Основные задачи организации ВПУ

      Вода и водяной пар являются основным теплоносителем в водяном и водно – паровом трактах ТЭС, ТЭЦ и АЭС, а так же индивидуальных коттельных. Обеспечение надежного водного режима всех элементов имеет принципиальное значение. Водный режим существенно влияет на экономичность эксплуатации.

      При образовании отложений в водном тракте уменьшаются теплоотдача, возрастает температура уходящих газов, следовательно снижается КПД ПГ (парогенератора). Нарушение водного режима приводит к снижению надежности оборудования, либо неполное использование оборудования. Во всех этих случаях уменьшается один из основных экономических показателей   – число использования установленной мощности.

     Простой энергоблок большой мощности по условиям водного режима, либо работа его на сниженных параметрах, могут существенно снизить выработку электроэнергии. Итак, надежность работы теплопередающей поверхности ТЭС или ТЭЦ, зависит не только от водного режима и от организации теплообмена и связанного с ним течения жидкостей или газов (гидроаэродинамика). Водный режим теплопередающей поверхности нужно рассматривать в тесной связи с условиями теплообмена и гидродинамики.

Для чего используется или нужна вода?
Вода используется для заполнения контура, для компенсации потерь пароконденсата во время работы оборудования, для подпитки тепловых систем, для отвода теплоты в конденсаторах турбин, а также во вспомогательных теплообменниках. Для всех этих случаев сырая или природная вода проходит соответствующую обработку. Особые требования предъявляются к качеству воды поступающей в паро-конденсатный тракт, парогенератор и паровой котел. 

Особые требования к чистоте воды и пара в основных агрегатах (парогенератор или котел, паровая турбина, конденсаторы, подогреватели, водонагреватели) должны сочетаться с качественным водным режимом для всех элементов, поэтому вопросы водного режима рассматриваются для всех элементов тепловой части в целом.

Водоподготовка в промышленных и отопительных котельных обладает специфическими особенностями. Использование воды в качестве теплоносителя в системах теплоснабжения, также связано с решением вопроса правильной и рациональной организации водо-химического режима (ВХР) тепловых сетей водоподготовки, в частности используется противокоррозионная обработка воды. Необходимо сочетание выполнения требований к санитарно – гигиеническим показателям воды и с другой стороны техническим требованиям тепловых сетей. В физико-химических процессах, которые происходят в водо и водно – паровом трактах оборудования относятся:

1. Коррозия конструкционных материалов.

2. Преобразование естественных примесей поступающих с исходной водой.

3. Распределение естественных примесей и продуктов коррозии между водой и образующимся из неё насыщенным паром.

4. Выпадение твердых соединений на поверхности тракта.

5. Взаимодействие естественных примесей и продуктов коррозии с различными добавками, корректирующими свойства воды и т.д.

       Эти процессы происходят в условиях нагрева однофазных сред, парообразования, конденсации, т.е. происходят разнообразные теплофизические процессы, поэтому необходимо учитывать влияние теплофизических параметров на протекание физико-химических процессов. 

      Теплофизические и физико-химические процессы протекают внутри отдельных агрегатов выполненных из различных конструкционных материалов. 

Применяются различные методы обработки воды, которые делятся на два вида: 

1. Безреагентные (физические методы).

2. С использованием химических реактивов (химические методы), реагентные.

        Физические методы применяются в отдельных этапах технологического процесса, либо самостоятельно.

        Химические методы позволяют получить умягченную и  глубоко обессоленную воду. В процессе самые распространенные: термической обработки воды (физический метод) получают  дистеляд – без примесей воду. Иногда термической обработке предшествует химическая. Вода после обработки используется для следующих целей:

1. Это в качестве исходного вещества для получения пара в котлах, парогенераторах, ядерных реакторов кипящего типа, испарителях и т.д.

2. Для конденсации отработавшего пара в турбинах пара.

3. Для охлаждения различных аппаратов АЭС и ТЭС.

4. В качестве теплоносителя в тепловых сетях и системах ГВС (горячего водоснабжения).

Существует несколько источников загрязнения теплоносителя паро - водяных трактов:

1. Примеси добавочной воды.

2. Присосы в конденсат пара охлаждающей воды в конденсаторе.

3. Примеси загрязненного конденсата возвращаемого от внешнего потребителя.

4. Примеси искусственно - вводимые в паро - водяной тракт для коррекции водного режима (фосфаты, аммиак, гидрозин H2N - H2N).

5. Продукты коррозии конструкционных материалов.

Происхождение (генезис) примесей природных вод. Особенности состава примесей поверхностных и подземных вод. Закономерности изменения состава и концентрации примеси природных вод в зависимости от времени года и других факторов.

Различают воду:

1. Атмосферную (дождь, снег, град, туман);

2. Поверхностную (реки, озера, пруды, речной бассейн);

3. Подземные (грунтовые, артезианские, родниковые, шахты, колодцы и т.д.);

4. Морская вода (соленые озера, моря и океаны).

Кроме природного кругооборота в настоящее время существует производственно -бытовой кругооборот воды, созданный деятельностью человека. Характер и количество содержащихся в воде примесей определяет качество воды, показатели качества делятся: на физические, химические, бактериологические и биологические.

К физическим показателям качества относятся:

1. Тепло (температура сбрасываемой воды);

2. Цвет;

3. Запах;

4. Привкусы;

5. Радиоактивность;

6. Мутность.

К химическим показателям относятся: 

1. Наличие катионов и анионов;

2. Наличие растворенных газов;

3. Водородный показатель воды (pH).

К бактериологическим и биологическим показателям относятся:

1. Бактерии;

2. Вирусы;

3. Водоросли;

4. Лигнины - это сложное, полимерное соединение - содержащееся в клетках сосудистых растений (древесина).

В состав природной воды входит:

1. Соли - содержащиеся в виде ионов, молекул, комплексонов.

2. Органические вещества в молекулярном соединении, и в виде коллоидных растворов.

3. Газы в виде молекул и гидротированных соединений.

4. Диспергированные примеси - более крупные частицы.

5. Бактерии и вирусы. 

6. Гидробиониты, к ним относятся: планктон (органические вещества распределенные в толще воды); бентос - это  органические вещества и микроорганизмы, которые находятся в поверхностном слое воды. Во взвешенном состоянии в природных водах содержатся: глинистые, песчаные, гипсовые и известковые частицы. В коллоидном состоянии органические вещества, кремниевые кислоты и их соединения, гидроксид железа (Fe2O3), гуматы - в истинно - растворенном состоянии находятся минеральные соли.

Классификация природных вод и характеристика их примесей. Один из способов классификации был предложен гидрохимиком О.А. Алекиным, при этом химический состав природной воды, под которым Алекин понимал комплекс минеральных и органических веществ в различных и формах (ионно-молекулярная или коллоидная) подразделяется на 5 групп:

1. Главные ионы, которые содержатся в наибольшем количестве. К ним относятся ионы Na +, K +, Ca, + Mg 2+, сульфаты SO42 – , карбонаты 

CO3 2 –, хлориды Cl – и гидрокарбонаты HCO3 – .

2. Растворенные газы (O2, N2, CO2).

3. Биогенные элементы (соединения N, P и кремния).

4. Микроэлементы – соединения всех остальных элементов.

5. Органические вещества.

В этой классификации воды различаются либо по преобладающему в них аниону, это может быть гидрокарбонатный ион, карбонатный ион (HCO3 – , СО3 – ); сульфатные содержащие ионы SO4– , хлоридные содержащие ионы Cl  – , либо по преобладающему катиону: кальциевая вода (ионы Ca+), магниевая (Mg 2 +), натриевая (ионы Na +).

Кроме классификации Алекина существует классификация Кульского. Эта классификация основана на исследовании фазового состояния и дисперсности примеси. Он разделил примеси на 4 группы:

1. Гетерогенные системы (неоднородные) в виде суспензий и эмульсий, к этой группе он отнес тонкие взвеси, крупные взвеси, планктон и бактерии. Размеры этих частиц колеблются от 10 – 3 – 10 – 6 м.

2. Гетерогенные системы в виде коллоидно – растворенных веществ. Сюда относятся гидрофобные коллоиды, гуминовые вещества, вирусы. Размеры 10 – 6 – 10 – 9 м.

3. Гомогенные системы – молекулярно – раствореннные вещества. К ним относятся: растворенные газы, органические вещества и органические электролиты. Размер от 10 – 9 – 10 – 11 м.

4. Гомогенные системы: вещества диссоциированые на ионы. К ним относятся: катионы, анионы, органические вещества. Размеры от 

       10 – 9 – 10 – 11 м.

Характеристики примесей природных вод.

Электролитические свойства воды – они определяются присутствием в воде растворенными примесями, а также показателем активности водородных ионов pH. Чистая вода является слабым электролитом, диссоциация на ионы молекулы воды, описывается уравнением:

                         H2O = H +  + OH –                                     (1)

Константа диссоциации воды в соответствии с законом действующих масс, при температуре 250С (298 К) определяется соотношением:

                    K = aH+  aOH – / a H2O = 1,8   10 – 16    (2)

a – активность (ионов и молекулы воды).

Активностью – называется эффективная концентрация в растворе, которая в результате взаимодействия ионов (электростатического притяжения или отталкивания) имеет меньшее значение, чем фактическая концентрация:

                        а = fi  ci                                       (3) - активность ионов.

По степени дисперсности примеси природных вод, могут быть разделены на следующие группы:

1. Грубо – дисперсные примеси, с размерами частиц, более 100 нм (100 10 – 9  м).

2. Коллоидно-дисперсные частицы от 1 до 100 нм.

3. Истинно – растворенные с размерами меньше 1 нм.

Грубо – дисперсные примеси называемые суспензиями, эмульсиями или взвешенными веществами, обычно представляют собой, микрогетерогенные системы. Частицы имеют такие размеры, что практически в растворе невозможен процесс диффузии.

Способ очищения от грубо – дисперсных примесей:

1. Отстаивание.

2. Фильтрация.

2. Коллоидные примеси обладают седиментационной, а также агрегативной устойчивостью (под которой понимают неизменность дисперсного состава, в течение длительного времени).

В коллоидном состоянии в воде находятся кремниевые кислоты,                             соединения: Al, Fe и другие органические вещества.

3. Истинно – растворенные вещества, к ним относятся: отдельные ионы, молекулы или комплексы нескольких молекул. Вместе с водой они составляют гомогенную систему, нет поверхности раздела фаз.

 По химическому характеру (составу) примеси можно разделить на газовые, минеральные и органические.

Газовые примеси – газы, растворенные в воде O2, CO2, NO2 и газы образующиеся в результате биохимических процессов: SO2 – окисел серы, H2S -  сероводород, N (H3). 

К минеральным относятся: минеральные растворенные соли.

Органические вещества. Они представлены в воде в виде гумосовых веществ, которые вымываются из почвы, или торфяников, придавая воде желтоватую окраску. Присутствие органических веществ определяет такую характеристику как цвет, цветность.

Гумосовые вещества можно разделить на 3 группы:

1. Гуминовые кислоты:

C60 H52 O 24 (COOH)4 

Она находится в коллоидном состоянии, при больших pH в истинно – раствореннных состояниях.

2. Коллоидные соединения – фульвокислот.  

3. Истинно – растворенные соединения – тех же фульвокислот. Имеют в своем соединении N2. 

Водород H гуминовых кислот – карбоксильной группы СOOH, легко может замещаться катионами с образованием солей, которые называются гуматами.

Гуматы щелочных металлов (K, Na) и аммония хорошо растворимы в воде. Гуматы Ca, Fe, Mg трудно растворимы в воде.

Соли фульвокислот с ионами Na, K, Fe 2 +  хорошо растворимы в воде.

Соли фульвокислот с ионами Al 3+ и Fe 3+ трудно растворимы.

В коллоидном состоянии присутствуют соединения – нефтепродуктов, фенолы, поверхностно – активные вещества, ароматические вещества (соединения).

Ионный состав примесей воды характеризуется присутствием в ней катионов и анионов.

Катионы Na и K относятся к числу устойчивых примесей воды. Они не образуют трудно растворимых солей и не вступают в реакцию с водой, т.е. не подвергаются гидролизу (гидролиз – химическое взаимодействие солей с водой, ведущее к образованию слабого электролита).
Обычная концентрация СK+ в природной воде составляет менее 10% от СNa+, поэтому на практике они не разделяются.
Суммарное содержание ионов этой группы определяется через концентрацию ионов Na+.
Очистить воду от ионов Na+ и K+ можно в результате испарения или разбавления.

Ионы Ca и Mg относятся к числу важнейших примесей воды, т.к. они образуют трудно – растворимые соединения(с анионом CO3– ), которые могут выпадать на поверхностях нагрева.
Можно оценить возможность выпадения таких солей по произведению растворимости.

Ионы аммония.

Ионы аммония NH4+ присутствуют в воде в небольших количествах и образуются при распаде органических соединений. В присутствии кислорода, соединений азота в воде, окисляются до нитрат ионов. При недостатке кислорода в воде происходит восстановление азотосодержащих органических веществ, в частности повышается концентрация ионов аммония. В том случае, когда повышается содержание азота, происходит зацветание водоема.

Ионы железа.

Ионы железа характеризуются полевалентностью, они могут находиться в закисной Fe 2+ и окисной Fe 3+. Можно определить обратный логарифм произведений растворимостей соединений (FeOH)2 и (FeOH)3.

p ПР(FeOH)2 = 14,75               при 25 0 С,

p ПР(FeOH)3 = 37,2

поэтому для подержания равновесного содержания в воде железа, необходимо высокие значения pH для закисного железа, примерно 9,2, а для окисного pH = 3,5.

Для природных вод с высокими значениями pH ионы Fe 3+ не могут содержаться в воде и все соединения с таким ионом железа находятся либо в коллоидной, либо в грубодисперсной форме.

Бикарбонат ионы.

Бикарбонат ионы (HCO3 –) – они являются важнейшей составляющей солевых компонентов пресной воды. Иногда бикарбонат ионы называют полусвязанной углекислотой, кроме этих ионов в воде содержатся ионы связанной углекислоты (CO3–), а также свободная углекислота, которая представляет собой растворенный углекислый газ CO2 и его гидрата H2CO3.