К.т.н. С.А.Потапов, ООО «ИТЦ ОРГХИМ»; к.т.н. М.К.Антипин,

Б. ЕТ Костылев, Центр энергосберегающих технологий при Кабинете

Министров Республики Татарстан; ОН.Кривощеков, инженер,

КГГУ им. А. Н. Туполева, г. Казань

Краткая характеристика проблемы

Органичным недостатком систем отопления! горячего и холодного водоснабжения, трубо­проводы которых выполнены из стальных труб без покрытий, является их низкая надежность и долговечность вследствие интенсивной корро­зии, прежде всего язвенной. Поверхность ме­талла становится бугристой, что приводит к рез­кому увеличению ее шероховатости. При этом из-за отложения продуктов коррозии значи­тельно снижается теплойроизводительность во­донагревателей и пропускная способность тру­бопроводов. Характер и интенсивность сниже­ния зависит от физико-химических свойств пе­рекачиваемой воды.

 

Экспериментальные исследования стальных трубопроводов диаметром 50“ 150 мм, бывших в эксплуатации 5-8 лет, выполненные ВНИИ ВОД- ГЕО и ЦНИИЭП инженерного оборудования, по­казали, что коэффициент равномерно-зернис­той шероховатости (К_э) для этих труб достигает 20-22 мм, а коэффициент сопротивления тре­нию по длине трубопровода (X) в 5-8 раз превышает расчетное [1]

Постепенное зарастание трубопроводов со­провождается нарушением режима отпуска теп­ла, в связи с чем эксплуатирующие организации вынуждены включать в работу дополнительное насосное оборудование, либо заменять насос­ное оборудование на новое, более мощное. Что, в свою очередь, ведет к перерасходу электро­энергии на перекачку воды.

На рис. 1 представлена динамика изменения затрат на электроэнергию в процессе эксплуа­тации при перекачке воды со скоростью 3 м/с по стальным трубопроводам различного диаме­тра (сплошные линии).

Расчеты выполнены для четырех состояний внутренней поверхности стальной трубы: новая (К_э - 0,14 мм), труба после 5-ти лет эксплуата­ции (К_э = 10 мм) и 15-ти лет (К_э - 20 мм). Значе­ния К_э= 10 и 20 мм и сроки эксплуатации 5 и 15 лет в реальных трубопроводах зависят от физи­ко-химических свойств и температуры воды.

Как видно из рис. 1, перерасход электро­энергии при транспортировке воды интенсивно возрастает а первые 5 лет эксплуатации и уве­личивается за этот период в 3,6-5 раз.

До настоящего времени отсутствовали сколько-нибудь приемлемые методы восста­новления пропускной способности разветвлен­ных систем теплоснабжения в целом. Применя­емые способы промывки гидропневматический, гидродинамический, электроимпульсный, хи­мический и т.д. предназначены для удаления от­ложений только из отдельных элементов систе­мы теплоснабжения, Трудоемкость и стоимость проведения промывок этими способами высо­ки, а эффективность зачастую очень низка, осо­бенно когда выбор способа промывки произво­дится без учета физико-химических процессов, как образования отложений, так и процессов старения и упрочнения, протекающих в самих отложениях.

Механизм старения структуры отложений в чем-то аналогичен созреванию сыра - от меха­нической смеси коллоидных частиц до гетеро­генной структуры определенной пористости и прочности.

Рис. 2. Образец подающего трубопровода.

Именно по причине старения и упрочнения отложений оказываются малоэффективными гидропневматические промывки систем тепло­снабжения, удаляющие только свежеосевшую часть эпитактического (наружного) слоя. Поэто­му они могут быть рекомендованы только для открытых систем теплоснабжения для удаления продуктов жизнедеятельности анаэробных ам- монийфицирующих и сульфатвосстанавливаю- щих бактерий.

В условиях крайнего дефицита у предприя­тий средств на содержание и ремонт оборудо­вания систем теплоснабжения необходим такой метод промывки, который при максимально возможном упрощении и удешевлении избира­емых средств позволяет осуществить комплекс­ную промывку системы в целом.

Эффективность нового метода

В данной работе приведены результаты вос­становления пропускной способности трубо­проводов системы теплоснабжения комплекса зданий КГГУ им. А.Н.Туполева за счет ускорен­ной промывки Композицией ККФ. Система ха­рактеризуется следующими показателями:

количество котельных, шт.                                  2;

количество котлов HP-19, шт.                              6;

водяной объем системы, м³                             220;

количество отапливаемых зданий, шт.              14;

объем отапливаемых помещений, тыс. м^а 175,

Водоподготовительные установки в котель­ных отсутствовали, поэтому котлы и трубопро­воды интенсивно заносились отложениями, вплоть до почти полного прекращения циркуля­ции в отдельных элементах систем. Наибольшие отложения обнаружены в сетевых трубопрово­дах и на горизонтальных участках разводящих трубопроводов. Зарастание подающих сетевых трубопроводов приблизительно в два раза больше, чем обратных. Периодически проводи­мые гидропневматические промывки работо­способность систем отопления не восстанавли­вали. Образец подающего сетевого трубопро­вода имел неровный слой железоокисных отло­жений черно-бурого цвета, прочно связанный с металлом; высота бугорков 10-12 мм; удельная загрязненность 2600 г/м² (рис. 2).

В структуре отложений можно выделить три слоя с различным содержанием окислов желе­за. Наружный - эпитактический от светло-ко­ричневого до коричневого цвета, содержащий в основном мелкодисперсный гидроксид железа Fe(OH)₂.

Промежуточный - более прочный слой, черно­коричневого цвета, и, наконец, прочный топотак- тический слой черного цвета, состоящий в основ­ном из магнетита Fe₃O₄. Усредненный по толщи­не оксидный состав отложений из подающего распределительного трубопровода в % по массе: SiO₂1,6 Fe₂O₃61,3 CaO 12,2 MgO 2,6 SO₃ 2,4, Потери при прокаливании - 18,8.

Для исследуемого образца был определен коэффициент эквивалентной шероховатости К_э, который составлял 10 мм. Измерение абсолют­ной шероховатости выполнялось с помощью профилографа в соответствии с ГОСТ 12586-83 [2]. Живое сечение трубы вычисляли через объ­ем воды, заливаемой в образец определенной длины, а затем определяли средний внутренний диаметр трубопровода.

Поверхность металла под слоем отложений была поражена язвами различной формы и глу­биной до 1 мм, утонение стенки в нижней части трубы из-за интенсивной подшламовой корро­зии достигало 70-75% (рис. 3).
У эксплуатационного персонала распростра­нено ошибочное мнение, что отложения продук­тов коррозии способны предотвратить аварий­ные утечки воды через свищи в стенке трубо­проводов. Ошибка заключается в том, что: во- первых, эти отложения имеют рыхлую пористую структуру с низкой механической прочностью, во-вторых, они активно инициируют язвенное разрушение металла с образованием свищей. Поэтому только удалением отложений продук­тов коррозии можно продлить срок эксплуата­ции трубопроводов.

В соответствии с проектом реконст­рукции системы теплоснабжения все нагрузки переводились на новую ко­тельную, в которой для предотвраще­ния накипеобразования и коррозии предусматривалась обработка жесткой подпиточной воды Композицией ККФ [3].

Композиция ККФ разработана ИТЦ ОРГХИМ для предотвращения накипе­образования и коррозии в системах теплоснабжения при работе на жесткой (очень жесткой), недеаэрированной воде. Однако, многолетний опыт прак­тического применения Композиции ККФ выявил еще одно ее неоспоримое преимущество - постепенное разру­шение различного рода отложений, имеющихся в котлах и сетях [4, 5].

Так при содержании ККФ в сетевой воде в количествах, необходимых толь­ко для предотвращения накипеобразо­вания, отложения толщиной 3-4 мм от-

мываются в течение отопительного сезона.

Способность Композиции ККФ разрушать от­ложения легла в основу разработки новой тех­нологии ускоренной промывки систем тепло­снабжения.

В соответствии с проектом реконструкции системы теплоснабжения все нагрузки переводились на новую котельную, в которой для предотвращения накипеобразования и коррозии предусматривалась обработка жесткой подпиточной воды Композицией ККФ [3].

Композиция ККФ разработана ИТЦ ОРГХИМ для предотвращения накипеобразования и коррозии в системах теплоснабжения при работе на жесткой (очень жесткой), недеаэрированной воде. Однако, многолетний опыт практического применения Композиции ККФ выявил еще одно ее неоспоримое преимущество - постепенное разрушение различного рода отложений, имеющихся в котлах и сетях [4, 5].

Так при содержании ККФ в сетевой воде в количествах, необходимых только для предотвращения накипеобразования, отложения толщиной 3-4 мм отмываются в течение отопительного сезона.

Способность Композиции ККФ разрушать отложения легла в основу разработки новой технологии ускоренной промывки систем теплоснабжения.

Результаты испытаний

Промывку системы по новой технологии провели в начале отопительного сезона 2001- 2002 гг.

Технологический процесс промывки состоял из двух этапов. На первом этапе осуществлялась отмывка трубопроводов от эпитактического слоя отложений, попутно достигалось некоторое разрыхление нижележащих слоев отложений, Промывка системы велась ступенчато с организацией регулярной периодической продувки воды в дренаж и постепенным подключением потребителей* Тем самым предотвращалось уси ленное загрязнение «концевых» участков гря зью, вынесенной из «начальных» участков.

В силу различного рода затруднений, возни кавших при подключении потребителей к сис теме отопления, продолжительность первого этапа составила 17 суток. Показатели воднохимического режима первого этапа промывки представлены на рис. 4. Расход композиции составил 500 кг.

Второй этап является основным этапом процесса и предназначен для разрушения и диспергирования нижележащих прочных слоев отложений. Данный этап в зависимости от индивидуального состава и количества удаляемых отложений состоит из нескольких стадий, в рассматриваемом случае - трех. Композиция ККФ вводилась порциями, общий расход ее на этом этапе составил 900 кг.

Показатели водно-химического режима процесса промывки приведены на рис, 5.

Значение pH сетевой воды для более полного перевода железоокисных отложений в хорошо растворимый в воде комплекс поддерживалось в пределах 5,5-6,5 в отличие от кислотной промывки, при которой значение pH отмывочного раствора составляет 2-4.

Как следует из рис. 3 «железоем- кость» сетевой воды в присутствии Композиции ККФ достигает 440 мг/кг. Полученные данные по «железоемкости» не являются истинными, т.к. система теплоснабжения работала с регулярным периодическим дренированием и подпиткой свежей водой. Для сравнения «железоемкость» специальных композиций для отмывки оборудования от продуктов коррозии составляет 1400- 1450 мг/м [6]. Кроме того скорость реакции взаимодействия Композиции ККФ с продуктами коррозии достаточно велика (угол наклона начальных участков кривых содержания железа).

Окончание удаления отложений обычно сопровождается прекращением или более медленным ростом концентраций отмываемых веществ в растворе. Удобно контролировать процесс отмывки по величине показателя pH, которая в процессе промывки обычно растет. Прекращение роста значения pH свидетельствует о завершении стадии или этапа отмывки.

Осмотр образцов сетевых трубопроводов показал практически полное удаление отложений и наличие пленки кирпичного цвета на очищенной поверхности (рис. 6).

Остаточное загрязнение внутренней поверхности трубопровода, определенное методом катодного травления в 10%-ом растворе моноаммонийцитрата, не превышает 130 г/м². Эффективность отмывки составила 95%. 

Для отмытого образца трубопровода был определен коэффициент эквивалентной шероховатости К_э, который составил 0,4 мм. Для этого значения К_э на рис. 1 пунктирными линиями показаны затраты на электроэнергию. Снижение затрат для трубопровода диаметром 100 мм, находящегося в эксплуатации 15 лет, составляет около 90 рублей в месяц на 1 метр длины трубопровода. На рис. 7 представлен условный срок окупаемости затрат на промывку только за счет экономии электроэнергии.

Рис. 7. Срок окупаемости стоимости промывки трубопровода за счет экономии электроэнергии.

Выводы

Анализ результатов промывки системы теплоснабжения и выполненных расчетов позволяют сделать следующие выводы:

1. Перерасход электроэнергии при транспортировке воды по трубопроводу диаметром 100 мм, находящемуся в эксплуатации 15 лет, достигает 100 рублей в месяц на каждый метр трубопровода.
2. Отложения продуктов коррозии способствуют развитию язвенной коррозии металла и резкому сокращению срока службы стальных трубопроводов.
3. Композиция ККФ является эффективным реагентом для восстановления пропускной способности трубопроводов.
4. Процесс промывки систем теплоснабжения Композицией ККФ является новым технологическим решением.
5. Восстановление гидравлического режима работы системы теплоснабжения позволяет перейти от количественного к качественному регулированию отпуска тепла.
6. Условный срок окупаемости затрат на промывку только за счет экономии электроэнергии без учета экономии средств от нормализации режима отпуска тепла составляет 2-5 месяцев.
7. Промывка системы должна производиться каждые 2-3 года.
8. Технологию промывки систем теплоснабжения Композицией ККФ можно рекомендовать для широкого применения.