Опыт эксплуатации инерционно-гравитационных фильтров-грязевиков ГИГ на котельных с водогрейными котлами большой мощности.

С. П. Батуев, канд. техн. наук, генеральный директор ООО СПКФ «ВАЛЕР»

Широкое распространение в централизованном теплоснабжении городских поселений получили крупные районные котельные, оборудованные водогрейными котлами большой тепловой мощности (ПТВМ-30, 50, 100, 150, 180, КВГМ-30, 50, 100).
Характерной особенностью этих котлов является развитая конвективная часть при относительно малых диаметрах трубок.
Практика эксплуатации показала, что такие котлы часто уязвимы в отношении заноса механическими загрязнениями, поступающими с обратной сетевой водой, особенно в период запуска отопительных систем потребителей.
Явлением заноса в эксплуатационной практике принято называть быстрое (в течение нескольких суток и даже часов) увеличение гидравлического сопротивления котлов (на 2-5 кгс/см2).

Данное явление приводит к необходимости изменения режима работы котлов, например, снижению расхода воды, циркулирующей через котел, что в свою очередь, приводит к интенсификации роста отложений из-за уменьшения нормативных скоростей, пережогам труб, аварийным ситуациям, и, в конечном счете, выведению котла из работы.

Существует даже эксплуатационная практика, когда в пусковой период включают в циркуляцию один котел, специально выбранный для работы в этот период как «грязеуловитель» с целью защиты от заноса других котлов.

После прохождения пускового периода этот котел выводят в ремонт или выполняют его химико-технологическую обработку (кислотную промывку).

Безусловно, явление заноса котлов, а также другого теплообменного оборудования сопровождается значительными финансовыми потерями. Увеличение гидравлического сопротивления котлов и теплообменников неизбежно ведет к увеличению затрат электроэнергии на перекачку теплоносителя, снижению к.п.д. установки, к необходимости проведения дорогостоящих химико-технологических обработок и ремонтов котлов, уменьшению общего ресурса работы теплоэнергетического оборудования.

Известно, что основными загрязнениями сетевой воды механическими частицами являются:

продукты коррозии трубопроводов тепловых сетей, систем отопления, теплообменного оборудования;
шламовые отложения;
минеральные примеси в виде частиц грунта и песка;
посторонние фрагменты и случайные загрязнения.

Источниками загрязнений сетевой воды являются, главным образом, системы отоплений зданий и сооружений, сетевые трубопроводы, а также попадание посторонних примесей и случайных загрязнений в трубы при ремонте участков тепловых сетей.

Образование железоокисных отложений в системах отопления и трубопроводах тепловой сети в значительной степени обусловлено так называемой стояночной коррозией и отсутствием консервации оборудования в межотопительный период. Учитывая, что интенсивность стояночной коррозии в среднем в 15…20 раз выше интенсивности коррозии, протекающей в период эксплуатации, а также продолжительность межотопительного периода - в среднем 5 месяцев, это приводит к накоплению к началу отопительного периода большого количества железоокисных отложений в отопительных системах, сетях и оборудовании.

С началом отопительного периода эти отложения при включении циркуляции теплоносителя в большом количестве попадают в тепловые сети. Концентрация загрязнений в обратной сетевой воде в этот период может многократно превышать нормативные значения по содержанию железа, взвешенных частиц, цветности, прозрачности, мутности. В динамике изменения показателей (например, концентрации железа) обратной сетевой воды в течение года, показанной на рис.1, это проявляется ярко выраженным «пиком» превышения указанных показателей сетевой воды. Периодическое превышение указанных показателей происходит также и в течение отопительного сезона и вызвано, как правило, переключениями на участках тепловых сетей или их запуском после аварийных ремонтов.

Так, по данным некоторых теплоснабжающих предприятий (ГУП «ТЭК СПб» Северный филиал, МУП «Во-дотеплоснаб» г. Всеволожск Ленинградской область, ЗАО «Лентеплоснаб» г. Пушкин, ОАО «РКС» - Тепловые сети г. Петрозаводска, ОАО «Теплоэнерго» г. Нижний Новгород, МУП «Лобненская теплосеть», г. Лобня, ООО «Юганск-транстеплосервис», г. Нефтеюганск и др.) качество обратной сетевой воды в период запуска тепловых сетей имеет следующие показатели (приведен диапазон значений):

содержание железа общее, мг/дм3 - 0,8…5;
цветность по шкале CO-Pt, град - 30…600;
прозрачность по шрифту, см - 30…12;
мутность, мг/дм3 - 1,7…30
содержание взвешенных веществ, мг/дм3 - 5…1000.

Вынужденной мерой улучшения показателей качества сетевой воды является промывка сетей большим объемом воды, прошедшей водоподготовку. Это ведет к безвозвратной её потере и существенным затратам.

Многие тепловые источники вообще не имеют оборудования для очистки обратной сетевой воды. В лучшем случае, установлены грязевики перед сетевыми насосами, которые могут защитить рабочие колеса насосов только от попадания крупных предметов. Вследствие этого, явление заноса котлов и теплообменного оборудования достаточно часто встречается на практике. Причем, при отсутствии оборудования для очистки обратной сетевой воды от механических примесей опасность заноса котлов и теплообменников сохраняется в течение всего отопительного периода.
Приведённые факты указывают на актуальную необходимость применения оборудования для защиты водогрейных котлов и теплообменного оборудования от заноса механическими загрязнениями, поступающими в котельные с обратной сетевой водой.

При выборе оборудования для очистки сетевой воды от загрязнений большое значение имеют такие показатели, как характер и свойства загрязнений, эффективность очистки, возможная производительность по воде и рабочий диапазон расходов, простота и удобство эксплуатации.

Например, устройства, использующие сетчатые перегородки или фильтрующие материалы, отличаются быстрым нарастанием гидравлического сопротивления и необходимостью очистки или замены указанных элементов.

При этом аппарат должен полностью или частично выводиться из работы, а неочищенная сетевая вода в этот период направляется по байпасной линии без очистки или через дополнительный, резервный аппарат.

В период пуска тепловых сетей это приводит к необходимости частого обслуживания таких аппаратов, что существенно увеличивает эксплуатационные расходы. Этот факт хорошо показан и подтвержден данными датских исследователей (Датский совет по централизованному теплоснабжению).

Устранение данного недостатка возможно путем автоматизации процесса промывки сетчатых перегородок или фильтрующих материалов, однако, это также приводит к росту затрат на эксплуатацию.

Автоматизация процесса промывки сеток, реализуемая в так называемых самопромывных или самоочищающихся фильтрах, частично решает эту проблему, однако, при больших концентрациях загрязнений в воде значительно увеличивается частота включения режима промывки и образуется достаточно большой объем промывочной воды. Кроме того, стоимость автоматизации аппаратов достаточно высока. Существует также возможная опасность повреждения сетки крупным фрагментом загрязнения в воде или случайным предметом, которое может быть не зафиксировано персоналом. В этом случае, эффект очистки воды сетчатыми фильтрами резко снижается. Подобных недостатков лишены устройства, использующие гидродинамические принципы очистки (например, сочетание процессов инерции и гравитации). Комбинированное использование этих процессов реализовано в инерционно-гравитационных грязевиках ГИГ, разрабатываемых предприятием ООО СПКФ «ВАЛЕР».

Такие аппараты имеют незначительное и постоянное гидравлическое сопротивление, независящее от количества уловленных загрязнений. Они не требуют резервирования, а также специального обслуживания, остановки в ходе эксплуатации; не могут быть повреждены при попадании в них крупных и прочных фрагментов и посторонних предметов с сетевой водой.

Накопление загрязнений происходит в нижней камере (для тяжелых примесей) и в верхней камере (для легко всплывающих примесей). Достаточно большой объем камер обеспечивает сбор частиц загрязнений для последующего их периодического удаления.

Удаление накопленных загрязнений из корпуса грязевиков ГИГ производится в ходе работы устройства, без остановки системы, кратковременным открытием дренажей. Объем сбрасываемой воды при этом незначителен и составляет около 2…5 % от внутреннего объема аппарата.

Высокая производительность (до 6000 м3/час и выше) и эффективность очистки сетевой воды в таких устройствах (до 90 % для тяжелых частиц загрязнений с размером более 70 мкм) сочетается с надежностью и простотой эксплуатации.

Внедрение инерционно-гравитационных фильтров-грязевиков ГИГ ведется с 1993 года. Накоплен большой положительный опыт эксплуатации аппаратов ГИГ на многих котельных.

На рис. 2 показана динамика изменения гидравлического сопротивления водогрейных котлов на ряде котельных теплосетевых предприятий до и после установки инерционно-гравитационных грязевиков ГИГ.

Например, по данным МУП «Водотеплоснаб» (г. Всеволожск) гидравлическое сопротивление котлов ПТВМ на котельной № 18, необорудованной устройствами очистки сетевой воды от механических примесей, за отопительный сезон увеличивалось с нормативных 1,5 кгс/см2 до 6 кгс/см2. Причем, максимальная степень прироста гидравлического сопротивления приходилась на первые недели пускового периода. Быстрый занос конвективных частей котлов приводил к необходимости постоянных ремонтов конвективных пакетов, а также проведению ежегодных химических промывок. После установки в 2003 г. оборудования для очистки обратной сетевой воды (гравитационно-инерционный фильтр-грязевик ГИГ-1000) и его эксплуатации в течение года гидравлическое сопротивление на котлах увеличилось лишь на 0,5 кгс/см2, а за последующие 2 отопительных сезона сопротивление на котлах практически не изменялось.

По данным ОАО «Теплоэнерго» (г.Нижний Новгород) увеличение гидравлического сопротивления пиковых водогрейных котлов на Нагорной теплоцентрали до установки гравитационно-инерционных фильтров-грязевиков составляло 4…5 кг/см2 за отопительный период.

После внедрения аппаратов ГИГ-2300 и ГИГ-6400 прирост гидравлического сопротивления за отопительный сезон 2005/2006 года составил 0,3 кг/см2 и продолжает оставаться постоянным. По эксплуатационным данным, в результате работы фильтров-грязевиков ГИГ было уловлено и удалено из тепловой сети около 31 т механических примесей.

Аналогичный характер нарастания гидравлического сопротивления водогрейных котлов типа ПТВМ до установки фильтров-грязевиков ГИГ наблюдался на котельных ООО «Югансктранстеплосервис» (г. Нефтеюганск) и МУП «Лобненская теплосеть» (г. Лобня Московской области).

После установки аппаратов ГИГ на котельных указанных предприятий нарастание перепада давления на котлах практически не происходит, что позволяет прогнозировать значительное увеличение межремонтного ресурса котлов и существенную экономию материальных затрат.

Определенный интерес представляют данные, характеризующие состав, структуру, свойства загрязнений, присутствующие в сетевой воде.

По результатам некоторых исследований и данным эксплуатации концентрации и дисперсный состав механических загрязнений значительно изменяются в течение отопительного периода.

Так по эксплуатационным данным (ГУП «ТЭК СПб», МУП «Водотеплоснаб») в пусковой период около 80…90 % частиц загрязнений в сетевой воде имеют размер свыше 70 мкм (см. рис. 3), а их количество максимально. Кроме того, в период пуска с обратной сетевой водой поступает большое количество крупных механических примесей – отслоившиеся со стенок трубопроводов фрагменты продуктов коррозии размером от 0,5 до 5 см, мелкие и крупные камешки, песок, щебень, сварочный грат, окалина и другие посторонние предметы.

Такие загрязнения в силу больших значений концентраций, размеров и плотности имеют определяющее значение в негативном явлении заноса котлов и теплообменного оборудования механическими примесями, и, особенно, в пусковой период. Это косвенно подтверждается данными дисперсного (гранулометрического) анализа загрязнений, улавливаемых гравитационно-инерционными грязевиками ГИГ-5600 на пиковой котельной РТ «Парнас» (ГУП «ТЭК СПб»), где явление заноса водогрейных котлов КВГМ-100 не наблюдается с 1996 года, после установки этих аппаратов (табл. 1).

Анализ таблицы 1 показывает, что основная масса загрязнений (около 85…90 %) имеют размер более 70 мкм. Интересно, что дисперсный состав улавливаемых из сетевой воды загрязнений разным водоочистным оборудованием (на ТЭЦ ОАО «Ижорские заводы» установлены магнитные уловители шлама) достаточно близок на тепловых сетях разных предприятий. Данные результаты свидетельствуют о целесообразной границе размеров частиц, улавливание которых необходимо с точки зрения предотвращения заноса котлов и теплообменного оборудования механическими загрязнениями в сетевой воде.

Визуальный осмотр уловленных механических загрязнений показал наличие наряду с большим количеством частиц продуктов коррозии сетей также и минеральных примесей: мелких и крупных камешков, песка. Присутствие таких загрязнений, а также случайных, посторонних предметов в сетевой воде создает дополнительную опасность повреждения и (или) повышенного абразивного износа рабочих колес сетевых насосов.

Продолжительность пускового периода в тепловых сетях зависит от интенсивности подключения потребителей, качества предварительной промывки сетей и систем отопления потребителей, наличия оборудования для очистки обратной сетевой воды и может составлять в среднем от 15 до 30 дней.

Установка водоочистного оборудования на сетевых трубопроводах значительно уменьшает период времени до достижения сетевой водой нормативных значений показателей.

Например, в результате длительной (более 10 лет) эксплуатации инерционно-гравитационных фильтров-грязевиков ГИГ-5600 на обратном трубопроводе котельной РТ «Парнас» (ГУП «ТЭК СПб») качество обратной сетевой воды достигает нормативных показателей в течение 5…10 дней с начала циркуляции теплоносителя при запуске отопительных систем.

Подобные результаты получены на котельных ООО «Югансктранстеплосервис» (г. Нефтеюганск) с водогрейными котлами КВГМ-100 и ПТВМ-30М, обратные трубопроводы которых оборудованы пятью фильтрами-грязевиками ГИГ-2750. Эксплуатационным персоналом отмечено достижение нормативных показателей сетевой воды, что ранее не удавалось получить на протяжении всего отопительного периода.

После завершения подключения потребителей к тепловым сетям, стабилизации циркуляции теплоносителя и улавливания основного количества механических примесей водоочистным оборудованием концентрация загрязнений в сетевой воде приближается к нормативным значениям, уменьшаются размеры взвешенных частиц загрязнений – около 50…60 % частиц имеют размер менее 50 мкм (см. рис. 3) при их общем количестве не более 10…15 %. Эти загрязнения, в силу небольших значений концентраций и размеров, уже мало влияют на процесс механического заноса, поскольку при нормативных скоростях движения воды в водогрейных котлах практически не осаждаются.

Анализ распределения концентрации механических загрязнений по сечению горизонтального трубопровода (см. рис. 4) показывает, что крупные частицы (свыше 100 мкм) распределяются в области нижней образующей трубы и, тем самым, образуют наносные отложения на участках труб с низкими скоростями движения воды. Более мелкие частицы в потоке распределяются по сечению трубопровода достаточно равномерно в соответствии с профилем скорости движения воды в трубопроводе и при скоростях воды более 0,8 м/с практически не осаждаются.

Вероятно, этим объясняется тот факт, что анализом воды на содержание взвешенных веществ зачастую не обнаруживаются достаточно крупные механические загрязнения (свыше 100 мкм). И даже при нормативном значении концентрации взвешенных веществ в сетевой воде в период установившейся циркуляции теплоносителя (после завершения пускового периода), улавливание крупных механических примесей грязевиком ГИГ продолжается.

Об этом свидетельствует дисперсный анализ загрязнений в шламе, дренируемом из аппарата периодически в течение всего отопительного периода (см. таблицу). Таким образом, приведенные данные о результатах практической эксплуатации инерционно-гравитационных грязевиков ГИГ позволяет рекомендовать их широкое применение в котельных и ТЭЦ для очистки обратной сетевой воды от механических примесей и предотвращения явления заноса котлов и теплообменного оборудования.