СПОСОБ ЗАЩИТЫ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ОТ КОРРОЗИИ И НАКОПЛЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ
METHOD OF PROTECTING INTERNAL SURFACES OF HEATING SYSTEMS FROM CORROSION AND SEDIMENTS ACCUMULATION

Изобретение относится к области решений, направленных на очистку и защиту внутренних поверхностей труб от коррозии и накопления отложений, и может быть использовано для повышения надежности и ресурса систем теплоснабжения.
В крупных городах Российской Федерации подача тепла потребителям обеспечивается при помощи двухконтурной системы трубопроводов, в которых циркулирует теплоноситель, - как правило, вода. Первый контур соединяет теплогенерирующее оборудование, например районные тепловые станции (РТС) с одним или несколькими центральными тепловыми пунктами (ЦТП). В качестве РТС могут выступать котельные установки либо теплоэлектростанции (ТЭС), причем в первом случае источником тепла для первого контура является непосредственно сам котел, а во втором - пароводяной контур турбины. В ЦТП при помощи теплообменников происходит передача тепла от первого контура ко второму, который, в свою очередь, соединяет ЦТП с потребителями - жилым сектором и предприятиями, доставляя им тепло. Далее по тексту настоящей заявки под системой теплоснабжения понимается именно первый контур описанной выше двухконтурной системы трубопроводов, переносящий тепло от РТС к ЦТП.
Известен способ эксплуатации систем теплоснабжения (RU 2323391 C1, F24D 10/00, 27.04.2008), применяемый с целью защиты трубопроводных контуров и оборудования от коррозии и накопления отложений, и выбранный в качестве прототипа изобретения. Согласно этому способу в трубопроводы систем теплоснабжения производят дозирование алифатического амина, в предпочтительном случае - октадециламина (далее - ОДА), находящегося в виде водной эмульсии. Из патентной публикации RU 2439204 C1, C23F 11/14, 10.01.2012 известно также, что для дозирования в систему теплоснабжения может быть использован раствор ОДА в этаноле.
В прототипе используется свойство ОДА осаждаться на металлических поверхностях с образованием сплошного моно- или полимолекулярного слоя, известного как «частокол Ленгмюра». Молекулярный слой предотвращает доступ кислорода и углекислоты к обработанным поверхностям, тем самым препятствует возникновению на них очагов коррозии и накоплению отложений. Кроме того, ОДА обладает выраженным моющим эффектом, позволяющим удалить уже существующие на момент обработки очаги коррозии и накопленные отложения.
Следует отметить, что в известных решениях в качестве критерия качества слоя ОДА на внутренних поверхностях систем теплоснабжения рассматривалась масса ОДА, сорбированного на единицу площади поверхности. При этом упускались из виду параметры формирования данного слоя, которые, как будет показано ниже, оказывают существенное влияние на его качество. Здесь и далее под качеством слоя понимаются следующие свойства слоя ОДА: равномерность покрытия на всей площади внутренней поверхности системы теплоснабжения и способность предотвращать возникновение очагов коррозии и накопление отложений в течение заданного срока. Выяснилось, например, что равномерный устойчивый слой ОДА может быть сформирован только при наличии некоторой оптимальной концентрации ОДА в теплоносителе, которая в прототипе не была установлена. Поскольку результативность обработки систем теплоснабжения при помощи ОДА в известных решениях не является гарантированной, в прототипе было предусмотрено регулярное проведение гидропневмопромывки.
Исследования показали, что даже при точном соблюдении оптимальной концентрации ОДА результаты обработки систем теплоснабжения могут существенно различаться. В отдельных случаях наблюдается происходящее в короткий промежуток времени отслоение значительного объема отложений, в результате чего частицы отложений могут уменьшить или заблокировать проходное сечение водяного тракта. В других случаях дозирование расчетного объема реагента для достижения оптимальной концентрации ОДА сопровождается неоправданно высокими затратами трудовых и энергетических ресурсов.
Целью изобретения является формирование равномерного устойчивого слоя ОДА на всей площади внутренней поверхности системы теплоснабжения с одновременной оптимизацией расхода ОДА и сокращением времени обработки.
Для достижения поставленной цели предложен способ защиты внутренних поверхностей систем теплоснабжения от коррозии и накопления отложений, включающий ввод ОДА в систему теплоснабжения. Способ характеризуется тем, что в течение времени, превышающем период циркуляции теплоносителя в системе теплоснабжения не менее чем в 50 раз, осуществляют повышение концентрации ОДА в теплоносителе до целевого уровня в 2-10 мг/кг. По достижении целевого уровня концентрации ОДА в теплоносителе осуществляют поддержание данного уровня в течение времени, превышающем период циркуляции теплоносителя в системе теплоснабжения не менее чем в 100 раз.
ОДА может быть введен в систему теплоснабжения в виде водной эмульсии или раствора в этаноле.
В частном случае изобретения время, в течение которого осуществляют повышение концентрации ОДА в теплоносителе до целевого уровня 2-10 мг/кг, не превышает период циркуляции теплоносителя в системе теплоснабжения более чем в 200 раз.
В предпочтительном случае изобретения время, в течение которого осуществляют поддержание концентрации ОДА на целевом уровне, не превышает период циркуляции теплоносителя в системе теплоснабжения более чем в 200 раз.
Анализ статистических данных позволяет сделать вывод о том, что для формирования равномерного устойчивого слоя ОДА на внутренних поверхностях систем теплоснабжения и исключения негативных явлений, связанных с процессом удаления накопившихся к моменту обработки отложений, необходимо обеспечить оптимальное соотношение следующих факторов:
- концентрация ОДА в теплоносителе;
- время поддержания оптимального уровня концентрации ОДА в теплоносителе;
- интенсивность повышения концентрации ОДА в теплоносителе до достижения оптимального уровня.
В ходе исследований установлено, что оптимальный уровень концентрации ОДА в теплоносителе, обеспечивающий формирование равномерного устойчивого слоя ОДА на внутренних поверхностях систем теплоснабжения, составляет 2-10 мг/кг.
При концентрации ОДА в теплоносителе менее 2 мг/кг молекулы ОДА не в состоянии создать сплошной равномерный слой даже при длительной обработке, особенно в местах, где скорость течения теплоносителя велика и процесс десорбции молекул с поверхности (в том числе и с отслоившимися отложениями) соизмерим с процессом сорбции.
Кроме того, точность измерения концентрации ОДА при значениях менее 2 мг/кг становится сопоставимой с погрешностью измерения, что затрудняет измерение концентрации, и, как следствие, гарантию качества слоя ОДА.
Установление концентрации ОДА в теплоносителе свыше 10 мг/кг при правильно выбранной интенсивности ее изменения приводит к увеличению расхода реагента и времени обработки без повышения качества слоя ОДА.
Существенное значение для формирования равномерного устойчивого слоя ОДА имеет интенсивность повышения концентрации ОДА в теплоносителе до целевого уровня, которым является обоснованное выше оптимальное значение концентрация ОДА. Чрезмерно высокая интенсивность повышения концентрации ОДА приводит к тому, что отложения на всей площади внутренней поверхности отслаиваются в короткий промежуток времени, что может вызвать закупоривание проходного сечения трубопровода. Следовательно, время повышения концентрации ОДА в системе теплоснабжения надо соотносить с площадью обрабатываемой поверхности, которая в допустимом для данного случая приближении пропорциональна длине трубопроводного контура.
Системы теплоснабжения могут иметь разную протяженность, однако, средняя скорость течения теплоносителя в них находится в технологически ограниченных узких пределах - от 1 до 2 м/с. Ориентиром для осуществления предложенного способа при этом является верхняя граница указанного диапазона скорости теплоносителя 2 м/с.
Таким образом, время достижения целевого уровня концентрации ОДА целесообразно рассчитывать как величину, кратную периоду циркуляции теплоносителя, который представляет собой произведение условно постоянной величины - средней скорости течения теплоносителя и переменной величины - длины трубопровода.
Результаты исследований показали, что если наращивать концентрацию ОДА до целевого уровня быстрее, чем за время, равное 50-ти периодам циркуляции теплоносителя в системе теплоснабжения, то наблюдается недопустимая интенсификация процесса отслоения имеющихся отложений, частицы которых могут значительно уменьшить проходное сечение водяного тракта или даже полностью заблокировать его. Было также отмечено, что наращивание концентрации ОДА до целевого уровня медленнее, чем за время, равное 200-ам периодам циркуляции теплоносителя, не оказывает влияния на качество слоя ОДА, а значит, не является целесообразным.
После того как концентрация ОДА в теплоносителе достигла целевого уровня, для обеспечения названных выше параметров молекулярного слоя данный уровень концентрации необходимо поддерживать в течение определенного времени. Принимая во внимание, что чем больше площадь обрабатываемой поверхности, и тем больше на нее в каждый момент времени осаждается молекул ОДА, падение концентрации ОДА с целевого уровня будет пропорционально длине трубопроводного контура. По изложенным выше соображениям время, в течение которого следует поддерживать целевой уровень концентрации ОДА для формирования качественного слоя ОДА на всем протяжении трубопроводного контура, будет находиться в прямой зависимости от периода циркуляции теплоносителя.
2
Было установлено, что целевой уровень концентрации ОДА следует поддерживать в течение не менее чем 100 периодов циркуляции теплоносителя. Этого времени достаточно для формирования слоя требуемой толщины, равномерно покрывающего 100% площади внутренней поверхности системы теплоснабжения. Требуемая толщина слоя ОДА, обеспечивающая сохранение его функциональности на периоде не менее трех лет, характеризуется косвенным параметром в виде массы ОДА, осевшей на единице площади и составляющей не менее 0,3 мкг/см.
Удалось при этом установить, что поддержание концентрации ОДА на целевом уровне свыше 200 периодов не дает дополнительного эффекта для формирования более устойчивого слоя, поэтому в целях снижения времени обработки и экономии ресурсов это признано нецелесообразным.
На конкретном объекте предложенный способ может быть реализован следующим образом.
3
Объектом является система теплоснабжения, представляющая собой трубопроводный контур протяженностью 80 км, связывающий котел районной тепловой станции (РТС) и ряд центральных тепловых пунктов (ЦТП). Период циркуляции теплоносителя составляет 15 часов, объем системы составляет 8000 м. Система теплоснабжения находится в эксплуатации 4 года и регулярно обрабатывалась известными способами.
К объекту подключат дозирующее устройство, связанное с установкой по производству субстанции, содержащей ОДА. Такой субстанцией может быть водная эмульсия ОДА, раствор ОДА в этаноле либо расплав ОДА. Наиболее технологичным вариантом в настоящее время представляется использование водной эмульсии ОДА.
Определяют целевой уровень концентрации ОДА в интервале 2-10 мк/кг, принимая во внимание, что значения, близкие к нижней границе указанного интервала, целесообразно выбирать для новых или регулярно обрабатываемых систем теплоснабжения, а близкие к верхней границе - для впервые обрабатываемых систем, имеющих длительный срок эксплуатации. Следует отметить, что любое значение целевого уровня концентрации, выбранное из указанного интервала, позволит сформировать качественный слой ОДА на любой системе теплоснабжения при соблюдении других условий согласно изобретению, однако, оптимальный выбор целевого уровня концентрации позволит сократить время обработки и расход реагента. Исходя из того, что рассматриваемый трубопроводный контур проходил регулярную обработку, целевой уровень концентрация ОДА оценен в 3 мг/кг (выбрано значение вблизи нижней границы оптимального интервала).
Далее определяют массу ОДА, подлежащую введению в систему теплоснабжения и в данном случае составляющую не менее 24 кг (8000000 кг*3 мг/кг), и готовят соответствующее количество водной эмульсии, которую вводят в систему теплоснабжения в течение не менее чем 400 часов (50*8 час). Проверяют концентрацию ОДА в теплоносителе и удостоверяются в достижении целевого уровня.
Достижение целевого уровня концентрации ОДА за время, превышающее период циркуляции теплоносителя не менее чем в 50 раз (в данном случае - составляющее не менее 750 часов), позволяет исключить риски закупоривания проходного сечения трубопровода интенсивно отслаивающимися отложениями. В случае применения более высоких целевых уровней концентрации время введения ОДА может быть увеличено в целях создания условий для формирования более равномерного слоя. При этом указанное минимальное время введения ОДА обеспечивает безопасное отслаивание и выведение отложений для любых систем теплоснабжения и любых целевых уровней концентрации ОДА из указанного выше интервала.
Частный случай изобретения определяет также и верхнюю границу временного интервала введения ОДА, составляющую 200 периодов циркуляции теплоносителя (в данном случае - 3000 часов), превышение которой не дает положительного эффекта для дальнейшего формирования слоя, однако приводит к дополнительному расходу ресурсов.
Далее в течение не менее чем 1500 часов (100*15 час) поддерживают концентрацию ОДА на целевом уровне, проводя периодические проверки концентрации и осуществляя дозирование соответствующего количества эмульсии ОДА. Вследствие оседания ОДА на внутренних поверхностях системы теплоснабжения без дополнительного дозирования эмульсии на данном этапе концентрация ОДА будет понижаться.
Поддержание целевого уровня концентрации ОДА в течение времени, превышающего период циркуляции теплоносителя не менее чем в 100 раз (в данном случае - составляющее не менее 1500 часов), позволяет сформировать слой ОДА требуемой толщины, равномерно покрывающего 100% площади внутренней поверхности системы теплоснабжения. В случае наличия в системе теплоснабжения протяженных участков с высокой скоростью течения теплоносителя и обусловленной этим повышенной интенсивностью десорбции молекул ОДА данное время может быть увеличено в целях создания более толстого слоя в указанных зонах, что может быть целесообразно на случай нерегулярной дальнейшей обработки. Следует, однако, отметить, что и указанное минимальное время поддержания целевого уровня концентрации ОДА достаточно для формирования слоя требуемой толщины для любых систем теплоснабжения и любых целевых концентраций ОДА из указанного выше интервала.
Частный случай изобретения определяет также и верхнюю границу временного интервала поддержания целевого уровня концентрации ОДА, составляющую 200 периодов циркуляции теплоносителя (в данном случае 3000 часов). Превышение указанного времени приводит к дополнительному расходу ресурсов, однако, не дает положительного эффекта для формирования более устойчивого слоя на быстрых участках, поскольку из-за возросшей его толщины сорбирующиеся молекулы ОДА имеют более слабую электрическую связь с металлом и уносятся потоком.
2
После проведения обработки системы теплоснабжения согласно предложенному способу извлекают опытный образец, установленный в системе теплоснабжения в виде части ее внутренней поверхности, и удостоверяются в формировании на нем слоя ОДА не менее чем 0,3 мкг/см.