Размещено на http://www.allbest.ru/

О повышении эффективности эксплуатации отечественных систем теплоснабжения в современных условиях

В.А. Рыженков

При определенных условиях можно обеспечить образование на металлических поверхностях плотно упакованные мономолекулярные слои поверхностно-активных веществ, которые в совокупности будут являться надежной преградой для доступа к металлу молекул кислорода и углекислоты из окружающей среды, при этом поверхность становится не смачиваемой, тем самым устраняются собственно условия протекания электрохимической коррозии.

Теплоснабжение промышленных и бытовых потребителей в России на современном этапе превратилось из отраслевой в проблему национального масштаба с ярко выраженным социальным и экономическим аспектом. Стремительно возрастающая в последнее десятилетие актуальность этой проблемы определяется целым рядом объективных и субъективных факторов. теплоснабжение коррозия термобарьерный

Известно, что Россия - самая холодная страна в мире, средняя температура окружающего воздуха -5,5 ОC. В ряде регионов продолжительность отопительных сезонов составляет большую часть года (в частности, в Москве примерно 220 дней), а в ряде регионов теплоснабжение осуществляется круглогодично без перерыва (Таймыр, Чукотка, Север Якутии). В России производится более 2 млрд Гкал тепла, при этом затрачивается более 400 млн т у.т. [1] (по данным за 2003 г. примерно 43% от всех использованных первичных энергоресурсов). Исторически сложившаяся пропорция между централизованным и децентрализованным теплоснабжением в настоящее время составляет 71,5 и 28,5% соответственно. В последние годы появилась тенденция к изменению этого соотношения в сторону автономной теплогенерации.

В этой связи в рамках решения глобальных проблем отечественного теплоснабжения остается пока единственный путь улучшения ситуации на современном этапе - существенное повышение эффективности эксплуатации тепловых сетей и теплотехнического оборудования (котлы, сетевые обогреватели, теплотрассы, теплообменники, приборы отопления, насосы, запорно-регулирующая арматура), обеспечив, тем самым, его работоспособность хотя бы на период до начала масштабной модернизации и техперевооружения. Есть все основания полагать, что актуальность рассматриваемой проблемы можно существенно снизить, не привлекая при этом значительных капиталовложений. Речь идет об устранении негативных аспектов эксплуатации систем теплоснабжения, в первую очередь связанных.

По данным РАО «ЕЭС России» основная доля технологических нарушений в тепловых сетях в отопительно-зимний период 2002-2003 гг. была напрямую связана с наружной и внутренней коррозией трубопроводов, 53 и 28% соответственно. Если первая цифра в основном определяется способом прокладки трубопроводов и способностью теплоизоляции впитывать влагу, то вторая однозначно связана с ухудшением «качества» теплоносителя (не редки случаи, когда для подпитки используется вода без химподготовки и деаэрации). По этой же причине на поверхностях трубопроводов и оборудования образуются и накапливаются отложения, что обуславливает появление целого ряда усугубляющих факторов, способствующих превращению отечественного теплоснабжения в самый энергорасточительный сегмент национальной экономики. С достаточной степенью условности схематично обозначены факторы, определяющие связь прозаической на первый взгляд проблемы образования термобарьерных отложений в системах теплоснабжения на экономику и социальную напряженность в стране.

Практика эксплуатации и анализ публикаций на эту тему однозначно свидетельствуют о том, что проблеме образования термобарьерных отложений не оправданно не уделяется должного внимания. Безусловно, что при соответствии реального «качества» теплоносителя действующим нормам и при строгом выполнении правил эксплуатации актуальность этой проблематики значительно упадет. Однако, в ближайшие годы вряд ли эту задачу удастся повсеместно и в короткие сроки решить. Результаты исследований показывают, что используемые для водоснабжения воды характеризуются высокой степенью минерализации с широким спектром растворенных неорганических и органических соединений, коррозион-но-активных газов, наличием нерастворимых примесей, а также микроорганизмов.

Известно также, что образующиеся на теплообменных поверхностях отложения в зависимости от структуры могут многократно снижать коэффициент теплопроводности. Наименьшую теплопроводность имеют пористые и рыхлые отложения. В частности, коэффициент теплопроводности Fe3O4 с пористостью 56% составляет 0,1ч0,2 Вт/м.К [5].

Представлено сопоставление коэффициентов теплопроводности конструкционных материалов и наиболее часто образующихся отложений с различной степенью пористости. Очевидно, что наличие таких соединений на поверхностях нагрева и теплообменных поверхностях обуславли вают образование «термического барьера», который значительно снижает эффективность установленного оборудования, в том числе и самого современного. Как следствие, снижение коэффициента теплопроводности приводит к снижению мощности оборудования и перерасходу топлива. Результаты натурных исследований, выполненных различными организациями, свидетельствуют о весьма существенном влиянии толщины отложений на поверхностях нагрева котлов на эти показатели (рис. 3). По данным ВТИ толщина накипи в 1 мм приводит к перерасходу топлива более чем на 7%. Примерно такое же влияние толщины отложений на перерасход топлива подтверждается данными фирмы «Гидро-Х». В частности, для водогрейных котлов, у которых отложения на поверхностях нагрева достигают толщины 5 мм, потери топлива составляют около 30%. Аналогичное влияние толщина отложений оказывает на мощность генерирующего оборудования из-за соответствующего снижения КПД (данные фирмы «Lifescience Products LTD», Великобритания,. Представляется, зависимости не могут оставить равнодушными производителей тепловой энергии (ТЭ).

В свою очередь низкая теплопроводность отложений и продуктов коррозии является причиной значительного перегрева металла поверхностей нагрева котлов, что влечет за собой ухудшение механических характеристик, и как следствие образования вздутий, трещин и разрывов труб. Известно, что при толщине отложений 5 мм и ее коэффициенте теплопроводности 0,1 ккал/м.ч.град. значение температуры металла трубы многократно возрастает и достигает 1000 ОC (результаты исследований НИИ ВН при Томском политехническом университете)!

Образование отложений и продуктов коррозии на теплообменных и трубных поверхностях приводит не только к увеличению их шероховатости, но и к значительному снижению номинальных диаметров трубопроводов и размеров проходных сечений каналов оборудования. Эти два обстоятельства в совокупности обуславливают весьма значительное увеличение гидравлического сопротивления трубопроводов и оборудования в процессе эксплуатации систем теплоснабжения. Опубликованные результаты экспериментальных исследований показывают, что для стальных трубопроводов диаметром 50ч1 50 мм, эксплуатирующихся в среднем около 6 лет, коэффициент сопротивления трения по длине трубопровода возрастает по сравнению с исходным (расчетным) не менее, чем в 5 раз. Выполненные на основании этих данных расчеты подтверждают, что затраты на потребление электроэнергии, требуемой для транспортировки воды по трубопроводам, многократно увеличиваются в первые 5 лет эксплуатации и превышают проектные значения в 5ч7 раз [6].

Нельзя не упомянуть еще об одном негативном факторе, связанном с образованием отложений. На поверхностях нагрева с термобарьерными отложениями происходит упаривание котловой воды, вследствие чего локально концентрируются агрессивные соединения (в частности, NaOH, хлориды, сульфаты и др.), что в конечном итоге приводит к интенсификации коррозионных процессов и образованию язв и «свищей» со всеми вытекающими из этого последствиями.

Приведенные выше данные показывают реально существующий, достаточно большой потенциал экономии затрат на стадиях генерации, транспортировки и распределения ТЭ. Уже отмечалось, что степень актуальности проблем определяется повседневным качеством теплоносителя и соблюдением технологической дисциплины. Практика показывает, что в настоящее время по причине объективных и субъективных факторов выполнение этих показателей в полной мере проблематично. Даже если обеспечивается полное соответствие «качества» теплоносителя установленным на сегодняшний день требованиям, в полной мере снять остроту проблемы не представляется возможным.

Степень «агрессивности» теплоносителя определяется составом и концентрацией примесей в исходном водном источнике, в подпиточной воде, а также в попадающей в тракты оборудования не подготовленной воде. По современным представлениям интенсивность коррозионных процессов и процессов образования первичных и вторичных отложений применительно к системам теплоснабжения и горячего водоснабжения определяется в основном концентрацией кислорода, углекислоты, солей жесткости, хлоридов, органических соединений, щелочностью и кислотностью. Обеспечить соответствие такого широкого спектра показателей теплоносителя нормативам в наших условиях практически невозможно, поскольку поддержание качества теплоносителя, а тем более его дальнейшее улучшение на современном этапе однозначно связано с огромными инвестициями и капвложениями.

По этой причине в МЭИ (ТУ) и ряде других организаций интенсивно развивается научное направление, связанное в первую очередь с изучением и изменением свойств поверхностей конструкционных материалов, в том числе и теплообменного оборудования, с целью устранения условий или значительного снижения интенсивности протекания коррозионных процессов, процессов образования и накапливания отложений. Применительно к рассматриваемым проблемам на первом плане стоит задача расширения возможности использования воды в качестве рабочего тела без значительных затрат на ее подготовку. В частности, эта задача может быть решена посредством существенного снижения электрического потенциала тепло-обменных и трубных поверхностей оборудования, перевода их в пассивное состояние в водной, паровой или воздушной среде. Такое состояние может быть достигнуто, в частности, посредством формирования на металлических поверхностях упорядоченных молекулярных слоев поверхностно-активных веществ (ПАВ) толщиной от нескольких ангстрем до нескольких десятков микрометров.

Используемые ПАВ химически инертны по отношению к воде и примесям, находящимся в ней, а также к широкому спектру используемых металлов. При определенных условиях можно обеспечить сорбирование молекул ПАВ на металлические поверхности и образовать на них плотно упакованные мономолекулярные слои, которые в совокупности будут являться надежной преградой для доступа к металлу молекул кислорода и углекислоты из окружающей среды, при этом поверхность приобретает явно выраженную гидрофобность т.е. становится не смачиваемой, тем самым устраняются собственно условия протекания электрохимической коррозии. Пассивирующие металлическую поверхность слои существенно снижают скорость образования отложений и, что особенно важно, препятствуют их накапливанию в дальнейшем, вследствие снижения их сцепляемости с поверхностью.

На основе использования универсальных свойств ПАВ в МЭИ (ТУ) в течение последних 10 лет разработаны способы и технологии их реализации, позволяющие практически полностью устранить условия протекания коррозионных процессов, существенно снизить скорость накапливания отложений и, тем самым, значительно повысить надежность и эффективность эксплуатации, в частности, теплотехнического оборудования и систем теплоснабжения, устраняя при этом «пережог» топлива, повышая КПД теплогенерирующих и теплообменных устройств и снижая гидравлическое сопротивление магистральных трубопроводов и трактов устройств до номинальных значений.

Применительно к реальным условиям эксплуатации отечественных систем теплоснабжения решение этой задачи в практическом плане осуществляется в два этапа. На первом - осуществляется удаление накопившихся в процессе предыдущей эксплуатации отложений и продуктов коррозии в так называемом «щадящем» режиме, без использования традиционно применяемых минеральных кислот (соляная, серная и др.). В ряде случаев состояние поверхностей оборудования таково, что «химическое вмешательство» категорически противопоказано. При значительных загрязненностях поверхностей применяются современные весьма эффективные моющие композиции, обеспечивающие «щадящий» режим удаления отложений в достаточно короткие сроки. На втором этапе производится доочистка, санация и пассивация поверхностей с использованием ПАВ.

Опыт показывает, что применительно к оборудованию систем теплоснабжения при отложениях толщиной менее 5 мм более целесообразно использовать поверхностно-активные соединения, в частности, пленкообразующие амины, с помощью которых можно эффективно удалять отложения и продукты коррозии без повреждения защитных оксидных пленок в гораздо медленном темпе, чем при использовании химических моющих композиций. Более подробное описание существа этих способов приведено в [7-9].

Эти способы оказались весьма эффективными для всех этапов технологического цикла теплоснабжения от теплогенераторов до приборов отопления. В качестве иллюстраций к этому ниже приводятся обнадеживающие результаты натурных исследований, подтверждающие эффективность ПАВ-технологий.

В качестве примера приведены результаты натурных исследований, свидетельствующие о существенном снижении повреждаемости трубных поверхностей водогрейных котлов после начала систематического применения ПАВ-технологий. Не менее эффективны эти технологии оказались для сетевых подогревателей, размещенных на мощных ТЭЦ. Наряду с надежной защитой трубных поверхностей от коррозии в период ремонтов и простоев весьма ярко подтвердился эффект их санации. Приведенная зависимость подтверждает реальную возможность удаления с поверхностей хлоридов, являющихся основной причиной коррозионного растрескивания нержавеющих сталей. Накопившиеся за время эксплуатации в порах и трещинах хлориды с помощью молекул ПАВ отторгаются от металлических поверхностей и могут быть достаточно быстро удалены из трактов оборудования. Подтверждена целесообразность применения ПАВ-технологий для магистральных и разводящих трубопроводов систем теплоснабжения. Их использование эффективно как для пассивации трубных поверхностей и их защите от коррозии в период простоев и эксплуатации, так и для предварительного удаления накопившихся отложений и продуктов коррозии. В качестве примера приведены фотографии трубных поверхностей трубопроводов теплотрасс до и после обработки с использованием ПАВ-технологий. Очевидно, что с помощью ПАВ с поверхностей можно удалить практически все отложения и продукты коррозии без использования достаточно дорогих моющих композиций.

Весьма высоко оценивается эффективность применения ПАВ-технологий для защиты от коррозии, санации и пассивации поверхностей теплообменного оборудования, реализующихся в одном технологическом цикле. В первую очередь это касается пластинчатых и кожухотрубных теплообменников. В системах теплоснабжения г. Москвы в последние годы наиболее интенсивно внедряются пластинчатые теплообменники, имеющие ряд преимуществ по сравнению с кожухотрубными и в то же время обладающих, применительно к нашим условиям, существенным недостатком - процесс их эксплуатации характеризуется достаточно быстрым увеличением перепада давления по причине образования отложений на поверхностях весьма узких каналов. Задача состоит не только в удалении накопившихся отложений, но и в существенном снижении скорости образования новых отложений с целью увеличения периода между систематическими промывками. В последнее время ежегодно в системе теплоснабжения мегаполиса подвергается такой обработке около 280 пластинчатых и 150 кожухотрубных теплообменников. В качестве иллюстрации на рис. 9 приведены фотографии поверхностей пластинчатых теплообменников через три года эксплуатации до и после внедрения ПАВ-технологий. Можно видеть, что на поверхностях с молекулярным слоем ПАВ практически отсутствуют отложения даже через три года эксплуатации. Очень редкие «островки» наносных фракций (в основном железоокисных), плохо сцепленных с поверхностью, легко удаляются механически без использования химических композиций.

Представленные результаты натурных исследований с учетом вышеприведенного анализа состояния отечественных систем теплоснабжения подтверждают принципиальную возможность значительного снижения актуальности обозначенных проблем, способствующей по меньшей мере решению насущной задачи бесперебойного снабжения теплом ЖКХ и промышленности в период до осуществления модернизации и наведения «экономического и технического порядка» в одной из важнейших для нашей страны отраслей.

Литература

1. Некрасов А.С., Воронин С.А. Состояние и перспективы развития теплоснабжения в России // Электрические станции. 2004. № 5.

2. Решение международной научно-практической конференции «Проблемы развития централизованного теплоснабжения». 2004, г. Самара.

3. Шмырев Е.М., Сатанов Л.Д. Некоторые аспекты энергоснабжения в системах централизованного теплоснабжения // Энергетик. 1998. № 6.

4. Байбаков С.А., Тимошкин А.С. Основные направления повышения эффективности тепловых сетей // Электрические станции. 2004. № 7.

5. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / под общей ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. - 3 изд.; пере-раб. и доп. - М.: Изд-во МЭИ, 2001, 564 с.

6. Чистяков Н.Н., Грудзинский М.М., Ливчак В.И., Покровская И.Б., Прохоров Е.И. / Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения - М.: Стройиз-дат, 1988, 314 с.

7. Доброхотов В.И., Рыженков В.А., Куршаков В.А., Пого-релов С.И., Нехороший И.Х. / Технология повышения эффективности и надежности теплообменного оборудования в жилищно-коммунальном хозяйстве - Тез. докл. МНПК, г. Пермь, 2002. С. 127-129.

8. Рыженков В.А., Погорелов С.И., Гашо Е.Г., Лапшин А.В. К вопросу о повышении эффективности энергоиспользования в жилищно-коммунальном хозяйстве // Энергонадзор и энергоэффективность. 2004. № 1.

9. Старикова О.В., Рыженков В.А. Методология оперативной идентификации и определения концентраций потенциально опасных веществ в рабочем теле ТЭС// Теплоэнергетика. 2005. № 4. С. 73-76.

Размещено на Allbest.ru