Показатели качества воды

Тема 1

1.1. Общая жёсткость, солесодержания, водородный показатель, удельная электропроводность

Применяемая в судовых паровых котлах вода подразделяется:

- на котловую –находится внутри котла при его работе или бездействии;

- питательную – подается в котел (состоит из конденсата и добавочной воды);

- конденсат (вода) – получается в результате конденсации пара;

- добавочную – используется для восполнения утечек пара, конденсата и котловой воды (добавочной водой служит принимаемая пресная вода и дистиллят, вырабатываемый в судовых опреснителях);

- продувочную – удаляется из котла при его верхнем и нижнем продувании;

- береговую (пресная вода) — принимается с берега в танки судна;

- дистиллят – продукт однократного испарения забортной или береговой воды в судовых опреснителях с последующей конденсацией образовавшегося пара

- умягченную – получается в результате химической обработки воды для удаления накипеобразующих солей;

- забортную (морская или речная вода) – применяется для питания опреснительных установок и охлаждения конденсаторов и теплообменных аппаратов.

Основные показатели качества воды следующие:

Общее солесодержание –характеризует содержание в воде всех растворенных веществ, измеряется в миллиграммах на литр (мг/л).

Жесткость — содержание в воде растворенных солей кальция и магния, выраженное в миллиграмм-эквивалентах на литр воды (мг-экв/л).

Соли жесткости являются веществами, непосредственно образующими накипь. Установлены следующие виды жесткости воды:

· карбонатная (временная) жесткость – соответствует содержанию в воде бикарбонатов кальция и магния Са(НСО_з)₂ и Mg(HCO₃)₂;

· некарбонатная (постоянная) жесткость — соответствует содержанию в воде солей кальция и магния, не связанных с угольной кислотой, т. е. CaSO₄, MgSO₄, СаС1₂, MgCl₂;

· общая жесткость — определяется суммарной концентрацией в воде всех ионов Са²⁺ и Mg²⁺ временной и постоянной жесткости.

Сумма карбонатной и некарбонатной жёсткости равна общей жёсткости воды. Разность общей и карбонатной жёсткости даёт остаточную жёсткость.

Удельная электропроводность. Под удельной электропроводностью подразумевают проводимость столба воды длиной L в 1 см при поперечном сечении в 1 см².

Концентрация водородных ионов (показатель рН) — характеризует кислотность или щелочность котловой воды. При рН = 7 вода имеет нейтральные свойства, при рН > 7 – щелочную среду и при рН < 7 – кислую (минимальная коррозия наблюдается при рН = 9,6). Необходимое значение рН в воде достигается введением щелочи натрия, тринатрийфосфата и др.

1.2 Докотловая обработка воды

Докотловая обработка питательной воды предусматривает очистку ее от масла и механических примесей; удаление кислорода (деаэрация), солей (умягчение, термическое обессоливание) и накипи (магнитная обработка).

Очистка конденсата от масла и механических примесей особенно важна на судах, имеющих паровые поршневые насосы и другие паровые машины, на танкерах, рыбообрабатывающих плавбазах и транспортных рефрижераторах, использующих пар для подогрева нефтяных грузов с прямым возвратом конденсата этого пара в котел, а также на всех добывающих и рыбообрабатывающих судах, имеющих рыбомучные и жиротопные установки.

Масло, находящееся в виде капель и пленок, удаляется из воды путем фильтрации ее через механические фильтры, установленные в теплом ящике и на напорной питательной магистрали. Эмульгированное масло, составляющее около 10... 20 % общего маслосодержания конденсата, почти не задерживается механическими фильтрами и может быть удалено из конденсата путем фильтрации его через сорбционные фильтры (например, фильтры с активированным углем, диатомитовые фильтры и др.). Правильная эксплуатация механических фильтров позволяет снизить содержание масла в питательной воде до установленного нормой уровня. Одновременно производится очистка конденсата от механических примесей.

Рисунок 1.2.1 – Конструктивная схема теплого ящика

1 –кокс; 2 – матерчатый фильтр; 3 – поролон; 4 – стружка древесная; 5 – манила

Существуют различные конструкции теплых ящиков. Одна из наиболее совершенных и простых с классической схемой расположения фильтрующих материалов (волокнистые, зернистые, тканевые). В первом по ходу конденсата отсеке на решетку укладывается манила, сизаль или люфа слоем 2... 3 см. Далее загружается древесная стружка или куски поролона в сетках размерами 15х20х20 мм и устанавливается железная решетка. На решетку кладется лист поролона толщиной 15 мм, который собирает всплывшее масло.

Во второй отсек входят три ящика с решетчатыми днищами, установленные один на другой. В каждый ящик загружаются куски кокса размерами 15x15 мм. Сверху кокса укладываются куски поролона размерами 15х20х20 мм слоем 2... 3 см. Ящик без усилия (чтобы не сжать поролон) закрывается решеткой. Для сбора плавающего масла на поверхности воды по размерам отсека укладывается лист поролона толщиной 25 мм.

Третий отсек содержит матерчатые фильтры и ящик с коксом размерами 15х15 мм. Сверху кокса укладываются куски поролона размерами 15х20х20 мм слоем 8... 10 см. Коксовый ящик закрывается решеткой (не сжимая поролон).

Матерчатые фильтры состоят из двенадцати стаканов, на которые одеваются мешки из махровой ткани, так называемые чулки. Каждый чулок сшивается с одной стороны и одевается на стакан вверх дном. Внизу стакана ткань для уплотнения закрепляется проволокой или веревкой. Собранные таким образом стаканы аккуратно вставляются конической частью в гнезда теплого ящика. На поверхность конденсата укладываются листы поролона для сбора плавающего масла. Обслуживание теплого ящика заключается в периодической смене фильтрующих материалов.

Периодичность смены фильтрующих материалов зависит от режима работы питательной системы и содержания масла в конденсате. При круглосуточной работе питательной системы на номинальном режиме и содержании масла в конденсате (до теплого ящика) около 15мг/л плавающие листы поролона в первом и втором отсеках рекомендуется через 24 ч переворачивать и через 48 ч заменять. В третьем отсеке указанные операции проводятся соответственно через 2 и 4 суток.

Стружку и манилу в первом отсеке следует менять через 24 ч, а если вместо стружки был заложен поролон в сетках, то смену его производить через 3 суток. Поролон в ящиках второго отсека рекомендуется менять следующим образом: через 48 ч работы снять верхний ящик, сменить поролон, поставить ящик на место. Через следующие 48 ч снять два верхних ящика, поставить верхний на место второго, во втором сменить поролон и поставить на место первого. Через следующие 48 ч снять все три ящика, поставить верхний ящик вниз, затем второй ящик и, сменив поролон, поставить сверху третий ящик. В дальнейшем цикл смены фильтроматериалов повторяется. В третьем отсеке поролон в коксовом ящике необходимо менять по одному через каждые 24 ч работы. При смене фильтрующего тканевого элемента до постановки нового необходимо закрывать отверстие посадочного гнезда заранее приготовленной заглушкой. В зависимости от степени загрязнения фильтров, но не реже чем через каждые 20 суток производить смену кокса во всех отсеках с полной промывкой всех деталей фильтров и теплого ящика.

Удаление кислорода из питательной воды предусматривается для котельных установок с рабочим давлением пара более 2 МПа. Содержание кислорода в питательной воде открытых систем питания составляет 4,5... 10,0 мг/л. Растворимость кислорода зависит от температуры воды. С повышением температуры воды растворимость кислорода падает. В кипящей воде растворимость кислорода равна нулю. Поэтому для максимально возможного удаления кислорода из питательной воды в открытых системах питания необходимо поддерживать температуру воды в теплом ящике не ниже 55... 65°С, что обеспечит содержание кислорода в питательной воде не более 5,0мг/л. Следует отметить, что подогрев питательной воды в водоподогревателях, устанавливаемых на напорных участках питательных систем, не приводит к снижению содержания кислорода, так как не обеспечивается его отвод из воды.

На многих типах судовых котлов (КВВА-2,5/5; VX; КВС-30/П-А; КВА-1,0/5 и др.) с рабочим давлением пара до 2 МПа наблюдается сравнительно интенсивная кислородная коррозия. Поэтому на судах с указанными типами котлов необходимо внимательно следить за температурой воды в теплых ящиках, особенно в период работы котлов на пониженных нагрузках. Нельзя допускать переохлаждения конденсата в водоохладителях, а в ряде случаев целесообразно оборудовать теплые ящики змеевиками-подогревателями, работающими на отработавшем паре.

Для водотрубных котлов с давлением пара выше 2МПа используются только закрытые системы питания с термическими деаэраторами, принцип действия которых основан на «нулевой» растворимости кислорода в кипящей воде. Применяются вакуумные и безвакуумные деаэраторы, которые одновременно являются подогревателями питательной воды. Схема простейшего безвакуумного одноступенчатого деаэратора представлена на рисунке 1.2.2.

Рисунок 1.2.2 – Схема безвакуумного одноступенчатого деаэратора

1 – регулятор уровня воды; 2 – разбрызгивающая головка; 3 – охладитель выпара; 4 – регулятор греющего пара; 5 – трубопровод подвода пара; 6 – барботажное устройство; 7 – бак-аккумулятор; 8 – трубопровод подачи воды к питательному насосу; 9 – трубопровод подачи воды на деаэратор

Уровень воды в деаэраторе поддерживается регулятором 1. Вода поступает по трубопроводу 9 к разбрызгивающей головке 2 через охладитель выпара 3, где она немного подогревается. В разбрызгивающую головку по трубопроводу 5 через регулятор 4 подается также греющий пар. Для обеспечения быстрого нагрева поступающей питательной воды необходимо, чтобы поверхность соприкосновения паровой и жидкой фаз была максимальной. В головке 2 это обеспечивается с помощью разбрызгивающих устройств в виде форсунок либо перфорированных тарелок, что увеличивает поверхность контакта воды и пара. Пар, двигаясь навстречу струям воды, нагревает, воду до температуры кипения, что способствует интенсивному выделению из нее газов. В процессе нагрева воды значительная часть греющего пара конденсируется. Смесь выделившихся газов и части несконденсировавшегося пара, называется выпаром, идет в охладитель выпара 3, где пар конденсируется и стекает в бак-аккумулятор 7, а газы отводятся в атмосферу.

Время пребывания воды в разбрызгивающей головке деаэратора мало, поэтому стекающая из нее в бак-аккумулятор деаэрированная вода может содержать некоторое количество растворенного газа. Для его удаления через воду в баке с помощью барботажного устройства дополнительно пропускают пар, что способствует более полной деаэрации.

1.3 Обработка гидразином или сульфатом натрия.

Для удаления из питательной воды остатков кислорода обычно применяют химические методы. Наибольшее распространение получил ввод в питательную воду гидразина N₂H₄ после деаэратора. При этом происходит реакция

N₂H₄ + O₂→2H₂O + N₂(1.3.1)

Расход гидразина составляет около 0,1... 0,2 г на 1 т деаэрированной питательной воды. Избыточная концентрация его в котловой воде должна находиться в пределах 0,02... 0,03 мг/л. Гидразин токсичен и огнеопасен, поэтому обращаться с ним надо очень осторожно. Для ввода гидразина в обрабатываемую воду применяются специальные герметичные устройства, обеспечивающие непрерывную подачу его в трубопровод питательной воды непосредственно после деаэратора.

Более глубокого обескислороживания питательной воды (О₂=0,01 ÷ 0,02 мг/кг) можно добиться, если после термической деаэрации в воду ввести сульфит натрия Na₂SO₃, взаимодействующим с кислородом, растворяемым в воде, по следующей реакции:

2Na₂SO₃+O₂→2Na₂SO₄ (1.3.2)

В отличие от гидрозина дозировка сульфита натрия способствует повышению солесодержания котловой воды. Кроме того, дополнительная концентрация SO₄^2- в котловой воде требует существенного увеличения продувки из-за опасности образования сульфатной накипи.

Скорость химической реакции связывания кислорода сульфитом натрия намного меньше, чем у гидразина. Поэтому в препараты на основе Na₂SO₃следует вводить специальные катализаторы для повышения скорости связывания кислорода.

Существенным преимуществом гидрозина перед сульфитами является то, что избыток гидрозина в котловой воде способен переводить окислы трехвалентного железа в окисел-магнетит.

3Fe₂O₃+N₂H₄→ 2Fe₃O₄+N₂+H₂O (1.3.3)

Избыток гидрозина способен термолизоваться в котловой воде (при t более 140 ⁰С), образуя аммиак

2N₂H₄+2H₂O→2NH₄OH+H₂+ N₂ (1.3.4)

Аммиак уходит из воды с паром, растворяется в конденсате и подщелачивает конденсатно-питательный тракт до уровня рН=8,2-9,0. При использовании препаратов на основе гидрозина удается на практике одновременно связывать кислород, поступающий с питательной водой; защитить поверхности котла от коррозии пленкой магнетита, защитить конденсатно-питательный тракт от углекислотной коррозии.

Умягчение питательной воды применяется для паровых котлов низкого давления путём пропускания её через натрий катионитовый фильтр. Фильтрующим веществом является катионит КУ-2-8.

По внешнему виду он представляет сферические зерна от жёлтого до коричневого цветов размером 0,315÷1,25 мм.

Натрий катионитовый метод умягчения основан на способности ионитовых материалов обменивать свои ионы на ионы, содержащиеся в обрабатываемой воде. В качестве ионита применяется сульфоуголь, полученный путём обработки каменных углей концентрированной серной кислотой. В качестве обменного иона служит катион Nа⁺. КатионитNа⁺ образуется при регенерации сульфоугля раствором поваренной соли. При пропускании умягчаемой воды через фильтр протекают реакции обмена катионов Nа⁺ на катионы Са²⁺и Мg²⁺ содержащиеся в воде.

СаCl₂+2NаКат→СаКат₂+2NаCl (1.3.5)

МgSO₄+2 NаКат→МgКат₂+Nа₂SO₄ (1.3.6)

где Кат – условное обозначение катионита.

Подобные реакции происходят и с другими соединениями Са и Мg.

После израсходования катионов Nа⁺фильтр подвергают регенерации; его прокачивают раствором NаCl, при этом протекают реакции:

2NаCl+СаКат₂→СаCl₂+2NаКат (1.3.7)

2NаCl+МgКат₂→МgCl₂+2NаКат (1.3.8)

Путём Nа – катионирования общую жёсткость обрабатываемой воды можно снизить до 0,02 мг-экв/кг и ниже. При Nа – катионировании соли карбонатной жёсткости переходят в бикарбонаты натрия, которые вследствие гидролиза образуют едкий натр; таким образом, вода содержащая соли карбонатной жёсткости, после Nа – катионирования становится щелочной.

Термический метод обработки используется как основной способ получения добавочной воды из забортной в судовых опреснителях при длительном нахождении судов в море. Общее солесодержание дистиллята морской воды обычно не превышает 10... 20 мг/л. При двухкратном испарении (бидистиллят) солесодержание может быть снижено до 0,5... 1,0 мг/л, т. е. Такой бидистиллят пригоден в качестве добавочной воды для большинства высоконапряженных водотрубных котлов. Дистиллят получают в глубоковакуумных или адиабатных опреснителях, использующих тепло охлаждающей воды ДВС на дизельных судах.

Магнитная обработка воды относится к физическим методам предотвращения накипеобразования. Под влиянием магнитного поля кристаллическая структура солей и их физико-химические свойства изменяются, и при последующем нагревании воды в пересыщенных растворах эти соли выпадают в виде мелкодисперсного шлама, который находится во взвешенном состоянии и удаляется продувкой. Магнитная обработка питательной воды способствует также разрушению накипи, ранее образовавшейся на поверхностях нагрева.

Магнитная обработка воды производится с помощью специальных аппаратов, которые классифицируются (по способу создания магнитного поля) на аппараты с постоянными магнитами и электромагнитами. Первые подразделяются на аппараты с постоянным и регулируемым рабочими зазорами (для поддержания оптимальной скорости воды в пределах 1... 2 м/с). Вторые делятся на аппараты с постоянной и переменной напряженностями магнитного поля.

В питательной воде не исключено содержание ферромагнитных загрязнений, которые отлагаются на внутренних полостях аппарата и снижают напряженность магнитного поля в рабочем зазоре аппарата. Вместе с тем судовые котлы работают в широком диапазоне нагрузок, из-за чего скорость питательной воды в рабочем зазоре аппарата не всегда является оптимальной. Жесткость котловой воды при магнитной обработке повышается до15... 18мг-экв/л. Отсутствие достоверных методов текущего контроля эффективности магнитной обработки воды и безнакипного режима привело к тому, что рассматриваемый метод не получил признания как самостоятельный вид водообработки. Независимо от наличия аппаратов магнитной обработки питательной воды на всех судах устанавливаются обычные реагентные внутрикотловые воднохимические режимы.

Ультрозвуковой метод использует влияние ультрозвука на механизм накипиобразования. Водообработка производится специальными ультрозвуковыми аппаратами, представляющими собой импульсивные генераторы электрических колебаний, работающих на магнитострикционной преобразователь (вибратор), с помощью которого создаются упругие механические колебания.

Механические колебания ультрозвуковой частоты направляются в водяное пространство силовой установки специальными диафрагмами, непосредственно соприкасающимися с водой. Благодаря воздействию ультразвука, образующиеся кристаллы накипи не налипают на металлические поверхности, а концентрируются в нижней части в виде шлама, удаляемого из агрегата путём периодических продуваний.

Таблица 1.3.1 – Нормы качества питательной воды

Вода	Показатель качества	Единица измерения	Главные, вспомогательные и утилизационные котлы	Главные котлы (водотрубные) давлением
Водотрубные давления до 2МПа	Водотрубные давлением до 2МПа	Свыше 2 до 4 МПа	Свыше 4 до 6 МПа	Свыше 6 до 9 МПа
Питательная вода	Общая жесткость	Мг-экв/дм³	Не более 0,5	Не более 0,3	Не более 0,2	Не более 0,002	Не более 0,001
Содержание масла и нефтепродуктов	Мг/дм³	Не более 3	Не более 3	отс	отс	отс
Питательная вода	Содержание кислорода	Мг/дм³	Не более 0,1	Не более 0,1	Не более 0,05	Не более 0,03	Не более 0,02
Содержание железа	Мкг/дм³	-	-	-	Не более 100	Не более 100
Содержание меди	Мкг/дм³	-	-	-	Не более 50	Не более 50
Содержание ионов хлора	Мг/дм³	Не более 50	Не более 15,0	Не более 2,0	Не более 0,2	Не более 0,1
Конденсат	Хлорида	Мг/дм³	Не более 50	Не более 10,0	Не более 2,0	Не более 0,2	Не более 0,1
Дистиллят или химически обработанная вода	Общая жесткость	Мг-экв/дм³	-	Не более 0,05	Не более 0,02	Не более 0,001	Не более 0,001
Пресная вода	Общая жесткость	Мг-экв/дм³	Не более 8	Не более 5	-	-	-