Водоподготовка: учебное пособие

ВОДОПОДГОТОВКА

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2013

Министерство образования и науки российской федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего 

профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой  университет «Горный»

О.Э. МУРАТОВ, В.М. ПИСКУНОВ

ВОДОПОДГОТОВКА

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.............................................................................
Раздел 1. Химические методы обработки воды....................
1.1. Природная вода.............................................................
1.2. Характеристика примесей природных вод...................
1.3. Показатели качества воды............................................
1.4. Выбор источника и производительности ВПУ..............
1.5. Очистка добавочной воды методом коагуляции..............
1.6. Осветление воды фильтрованием..................................
1.7. Обработка воды методом ионного обмена......................
1.8. Химические методы удаления газов из воды.................
2. Пленочные методы обработки воды..................................
2.1. Общие положения.........................................................
2.2. Обратный осмос и ультрафильтрация............................
2.3. Электродиализ..............................................................
2.4. Термическая водоподготовка.........................................
2.5. Очистка воды от растворенных газов..............................
3. Водно-химические режимы ТЭС, АЭС и тепловых сетей..
3.1. Основные положения......................................................
3.2. ВХР трактов питательной воды и обратных конденсатопроводах....................................................................
3.3. ВХР ПГ с многократной циркуляцией..........................
3.4. Ступенчатое испарение и промывка пара........................
3.5. Нормирование качества питательной и котловой воды 
ПГ с многократной циркуляцией...........................................
3.6. ВХР прямоточных ПГ ...................................................
3.7. ВХР конденсаторов.......................................................
3.8. ВХР тепловых сетей.......................................................
3.9. Проверка эффективности проводимого на ТЭС ВХР...
3.10. Химический контроль за водоподготовкой и водным 
режимом на ТЭС.....................................................................
Заключение ..........................................................................
Библиографический список...................................................

4
8
8
10
13
16
18
24
26
38
41
41
42
46
48
49
52
52

54
58
73

78
83
86
86
87

89
95
96

Введение

Применение воды в теплоэнергетике

В настоящее время вода широко используется в различных 

областях промышленности в качестве теплоносителя, чему способствуют ее широкое распространение в природе и особые термодинамические свойства, такие как большая теплота фазового перехода 
при парообразовании, высокие теплоемкость и теплопроводность.

Основным хранилищем воды являются океаны, где сосредото
чено более 98 % всего количества воды. Океанская вода содержит до 
35 г/кг растворенных солей, главным образом ионов Na и Cl. На долю пресных вод (солесодержание менее 1 г/кг) приходится лишь 1,7 
%, причем их основная масса сосредоточена в ледниках. Но и имеющаяся в распоряжении людей вода не может без обработки являться теплоносителем в теплоэнергетических установках, т.к. современные ТЭС и АЭС в энергетическом цикле используют воду высокого качества с содержанием примесей в пределах 0,1-1,0 мг/кг. 

Оборудование современных ТЭС и АЭС эксплуатируется при 

высоких тепловых нагрузках, что требует жесткого ограничения 
толщины отложений на поверхностях нагрева по условиям температурного режима их металла в течение рабочей кампании. Такие отложения образуются из примесей, поступающих в циклы ЭС, поэтому обеспечение высокого качества водных теплоносителей ТЭС и 
АЭС является важнейшей задачей. Водный теплоноситель высокого 
качества упрощает также решение задач получения чистого пара, 
минимизации скоростей коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и оборудования конденсатно-питательного тракта. Таким образом, качество обработки воды на ТЭС и АЭС тесно связано 
с надежностью и экономичностью эксплуатации современного котлотурбинного оборудования и с безопасностью ЯЭУ. 

Для удовлетворения разнообразных требований к качеству во
ды, потребляемой теплоэнергетическим оборудованием, требуется 
специальная физико-химическая обработка природной воды, являющаяся, по существу, исходным сырьем, которое после надлежащей 
обработки используется для следующих целей: 

 в качестве исходного вещества для получения пара в котлах, 

парогенераторах, ядерных реакторах кипящего типа и др.; 

 для конденсации отработавшего в паровых турбинах пара;
 для охлаждения различных аппаратов и агрегатов ТЭС и 

АЭС; 

 в качестве теплоносителя в тепловых сетях и системах горя
чего водоснабжения. 

Одновременно с очисткой природной воды для подготовки 

используемой на ЭС воды необходимо решать вопросы утилизации
различными методами образующихся при этом сточных вод, что 
необходимо для защиты от загрязнения природных источников питьевого и промышленного водоснабжения. 

Ниже приведены типичные схемы обращения воды в рабочих 

циклах КЭС и ТЭЦ. Подобные схемы одноконтурной АЭС с РБМК 
и второго контура АЭС с ВВЭР аналогичны схеме КЭС.

Исходная природная вода (Dисх) – исходное сырье на водо
подготовительной установке и для других целей на ТЭС и АЭС. 

Добавочная вода (Dд.в.) направляется в контур для восполне
ния потерь пара и конденсата после обработки с применением физико-химических методов очистки. 

Турбинный конденсат (Dт.к), содержащий незначительное ко
личество растворенных и взвешенных примесей, основная составляющая питательной воды. 

Возвратный конденсат (Dв.к) от внешних потребителей пара 

используется после очистки от внесенных загрязнений, составная
часть питательной воды. 

Питательная вода (Dп.в), подаваемая в котлы, парогенераторы

или реакторы для замещения испарившейся воды в этих агрегатах, 
представляет собой главным образом смесь (Dт.к), (Dд.в.), (Dв.к) и 
конденсируется в элементах указанных агрегатов. 

Котловая вода, вода парогенератора, реактора – вода, находя
щаяся в элементах указанных агрегатов.

Продувочная вода (Dпр) - выводимая из котла, парогенератора 

или реактора вода на очистку или в дренаж для поддержания в котловой воде заданной концентрации примесей. Состав и концентрация примесей в котловой и продувочной водах одинаковы.

Охлаждающая (циркуляционная) вода (Do.в) используется в 

конденсаторах паровых турбин для конденсации отработавшего пара. 

Подпиточная вода (Dв.п) подается в тепловые сети для воспол
нения потерь циркулирующей в них воды.

При эксплуатации ТЭС и АЭС возникают внутристанционные 

потери пара и конденсата: 

 в котлах при непрерывной и периодической продувке, при 

открытии предохранительных клапанов, при обдувке водой или паром наружных поверхностей нагрева от золы и шлака, на распыливание жидкого топлива в форсунках, на привод вспомогательных 
механизмов;

 в турбогенераторах через лабиринтные уплотнения и паро
воздушные эжекторы; 

 в пробоотборных точках;
 в баках, насосах, трубопроводах при переливе, испарении 

горячей воды, просачивании через сальники, фланцы и т. п. 

Внутристанционные потери пара и конденсата, восполняемые 

добавочной питательной водой, не превышают на ТЭС 2-3 %, на 
АЭС 0,5-1 % их общей паропроизводительности.

На промышленных ТЭЦ, отпускающих пар на различные 

нужды предприятий, существуют также внешние потери пара и конденсата, поэтому количество добавочной воды для таких ТЭЦ может 
достигать 10-50 % количества генерируемого пара.

Источники загрязнения и методы обработки воды на ТЭС 

и АЭС

Существуют несколько источников загрязнений теплоносите
ля в пароводяных трактах ТЭС и АЭС: 

1.
Примеси добавочной воды, вводимой в цикл для по
крытия внутренних и внешних потерь пара и конденсата; 

2.
присосы в конденсат пара охлаждающей воды в кон
денсаторах или сетевой воды в теплообменниках;

3.
примеси загрязненного конденсата, возвращаемого от 

внешних потребителей пара на ТЭЦ; 

4.
примеси, вводимые в пароводяной тракт для коррек
ции водного режима (фосфаты, гидразин, аммиак и другие добавки); 

5.
продукты коррозии конструкционных материалов, 

переходящие в теплоноситель. 

На АЭС примеси, кроме того, могут поступать в тракт в виде 

продуктов ядерного топлива через негерметичные участки ТВЭЛов 

и образовываться в активной зоне реактора за счет радиолиза воды и 
протекания радиационно-химических реакций. В зависимости от 
типа основного теплоэнергетического оборудования и условий работы вклад и влияния каждого из перечисленных источников (табл. 
В.1) в суммарное загрязнение водного теплоносителя ТЭС и АЭС 
могут значительно варьироваться.

Таблица 1

Характеристика загрязнений трактов ТЭС и АЭС

Источники загрязнений
Характеристика загрязнений

Добавочная вода
В зависимости от схемы очистки содержит в 
различных концентрациях соли натрия, аммония, соединения железа, органические вещества, 
растворенные газы

Присосы охлаждающей воды

Примеси природных вод в количестве, соответствующем удельному значению присоса

Коррозия конструкционных материалов

Оксиды и ионы железа, меди, алюминия, хрома 
и других элементов 

Возвратный конденсат 
внешних потребителей пара на ТЭЦ

Оксиды железа, нефтепродукты, ионы кальция и 
магния, специфические загрязнения, определяемые типом пароиспользующего предприятия

Неплотности ТВЭЛов АЭС 
и радиционно-химические 
реакции в теплоносителе 

Радионуклиды различных типов, аммиак, пероксид водорода

При эксплуатации энергетического оборудования ТЭС и АЭС 

используются разнообразные методы обработки воды. Приготовление добавочной воды для различных теплоиспользующих контуров 
осуществляется обычно в две основные стадии. На первой из природной воды удаляются главным образом взвешенные примеси, на 
второй вода подвергается очистке химическими (умягчение, обессоливание) или термическими (получение дистиллята) методами. При 
обработке контурных вод высокой чистоты (конденсатов) обе стадии очистки могут протекать одновременно в одном аппарате. В 
низкотемпературных контурах достаточно только физическое воздействие на водный теплоноситель.

Раздел 1. Химические методы обработки воды

1.1. Природная вода

На земле вода находится в поверхностных и подземных ис
точниках. Фильтруясь через почву, вода достигает водонепроницаемых пластов и стекает вдоль них, образуя надпластовые (грунтовые) 
воды. При стекании воды между двумя водонепроницаемыми пластами образуются межпластовые (артезианские) воды. Эти воды образуют подземный сток, который может выходить на поверхность в 
месте выхода на нее водонепроницаемых пластов. Конечным этапом 
движения воды является бессточный водоем – океан. 

В соответствии с отдельными этапами кругооборота воды раз
личают атмосферную, поверхностную и соленую воду.

Примеси поступают в воду на всех этапах ее кругооборота. 

При испарении воды часть примесей переходит в пар. При конденсации влаги в атмосфере образуется атмосферная вода. Она является 
наиболее чистой природной водой (ее солесодержание не превышает 
50 мкг/кг). В процессе конденсации и при выпадении на поверхность в ней растворяются О, N, CO2, а в промышленных регионах 
также окислы S и N. Кроме того, осадки при их выпадении на поверхность земли захватывают частицы пыли, золы и сажи. 

Попадая на поверхность земли атмосферная вода реагирует с 

различными органическими и неорганическими соединениями. 
Часть органических веществ при помощи бактерий реагирует с растворенным в воде кислородом, образуя минеральные кислоты 
(H2SO4, H2SO3, HNO3, H3PO4 и др.). В дальнейшем они взаимодействуют с труднорастворимыми осадочными породами (карбонатами), приводя к поступлению в воду хорошо растворимых бикарбонатов:

2СаСО3∙MgСО3+2H2SO4

→

←Са(HСО3)2+Mg(HСО3)2 + CaSO4 + 

MgSO4;

СаСО3 + H2O + СО2 

→

← Са(HСО3)2;

FeСО3 + H2O + СО2 

→

← Fe(HСО3)2

Фильтруясь через почву, поверхностная вода освобождается 

полностью от ГДП и частично от коллоидных примесей. При этом 
происходит более глубокое разложение органических примесей, а, 
следовательно, и повышение минерализации воды. Наряду с этим в 

подземную воду поступают растворимые соли из омываемых ею 
грунтов. Просачивание воды через почву приводит к изменению солевого состава воды. Вследствие процесса обменной адсорбции почва сорбирует ионы К+ (обменивая их на Na+) и фосфаты. Поэтому 
пресные воды содержат малое количество К+ и большое Na+. Наиболее полно вследствие длительного контакта с почвой эти процессы 
протекают в межпластовых (артезианских) водах, которые отличаются повышенным содержанием солей и СО2, а также минимальным 
содержанием растворенного О2 и органических примесей.

Подземные воды содержат значительные количества раство
ренных минеральных примесей. Ввиду отсутствия контакта с атмосферой они не содержат взвешенных веществ, и их химический состав постоянный в течение года. Солесодержание подземных вод 
составляет 200-1500 мг/дм3.

Количество и вид примесей в поверхностных водах суще
ственно отличается от количества и вида примесей в межпластовых
водах. Поверхностные воды содержат большое количество взвешенных веществ и характеризуются изменчивостью состава из-за жизнедеятельности растительных и живых организмов с них, смываемых с берегов почв, характером грунтов, по которым протекают, 
сбросом сточных вод и т.д. Кроме того, их состав сильно зависит от 
метеорологических условий и времен года. Солесодержание поверхностных вод составляет 200-1500 мг/дм3.

Содержание и состав примесей поверхностных и подземных 

вод существенно зависят от характера почв и грунтов, с которых они 
собираются. Концентрация и состав примесей в водоемах и водотоках существенно зависят от гидрологических факторов (засушливые 
и дождливые годы), а также от сезонов. В периоды с наименьшим 
уровнем воды (лето и зима) питание водотоков осуществляется в 
основном за счет подземного стока, и, следовательно, концентрация 
растворенных солей в это время возрастает. Весенние паводковые 
периоды характеризуются очень низким солесодержанием воды, но 
при этом резко возрастают концентрации ГДП и коллоидных примесей за чет смыва их с поверхности талыми водами.

Сбрасываемые в водоемы сточные воды отличаются большим 

разнообразием содержащихся в них примесей. Это особенно показательно для производственных сточных вод, с которыми в водоемы 
сбрасываются разнообразные органические и минеральные примеси, 

в том числе токсичные. Более однообразный состав примесей у бытовых сточных вод (белковые вещества, жиры, мочевина, синтетические моющие средства и т.д.). 

Сброс сточных вод нарушает равновесие процессов в водое
мах, поэтому сброс в них сточных вод запрещен законодательно.

1.2. Характеристика примесей природных вод

Многообразие примесей в природных водах не позволяет со
здать их классификацию по какому-либо единому признаку, поэтому принято их классифицировать по нескольким признакам. Количество этих классификаций дает объективную их характеристику.

Простейший классификационный признак – солесодержание 

воды: 


пресные воды – менее 1 г/дм3;


солоноватые – 1-10 г/дм3;


соленые – более 10 г/дм3.

По степени дисперсности примеси разделяются на грубодис
персные, коллоидно-дисперсные и истинно-растворенные.

ГДП представляют собой агломераты с размерами частиц бо
лее 100 нм. Они образуют с водой гетерогенную систему. Сравнительно большая масса отдельных частиц таких примесей позволяет 
им заметно проявлять себя в поле сил тяжести, Грубодисперсные 
частицы распределяются в массе воды и практически не способны к 
диффузии. В зависимости от значения Δρ = ρч – ρв (где ρч и ρв – соответственно плотности частицы и воды) они могут подразделяться 
на тонущие (Δρ > 0), взвешенные Δρ = 0 и всплывающие Δρ < 0). 
Система ГДП–вода может образовывать эмульсию, если ГДП жидкость, или суспензию, если примесь – твердое тело. Следует подчеркнуть, что в нижней границе дисперсного спектра (ближе к 100 
нм) ГДП выделяются из воды с большим трудом и могут пребывать 
в ней значительное время, обусловливая мутность воды. ГДП обычно состоят из глинистых веществ, песка и органических веществ.

КДП также образуют с водой гетерогенную систему. Колло
идные частицы имеют размеры от 1 до 100 нм, Поэтому они способны к диффузии (участвуют в броуновском движении) и обладают 
развитой удельной поверхностью. КДП в природной воде обладают 

очень большой седиментационной (равномерным распределением 
примесей по объему воды), а также агрегативной устойчивостью, 
т.е. неизменяемостью дисперсного состава в течение длительного 
времени. КДП не выделяются из воды под действием силы тяжести 
и не задерживаются обычными фильтрующими материалами (кварцевый песок, фильтровальная бумага и др.). В природных водах в 
коллоидном состоянии находятся различные формы кремниевой 
кислоты, соединения Al и Fe, а также различные органические вещества.

ИРП представлены в воде в виде отдельных ионов, молекул 

или комплексов, состоящих из нескольких молекул. Частицы таких
примесей имеют размер менее 1 нм. Т.к. они не имеют поверхность 
раздела, то вместе с водой они составляют гомогенную систему.
Механизм поступления примесей в природную воду определяет постоянство типа важнейших ионов, содержащихся в различных водоисточниках. Наиболее распространенные в природных водах ионы и 
их концентрации приведены в табл. 1.1. Преобладание конкретных  
ионов в водоисточнике определяет технологию водоподготовки.

Таблица 2

Наиболее распространенные ионы природных вод

Группа 
Катион 
Анион 
Концентрация, мг/дм3

1

2

3

Na+, K+, Ca2+, Mg2+

NH4

+, Fe2+, Mn2+

Cu2+, Zn2+,Ni2+, Al3+

HCO3

-, Cl-, SO4

2
HSiO3

-, F-, NO3

-, 

CO3

2
HS-, J-, NO2

-, H2PO3


От единиц до 
десятков тыс.
От десятых долей до 
единиц
Менее десятых долей 

Ионы Na и К с анионами природных вод не образуют трудно
растворимых простых солей и практически не подвергаются гидролизу, поэтому они относятся к группе устойчивых примесей. Концентрация Na+ и К+ изменяется только в результате испарения или 
разбавления природной воды.

Ионы Ca и Mg являются важнейшими примесями, определя
ющие возможность использования воды для различных целей, т.к.
они образуют труднорастворимые соединения с большинством анионов природных вод. При использовании в теплоэнергетических 
установках воды с повышенным содержанием анионов Ca и Mg