Материал: Пластинчатые теплообменники

Непосредственно в процессе пуска в эксплуатацию и в последующих отопительных сезонах 2001-2003 гг. наше предприятие столкнулось с серьезными трудностями, выразившимися в невозможности передачи требуемого количества тепла через ПТО и, следовательно, в невозможности поддержания проектного температурного

графика в тепловых сетях ряда котельных при низких температурах наружного воздуха - приблизительно при -15 °С и ниже. Как показало проведенное обследование, причина заключалась в интенсивном загрязнении поверхности нагрева теплообменников по сетевой стороне продуктами коррозии железа (г. Дзержинск) и накипью (г. Сергач). В качестве иллюстрации на рис. 3 - представлена фотография образца отложений, извлеченного из теплообменника в г. Сергач, на рис. 4 -фотография пластины, извлеченной из теплообменника в г. Дзержинске.

Загрязнение теплообменников также оказывало негативное влияние на гидравлический режим тепловых сетей. При расчетном гидравлическом сопротивлении теплообменников 0,4 кгс/см2, фактическое его значение достигало 2,0-2,5 кгс/см2, после чего теплообменники поочередно подвергались разборке и механической чистке. Механическая очистка пластинчатого теплообменника оказалась сложной и длительной по времени операцией (очистка 1 теплообменника бригадой из 3-х человек занимала 6-8 ч.), что в условиях отопительного сезона приводило к ограничению подачи тепла потребителям.

Ситуация усугублялась также тем обстоятельством, что из-за большого расхода подпитки (до 10 раз больше норматива) длительное время не удавалось наладить надежное функционирование систем реагентной водоподготовки. Качество сетевой воды в первый год эксплуатации не отвечало никаким нормам и на ряде котельных было таким, что теплообменники загрязнялись в течение 2-3 недель.

Нескончаемый поток жалоб от потребителей поставил под сомнение саму идею реконструкции котельных, в ходе которой производилась замена устаревшего оборудования - чугунно-секционных котлов на современные автоматизированные жаротрубные котлоагрегаты, пластинчатые теплообменники и пр.

.3 Опыт борьбы с загрязнениями пластинчатых теплообменников

В сложившихся условиях с февраля 2002 г. на предприятии была развернута планомерная работа по анализу причин нарушений в работе теплообменников и разработке мероприятий по стабилизации теплового и гидравлического режимов отпуска тепловой энергии.

На первом этапе был организован непрерывный мониторинг химического состава исходной и сетевой воды по основным показателям (прозрачность по шрифту, содержание железа, рН, жесткость, концентрация реагента и др.), налажен контроль состояния загрязненности теплообменников по простейшему показателю - перепаду давления.

Анализ полученной информации по результатам работы в отопительных сезонах 2001 -02 гг. и 2002-03 гг. позволил сделать выводы об истинных причинах, приводящих к быстрому загрязнению пластинчатых теплообменников. В г. Сергач исходная, а, следовательно, и сетевая вода, имеет высокую жесткость (15-20 мг•экв/кг). Этим определяется ее высокая склонность к накипеобразованию и сравнительно низкая коррозионная агрессивность (индекс стабильности положительный). При этом исходная вода прозрачна, не содержит большого количества механических примесей и железа. Вследствие низкой интенсивности процессов коррозии трубопроводы теплосетей и внутренних систем отопления не загрязнены большим количеством железо-окисных отложений, скопившихся за предыдущий период эксплуатации.

Поэтому, отложения на поверхностях нагрева твердые, от светло-серого до коричневого цвета, состоят на 80% из карбоната кальция с вкраплениями твердых частиц продуктов коррозии железа. Толщина слоя отложений достигала 0,6-0,8 мм. Скорость образования отложений достаточно высока - за 1,5-2 месяца достигался критический перепад давления по сетевой стороне - 2,5 кгс/см2.

Ситуация в г. Дзержинске кардинальным образом отличалась. Исходная водопроводная вода в г. Дзержинске - относительно мягкая (общая жесткость 4,0-5,0 (мг•экв/кг), периодически наблюдается значительное превышение санитарных норм по содержанию железа (до 2-3 мг/кг). При рН = 6,5-7,5 и нагревании до рабочей температуры в теплосети такая вода сохраняет отрицательный индекс стабильности, т.е. является коррозионно-агрессивной (при невысокой склонности к накипеобразованию).

За предшествующий период эксплуатации (более 30 лет) в системах теплопотребления абонентов и теплосетях скопилось огромное количество продуктов коррозии железа и других механических примесей. К этому необходимо добавить то обстоятельство, что жилищно-эксплуатационные организации традиционно (по крайней мере, предшествующие 5-10 лет) практически не готовили жилой фонд к зиме, т.е. такие важные операции, как опрессовка и промывка внутренних систем отопления (ВСО) практически не проводились.

После ввода в эксплуатацию реконструированных котельных, наладки гидравлического режима теплосетей, поток загрязнений из ВСО хлынул в сеть, что привело к быстрому загрязнению пластинчатых теплообменников.

Типичная динамика изменения прозрачности сетевой воды в системах теплоснабжения г. Дзержинска представлена на рис. 5.

Отложения на поверхностях нагрева ПТО в г. Дзержинске имеют ярко выраженный железо-окисный характер: рыжего цвета; слой, прилегающий к поверхности пластин - твердый, прочно сцеплен с металлом пластины; наружный слой - рыхлый, при высыхании образует тонкодисперсную пыль. Средний состав отложений: оксиды железа - 80-90%; карбонат кальция - 5-10%; оксид кремния и др. - 5-10%.

Эквивалентная толщина слоя отложений -0,3-0,7 мм.

На основании анализа всей имеющейся информации были разработаны мероприятия по стабилизации работы систем теплоснабжения и теплообменного оборудования котельных г. Дзержинска и г. Сергач с учетом местной специфики.

Реализация мероприятий, планомерно проводилась в период с 2002 по 2004 гг. и в настоящее время в основном закончена. Так, в отопительном сезоне 2002 - 2003 гг. были полностью завершены наладочные работы на тепловых сетях всех 18 котельных г. Дзержинска. Начиная с 2002 г. в летний период стали проводиться гидравлические испытания теплотрасс на прочность и плотность, что позволило существенно сократить объем подпиточной воды. К окончанию отопительного сезона 2003 -2004 гг. удалось снизить расход подпиточной воды по котельным г. Дзержинска в 2,5 раза, по котельным г. Сергач в 3 раза.

.4 Опыт проведения химических промывок ПТО

В 2002-2003 гг. на предприятии отлаживались процедуры проведения химических промывок ПТО. Были сконструированы и изготовлены 2 установки для химической промывки оборудования (рис. 6). Весь парк теплообменников оснащен патрубками Dy 40 с запорной арматурой для присоединения промывочной установки. Разработаны и внедрены технологии промывки с использованием различных моющих составов.

Сложность подбора реагентов заключалась в том, что необходимо было подобрать реагент комбинированного действия, одинаково эффективно отмывающий карбонатную накипь и оксиды железа. Промывочный раствор также должен содержать ингибиторы, предохраняющие металлические поверхности нагрева теплообменников (нержавеющая сталь AISI 316) и подводящие патрубки от коррозионного износа при промывках. На основании полученного опыта можно рекомендовать к применению следующие химреагенты комбинированного действия (см. табл. 2).

К недостаткам метода безразборной химической промывки ПТО следует отнести:

. Сравнительно высокую стоимость, выражающуюся в затратах на реагенты и оплату труда квалифицированного персонала. По нашим оценкам, себестоимость химической промывки одного ПТО тепловой мощностью 4-6 МВт составляет 6-10 тыс. руб.

. Большие затраты времени и трудозатраты. Химическая промывка одного ПТО со всеми сопутствующими процедурами (транспортировка установки, подключение/отключение, нейтрализация отработанного раствора, отмывка и т.д.) занимает по времени 1 рабочую смену (8 часов) при численности бригады 2-3 человека, т.е. 3x8 = 24 чел/ч.

. Сложности, возникающие при утилизации отработанного промывочного раствора.

. Имеется вероятность повреждения пластин, патрубков теплообменников при нарушении технологии промывки.

К безусловным достоинствам метода следует отнести:

. Высокое качество отмывки (при плотных отложениях механическая очистка эффекта не дает).

. Продление ресурса эксплуатации уплотнительных прокладок, которые составляют до 50% от стоимости ПТО в сборе. (По опыту известно, что ресурс прокладок зависит от рабочей температуры и составляет 6-8 разборок при сроке эксплуатации около 5 лет).

. Возможность проведения работ в стесненных условиях (например, в котельных блочно-модульной конструкции механическая очистка ПТО практически невозможна, требуется демонтаж и вывоз пластин в приспособленное помещение).

Обобщая накопленный опыт химических промывок ПТО можно также дать следующие рекомендации по их проведению:

. ПТО должны иметь исправную запорную арматуру по всем потокам, максимально приближенную к портам теплообменника. По сетевой стороне между ПТО и запорной арматурой целесообразно иметь фланцевое соединение под установку заглушки на период промывки.

. ПТО должны быть оснащены дренажами, воздушниками и КИП (манометры, термометры) на всех патрубках.

. Вварные штуцера теплообменников, предназначенные для подключения промывочной установки, должны иметь толщину стенки не менее 6 мм, т.к. они подвергаются наибольшему износу в процессе химических промывок (были случаи отрыва штуцеров).

. Вся арматура, трубопроводы, шланги, бак, насос и другие изделия, входящие в состав промывочной установки, должны изготавливаться из химически стойких материалов (нержавеющая сталь, пластмасса и др.).

. Промывочный раствор не должен содержать хлор и сульфатсодержащие компоненты и иметь в своем составе ингибитор коррозии нержавеющей стали.

. При проведении химпромывок ПТО не допускать превышения указанной в инструкции (технологической карте) температуры и концентрации промывочного раствора. После завершения хим-промывки немедленно производить нейтрализацию (пассивацию) и отмывку теплообменника.

. Работы по химической промывке ПТО должны выполняться только подготовленным персоналом по наряду-допуску.

Таблица. Химреагенты комбиринованного действия

ГЛАВА 3. Современные методы очистки сетевой воды от механических примесей

.1 Установка осветительного фильтра ФОВ-1,0-06

На котельной была смонтирована установка механического фильтрования сетевой воды на базе фильтра ФОВ-1,0-06 (фильтрующий агент - кварцевый песок). Схема установки фильтра представлена на рис. 7.

Обрабатываемая сетевая вода поступает из обратного трубопровода сетевой воды расходом -5% от расчетного расхода в теплосети. Указанная установка работает в автоматическом режиме с управлением от блока автоматики. Обслуживающий персонал периодически контролирует работу установки, измеряя прозрачность сетевой воды до и после фильтра. В процессе пуско-наладочных испытаний в результате работы фильтра прозрачность сетевой воды за 5 суток выросла с 10 до 35 см по шрифту. Основные недостатки: достаточно высокие габаритные размеры, значительный расход исходной воды на взрыхляющую промывку фильтра.

.2 Установка инерционно-гравитационного грязевика ГИГ-300

Грязевик смонтирован на обратном трубопроводе теплосети и рассчитан на пропуск 100% расхода сетевой воды. Минимальный размер улавливаемых загрязнений, согласно паспорту, составляет около 30 мкм. Механические примеси оседают и накапливаются в нижней части грязевика. Удаление примесей производится периодически обслуживающим персоналом. При проведении пуско-наладочных испытаний зафиксирован рост прозрачности сетевой воды с 3,5 до 38 см в течение 10 суток. По нашим оценкам указанный грязевик за один проход улавливает около 10% всех загрязнений, содержащихся в очищаемой воде (с размером частиц свыше 30 мкм). К основным недостаткам можно отнести высокую стоимость и значительные массогабаритные характеристики грязевика.

Неплохие результаты также получены в результате применения самопромывного фильтра тонкой очистки F76S на котельной г. Дзержинска. Фильтр установлен на байпасе сетевых насосов и рассчитан на пропуск З-5% сетевой воды.

.3 Применение акустических противонакипных устройств (АПУ)

В 2003-04 гг. на одной из котельных в течение 3-х месяцев проводился эксперимент по проверке эффективности действия АПУ марки «Акустик-Т» по предотвращению накипеобразования на поверхности нагрева разборного ПТО фирмы Funke. Акустические излучатели установлены на обоих патрубках ПТО по сетевой стороне вблизи от портов. В ходе испытаний еженедельно фиксировались температуры входа и выхода потоков и перепад давления на ПТО, оснащенном АПУ, и контрольном ПТО (не оснащенном АПУ). Оба ПТО работали в параллель при одних и тех же параметрах рабочих сред.

К сожалению, испытания показали полную неэффективность АПУ на данном объекте. Вскрытие обоих ПТО, произведенное после окончания испытаний, не выявило каких-либо отличий между теплообменниками. В обоих ПТО были обнаружены отложения карбонатной накипи толщиной около 0,6 мм (см. рис. 3).

3.4 Рекомендации по подбору ПТО при проектировании объектов теплоснабжения

В настоящее время все фирмы-поставщики ПТО при их продаже предлагают заказчикам услуги по подбору теплообменников, в зависимости от исходных данных и специфических требований заказчика.

При этом обе стороны заинтересованы в положительном эффекте в результате внедрения ПТО. Сами заказчики, как правило, не могут квалифицированно подобрать ПТО, поскольку методики их теплового и гидравлического расчета являются коммерческой тайной. В качестве исходных данных для выбора ПТО запрашиваются:

тепловая мощность;

температуры входа/выхода рабочих сред по обоим потокам;

максимально допустимый (располагаемый) перепад давления по обоим потокам. В результате расчета по программе фирмы-изготовителя получают величины:

типоразмер ПТО;

тип и количество пластин;

расчетный коэффициент теплопередачи;

расчетный перепад давления по обоим потокам.

Нюанс заключается в том, что при одних и тех же заданных значениях теплового потока и температур теплоносителей могут быть подобраны ПТО, разного типоразмера с существенно разным расчетным коэффициентом теплопередачи, количеством пластин и т.д. (Расчетный коэффициент теплопередачи к0, как правило, напрямую зависит от назначенных величин допустимого перепада давления). Очевидно, например, что теплообменник с ко=45ОО Вт/(м2•°С) будет иметь в 1,7 раза меньшую поверхность, чем теплообменник с к0 = 7500 Вт/(м2•°С). При этом второй ПТО примерно в 1,5 раза дешевле.

Многие заказчики, не искушенные в проблемах подбора ПТО, и, к тому же, ограниченные в финансовых средствах подтверждают выбор ПТО с более высоким коэффициентом теплопередачи. При этом они обрекают себя на полный комплекс вышеописанных в предыдущих разделах проблем, связанных с потерей тепловой эффективности ПТО при загрязнении.

Как же быть в такой ситуации? Ответ на этот вопрос неоднозначен.

Во-первых, следует рекомендовать эксплуатационникам при выдаче технического задания на подбор ПТО в обязательном порядке учитывать перспективу их возможного загрязнения на основе имеющихся данных химико-аналитического контроля теплообменивающихся сред с учетом сезонных изменений.