Технологические аспекты выбора оптимальных схем обессоливания питательной воды парогенераторов ТЭС и промышленных предприятий

Малахов И.А. , доктор техн. наук, Аскерния А.А. , Боровкова И.И. , кандидаты техн. наук, Малахов Г.И. , инж. ООО «Энергоэкосервис»1 — НИИ КВОВ — ОАО «Теплоэлектропроект»3 — компания «Дау Кемикл»4

Рассмотрена проблема использования технологии обратноосмотического обессоливания воды в схемах водоподготовительных установок российских ТЭС и других предприятий.

   До настоящего времени на большинстве ТЭС России основным методом подготовки воды для питания парогенераторов высокого (13,8 МПа) и сверхкритического давления остается Н-ОН-ионирование, а среднего (3,9 МПа) и высокого (9,8 МПа) давления - Na- или Н-Na-катионирование. Оба метода обработки осуществляются преимущественно по прямоточной технологии, которая на сегодняшний день морально устарела. Физически изношено и оборудование, на котором осуществляется подготовка воды. Таким образом, можно сказать, что назрела необходимость в переходе к более современным технологиям, а следовательно, и к выработке стратегических направлений реконструкции отечественных водоподготовительных установок (ВПУ)

В мировой практике водоподготовки этот путь давно пройден: прямоточное ионирование сменилось более совершенными противоточными технологиями третьего поколения, такими как АПКОР, Швебебед, Пьюропак, Амберпак и др., обладающими более высокими технико-экономическими показателями. Однако в связи с наметившейся тенденцией широкого, но не всегда оправданного их распространения на ТЭС России, следует указать на некоторые особенности этих технологий. Прежде всего они ориентированы на использование дорогостоящих монодисперсных смол определенного класса. Поэтому предприятия, получающие лицензии на применение указанных технологий, обязуются приобретать на досыпку фильтров смолы только данного класса.
Основным недостатком этих технологий, по мнению авторов настоящей статьи, является ионообменное обессоливание (ИО) в одну ступень. Отсутствие барьерной ступени существенно снижает надежность получения воды нормативного качества. Последнее особенно важно, так как при глубоком обессоливании в одну ступень будут наблюдаться резкая отработка слоя ионита и соответственно повышенный «проскок» Na и/или SiO3 . Кроме того, такая схема весьма чувствительна к присутствию в воде органических соединений. При их повышенном содержании в исходной воде происходят существенные отклонения в режиме работы указанной схемы. Так, при сравнительно быстрой отмывке «цепочки» (содержание Na+ и SiO3 ~ в пределах нормы) требуется длительная отмывка анионитных фильтров по органическим соединениям, которые проявляют себя окраской в присутствии фенолфталеина и повышенными значениями электропроводности (более 2 мкСм/см). Из-за отсутствия второй ступени значительные расходы обессоленной воды сбрасываются в дренаж. Применение рециркуляции с подачей отмывочной воды на вход установки не улучшает ситуацию, так как возвращает десорбированную «органику» снова на фильтры.
   Повышенные объемы ионитной загрузки увеличивают длительность фильтроциклов, что при повышенном содержании «органики» в поступающей воде увеличивает вероятность загрязнения смол. Предусматриваемые в таких случаях частые химические очистки загрузочного материала связаны с повышенными расходами реагентов и обессоленной воды как на проведение самих химических промывок, так и на последующий перевод ионитов в рабочее состояние. В результате существенно ухудшаются показатели удельных расходов реагентов в целом по установке.
   Организация схемы в виде «цепочки» приводит, как правило, к недоиспользованию обменной емкости одного из фильтров, что обусловлено полной загрузкой Н-и ОН-фильтров ионитами для обеспечения условий зажатия слоя и невозможностью регулирования соотношения объемов катионита и анионита изменением высоты их загрузки.
   Загрузка фильтров смолой (практически до уровня верхнего сборно-распределительного устройства) исключает возможность регулярного проведения взрыхляющей промывки слоя в свободном пространстве. В связи с этим предъявляются весьма жесткие требования к качеству поступающей осветленной воды (содержание взвешенных веществ не более 1 мг/л). На большинстве же российских ТЭС, имеющих осветлители устаревшей конструкции, достигнуть указанного норматива не удается. Последнее обстоятельство снижает преимущества указанных прогрессивных технологий. Загрязнение верхних слоев загрузки взвесью при фильтровании недостаточно очищенной воды приводит к росту перепада давления на фильтре, уменьшению его производительности и ограничению фильтроцикла.
   Серьезные проблемы возникают и при реконструкции под указанные технологии отечественных фильтров большого диаметра (3,0 и 3,4 м), так как для этого следует изменить конструкцию дренажно-распределительных систем. Использование для таких фильтров лучевых дренажных систем с двусторонними колпачками требует усиленного крепления лучей, что вызвано повышенными расходами воды на подъем и зажатие слоя катионита. Для применения же дренажно-распределительных устройств в виде «ложного» днища необходимы существенные изменения в самой конструкции фильтров.
   Кроме того, над верхним сборно-распределительным устройством создается «мертвый» объем, который вынужденно заполняется инертным материалом (6,0...6,5 м3 на фильтр диаметром 3,4 м), стоимость которого сопоставима со стоимостью анионообменной смолы.
Из схемы ИО зачастую неоправданно исключается установка декарбонизатора между Н- и ОН-фильтрами. В тех случаях, когда декарбонизатор сохраняется, он устанавливается после Н-фильтров. В связи с этим требуются замена насосов декарбонизованной воды на кислотостойкие, а также применение антикоррозионных покрытий баков и трубопроводов декарбонизованной воды.
Стоит отметить и необходимость соблюдения высокой культуры эксплуатации при использовании рассматриваемых ионообменных технологий. Так, при переводе ионита во взвешенное состояние как при регенерации (АПКОР), так и при ионировании (Амбер-пак) требуется эффективное зажатие слоя. Малейшее отклонение от этого условия приводит к перемешиванию слоев ионита и ухудшению качества обработанной воды. Поэтому необходима автоматизация этих процессов.
   Таким образом, имеющийся к настоящему времени опыт эксплуатации указанных технологий на электростанциях России недостаточен для их широкого распространения в энергетике. Поэтому при принятии решений о целесообразности внедрения указанных технологий на ТЭС требуется взвешенный подход.

   В то же время имеет смысл в качестве альтернативы рассматривать схемы обессоливания с использованием мембранной технологии. В схемах подготовки питательной воды для парогенераторов высокого и сверхкритического давления из-за стереотипности подходов метод обратного осмоса еще не нашел широкого применения.
В России эта технология начала развиваться с начала 70-х годов. Однако ее использование в промышленных масштабах, в том числе и в энергетике, сдерживалось низким качеством отечественных мембран и комплектующих материалов, а также отсутствием возможности приобретения качественных мембранных элементов зарубежного производства.
   Достоинства мембранной технологии — простота эксплуатации, малая энергоемкость процесса разделения, компактность оборудования, незначительные расходы реагентов. В последние годы конкурентоспособность обратного осмоса (ОО) резко возросла, что обусловлено ужесточением норм на сброс концентрированных солевых стоков, повышением цен на воду, реагенты и ионообменные материалы. По многим позициям эти цены эквивалентны западным, а по импортным ионитам даже превышают их вследствие дополнительных расходов на транспорт, растаможивание и посреднические услуги. Последние в отдельных случаях достигают более 50 % стоимости у зарубежных фирм -производителей ионитов.
   Экономичность обратного осмоса по сравнению с ионообменным обессоливанием в широком диапазоне солесодержаний исходной воды подробно обоснована в работах А.П. Мамета, О.И. Мартыновой, Ю.А. Ситняковского и др. [1-6]. Примерами успешного внедрения на электростанциях России в последние годы являются установки производительностью 50 м /ч, использующиеся на ТЭЦ-23 Мосэнерго, 166 м /ч — на Нижнекамской ТЭЦ-1, 200 м3/ч — на Воронежской ТЭЦ-1, 90 м /ч — на ТЭЦ Магнитогорского металлургического комбината, 50 м /ч — на Новомосковской ГРЭС, Норильской ТЭЦ-1 и Уфимской ТЭЦ, 100 м /ч — на энергоблоке Таганрогского автомобильного завода и в котельной Рязанского нефтеперерабатывающего завода и на других предприятиях.
   С учетом изложенного целью настоящей статьи является рассмотрение возможных вариантов применения обратного осмоса в технологических схемах ВПУ ТЭС и других промышленных предприятий.

   Наиболее высокие требования предъявляются к добавочной воде энергоблоков сверхкритических параметров, для достижения которых на ТЭС традиционно используется схема трехступенчатого ионообменного обессоливания. Альтернативой трехступенчатому химобессоливанию является схема, включающая ОО с последующей обработкой пермеата на фильтрах смешанного действия (ФСД) или по схеме раздельного Н- ОН-ионирования [5, 6]. Остаточное содержание примесей в пермеате зависит от степени минерализации воды, поступающей на ОО. При малой минерализации исходной воды — 40... 100 мг/л, жесткости в пределах 1 мг-экв/л, низких содержаниях Na —0,3...0,5 мг-экв/л и кремнекислоты - 2...3 мг/л качество пермеата ОО будет аналогично качеству обессоленной воды после второй ступени ионообменного обессоливания: электропроводность < 2 мкСм/см, солесодержание 0,3...0,6 мг/л, содержание Na < 80 мкг/л, SiO2 < 100 мкг/л. В этом случае для дообессоливания пермеата возможно применение ФСД, так как условия его эксплуатации не будут отличаться от условий работы третьей ступени ИО.

Читать далее