Предотвращение коррозии котлов: проверенные стратегии для качества питания

Отказ котла — серьезная проблема для тепловых и электростанций, а коррозия, связанная с качеством воды котла, является главной причиной. Общая стоимость отказов труб котлов на электростанциях оценивается примерно в $5 млрд в год (данные 2009 года, сейчас вероятно выше). Для обеспечения долгосрочной безопасной эксплуатации качество воды должно постоянно поддерживаться в пределах допусков котла.

Примеси в питательной воде котла

Источники воды содержат примеси, которые на определенных уровнях могут быть очень вредны. При высоких температурах даже следовые количества определенных веществ в питательной воде могут вызвать серьезные повреждения оборудования и труб за короткое время. Проблемные растворенные или взвешенные твердые вещества, кислород, углекислый газ и органические вещества могут вызывать накипь, загрязнение и коррозию. Например:

• Железо может оседать на внутренних частях и трубах котла, повреждать нижестоящее оборудование и влиять на качество производственных процессов.
• Медь может вызывать осадки в высокодавленных турбинах, снижая эффективность и требуя дорогостоящей очистки или замены.
• Кремнезем может вызывать очень твердую накипь, особенно в высокодавленных котлах.
• Кальций может вызывать накипь в нескольких формах в зависимости от химии питательной воды.
• Магний может прилипать к внутренностям котла и покрытым трубам, привлекая больше твердых частиц и способствуя накипи, особенно в комбинации с фосфатом.
• Алюминий может оседать как накипь внутри котла и реагировать с кремнеземом, усиливая накипь.
• Жесткость вызывает отложения и накипь на деталях и трубопроводах котла.
• Растворенные газы (кислород и углекислый газ) могут вызывать серьезную коррозию труб и деталей котла.

Самый частый тип коррозии — точечная атака из-за растворенного кислорода. Характеризуется малыми, но глубокими отверстиями, проникающими стенки труб и приводящими к отказу. Факторы тяжести: концентрация растворенного кислорода, pH и температура. (Связанное чтение: Как эффективно распознать, предотвратить и лечить точечную коррозию.)

Для предотвращения коррозии воду котла нужно держать слегка щелочной, а не кислой. Неправильная кислотность и слегко щелочная вода могут растворять металл и защитную пленку на металлических поверхностях.

Кислотная атака происходит, если pH падает ниже 8,5. В этом состоянии материалы восприимчивы к тоншению поверхности за счет травления. Любая напряженная зона наиболее уязвима при таком типе атаки.

Щелочная атака происходит, если pH выше 12,9, часто встречается при высоких температурах в фосфатизированных котлах. Отложения в зонах высокого теплопередачи могут сдирать магнетитовую пленку с базового материала.

Пенообразование и вынос

Пенообразование и вынос вызваны чрезмерной концентрацией нормальных примесей котла, передозировкой химикатов или случайным попаданием органических веществ (жир, масло) в питательную воду или конденсатный возврат. Пена внутри котла легко выталкивается через паровой выход и может вызвать серьезные повреждения. Удар воды в паровой линии, эрозия паровых труб, события низкого уровня воды в котле — примеры.

Системы обработки питательной воды котла

Система обработки питательной воды состоит из нескольких индивидуальных технологий, адресующих состояние питательной воды под требования конкретного котла. Система включает компоненты, необходимые для удаления примесей, всегда присутствующих независимо от источника. Базовая система обычно включает коагуляцию, фильтрацию, ионообмен, деалкалинизацию, деаэрацию и мембранные процессы (обратный осмос). Компоненты описаны ниже. (Связанное чтение: Как избежать хелатной коррозии в трубе питания котла.)

Коагуляция и химическое осаждение

После удаления крупных объектов из исходного источника воды, различные химикаты добавляются в реактор для удаления основных взвешенных твердых частиц и других загрязнителей. Процесс начинается с набора миксеров-реакторов (обычно 1-2), добавляющих специфические химикаты для удаления мелких частиц путем их объединения в более тяжелые частицы через коагуляцию, которые затем осаждаются.

Фильтрация и ультрафильтрация

Следующий шаг — прогон воды через фильтрацию для удаления взвешенных частиц: седимента, мутности, определенных типов органики. Полезно делать это рано, так как удаление взвешенных твердых частиц выше по течению защищает мембраны и ионообменные смолы от загрязнения позже в претритмент-процессе.

Ионообменное смягчение

Смягчающая смола используется для адресации высокой жесткости, содержащей бикарбонаты, сульфаты, хлориды или нитраты. Процесс использует силонокислотный катионный обмен: смола заряжена ионами натрия. Жесткая вода проходит через смягчитель, ионы кальция и магния меняются местами с ионами натрия. Ионы натрия слабо связаны и легко замещаются кальцием и магнием. В процессе «свободные» ионы натрия высвобождаются в воду.

Деалкалинизация

Деалкалинизация снижает щелочность или pH, примесь, вызывающая пенообразование, коррозию и ломкость. Деалкалинизация хлоридом натрия использует сильный анионообменный смолу для замены бикарбоната, сульфата и нитрата на хлоридные анионы.

Обратный осмос и нанофильтрация

Обратный осмос (RO) и нанофильтрация (NF) прокачивают воду под давлением через полупроницаемые мембраны, удерживая загрязнители: бактерии, соли, органику, кремнезем, жесткость, пропуская концентрированную очищенную воду. Эти фильтры используются преимущественно с высокодавленными котлами, где концентрация взвешенных и растворенных твердых веществ должна быть экстремально низкой.

Деаэрация или дегазация

Возвращаемый конденсат смешивается с обработанной доп. водой и входит в процесс деаэрации или дегазации. Любые следовые количества кислорода и CO₂ могут быть экстремально коррозионны для оборудования и труб котла. Поэтому удаление этих газов до допустимых уровней императивно для максимизации срока службы и безопасности системы. Существует несколько типов деаэраторов в различных конфигурациях, но тарелочно- или распылительный тип для дегазации или скарбинги кислорода — наиболее распространены.

Высокодавленные и низкодавленные котлы

Требования к качеству питательной воды зависят от давления и расхода. Для определенных давлений есть максимальный уровень загрязнителей, и по мере роста давления становится более критичным тщательное водоподготовление для получения воды высшего качества.

Низкодавленные котлы (600 PSI и ниже) и вода с низким общим содержанием растворенных твердых веществ (TDS) обычно требуют только простой фильтрации и смягчения воды. По мере усложнения химии воды или роста давления может понадобиться деалкализатор.

Высокодавленные котлы (600 PSI и выше) обычно требуют какой-то формы деминерализации, ионообмена или смольных сэндвич/смешанных полировальных устройств. Обратный осмос в комбинации с полировкой очень популярен там, где нужна экстремально высокая чистота воды.

Тестирование и контроль качества питательной воды

Предотвращение и минимизация коррозионных процессов в котлах критически важны в тепловой энергетике. Качество питательной воды должно поддерживаться на уровне, соответствующем проектным стандартам, с фиксацией любых флуктуаций измеренных параметров. Существуют чувствительные онлайн и офлайн аналитические приборы для измерения ключевых диагностических параметров, критичных для безопасности и производительности котла.

Знание того, где качество источника питательной воды стоит относительно требуемого качества для конкретного котла, существенно, потому что неадекватная водоподготовка может привести к накипи, коррозии и загрязнению котла и нижестоящего оборудования.