Противонакипные системы серии GENERUS для теплообменного оборудования

Защита от накипи котлов и теплообменников в теплоэнергетике.

Применение ультразвука в теплоэнергетике

Известно, что основной проблемой в теплоэнергетике является увеличенный расход энергоресурсов, который связан с целым рядом причин: это старое и изношенное оборудование, плохое качество воды, нарушение технологических процессов и т.д. Одной из основных проблем, с которыми сталкиваются теплоэнергетики, является образование карбонатных отложений и других видов накипи на стенках теплообменного оборудования.

Образование накипи на кожухотрубном подогревателе за 3 месяца использования
Рис. 1. Образование накипи на кожухотрубном подогревателе за 3 месяца использования

 

 

Увеличенное изображение образования накипи на кожухотрубном подогревателе за 3 месяца использования
Увеличенное изображение

Эта проблема приводит к значительному перерасходу топлива, снижению коэффициента полезного действия оборудования, сокращению межремонтных сроков, увеличению затрат на обслуживание и ремонт.

Существует несколько физических методов, уменьшающих скорость образования накипи. Все они способствуют кристаллизации солей жесткости в толще воды и препятствуют достижению кристаллами размеров, необходимых для образования осадка. Наряду с традиционными способами решения этой проблемы (химической подготовкой нагреваемой воды и соблюдением оп­ти­маль­ных тем­пе­ра­тур­ных и ско­ро­ст­ных ре­жи­мов), на сегодняшний день широко применяется безреагентный и в частности акустический (ультразвуковой) метод.

Ультразвуковая технология выделяется в этом ряду тем, что воздействует на образование и оседание накипи несколькими различными способами в зависимости от частотного диапазона:

1. При озвучивании воды ультразвуком достаточной интенсивности, происходит разрушение, раскалывание образующихся в нагреваемой воде кристаллов солей жесткости. При контакте твердого тела с жидкостью накипь образуется на твердом теле. Это может быть или теплообменная поверхность или взвешенные в воде частицы, являющиеся центрами кристаллизации растворенных в воде солей. В обычных условиях общая площадь поверхности взвешенных в воде частиц меньше площади теплообменной поверхности оборудования и именно на ней и происходит образование накипи. Но под воздействием ультразвука происходит раскалывание кристаллов карбоната кальция, находящихся в воде, их средние размеры уменьшаются с 10 до 1 микрона, увеличивается их количество и общая площадь поверхности.

Под действием ультразвука в воде резко (примерно в 1000 раз) возрастает количество центров кристаллизации. Это приводит к переносу процесса образования накипи с теплообменной поверхности в жидкость, в толщу воды, к кристаллизации солей непосредственно в водной массе, что связано с появлением под действием ультразвука большого количества зародышей кристаллов, к постоянному возникновению, росту и раскалыванию кристаллов солей.

2. Ультразвук возбуждает высокочастотные колебания в металлической теплообменной поверхности. Распространяясь по поверхности, противонакипные колебания препятствуют формированию на ней накипных отложений, замедляя осаждение образующихся кристаллов солей. За счет различной механической жесткости металла и слоя накипных отложений изгибные колебания теплообменной поверхности разрушают формирующийся слой накипи. А если на теплообменной поверхности уже был слой накипи, то ультразвук разрушает его, что сопровождается отслоением и откалыванием кусочков накипи. Размеры этих кусочков зависят от толщины слоя накипи и увеличиваются с ее ростом. При значительной толщине слоя образованной ранее накипи, существует опасность засорения и закупорки каналов. Поэтому одним из основных требований успешного применения ультразвуковой технологии является предварительная очистка, насколько это возможно, от старого слоя накипных отложений.

Следует иметь в виду, что некоторых случаях применение противонакипных устройств не избавляет от накипи навсегда, но скорость оседания накипи уменьшается в несколько раз. В самых тяжелых случаях – при воде с карбонатной жесткостью более чем 10 мг-экв/литр, срок службы нагревателя между чисткой или заменой трубного пучка увеличивается не менее, чем в три раза. При жёсткости воды менее 8 мг-экв/литр, срок службы между чистками увеличивается в 4..5 раз. А для котлов и теплообменников, в которых за год образуется не более 2 мм отложений, о проблемах с накипью можно забыть.

3. Под воздействием противонакипных колебаний в толще воды образуется множество кавитационных пузырьков. Вокруг них, как центров кристаллизации, непосредственно в воде начинают образоваться соли жесткости, образуя мелкодисперсный шлам. Колебания поверхности нагрева препятствуют осаждению шлама на стенках труб. Таким образом, частицы труднорастворимых солей практически не оседа­ют на стенках оборудования, а остаются во взвешенном состоянии и удаляются потоком жидкости или продувкой.

Кроме того, противонакипные колебания оказывают разрушающее действие на ранее образовавшуюся НАКИПЬ. Противонакипные колебания, воздействуя на поверхность нагрева, создают знакопеременные механические усилия, под влиянием которых прочность связи внутри карбонатных отложений, а также между карбонат­ным отложением и металлом нарушается, и при этом образуются трещины. Вода под действием капиллярных сил проникает через трещины- капилляры к поверхности нагрева, где она мгно­венно испаряется, вызывая вспучивание и отслаи­вание карбонатных отложений. Отслоившиеся мелкие частицы и чешуйки карбонатных отложе­ний скапливаются в нижней части теплообменного оборудования и удаляются периодической продувкой.

Кожухотрубный подогреватель после применения противонакипных устройств
Рис. 3 Кожухотрубный подогреватель после применения
противонакипных устройств

Действие ультразвука не ограничивается только предотвращением образования карбонат­ных отложений и сохранением за счет этого эффективности теплотехнического оборудования. Противонакипные колебания увеличивают теплопе­редачу греющей поверхности за счет микропото­ков, образуемых колебаниями стенок труб и воды в них, и повышения скорости потока воды из-за снижения гидродинамического сопротивления труб с колеблющимися стенками. Под действием ультразвука улучшается отвод пузырьков пара от поверхности нагрева и дегазация воды вследствие лучшего перемешивания жидкости на границе двух сред металл-жидкость, что также спосо­бствует увеличению теплопередачи. Явление снижения гидродинамического сопротивления особенно эффективно проявляется в узких микронных щелях естественных дефектов внут­ренних поверхностей труб, где в обычных условиях (без ультразвука) в теплообменном оборудовании сохраняется кислород из воздуха, а при возде­йствии противонакипных колебаний он легко выходит из этих щелей.

В результате этого исключается один из механизмов кислородной коррозии металла труб. Длительное воздействие противонакипных импуль­сов на внутреннюю поверхность труб, обладаю­щую дефектами в виде микротрещин, производит деформацию наиболее податливых участков поверхности вблизи микротрещин. Благодаря этим деформациям происходит наклеп краев трещин, в результате чего они оказываются закрытыми и не подверженными проникновению в них кислорода при сливе воды из оборудования. Внутренняя поверхность труб становится гладкой, и полная площадь ее резко уменьшается, что приводит и к уменьшению вероятности коррозии. Получаемый таким образом эффект коррозионной защиты в какой-то степени заменяет пассивирова­ние внутренней поверхности труб.

Приведенные выше факторы взаимосвязаны и в совокупности являются причиной положительно­го воздействия ультразвука на процессы предот­вращения образования карбонатных отложений, снижения коррозии металла и повышения эффек­тивности работы теплообменного оборудования.

Применение ультразвукового метода исключа­ет загрязнение окружающей среды вредными стоками водоподготовительных установок, а стоимость обработки 1м3 воды этим способом, как показывают ориентировочные расчеты, в 200 — 250 раз ниже стоимости химической обработки.

Капитальные вложения, связанные с приобре­тением, монтажом и наладкой устройств противонакипных серии GENERUS, окупаются в течение нескольких месяцев их работы.

Устройства противонакипные серии GENERUS

Для решения проблем связанных с отложениями на теплообменном оборудовании ООО «ДЖЕНЕРУС» предлагает Вашему вниманию устройства противонакипные серии GENERUS (рис.4) рассчитанные на непрерывный режим работы. Данное оборудование защищено патентом № 145687, разрабатывается и изготовляется на современной элементной базе и в соответствии с ТУ 3444-001-37306142-2013. При разработке устройств GENERUS были использованы самые передовые схемотехнические решения, что повышает его надежность, уменьшает энергопотребление и увеличивает акустическую мощность.

Устройство ультразвуковое GENERUS-200
Рис. 4. Устройство ультразвуковое GENERUS-200

Устройство GENERUS устанавливается на паровых и водогрейных котлах (до 13 атмосфер) низкого давления барабанного типа, бойлерах, конденсаторах, опреснителях, сетевых водонагревателях, воздухоохладителях компрессоров, воздухоподогревателях калориферов и другом теплообменном оборудовании, применяемом в теплоэнергетике, нефтяной, судостроительной, коммунальном хозяйстве и других областях. Установка устройства на объекте (котельная, бойлерная и т.д.) не требует согласования с организациями, проектирующими объекты.

Структура условного обозначения устройств противонакипных серии GENERUS

GENERUS – XYZ:

X— количество подключаемых преобразователей (магнитострикторов);

Y— номер модификации конструкции шкафа генератора;

Z— номер модификации платы печатной GENERUS.

Фотографии установленных генераторов на объектах теплоэнергетики России

 

GENERUS-200 на параводянном подогревателе
Рис. 5. GENERUS-200 на параводянном подогревателе
GENERUS-200 на пластинчатом теплообменнике «РИДАН»
Рис. 6. GENERUS-200 на пластинчатом теплообменнике «РИДАН»
GENERUS-200 на кожухотрубном подогревателе
Рис. 7 GENERUS-200 на кожухотрубном подогревателе


Технические характеристики устройств противонакипных серии GENERUS

Устройство противонакипное GENERUS состоит из транзисторного генератора, кабельной сети и магнитострикционных преобразователей. Данный генератор может работать с магнитострикционными преобразователями выполненные как из сплавов «дифераль», так и из сплавов «пермендюр» и никеля.

В зависимости от количества преобразователей устройства серии GENERUS выпускаются на 2 (GENERUS — 200) и на 4 (GENERUS — 400) магнитостриктора.

Тип GENERUS — 200 GENERUS — 400
Напряжение питания, В 220±20
Частота сети, Гц 50, 60
Кол-во преобразователей 2 4
Потребляемая мощность, кВА 0,065 0,100
Рабочий диапазон частот

генератора, кГц

10…30 кГц с дискретностью настройки 10 Гц
Габариты генератора, мм 400×300×150 400×300×150
Габариты преобразователя, мм:
из сплава «Пермендюр» 293×58×58 293×58×58
из сплава «Дифераль» 347×62×57 347×62×57
Масса преобразователя, кг:  

 

из сплава «Пермендюр» 1,9 1,9
из сплава «Дифераль» 3,5 3,5
Масса генератора, кг 8 10
Степень защиты

генератора/преобразователя

IP51/IP41

 

 

Технико-экономическое обоснование их применения

Очистка теплообменного оборудования достаточно трудоемкий процесс, проводящийся силами обслуживающего персонала или силами сторонних организаций, занимающихся котлоочисткой. Затраты на механическую и химическую очистки достаточно высоки и существенно возрастают из-за удаленности и разбросанности объектов. Ориентировочные годовые затраты на проведение механической или химической котлоочисток приведены в таблице 2:

Таблица 2

Мощность котла, МВт Стоимость одной механической чистки, руб. Стоимость одной химической чистки, руб. Годовые затраты при проведении ежеквартальной механической чистки, руб. Годовые затраты при проведении ежеквартальной механической чистки, руб.
До 0,1 (Загородный дом) От 8 000,00 От 12 000,00 От 32 000,00 От 48 000,00
До 1.5 От 40 000,00 От 70 000,00 От 160 000,00 От 280 000,00
От 1.5 до 2.4 От 40 000,00 От 90 000,00 От 160 000,00 От 360 000,00
От 2.4 до 4.9 От 60 000,00 От 100 000,00 От 240 000,00 От 400 000,00
От 4.9 до 9.9 От 80 000,00 От 120 000,00 От 320 000,00 От 480 000,00
От 9.9 до 19.9 От 130 000,00 От 170 000,00 От 520 000,00 От 680 000,00
От 20 до 30 От 180 000,00 От 250 000,00 От 720 000,00 От 1 000 000,00
От 30 до 50 От 200 000,00 От 270 000,00 От 800 000,00 От 1 080 000,00

ООО «ДЖЕНЕРУС» был проведен ряд работ для оценки эффективности применения ультразвуковой технологии методом сравнения. Устройство противонакипное GENERUS – 200 было установлено на кожухотрубном четырехсекционном водоводяном подогревателе. Эксплуатация устройства GENERUS – 200 позволила примерно в 3 раза сократить скорость образования накипи по сравнению с таким же водоводяным подогревателем без противонакипных устройств.

Установка на теплообменное оборудование устройства противонакипного GENERUS позволяет увеличить период между чистками примерно в три раза, что значительно сокращает годовые затраты на очистку оборудования.

Для уменьшения стоимости непроизводительных затрат при эксплуатации теплообменного оборудования необходимо избавиться от накипных отложений.

В настоящее время одним из наиболее эффективных и экономически выгодных является ультразвуковой метод борьбы с накипными отложениями.

С помощью устройств GENERUS возможно получить значительный экономический эффект за счёт снижения потребления топлива: из графика (рис. 8) можно увидеть, что чем меньше толщина накипи, тем меньше топлива понадобится для поддержания одной и той же температуры. Таблицы №3 и №4 позволяют рассчитывать количество перерасхода газа и его стоимость применительно к некоторым типам котлов и теплообменников.

Влияние толщины накипи на перерасход топлива.
Рис. 8. Влияние толщины накипи на перерасход топлива.

Таблица 3

N° п/п Марка котла Производитель­ность, Гкап/час Толщина накипи
δ=0,5 мм 5=4,0 мм
Перерасход газа, куб. м. Сумма, руб. Перерасход газа, куб.м. Сумма, руб.
1. Е 1/9 0,6            30 112,00 / 40880,00          132        500,50 /

182682,50

2. ВК 22 2,2          109 420,00 / 153300,00          483 1841,00 /

671965,00

3. КВЗГМ-4 4          199 756,00 / 275940,00          575 3346,00 /

1221290,00

4. КВГ-6,5 ДКВР-10/13 6,5          324 1239,00 / 452235,00          1429 5449,50 / 1989067,50

Зависимость перерасхода газа от толщины накипи для некоторых типов котлов, за сутки/за год (стоимость 1000 куб.м газа 3813,55 руб. без НДС)

 

Марка теплообменника Производитель­ность, Гкал/час Поверхность

нагрева сеции,М. кв.

Толщина накипи
д=0,5 мм Д=4,0
Перерасход газа, куб.м. Сумма, руб. Перерасход газа, куб.м. Сумма, руб.
ПВ-57х1,0-СГ 0,012 0,37 0,6 1,79 / 654,00 2,6 10,05 / 3666,42
ПВ-168×2-1,0-СГ 0,093 3,40 4,6 14,70 /

5365,50

20,4 77,00 /

28105,00

ПВ-325х4-1,0-СГ 0,8 28,0 40 128,80 /

47012,00

176 668,50 /

244002,50

Зависимость перерасхода газа от толщины накипи для некоторых типов водо-водяных теплообменников за сутки/за год при стоимости газа 3813,55 руб. за 1000 куб. м без НДС

Особенности ультразвуковой технологии позволяют получить дополнительный эффект: во-первых, накопившаяся на внутренних стенках накипь начинает отслаиваться и затем удаляется продувкой, во-вторых, при постоянной работе устройства накипь не образуется. Кроме вышеназванного, противонакипные колебания увеличивают теплопередачу греющей поверхности за счет микропотоков, образуемых колебаниями стенок труб и воды в них, и повышения скорости потока воды из-за снижения гидродинамического сопротивления труб с колеблющимися стенками. Явление снижения гидродинамического сопротивления эффективно проявляется в узких микронных щелях естественных дефектов внутренних поверхностей труб, где в обычных условиях в теплообменном оборудовании сохраняется кислород, источник кислородной коррозии. Таким образом, использование ультразвука позволяет устранять и этот источник порчи теплового оборудования. Получаемый таким образом эффект коррозионной защиты в какой-то степени заменяет пассивирование внутренней поверхности труб.

Исходя из вышеизложенного и на основании экономических расчетов, подкрепляющих обоснованность применения противонакипных устройств, целесообразно применение GENERUS на всем спектре теплообменного оборудования.

Капитальные вложения, связанные с приобретением, монтажом и пуско-наладкой устройства GENERUS окупаются в течение 2-6 месяцев в зависимости от типов теплообменного оборудования, на котором оно будет смонтировано и жесткости воды.

Сравнение различных типов противонакипных устройств

Технические сравнения различных типов генераторов

Технические

характеристики

Наименование устройства
Генератор GENERUS-400 производства ООО

«ДЖЕНЕРУС»

Генератор USP-900 производства ЗАО «ЭЙМ-Дифераль» Генератор Акустик-Т4 производства ООО «Кольцо-энерго»
Амплитуда колебаний торца ненагруженного преобразователя (мкм) Пермендюр Дифераль Пермендюр Дифераль Пермендюр Дифераль
30 18 12 25
Резонансная частота

(кГц)

10 — 30 10 — 25 18 — 22
Количество импульсов 12 — 180 20 20
Период следования импульсов (мс) 40 — 160 80 80
Потребляемая мощность (кВа) 0,063 – 0,1 0,3 0,4
Уровень акустических шумов (дБа) 50 87 60
Настройка генератора цифровая цифровая аналоговая
Интерфейсы связи USB – 2.0, RS – 485, Wi-Fi*
Программное обеспечение для ПК Есть Нет Нет
Виды защит:

1.     К. З.

2.     От повышенного напряжения

3.     Контроль обрыва, и отсутствие нагрузки

 

Есть

Есть

 

Есть

 

Есть

Нет

 

Нет

 

Есть

Нет

 

Нет

Силовая часть Транзисторы Тиристоры Тиристоры
Тип преобразователя Дифераль, Пермендюр Дифераль Пермендюр
Конструктивное

исполнение

Одноплатное 5 плат 3 платы

Очевидно, что генератор GENERUS – 400 превосходит по всем параметрам генераторы других производителей, что отвечает стратегии нашей компании.

*Генератор GENERUS с модификациями Y и Z выше 0.

 

Сравнение магнитострикционных материалов для ультразвуковых преобразователей

Таблица 6

 

Технические характеристики Пермендюр Дифераль
Магнитострикционная

постоянная 107 Н/кв.м. Т

2,2 1,15
Индукция насыщения 10-1Т 24 12
Магнитострикция

насыщения 10-6

+70 +40
Температура Кюри °С 980 600
Предел магнитострикционного

напряжения 105 Н/кв.м

80 34

 

Графические сравнение работы генераторов

Временная характеристика USP-900 на холостом ходу
Рис. 9. Временная характеристика USP-900 на холостом ходу
Временная характеристика GENERUS-400 при работе на преобразователь «Дифераль» на холостом ходу
Рис. 10. Временная характеристика GENERUS-400 при работе на преобразователь
«Дифераль» на холостом ходу
Временная характеристика GENERUS-400 при работе на преобразователь «Пермендюр» на холостом ходу
Рис. 11. Временная характеристика GENERUS-400 при работе на преобразователь
«Пермендюр» на холостом ходу
Временная характеристика GENERUS-400 при работе на преобразователь «Пермендюр» на холостом ходу (масштаб 10В в клетке)
Рис. 12. Временная характеристика GENERUS-400 при работе на преобразователь
«Пермендюр» на холостом ходу (масштаб 10В в клетке)

Рекомендации по выбору количества и типа устройств GENERUS в зависимости от вида теплообменного оборудования

п/п Теплообменное оборудование Тип устройства и количество
1. Котел Е-1/9 GENERUS – 200 – 1шт.
2. Котел ДКВР 4/6,5; GENERUS – 400 – 1шт.
3. Котел ДКВР 10/13 GENERUS – 400 – 2шт.
4. Котел ДЕ 4/6 GENERUS – 400 – 1шт.
5. Котел ДЕ 10/6 GENERUS – 400 – 2шт.
6. Котел ДКВР 20 GENERUS – 400 – 5шт.
7. Котел ДЕ 25 GENERUS – 400 – 5шт.
8. Котел КВГМ-50 GENERUS – 400 – 5шт.
9. Котел ПТВМ-30 GENERUS – 400 – 5шт.
10. Котел ТВГ-6,5 GENERUS – 400 – 2шт.
11. Котел НР-18 GENERUS – 400 – 1шт.
12. Котел ВК-21 GENERUS – 400 –1шт.
13. Котел КСВА-1,25 и ВК-32 GENERUS – 400 – 1шт.
14. Котел КВГ-6,5 GENERUS – 400 – 2шт.
15. Котел КЕ-10 GENERUS – 400 – 2шт.
16. Котел КЕ-25 GENERUS – 400 – 2шт.
17. Электрокотёл ЭПЗ -100 GENERUS – 200 – 1шт.
18. Паровой котел ДЭ31 GENERUS – 200 – 1шт.
19. Котел КЧМ (чугунный) GENERUS – 400 – 1шт.
20. Пластинчатые теплообменники В зависимости от размера, площади теплообмена и количества
21. Бойлеры водяные и пароводяные В зависимости от размера, площади теплообмена и количества