интерес для систем охлаждения в качестве индикаторов возможной коррозии внутренних поверхностей трубопроводов из меди и конструкционной стали. Повышенные концентрации меди и железа, скорее всего, обнаруживаются в замкнутых водяных контурах, а не в открытых контурах градирен, поскольку в замкнутом контуре практически отсутствует подпитка этого контура извне. В открытых рециркуляционных системах обычно не проверяют уровни циркулирующих растворенных металлов, а проблемы с коррозией легче обнаружить благодаря использованию коррозионных купонов. Коррозионные купоны представляют собой металлические образцы определенного веса, которые помещают в трубопровод на один-три месяца, и затем повторно взвешивают.
Муниципальные предприятия, поставляющие водопроводную воду, добавляют различные фосфаты для защиты от коррозии системы распределения питьевой воды. Для мягкой воды фосфат является важным компонентом ингибитора коррозии, и такую воду часто применяют в замкнутых контурах систем охлаждения. При этом в системе охлаждения существует опасность образования осадков фосфата кальция.
Органические соединения - это материалы, в состав которых входит углерод. Растения, животные и микробы состоят в основном из углерода. Общий органический углерод в питьевой воде обычно составляет менее 5 мг/л и, вероятно, является питательным веществом, которое обеспечивает рост микроорганизмов в системе распределения воды.
Дополнительный органический углерод может возникать в градирнях в результате фотосинтеза, в виде заметных водорослей. На рисунке выше представлена композитная фотография оросителя пленочного типа. Сверху - ороситель градирни, загрязненный различными микробами и слизью, которую они производили. Внизу – чистый ороситель градирни. Поэтому, программы подготовки воды для градирен предусматривают поддержание низких концентраций органических соединений, в том числе и в контуре подпитки.
рН является мерой кислотности воды и выражается как логарифм обратной концентрации ионов водорода в растворе. Значения pH ниже 7 определяют раствор как кислый, а значения выше 7, определяют раствор как более щелочной. Процесс коррозии металлов происходит интенсивней при значениях pH меньше 6,5. pH питьевой воды обычно составляет от 7 до 8. Поскольку в градирнях открытого типа при циркуляции воды происходит испарение, значение pH часто увеличивается до уровня от pH=8,5 до pH=9, то есть повышается щелочность циркулирующей воды. Для замкнутых водяных контуров, при использовании системы водоподготовки, это значение поддерживается на уровне от 8,5 до 9,5.
Проводимость является мерой прохождения электрического тока через воду. Чистая вода без растворенных ионов является чрезвычайно плохим проводником электрического тока. По мере увеличения концентрации в воде соединений натрия, калия, кальция, магния, карбоната, бикарбоната, фосфата, хлорида, сульфата и других заряженных ионов увеличивается ее электропроводность.
Методы подготовки воды
Целью применения систем водоподготовки для градирен является обеспечение неповрежденных и свободных от отложений теплообменных поверхностей, чтобы они соответствовали проектным параметрам в течение всего срока эксплуатации. Системы охлаждения, подверженные коррозии, имеют трубопроводы, трубные коллекторы и насосы, которые не соответствуют расчетным (проектным) техническим параметрам. Системы охлаждения с отложениями карбоната кальция, гидроксида магния, фосфата кальция или кремнезема внутри трубопроводов и аппаратов, также не соответствуют техническим параметрам. Системы охлаждения с открытым контуром циркуляции, содержащие отложения песка, ила или органических веществ, принесенные в систему ветром, не соответствуют спецификациям, поскольку эти материалы засоряют трубопроводы, фильтры, распределительные форсунки и/или ороситель градирни. Обильный рост микроорганизмов может помешать системе охлаждения соответствовать проектным параметрам процесса теплообмена, а также может увеличить риск легионеллеза и других заболеваний.
Как уже было сказано выше, могут существовать значительные различия между водами из разных географических районов. Принципы и технологии водоподготовки для использования в системах охлаждения разработаны с учетом конкретных характеристик воды для определенных регионов. Оценка производится с помощью так называемых «Циклов концентрации», которые выбираются исходя из состава воды для контура подпитки, поступающей в систему охлаждения. Цикл концентрации определяется как отношение хлоридов в воде из внешнего источника к концентрации хлоридов в системе охлаждения:
Cl источника
Цикл концентрации = -----------------
Cl системы
Хлорид выбран потому, что он растворим в воде и не образует осадков, как кальций, магний, карбонат, фосфат, силикат и иногда другие ионы. В принципе, любое другое растворенное соединение теоретически может быть использовано при расчете данного соотношения, но хлорид выбирается из-за его высокой растворимости. Исключением является использование хлорид-иона в качестве меры циклов концентрации, если используются высокие концентрации хлора в качестве биоцида. В этом случае соотношение циклов концентрации будет высоким, и следует выбрать другой параметр. Чтобы обеспечить некоторый запас прочности, можно выбрать максимум общей жесткости с концентрацией от 450 до 500 мг на литр. Это означает, что для жесткой воды будет два цикла максимальной концентрации, для воды средней жесткости будет четыре цикла, а для мягкой воды будет 20 циклов концентрации.
Контроль за отложениями
Главная проблема при использовании жесткой воды и воды средней жесткости – это отложения. В мягкой воде основной проблемой является коррозия, поскольку очень небольшая жесткость и щелочность повышают значение pH, уменьшая при этом риск проявления коррозионных процессов. В регионах с мягкой водой фосфаты часто являются предпочтительным ингибитором коррозии. В случае мягкой воды в регионе для обеспечения защиты от коррозии металлических труб в распределительной системе муниципальные службы добавляют полифосфат в количестве 10 мг на литр общей концентрации фосфатов.
Для контроля циклов концентрации в потоке воды, движущемся в системе градирни по боковому контуру, непрерывно измеряется проводимость. Измеритель проводимости подключен к выпускному клапану. По мере испарения воды и повышения электропроводности воды в основном потоке выше заданного значения, определенного специалистом по очистке воды, сливной клапан открывается. Вода из основного контура уходит из градирни либо в канализацию, либо на обработку для повторного использования. При этом, уровень воды в бассейне градирни снижается. Поплавковый клапан в бассейне открывается, чтобы добавить воду из контура подпитки за один цикл концентрации. Когда проводимость падает ниже другого заданного значения, выпускной клапан закрывается. Локальные или лабораторные анализы параметров воды, таких как жесткость, щелочность, хлорид и электропроводность, проводятся для проверки работоспособности и соответствующей калибровки измерителя электропроводности и регулирующего клапана. Соотношение хлоридов в системе и хлоридов в контуре подпитки должно быть примерно таким же, как и соотношении жесткости в системе и жесткости в контуре подпитки.
Составы для обработки охлаждающей воды в градирне с открытым контуром в первую очередь предназначены для минимизации образования накипи и коррозии, а также для контроля за процессом осаждения твердых минеральных отложений. Типичные компоненты составов для обработки воды включают один или несколько фосфонатов, полимеров и азолов.
Фосфонаты играют двойную роль как в контроле за процессами коррозии, так и в модификации карбоната кальция таким образом, что большее количество карбоната кальция остается в растворе, а не осаждается на поверхностях.
Полимеры важны в качестве кондиционирующих агентов, в присутствии которых отдельные кристаллы карбоната кальция смешиваются с полимером и не образуют кристаллическую структуру.
Азолы образуют пленку вдоль медных поверхностей и минимизируют коррозию меди.
Биоциды используются в системах охлаждения для минимизации микробного загрязнения, включая рост бактерий и водорослей. Производители биоцидов указывают в спецификации информацию об областях применения и концентрациях, рекомендованных для использования в каждой области применения (системы охлаждения, вода для технологических процессов, пастеризаторы для пивоваренных заводов, декоративные фонтаны и т. д.).
Контакт человека с биоцидами должен быть сведен к минимуму. Использование насосов и таймеров, эжекторов, различных типов дозаторов или других методов дозирования является более безопасным для человека подходом к введению биоцида в систему охлаждения, чем ручное дозирование, которое применялось ранее.
Биоциды подразделяются на две категории: окисляющие и неокисляющие. Окисляющие биоциды включают в себя: озон, хлор, бром, йод и несколько других органических молекул, которые отдают хлор и/или бром при их растворении. Для озона требуется локальный генератор, который может использовать либо сухой воздух, либо чистый кислород. Стоимость генератора является важной составляющей системы подготовки воды для градирни. Хлор широко использовался ранее и продолжает использоваться, поскольку является одним из самых дешевых биоцидов. Хлор доступен в виде газообразного хлора, жидкого гипохлорита натрия и твердого гипохлорита кальция.
Когда значение pH увеличивается выше pH7, хлорноватистая кислота, HOCl, превращается в гипохлорит-ион OCl-, который имеет меньшую эффективность, чем HOCl. Использование хлора обычно избегают в системах, в которых имеются элементы из нержавеющей стали, поскольку хлорид-ион вызывает ее коррозию. Одинаковое содержание брома в гипобромной кислоте, HOBr и в гипобромит-ионах, OBr-, позволяет использовать бром при рН от 8,5 до рН 9, где работают многие системы охлаждения с открытой рециркуляцией. Йод был разработан для использования в системах охлаждения с небольшим объемом воды, которые в противном случае могут вообще не обрабатываться. Вода подпитки градирни протекает через питатель, содержащий гранулы йода, которые растворяются в течение нескольких месяцев или сезона охлаждения.
Неокисляющие соединения включают в себя ассортимент органических веществ, которые за последние четыре или пять десятилетий были отобраны на основе их эффективности против целевых микробных популяций. Эти соединения существенно менее токсичны для обитающих в регионе популяций рыб, птиц, растений и млекопитающих. Большинство неокислителей доступны в виде жидкой композиции, которую можно дозировать в систему охлаждения с помощью небольшого насоса, управляемого таймером, таким образом, что биоцид дозируется и вводится в систему охлаждения по графику, например, один или два раза в неделю. Применяется схема чередования дозируемых и вводимых в систему охлаждения биоцидов: одну неделю вводится один биоцид, а в следующую неделю – другой. Цель такого чередования состоит в том, чтобы избежать приоритетного выбора той или иной популяции микробов, устойчивых к определенному биоциду.
Принцип отбора устойчивых к антибиотикам популяций болезнетворных бактерий хорошо известен в медицине и фармацевтике.
Критериями выбора биоцидов являются:
· химический состав воды в конкретном регионе;
· металлы, использующиеся в системе;
· перечень доступного оборудования: насосы, таймеры, питатели для твердого брома, генератор озона и т.п.;
· наличие на объекте персонала для наблюдения за оборудованием и программой водоподготовки;
· информация о том, какие вещества добавлялись в систему в прошлом и какие вещества используются в аналогичных системах, расположенных в регионе;
· цена.
В течение многих лет для механической очистки воды в градирнях эффективно использовались различные устройства, в том числе различные типы сетчатых и иных фильтров, центробежных сепараторов и т.п. Одним из примеров механической очистки являются устройства, называемые «Свиньи», представляющие собой металлические цилиндры или цилиндрические щетки, с диаметром чуть меньше внутреннего диаметра трубки конденсатора, которые периодически перемещаются в прямом и противоположном направлении по трубкам конденсатора водоохлаждающей машины.
Любое физическое удаление частиц, таких как песок, ил, растительные материалы в виде листьев, растительных волокон и пыльцы, находящихся в воздухе, и т. д., а также бытовой мусор, так или иначе попадающий внутрь градирни, является полезным для нормального функционирования системы. Удаление этих загрязнителей уменьшает количество пищи и площадь поверхности, доступные для развития микроорганизмов. Таким образом, и биоциды, и ингибиторы коррозии/накипи могут лучше выполнять свои функции в системе, в которой отсутствует все перечисленные выше загрязнители.
Мониторинг и документация
Количественную информацию, необходимую для принятия решения о том, соответствует ли система водоподготовки требованиям проекта с точки зрения параметров теплопередачи, достаточно сложно получить, поскольку часто система работает при неполной, а не при номинальной (расчетной) нагрузке, предусмотренной проектом. Методы мониторинга могут варьироваться от визуальных наблюдений и проведения периодического тестирования качества воды обслуживающим персоналом до непрерывного мониторинга множества параметров с помощью различных аналитических инструментов, управляемых компьютером.
Как минимум, на все применяемые для водоподготовки вещества должны иметься сертификаты безопасности. Они должны быть в распоряжении персонала, который несёт ответственность или связан с применением химических веществ. Следует вести журнал учета параметров жесткости воды и концентрации в ней химических веществ, например, хлоридов, и периодически заносить в него изменяющуюся информацию. Должны быть доступны для анализа отчеты о дополнительных испытаниях системы, таких как анализ купонов коррозии, о которых было сказано выше. В случае, если на объекте происходят изменения, например, в виде появления дополнительных кондиционируемых площадей, или новых технологических процессов, то будет необходимо пересматривать программу водоподготовки и методы мониторинга состояния воды в градирнях.
Эффективность программы водоподготовки зависит от знания химического состава воды в регионе, выбора подходящего технологического комплекса мер для защиты от накипи и коррозии, от выбора оптимального биоцида, а также от согласованного применения и мониторинга такой программы.