И. Малахов, д.т.н., А. Храмчихин, В. Рахамимов к.т.н.,Г. Малахов.
НИИ ВОДГЕО – АО «Мосэнерго» – «American Enviro Care, Inc» – «Central Evropean Vniversity»
На ТЭС, АЭС, в паровых и водогрейных котельных осуществляется глубокая очистка технологических потоков воды и конденсата от дисперсных примесей различной природы.
Традиционная техника очистки воды от взвешенных примесей, применяемая в энергетике и других отраслях промышленности, ориентируется на механические фильтры с зернистой загрузкой. Недостатками этих фильтров являются низкие скорости фильтрования — 5—8 м/ч, соответственно большие площади для размещения механических фильтров, невысокое качество фильтрата (5—15 мг/л в зависимости от вида загрузочного материала и исходного содержания взвеси), существенные затраты на ремонт и обслуживание фильтров, значительные расходы воды на собственные нужды.
В настоящее время в России и за рубежом разработаны и применяются механические фильтры нового поколения, имеющие ряд преимуществ перед зернистыми фильтрами. Это автоматические самоочищающиеся фильтры (АСФ), отличающиеся высокой производительностью.
На водозаборных установках, станциях и в системах технического водоснабжения АСФ обеспечивают эффективное удаление твердых частиц, песка, ила, планктона, продуктов коррозии металла.
Выбор АСФ для фильтрации природных вод должен быть увязан с определением гранулометрического состава взвешенных примесей. Для природных вод характерны следующие приблизительные размеры частиц взвеси*, мм:
- песок крупный — 1,0; средний — 0,5; мелкий — 0,1;
- ил крупный — 0,05; средний — 0,027; мелкий – 0,01-0,005;
- глина — 0,0027; тонкая глина — 0,001 – 0,0005.
Применение АСФ в системах техводоснабжения снижает изнашиваемость оборудования, предотвращает отложения в трубопроводах, клапанах, биообрастания в градирнях, загрязнение поверхностей теплообмена, засорение разбрызгивающих форсунок и др. В качестве первой ступени очистки применяют модель HCF — фильтры с высокой производительностью до 40 000 м3/ч, которые монтируются на трубопроводах.
Этот фильтр идеально применим для электростанции и промышленных предприятий, потребляющих большое количество воды. На рис. 1 показан разрез корпуса одного из возможных видов исполнения фильтра.
Очищаемая вода поступает в фильтр через подвод 1, фильтруется через сетку 2 и выходит из фильтра через выпуск 3. По мере того, как задержанные загрязнения аккумулируются на внутренней поверхности сетки, образуется перепад давления. При определенном значении перепада давлений или через определенный интервал времени контрольное устройство открывает промывочный клапан 4, создавая тем самым обратный поток, открытый атмосфере. Обратный поток создает всасывающий эффект в соплах 5, очищая поверхность мелкой сетки, расположенной непосредственно перед отверстием сопел. При этом обратный поток воды течет через коллекторный трубопровод 6 и далее через камеру загрязнений 7 к промывочному клапану. Электродвигатель 8 вращает коллекторный трубопровод, а поршень 9 вызывает его осевое движение. Комбинация вращательного и возвратно-поступательного движений обеспечивает охват всасывающими соплами всей поверхности сетки. После окончания промывки промывочный клапан закрывается и двигатель останавливается. Узел коллекторного трубопровода возвращается в исходное положение.
В системах прямоточного и оборотного водоснабжения применяют АСФ модели MCFM — непрерывно промывающиеся фильтры для больших расходов очищаемой воды (до 750 м3/ч) и высокой грязевой нагрузки. На рис. 2 показан разрез корпуса фильтра модели MCFM, принцип работы которого аналогичен рас¬смотренной выше модели HCF.
1 — патрубок; 2— турбина; 3 — лопасть коллектора; 4— труба коллектора; 5— сопла; 6— мелкая сетка; 7— выпускной патрубок; 8 — камера загрязнений; 9 — клапан давления; 10 – бустерный насос; 11 — полый вал трубы коллектора; 12 — распылительные сопла; 13 — гидравлический поршень.
Размер отверстий плоской сетки 50, 80, 100, 120, 150,200,400, 800, 1500, 3000 мк. При необходимости могут быть подобраны сетки и с меньшим размером отверстий вплоть до 15 мк.
MCFM обеспечивает удаление водорослей, моллюсков, зоопланктона и червеобразных организмов, очистку от окалины, песка, снижает потребность в хлорировании воды. Может применяться для предварительной фильтрации перед песчаными фильтрами.
В схемах водоподготовки АСФ могут быть использованы в качестве альтернативы применяемым традиционным механическим фильтрам (МФ) с зернистой загрузкой, либо в качестве дополнительной предварительной ступени очистки. В последнем случае АСФ разгружают МФ от задержания грубой природной взв¬си, позволяют использовать мелкозернистый материал, увеличивают продолжительность фильтроцикла МФ без увеличения перепада давления, повышают степень очистки воды от взвешенных веществ.
Наиболее универсальная модель АСФ, которая может успешно применяться как в схемах водоподготовки, так и в системах прямоточного и оборотного водоснабжения – это МЗХХ и М4ХХ производительностью от 20 до 1100 м3/ч.
Фильтр включает три основных элемента: сектор грубой очистки для улавливания крупных частиц, которые могут повредить рабочие части; сектор фильтрации с мелкой сеткой; камеру, включающую гидравлический двигатель (внутри), клапаны и поршень (снаружи).
В режиме фильтрации по мере прохождения воды через фильтр на мелкой сетке задерживаются частицы. Это ведет к постепенному увеличению перепада давлений на сетке. Когда он достигает заданного уровня, начинается цикл очистки сетки. В цикле очистки создается обратный поток воды, который очищает участок на сетке, расположенный непосредственно напротив сопла. Вода с загрязнениями, проходя через гидравлический двигатель, создает вращательное движение коллектора. В это же время поршень приходит в осевое поступательное движение. Совмещение осевого поступательного и вращательного движений дает возможность охватить соплами всю по верхность сетки целиком, полностью очищая ее. Как только загрязнения вычищаются из мелкой сетки, перепад давлений исчезает. Контрольное устройство промывки дает команду закрыть гидравлический клапан и возвратить поршень в исходное положение. С этого момента фильтр находится в позиции готовности к следующему промывочному циклу.
Опыт применения описанной модели на потоке добавочной воды в системе оборотного охлаждения нефтеперерабатывающего завода показал следующее. Были использованы два фильтра модели М312Р с размером сеток 50 мк, которые заменили ранее применявшиеся песчаные фильтры. При гранулометрическом составе загрязняющей взвеси: 40— 90 мк (62 %), 10-40 мк (28 %) и менее 10 мк (10 %) задерживалось 55 % общего количества взвешенных веществ. Фильтр включался на самопромывку каждые 20 мин при достижении перепада давлений на сетках 0,09 МПа.
В настоящее время имеется уже 5-летний опыт успешной эксплуатации. Ручная очистка мелкой сетки не требуется. Весьма важно также, что процесс промывки идет без перерыва в подаче воды.Стандартные характеристики фильтра следующие:
- минимальная величина давления в системе 0,2 МПа;
- рабочее максимальное давление 1 МПа;
- потери напора при условии чистой сетки и максимального потока 0,02 МПа;
- максимальная температура жидкости** 65 °С.
При использовании соответствующей модели возможен и высокотемпературный режим фильтрации до 95 °С. Одно из основных достоинств АСФ — малые габариты при высокой производительности. В таблице приведены показатели габаритов (расстояния для установки) и массы АСФ модели МЗХХ и М4ХХ.
Таблица 1. Показатели габаритов и массы АСФ
| Максимальный расход, м3/час | Расстояние для установки, мм | Масса*, кг | ||||
| M3XX(L) | МЗХХР(1) | M4XXP(L) | М3ХХ | МЗХХР | M4XXP | |
| 20 | 560 | 150 | – | 40 | 40 | – |
| 40 | 604 | 205 | 205 | 45 | 43 | 53 |
| 80 | 748 | 300 | 300 | 55 | 52 | 63 |
| 150 | 910 | 450 | 450 | 96 | 92 | 116 |
| 200 | – | 900 | 900 | – | 125 | 148 |
| 300 | 1176 | 900 | 900 | 140 | 135 | 170 |
| 400 | 1340 | 1100 | 1100 | 220 | 212 | 280 |
| 600 | 1450 | 1100 | 1100 | 285 | 274 | 345 |
| 900 | 1532 | 1270 | 1270 | 325 | 290 | 365 |
| 1100 | – | 1270 | 1270 | – | 350 | 450 |
Наиболее глубокое удаление взвеси достигается при использовании модели с большой сеткой типа «зиг—заг» с размерами отверстий 15—25 мк. Такая модель может применяться и в схемах водоподготовки перед ионитными фильтрами, в том числе после коагуляции. Как известно, обычно размер хлопьев при эффективной коагуляции составляет 0,5—3 мм. Меньшие размеры характерны при обработке цветных вод. Однако практически весь диапазон размеров выносимых из осветлителей нескоагулированных частиц выше размера отверстий в применяемых сетках — 15—50 мк.
Целесообразность применения рассматриваемой модели очевидна и для удаления продуктов коррозии из обратной сетевой воды систем теплоснабжения, особенно в периоды ее «разворота», после нахождения в ремонте, когда содержание железа поднимается до 1 мг/л и более. Это позволит предотвратить занос поверхностей нагрева пиковых котлов и бойлеров продуктами коррозии.
Рассматриваемая модель АСФ может найти применение и для обезжелезивания подземных вод и рассолов, очистки возвращаемых на ТЭЦ и в котельные производственных конденсатов и других потоков, содержащих окислы железа. В производственном конденсате, подлежащем обезжелезиванию на конденсатоочистке ТЭЦ, соединения железа на 40—50 % находятся в форме тонкодисперсной взвеси гидратированных окислов железа (с размерами частиц менее 0,5 мк), являющихся продуктами низкотемпературной коррозии пароконденсатного тракта. Остальная часть соединений железа 50—60 % содержится в форме взвеси более крупной дисперсности (более 10 мк), часть которой составляет взвесь, обладающая ферромагнитными свойствами (закись — окись FезО4), а из немагнитных модификаций чаще всего присутствует взвесь Fе2Оз. Следовательно, установка на конденсатоочиcтке АСФ рассмотренной модели позволит добиться удаления 50—60 % железа из обратного конденсата.
Для глубокой очистки воды вплоть до размеров удаляемых частиц 3 мк рекомендуются АСФ модели MTG. Эти фильтры обеспечивают защиту чувствительных к загрязнениям ионитов, предохраняют от загрязнения мембраны обратноосмотических установок (ООУ), кондиционируют питьевую воду. Максимальная производительность 200 м3/ч\ Фильтрующей средой является многослойная обмотка тонкой текстильной нити на пластмассовых кассетах. Аккумулирование загрязнений на наружной и внутренней поверхностях слоев нити приводит к перепаду давления. При определенном уровне перепада давлений или через определенный интервал времени контрольное устройство приводит в действие механизм промывки фильтра. Промывной насос подает воду под напором к движущейся возвратно-поступательно трубе с форсунками, которые распыляют воду на поверхность кассет. Промывные струи пронизывают слой нити, ударяются о пластмассовую основу кассет и выходят наружу. Возвратный поток выносит задержанные загрязнения из кассет в корпус фильтра и через клапан загрязнений наружу.
Поршневой узел создает осевое движение форсунок. После завершения осевого движения специальный механизм синхронизации перемещает кассеты в новое положение. После того, как набор кассет сделает полный оборот, фильтр чист и вновь готов к очистке поступающей воды.
Для решения вопроса о целесообразности использования АСФ в цикле ТЭС и АЭС необходимо учитывать фазово-дисперсное состояние продуктов коррозии в рабочей среде энергоблоков. Продукты коррозии* конструкционных материалов (окислы и гидроокислы железа) находятся, в основном, в коллоидном и грубодисперсном состояниях с широким спектром дисперсности(от 0,001 до 10 мк).
Для обезжелезивания турбинного конденсата на некоторых ТЭС применялись электромагнитные флокуляторы (ЭМФл), устанавливаемые перед механическими фильтрами БОУ. В результате флокуляции на ЭМФл в конденсате увеличивается процентное содержание частиц более крупного размера: вместо частиц 1,5— 4,0 мк начинают преобладать частицы 10—40 мк. Следовательно, АСФ с размерами отверстий фильтрующих сеток 3—15 мк могут найти применение и в пароводяном цикле мощных энергоблоков для удаления продуктов коррозии из дренажных потоков и турбинного конденсата вместо механических фильтров. При этом необходимо учитывать фактор температуры рабочей среды теплоносителя и выбирать соответствующую модель.
На многих электростанциях и в котельных отсутствуют свободные производственные площади для размещения предочистки (осветлителей, МФ, установок для гашения извести и приготовления раствора коагулянта и известкового молока, оборудования для обезвоживания и утилизации шлама).
В качестве примера можно привести ряд ТЭЦ АО «Мосэнерго», расположенных в черте города и работающих на водопроводной воде. В связи с высокой стоимостью последней, а также исходя из требований органов природоохраны, эти ТЭЦ должны перейти с использования водопроводной воды на москворецкую, характеризующуюся более высоким содержанием взвешенных веществ и органических примесей. В условиях дефицита производственных площадей оптимальным решением становится использование АСФ в сочетании с применением органопоглощающих ионитов в схемах химобессоливания(макропористой или акриловой структуры). В этом случае выход из положения может быть решен установкой двух или трех ступеней АСФ различной модели.
В связи с этим представляет интерес организация схемы водоснабжения и очистки воды на ряде зарубежных электростанций, исключающая использование узла коагуляции с известкованием (рис. 3).
Как видно из рис. 3, в качестве первого этапа грубой очистки общего потока технической воды, поступающей на ТЭЦ, применяется модель HCF с большими размерами отверстий фильтрующих сеток 1500—3000 мк. Задача этой ступени — отделение крупных загрязнений.
На втором этапе очистки используются фильтры модели MCFM с размерами отверстий фильтрующих сеток 300—800 мк в зависимости от дисперсного состава взвеси. Этот этап обеспечивает доведение качества технической воды по содержанию взвешенных веществ, мутности, цветности до наиболее общих требований потребителей. Необходимость дальнейшей очистки определяется конкретными требованиями потребителей к качеству используемой воды. По условиям работы оборудования рекомендуется установка дополнительных фильтров моделей МЗХХ и М4ХХ с размерами отверстий 50— 150 мк, а подготовка воды для ионообменной установки предусматривает тонкую очистку на фильтрах модели MTG, удаляющих частицы с размерами вплоть до 3 мк.
Подводя итог рассмотрению различных АСФ, необходимо отметить важность вопроса выбора не только оптимальной модели для каждого технологического потока воды, но и оптимальной конфигурации и длины сетки, а главное — размеров отверстий.Совокупность этих факторов определяет наиболее эффективный и экономический режим работы при минимально необходимой частоте самопромывок. Другими словами, выбор каждой модели должен быть обоснован показателями состава исходной воды и гранулометрического состояния взвешенных веществ, требованиями к чистоте получаемой воды, а также параметрами системы водопользования. В настоящее время более 15 тыс. АСФ широко применяются в десятках стран мира в самых различных отраслях промышленности. По-видимому, давно назрела необходимость в использовании АСФ на предприятиях России и в первую очередь в энергетике. При равной производительности стуени фильтрации на АСФ и на традиционных механических фильтрах с зернистой загрузкой, затраты на приобретение сопоставимы, а с учетом эксплуатационных расходов применение АСФ значительно экономичнее.
Литература
- Кульский Л.А., Строкам П.П. Технология очистки природных вод. — Киев: Вища школа, 1981. – 328 с.
- Кульский Л.А, Никорчезская В.Ф. Химия воды: Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод. — Киев: Вища школа. 1983. – 240 с.
- Руководящие указания по эксплуатации и проектированию электромагнитных устано¬вок обезжелезивания конденсата тепловых электростанций. — М.: СПО Союзтехэнерго, 1981. – 30 с.