Основы водоподготовки в теплоэнергетике

 
 
 
 
 
 
А. М. ПАРАМОНОВ 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ ВОДОПОДГОТОВКИ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 628.194:621.1 
ББК 31.370.4 
П18 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., профессор В. М. Лебедев; 
д. т. н., профессор В. Р. Ведрученко 
 
 
 
 
 
 
Парамонов, А. М. 
П18  
Основы водоподготовки в теплоэнергетике : учебное пособие / 
А. М. Парамонов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 120 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1683-2 
 
Рассматриваются основные положения и теоретические вопросы по методам обработки воды на водоподготовительных установках в котельных и на тепловых электростанциях. Приведены физико-химические основы процессов подготовки питательной и 
подпиточной воды. Изложены устройства, принципы действия установок для очистки 
воды на водоподготовительных установках. Даны рекомендации по их эксплуатации.  
Для студентов дневной, заочной и дистанционной форм обучения направлений 
подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника».  
 
УДК 628.194:621.1 
ББК 31.370.4 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1683-2 
” Парамонов А. М., 2024 
 
” Омский государственный технический университет, 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ...................................................................................................................... 5 
  
1. Характеристика природных вод ........................................................................ 9 
1.1. Поступление примесей в воду ........................................................................ 9 
1.2. Классификация природных вод и их примесей .......................................... 11 
1.3. Физико-химические показатели качества воды .......................................... 15 
1.4. Технологические показатели качества воды ............................................... 17  
1.5. Биологические показатели качества воды 
................................................... 20  
 
2. Предварительная подготовка воды на водоподготовительных   
установках 
................................................................................................................. 23  
2.1. Удаление из воды грубодисперсных и коллоидных загрязнений.  
Методы осветления воды ..................................................................................... 23 
2.2. Фильтрующие материалы и основные характеристики структуры 
фильтровальных слоев 
.......................................................................................... 24 
2.3. Механизм задержания взвешенных веществ слоем зернистого  
фильтрующего материала 
..................................................................................... 28  
2.4. Физическая модель работы механического фильтра ................................. 29 
2.5. Особенности задержания взвешенных веществ слоем  
мелкозернистого фильтрующего материала ...................................................... 31 
 
3. Основы коагуляции коллоидно-дисперсных примесей воды 
.................... 34  
3.1. Характеристика коллоидно-дисперсных систем ........................................ 34 
3.2. Основные положения теории двойного электрического слоя 
................... 35 
3.3. Электрокинетический потенциал ................................................................. 38 
 
4. Технологии предварительной очистки воды ................................................ 41 
4.1. Очистка воды методом коагуляции 
.............................................................. 41 
4.2. Основные положения процессов осаждения 
............................................... 43 
4.3. Очистка воды методами известкования и содоизвесткования 
.................. 44 
4.4. Очистка воды на насыпных механических фильтрах ................................ 46 
 
5. Основные положения теории ионного обмена .............................................. 50 
5.1. Кинетика обмена ионов ................................................................................. 50  
5.2. Осмотическая стабильность и механическая прочность ионообменных 
материалов ............................................................................................................. 51 
5.3. Устойчивость ионообменных материалов 
................................................... 53 
5.4. Промышленные катиониты и аниониты 
...................................................... 55  
 
6. Технологии обработки воды на ионитных фильтрах 
.................................. 58 
6.1. Стадии работы ионитного фильтра .............................................................. 58  
6.2. Технология приготовления регенерационных растворов 
.......................... 63  
3 

6.3. Технологии обработки воды на ионитных фильтрах раздельного  
действия 
.................................................................................................................. 65  
6.4. Схемы подготовки воды в ионитных фильтрах смешанного действия ... 72 
 
7. Очистка воды от коррозионно-активных газов ........................................... 76  
7.1. Десорбция газов. Термическая деаэрация ................................................... 76  
7.2. Очистка воды от свободной углекислоты ................................................... 81  
7.3. Очистка воды от кислорода физико-химическими методами 
................... 83  
7.4. Технология химического обескислороживания воды 
................................ 86  
 
8. Обработка воды методами дистилляции ....................................................... 89  
8.1. Основные положения метода дистилляции 
................................................. 89  
8.2. Одноступенчатая и многоступенчатая испарительные установки,  
одноступенчатый испаритель мгновенного вскипания .................................... 89  
8.3. Повышение надежности и экономичности работы  
испарительных установок .................................................................................... 93  
 
9. Безреагентные методы обработки воды ......................................................... 98 
9.1. Обратный осмос ............................................................................................. 98 
9.2. Электродиализ .............................................................................................. 100 
9.3. Комплексная очистка высокоминерализованных исходных  
и сточных вод 
....................................................................................................... 103 
 
10. Особенности использования ингибитора отложений минеральных  
солей при подготовке воды для котлов, тепловых сетей  
и систем горячего водоснабжения ..................................................................... 106 
 
11. Основы проектирования водоподготовительных установок ................ 110  
 
Заключение ............................................................................................................. 114  
 
Библиографический список ................................................................................ 115  
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Основной задачей специалиста в его производственной деятельности является проведение на промышленных предприятиях страны политики максимального энергосбережения. Энергосбережение обеспечивается изучением оборудования и технологий производства энергоносителей. 
Вода имеет большое значение в теплоэнергетике. Она используется  
в различных отраслях промышленности и в теплоэнергетике как энергоноситель 
в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения. Водяной пар, получаемый из воды, является рабочим телом в теплосиловых установках. Широкому 
применению воды способствуют ее особые термодинамические свойства и большое распространение в природе.  
Природная вода представляет водный раствор, включающий в себя растворитель (H2O) и различные примеси, ухудшающие качество воды. Поэтому использование воды без ее очистки от нежелательных примесей связано с рядом 
затруднений, приводящих к снижению надежности и экономичности работы теплоэнергетического оборудования и теплоэнергетических систем. 
Из воды при определенных физико-термических условиях на внутренних 
теплообменных поверхностях возникают отложения. Отложения образуются из 
примесей, содержащихся в воде. Они характеризуются низким коэффициентом 
теплопроводности. Вследствие этого повышается термическое сопротивление 
теплопередачи. Так как вода в экранных трубах котла выполняет функцию теплоносителя и одновременно является охлаждающей средой металла труб, то указанные процессы вызывают перегрев металла экранных труб, ведут к снижению 
их механической прочности и преждевременному выходу котла из строя (рис. 1). 
 
Рисунок 1. Поперечный разрез экранной трубы котла: 
1 – стальная труба; 2 – стенка трубы; 3 – накипные отложения;  
q – плотность теплового потока 
 
В воде содержатся различные коррозионно-активные газы, вызывающие 
при высоких температурах интенсивную коррозию металла конструктивных эле5 

ментов теплоэнергетического оборудования. Вышеперечисленные явления приводят к снижению тепловой эффективности и срока службы теплоэнергетического оборудования. 
Так как теплоэнергетическое оборудование котельных и тепловых электрических станций эксплуатируется при высоких тепловых и механических нагрузках, то это требует жесткого ограничения толщины накипных отложений и минимизации скорости коррозии металла конструкционных материалов. Таким  
образом, возникает необходимость обеспечения высокого качества водного теплоносителя. Это значительно упрощает возможность получения чистого водяного пара, повышения технико-экономических показателей работы котлов, 
надежности работы теплоэнергетического оборудования и теплоэнергетических 
систем. 
Высокие и разнообразные требования к качеству водного теплоносителя 
обеспечиваются при проведении рациональной обработки воды на водоподготовительном оборудовании. Вода, прошедшая очистку от различных примесей, используется: 
– как питательная и подпиточная вода, подаваемая в котлы, паропреобразователи для получения тепловой энергии в виде пара или горячей воды;  
– как охлаждающая среда для конденсации пара и снижения температуры 
работающих узлов тепломеханического оборудования; 
– в качестве теплоносителя в системах теплоснабжения и горячего водоснабжения.  
Пример схемы обращения воды в рабочем цикле теплоэлектроцентрали 
(ТЭЦ) приведен на рисунке 2.  
В схемах обращения воды в рабочем цикле котельной и теплоэнергетической станции различают: 
í сырая вода (Дисх), подаваемая из природных источников на водоподготовительную установку для очистки от примесей; 
í добавочная вода (Дд.в), которая направляется от ВПУ после очистки сырой воды в контур котельной или ТЭЦ для компенсации потерь пара и конденсата;  
í турбинный конденсат (Дт.к), содержащий незначительное количество 
растворенных и взвешенных примесей, í основная составляющая питательной 
воды; 
í возвратный конденсат (Дв.к) от внешних потребителей пара. Он является 
составной частью питательной воды и используется после его очистки от внесенных загрязнений; 
í питательная вода (Дп.в), подаваемая в котлы, пароперегреватели для замещения испарившейся воды в этих агрегатах. Она представляет собой главным 
6 

образом смесь турбинного агрегата, добавочной воды, возвратного конденсата 
от внешних потребителей пара и конденсата регенеративных подогревателей; 
í котловая вода, вода парогенератора. Это вода, находящаяся в контурах 
котлов, парогенераторов, паропреобразователей; 
í продувочная вода (Дпр). Это вода, выводимая из котла, парогенератора 
на очистку или в дренаж для поддержания в котловой воде заданной концентрации примесей. Состав и концентрация примесей в котловой и продувочной водах 
одинаковы; 
í охлаждающая или циркуляционная вода (До.в). Она используется в конденсаторах паровых турбин для конденсации отработавшего пара; 
í подпиточная вода (Дв.п). Она подается в тепловые сети для восполнения 
потерь циркулирующей в них сетевой воды. 
 
 
Рисунок 2. Схема обращения воды в цикле тепловой электроцентрали: 
1 í котел; 2 í пароперегреватель; 4 í конденсатор; 5, 15, 16, 19 í конденсатные  
насосы; 3 í турбина; 6 í теплообменник для подогрева турбинного конденсата;  
7 í термический деаэратор; 8 í питательный насос; 9 í подогреватель высокого  
давления; 10, 11, 12 í подогреватели сетевой воды; 13 í потребитель тепловой  
энергии; 14 í сетевой насос; 20 í сборная емкость конденсата;  
17, 18 í внешние потребители пара; 21 í расширитель непрерывной продувки;  
22 í подогреватель исходной воды; 23 í водоподготовительная установка (ВПУ) 
 
При эксплуатации котельных и тепловых энергетических станций возникают внутрикотельные и внутристанционные потери воды, пара и конденсата, 
которые образуются по следующим причинам: 
7 

– в котлах при непрерывной и периодической продувке, при открытии 
предохранительных клапанов, при обдувке водой или паром хвостовых поверхностей нагрева котлов от золы и шлака, при подаче пара на распыление жидкого 
топлива в форсунках; 
– в турбогенераторах через лабиринтовые уплотнения; 
– при заборе воды на различные анализы в пробоотборных точках; 
– в результате утечек по различным причинам в баках, насосах, трубопроводах.  
 Внутристанционные потери воды, пара и конденсата не должны превышать 2–3 % в различные периоды эксплуатации. 
В ряде случаев промышленные котельные и тепловые электрические станции снабжают паром на различные технологические нужды прилегающие к ним 
предприятия. Внешние потребители пара должны им возвращать конденсат отработавшего пара требуемого качества, то есть после очистки от загрязнений. По 
различным причинам не каждое предприятие может осуществить необходимую 
очистку конденсата. Поэтому существуют внешние потери пара и конденсата, 
которые могут достигать от 10 до 50 % от количества отпускаемого пара. 
Учебное пособие состоит из одиннадцати разделов. Материал построен таким образом, что позволяет осуществить самостоятельное изучение курса.  
 
 
  
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ ВОД  
 
 1.1. Поступление примесей в воду 
 
Природная вода условно разделяется на атмосферную, поверхностную, 
подземную и морскую. Атмосферная вода – это дождь, туман, снег. Поверхностная вода – это вода, которая содержится в реках, озерах, прудах, болотах. Подземная вода – это вода, которая содержится в глубинных слоях почвы и добывается посредством устройства артезианских скважин, шахтных колодцев. Морская вода – это вода морей, океанов. В перечисленных природных водах имеются 
разнообразные примеси. Их концентрация в воде позволяет оценивать ее качество и возможность технологического использования в теплоэнергетике, в промышленности и для хозяйственно-бытовых нужд. Появление примесей в природных водах объясняется их поступлением в результате природного круговорота. 
Испаряясь в атмосферу с поверхности морей, водоемов, рек, болот, она выпадает 
на поверхность почвы в виде атмосферной воды, образуя поверхностные воды. 
Стекая по поверхности Земли, часть воды просачивается вглубь почвы. При этом 
эта вода, встречая на своем пути водонепроницаемые слои почвы, образует подземные воды. Подземная вода разделяется на грунтовую и артезианскую. Грунтовая вода – это вода неглубокого залегания. Артезианская вода – это вода глубокого залегания. Грунтовая вода может выходить вновь на поверхность Земли 
в местах выхода водонепроницаемых пластов, образуя ключи, ручьи, реки и другие поверхностные стоки. Далее поверхностная и подземная вода перемещается 
в руслах рек к озерам и морям, образуя морскую воду. Примеси поступают в 
природную воду также в результате производственно-бытового круговорота 
воды, когда она используется для производственных технологий и хозяйственнобытовых нужд (производственное водоснабжение, сельскохозяйственное водоснабжение, коммунальное водоснабжение и тому подобное).  
Атмосферная вода является наиболее чистой природной водой, но и она 
содержит, кроме газов (О2, N2 СО2), поглощаемых из воздуха, органические и 
неорганические вещества. Их количество и состав зависят от характера атмосферы. В районе промышленных центров она содержит сероводород, серную и 
сернистую кислоты, соляную кислоту, частицы пыли и сажи. Общее содержание 
солей в атмосферной воде не превышает 50 мг/кг. Просачиваясь через грунт, вода 
встречается с различными органическими веществами, минеральными породами и 
солями (NaCl, Na2SO4, MgSO4, CaCO3, силикатами и другими), насыщается ими. 
При определенных условиях некоторая часть органических элементов (сера, 
азот, фосфор и другие) переводится в минеральные кислоты (угольную, серную, 
азотную, фосфорную и другие). В результате их химического взаимодействия с 
9 

различными минеральными породами и солями (например, с карбонатами кальция, железа, магния) в подземной воде появляются растворимые бикарбонатные 
соли кальция, магния и железа. 
  
 
2
3
3
3
2
3
2
CaCO
 H CO
Са НС
2
О
(
O
С
)
C
а
H




R
R
;  
 
2
3
3
3
2
3
2
MgCO
 H CO
Mg НС
2
О
(
O
M
)
C
g
H




R
R
;  
(1.1) 
 
2
3
3
3 2
3
2
FeCO
 H CO
Fe НС
2
О
(
O
F
)
C
e
H




R
R
. 
 
При просачивании через глубинные слои почвы содержащиеся в воде взвешенные вещества, органические и определенная часть коллоидных примесей задерживаются слоями почвы. В результате их концентрация в подземной воде 
значительно снижается. Одновременно в подземной воде повышается содержание бикарбонатных минеральных солей кальция, магния и железа по причине 
интенсивного растворения карбонатных пород кальция, магния и железа. 
Концентрация и состав примесей в поверхностных водах определяются, 
прежде всего, метеорологическими условиями и значительно различаются по сезонам года. Так, например, содержание грубодисперсных, органических примесей в поверхностной воде рек, озер зависит от долевого соотношения в их питании подземными и атмосферными водами. В летний сезон в поверхностной воде 
концентрация взвешенных веществ и органических примесей снижается по сравнению с зимним периодом по причине повышения доли атмосферной воды в их 
питании. В зимний сезон года повышается доля питания поверхностных речных 
стоков подземной водой. В связи с этим в речной воде снижается концентрация 
грубодисперсных примесей. В весеннее время значительно повышается содержание в поверхностных водах грубодисперсных и органических примесей по 
причине повышенного поступления в поверхностные воды паводковых вод (от 
таяния снежного покрова земли). Учитывая эти факторы, качество воды (то есть 
возможность ее использования для технологических целей) необходимо определять по результатам анализов воды для всех периодов года.  
Наибольшее количество примесей поступает в природную воду со стоками 
от производственно-бытового круговорота воды. По составу и характеру примесей эти стоки подразделяются на: 
– хозяйственно-бытовые; 
– производственно-технологические; 
– стоки, образующиеся при проведении сельскохозяйственных и лесозащитных работ. 
Хозяйственно-бытовые стоки и стоки, образующиеся при проведении 
сельскохозяйственных и лесозащитных работ, имеют в своем составе белковые 
примеси, различные жировые вещества, органические и синтетические средства, 
10