Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение акустических противонакипных устройств в малой энергетике

А.Г. Андреев, гл. инженер, П.А. Панфиль, директор

ООО «Кольцо», г. Москва

Аннотация

Внедрение энергосберегающих технологий является одним из приоритетных направлений развития теплоэнергетики. Сокращение поставок природного газа, в том числе и в сектор муниципального теплоснабжения, прогнозируемое, в разы, увеличение цен на газ, и не менее серьезное повышение тарифов на тепло, приводит к росту востребованности энергосберегающих технологий. Одной из наиболее эффективных, применяемых в настоящее время, является ультразвуковая технология предотвращения образования накипи в теплообменном оборудовании.

Образование накипных отложений на теплообменных поверхностях является одной из главных проблем теплоэнергетики на протяжении всей истории ее развития. Накипеобразованию подвержены теплообменники различных типов и назначения: конденсаторы, деаэраторы, пароохладители, инжекторы, котлы и испарители, все виды нагревателей, в том числе пластинчатые и скоростные. Отложения солей карбонатной жесткости на теплообменном оборудовании вызывает уменьшение эффективности его работы. За счет различных значений коэффициентов теплопроводности металла и образующегося слоя накипи, увеличение толщины слоя отложений приводит к снижению температуры нагреваемой воды. В зависимости от карбонатной жесткости нагреваемой воды и ее температуры, время увеличения слоя накипи до толщины в несколько миллиметров составляет от трех недель до трех лет. И каждая вновь образующаяся доля миллиметра слоя накипи приводит к ухудшению процесса теплопередачи, к увеличению удельного расхода количества тепла, энергоносителей, электроэнергии.

Образование слоя накипи, толщина которого составляет 1 мм, ухудшает процесс теплообмена в котлах, по данным различных источников, на 5-20% в зависимости от состава накипи и типа котла. А при даже непродолжительной работе котлов на химически неподготовленной воде толщина слоя накипи достигает 50 мм. На рис. 1 приведено фото среза выходной трубы (диаметр 200 мм) деаэратора через два года эксплуатации - диаметр свободного от накипи канала составляет всего 30 мм!

Рис. 1. Выходная труба деаэратора через два года его эксплуатации.

Продолжительная работа нагревателей даже при невысоких температурах нагреваемой воды вызывает образование значительной толщины слоя накипных отложений и ведет к уменьшению воспринимаемой нагреваемой водой части количества тепла теплоносителя. Результаты обследования кожухотрубных нагревателей систем горячего водоснабжения в Москве показали, что толщина слоя накипи внутри теплообменных трубок превышает порой 1 мм, что приводит к уменьшению эффективности использования теплоносителя до 30%. При этом количество переданного нагреваемой воде тепла в три раза меньше, чем количество тепла, содержащееся в прошедшем через нагреватель теплоносителе. Нарастающий слой накипи из-за своей низкой теплопроводности препятствует нормальному протеканию процесса теплообмена, вызывая снижение температуры нагреваемой воды на выходе нагревателя. Поддержание температуры нагреваемой воды на заданном уровне достигается путем увеличения расхода теплоносителя, что и приводит к дополнительным потерям.

Загрязнение теплообменных поверхностей нагревателя накипными отложениями не только снижает эффективность его работы и требует периодической остановки для проведения очистки, но и, что самое важное, вызывает цепочку экономических потерь при производстве, транспортировке и потреблении тепла.

В тепловых пунктах это увеличение потребления электроэнергии насосами, перекачивающими повышенный объем теплоносителя, дополнительные гидравлические и тепловые потери в нагревателях, необходимость их разборки и чистки теплообменных поверхностей.

Тепловые потери при транспортировке тепла пропорциональны количеству тепла, содержащегося в прошедшем по теплопроводам теплоносителе. Увеличение расхода греющей воды в ТП вызывает необходимость транспортировки повышенного объема теплоносителя, что приводит к дополнительным тепловым потерям в теплопроводах и дополнительному расходу электроэнергии.

При производстве тепловой энергии требуется компенсировать потери тепла как при потреблении, так и при его транспортировке, что вызывает расход дополнительных объемов природного газа (как основного энергоносителя). Повышенный расход теплоносителя в тепловых пунктах является так же причиной увеличения температуры обратной сетевой воды, что негативно сказывается на воспроизводстве тепловой энергии.

Наиболее часто сегодня используются следующие способы борьбы с накипеобразованием: уменьшение в воде содержания солей жесткости посредством химической подготовки воды и применение электрохимических, электромагнитных, ультразвуковых устройств, обеспечивающих снижение скорости образования накипи.

Однако для контуров горячего водоснабжения применение умягченной воды не рекомендуется, а необходимость обеспечения заданной температуры горячей воды у потребителя при больших тепловых потерях на теплотрассах вынуждают повышать температуру на выходе подогревателя выше оптимальных значений.

Применение химической подготовки воды предотвращает образование накипи на теплообменных поверхностях котлов при соблюдении технологии ее использования в течение всего времени работы теплообменного оборудования, но аварийные заборы воды нарушают технологические процессы, что приводит к скоротечному образованию слоя накипи. В этом случае применяется электрохимическая подготовка воды. В электрохимических противонакипных аппаратах процесс накипеобразования переносится на спецфильтры, образование накипных отложений на которых происходит более интенсивно, чем в теплообменном оборудовании. Но и очищать фильтры электрохимического аппарата от накипи приходится чаще, чем теплообменные поверхности. Кроме того, применение обедненной солями воды в системе горячего водоснабжения нежелательно.

Более передовой технологией является применение ингибиторов для предотвращения отложений в системах тепло-водоснабжения, использующее реактивы на основе фосфонатов и поликарбоксилатов. Внедрение данной технологии требует доработку теплообменного оборудования, монтаж дополнительных химических блоков и ежемесячные расходы на приобретение импортных реактивов.

Альтернативными способами снижения скорости образования накипи являются магнитная и электромагнитная обработка воды, которые предотвращают образование накипи посредством формирования из накипеобразующих солей шлама с его последующим удалением при продувках и межсезонных чистках.

Для защиты угольных и мазутных котлов от нагара и накипи применяются инфразвуковые системы, габариты которых сравнимы с размерами котла, а цена превышает стоимость защищаемого оборудования.

В таблице 1 приведены основные применяемые технологии и их стоимость для защиты в течение двух лет от накипных отложений шестисекционного нагревателя воды типа МВН 2052-32.

Таблица 1.

Ультразвуковая технология предотвращения образования накипи основана на возбуждении ультразвуковых колебаний, распространяющихся по теплообменной поверхности или в толще воды. При воздействии ультразвука на воду происходит дробление образующихся в воде кристаллов солей, что не позволяет кристаллам достичь размеров, необходимых для образования осадка. Вынужденные высокочастотные вибрации теплообменной поверхности препятствуют осаждению накипи, отталкивая кристаллы солей, существенно снижая скорость формирования твердых отложений.

Какой из этих механизмов является основным, определяется способом передачи ультразвуковых колебаний от излучателя ультразвука к возбуждаемой среде. Для кожухотрубных водонагревателей и охладителей наиболее оптимальным является сварное соединение излучателей с трубной доской, в результате чего УЗ колебания распространяются по трубной доске, передаваясь через сварные или вальцованные соединения на теплообменный пучок. В случае паровых или водогрейных котлов излучатели привариваются на барабаны и коллектора боковых и заднего экранов, обеспечивая защиту от накипи наиболее высокотемпературных участков котлов. Для пластинчатых теплообменников предпочтительнее формирование УЗ колебаний в толще воды, что достигается некоторым изменением конструкции излучателей. Частота вынужденных ультразвуковых колебаний составляет 20 - 25 кГц и выбрана по результатам многочисленных исследований, как оптимальная для предотвращения образования отложений и не оказывающая негативного влияния на сварные и вальцованные соединения.

Из всех применяемых технологий по защите теплового оборудования от накипных отложений ультразвуковой метод является наиболее экономичным при высокой эффективности его применения.

Ультразвуковая технология предотвращения образования накипи позволяет получить качественные показательные результаты работы за сравнительно небольшое время. Наиболее наглядно эффективность применения АПУ проявляется на кожухотрубных теплообменниках системы ГВС с артезианской водой, карбонатная жесткость которой составляет до 10 мг-экв/литр, при выходной температуре нагреваемой воды до 80С. Работа теплообменника в таком режиме приводит к необходимости ежемесячной его остановки для проведения очистки теплообменных поверхностей. Толщина слоя накипи, образующегося за месяц работы теплообменника, достигает 3-5 мм. Оснащение таких нагревателей противонакипными устройствами серии «Акустик-Т» приводит к увеличению срока работы нагревателя между его вынужденными остановками для проведения очистки. На рис. 2 приведены фотографии трубного пучка одного из таких нагревателей через месяц работы до и после установки АПУ «Акустик-Т2».

Рис. 2. Трубный пучок пароводяного нагревателя.

теплообмен накипь акустический энергетика

Нагреваемая вода в данном теплообменнике находится с внешней стороны трубного пучка. Рис. 2а - трубный пучок до установки противонакипных устройств, накипные отложения твердые, равномерно покрывают поверхность теплообменных трубок, толщина слоя накипи составляет 4 - 5 мм. После проведения механической очистки нагревателя эксплуатирующей организацией были закуплены и установлены на нагреватель противонакипные устройства УГИР, результат работы которых в течение одного месяца приведен на фото рис. 2б. Толщина вновь образованного слоя накипи составляет по-прежнему 4 - 5 мм, но характер накипных отложений изменился - верхний слой накипи рыхлый, чешуйчатый, адгезия с поверхностью трубок немного снижена. Полученный результат свидетельствует о том, что воздействие ультразвука на процесс формирования накипи происходит, но мощности примененных устройств явно недостаточно для снижения скорости образования накипи. После проведения очередной очистки нагреватель был оснащен устройством «Акустик-Т2» производства ООО «Кольцо» и вскрыт через месяц работы (рис. 2в). Толщина слоя накипи на теплообменных трубках не превышала 1,5 мм, имела рыхлый характер, в некоторой части поверхности трубок накипь отсутствовала полностью или легко счищалась.

Аналогичные результаты получены и для пароводяных нагревателей с близкими условиями эксплуатации, нагреваемая вода в которых находится внутри трубного пучка. На рис. 3 показана внутренняя поверхность теплообменных трубок такого нагревателя через два месяца работы до и после установки АПУ «Акустик-Т2». Перед монтажом противонакипного устройства часть теплообменных трубок была заменена, и на фото приведена пирамида из срезов замененных трубок. Применение противонакипных устройств серии «Акустик-Т» позволило увеличить срок безостановочной работы этих нагревателей в три раза.

Рис. 3. Теплообменные трубки пароводяного нагревателя до и после установки АПУ.

Увеличение срока работы теплообменного оборудования между его вынужденными остановками является показательным, но не единственным преимуществом применения акустических противонакипных устройств.

Количественной величиной, характеризующей эффективность работы конкретного теплообменника, служит коэффициент теплопередачи. Для определения значения коэффициента теплопередачи недостаточно имеющегося в тепловых пунктах аппаратурного обеспечения, но в каждом тепловом пункте регистрируются значения параметров, наблюдение за изменением которых позволяет провести качественную оценку эффективности работы теплообменника.

Разница температур сетевой воды и удельный расход теплоносителя являются объективными параметрами, позволяющими оценить эффективность теплообменника в процессе его работы. Даже при незначительной толщине слоя накипи происходит снижение выходной температуры нагреваемой воды, а работа автоматики в системе поддержания температуры воды на заданном уровне приводит к увеличению расхода сетевой воды. При этом увеличивается температура поверхности самого теплообменника, температура сетевой воды на его выходе и восстанавливается заданная температура нагреваемой воды. Установленные в тепловых пунктах счетчики количества потребляемого тепла позволяют регистрировать и расход сетевой воды, и значения температур сетевой воды на входе/выходе теплового пункта.

Многолетние наблюдения за среднемесячными расходами количества тепла на тепловых пунктах, кожухотрубные нагреватели в которых оснащены противонакипными устройствами «Акустик-Т4», показали устойчивое уменьшение удельного расхода теплоносителя. На рис. 4 приведено относительное изменение удельного расхода теплоносителя с января 1999 г. по август 2000 г. на одном из оснащенных акустическим противонакипным устройством «Акустик-Т4» тепловом пункте.

Рис. 4 Относительное изменение удельного расхода теплоносителя на ИТП-5 с января 1999 г. по август 2000 г.

Получение исходных данных для проведения экспериментальной оценки эффективности применения АПУ требует регулярной регистрации характеристик работы нагревателей. В связи с тем, что потребление тепла на тепловом пункте, затрачиваемое на нагрев расходной воды, существенно изменяется в зависимости от сезона, время наблюдения должно составлять не менее года. В случае невозможности, по каким-либо причинам, обеспечения столь длительного времени наблюдения, для получения данных с определенной степенью точности применим метод сравнения, в котором работа нагревателей в тепловых пунктах, оснащенных противонакипными устройствами, сравнивается с работой опорных, не оснащенных АПУ, нагревателей.

Подобное сравнение эффективности работы различных теплообменников корректно лишь при выполнении ряда условий, основными из которых являются равенства их присоединенных нагрузок, площадей теплообменной поверхности, температур сетевой воды на входе в ТП и выходных температур нагреваемой воды. Такая оценка эффективности работы теплообменников системы ГВС возможна, естественно, лишь в летний период, при отключении системы отопления, так как регистрация расходов и температур сетевой воды проводится по всему тепловому пункту.

Все эти требования были выполнены специалистами ООО «Кольцо» и «Мосгортепло» при проведении работы по оснащению акустическими противонакипными устройствами пластинчатых нагревателей ГВС в г. Москве. Тепловые пункты в разное время были оборудованы электромагнитными счетчиками количества тепла и оснащены АПУ «Акустик-Т2».

На рис. 5 приведены значения удельных расходов теплоносителя в трех тепловых пунктах, один из которых оснащен акустическим противонакипным устройством серии «Акустик-Т» (ТП по адресу ул. Зорге, 6). Необходимо отметить, что включение и выключение системы отопления проводилось соответственно в апреле и октябре месяцах и

Q, тонн/Гкал

Рис. 5. Среднемесячный удельный расход теплоносителя.

что потребляемое количество тепла в системах отопления намного больше потребляемого количества тепла в системах ГВС. Тепловые нагрузки отопления в этих ТП, в отличие от ГВС, различны. Аналогичные результаты получены методом сравнения и для остальных тепловых пунктов. Во всех нагревателях ГВС с применением АПУ удельный расход теплоносителя на 10 - 30% ниже, чем в контрольных, не оборудованных противонакипными устройствами. Значительный разброс значений удельного расхода теплоносителя в контрольных ТП для однотипных нагревателей с одинаковыми площадями теплообменных поверхностей и присоединенными нагрузками как раз и свидетельствует о различной степени их загрязнения.

Таким образом экспериментально показано, что в данных, не оборудованных противонакипными устройствами тепловых пунктах, на каждую произведенную в системе ГВС Гкал количества тепла перерасход теплоносителя составляет от 2,5 до 8 тонн. Тепловые потери и потери электроэнергии пропорциональны этому перерасходу.

Наблюдение за характеристиками работы нагревателей в этих тепловых пунктах проводится с 2000 года по настоящее время. На рис. 6,7 приведены средние за летний период удельные расходы и разницы температур теплоносителя в одном из оснащенных АПУ «Акустик-Т2» тепловых пунктах (белая гистограмма) и двух контрольных.

Установка противонакипных устройств была проведена весной 2001 года, значения расходов и разницы температур теплоносителя за 2000 год отражают эффективность работы нагревателей до установки на одном из них АПУ. В течение двух лет после оснащения нагревателя противонакипным устройством происходило уверенное увеличение разницы температур теплоносителя и уменьшение его удельного расхода.

Рис. 7. Средняя за летний период разница температур теплоносителя.

В контрольных тепловых пунктах наблюдается обратная картина, что свидетельствует о снижении эффективности работы теплообменников, не оснащенных противонакипным устройством. Весной 2003 года было зарегистрировано изменение перепада давлений нагреваемой воды на входе/выходе одного из нагревателей (черная гистограмма), и проведена химическая очистка его теплообменных поверхностей. Перепад давлений нагреваемой воды так же служит параметром определения степени загрязнения теплообменников, однако, из-за невысоких точностей применяемых средств измерений, регистрируемое изменение перепада давлений свидетельствует лишь о том, что нагреватель уже загрязнен и требует очистки.

После проведения очистки не оснащенного АПУ нагревателя произошло естественное увеличение разницы температур сетевой воды и уменьшение удельного расхода теплоносителя - эффективность работы нагревателя значительно увеличилась, превысив его эффективность в 2000 году, но так и не достигнув эффективности работы аналогичного нагревателя, оснащенного противонакипным устройством.

Опыт применения акустических противонакипных устройств в малой энергетике показывает сложность получения количественной оценки эффективности их работы. Недостаточная оснащенность счетчиками расхода количества тепла, большая погрешность применяемых измерительных средств приводят к тому, что основным критерием эффективности АПУ по прежнему служит длительность работы теплообменного оборудования между его вынужденными остановками для проведения очистки.

Единственным способом количественной оценки эффективности работы теплообменников является прямое измерение их коэффициентов теплопередачи, для чего требуется привлечение квалифицированных специалистов, наличие методик измерения и соответствующей измерительной аппаратуры. Проведение независимых экспертных измерений коэффициентов теплопередачи оснащенных АПУ и контрольных теплообменников и сравнение их с паспортными значениями дает однозначную оценку эффективности работы акустических противонакипных устройств.

Для проведения этих измерений мы обратились в ОАО «Теплопрогресс-М», представителями которого были выбраны два ТП, паспортные значения характеристик пластинчатых теплообменников в которых и значения присоединенных нагрузок наиболее близки. Один из этих ТП оснащен противонакипным устройством, другой взят в качестве контрольного, оба ТП расположены на одной теплотрассе. Измерения показали, что коэффициент теплопередачи теплообменников, оснащенных противонакипными устройствами, на 20 % выше наиболее близкого по паспортным данным и присоединенным нагрузкам контрольного теплообменника.

Полученные результаты проведенных исследований свидетельствуют о повышении эффективности работы кожухотрубных и пластинчатых теплообменников системы ГВС при оснащении их акустическими противонакипными устройствами, увеличении срока их безостановочной работы и экономии средств, затрачиваемых на эксплуатацию.

Существующие расчеты экономической эффективности применения АПУ показывают, что срок окупаемости противонакипных устройств не превышает двух кварталов. Параметры работы оснащенных АПУ теплообменников свидетельствуют не только о существенном снижении расхода теплоносителя, но и об увеличении разницы температур греющей воды на входе/выходе ЦТП на 4-7С.

Ультразвуковая технология - одна из рекомендованных энергосберегающих технологий (РД 34.20.145-92) и позволяет не только увеличить срок работы теплообменного оборудования между его вынужденными остановками для проведения очистки, но и достигнуть реальной экономии средств и энергоносителей.

На рынке ультразвуковых противонакипных устройств сегодня представлены несколько их типов, значительно отличающихся по характеристикам и эффективности применения. Все приведенные результаты относятся только к акустическим противонакипным устройствам «Акустик-Т» производства ООО «Кольцо».

Размещено на Allbest.ru