Исследование проблемы повышенных расходов воды мембранных установок на собственные нужды

2. Проведенная оценка пилотных проектов реконструкции газовых котельных с переводом в мини-ТЭЦ, а также сооружения новой мини-ТЭЦ в Тамбовской области показала относительно высокую их эффективность.

3. Проведенный анализ состава и характеристик существующих источников тепла Тамбовской области, а также источников тепла существующих и планируемых новых промышленных и сельскохозяйственных предприятий показал, что на территории региона потенциально может найти применение достаточно большое количество газовых мини-ТЭЦ - до 560 МВт суммарной мощности. Это может обеспечить выработку около 1840 млн кВтч дополнительной электро-

энергии и снизить энергодефицит до 46,5%. Реализация таких масштабов мини-ТЭЦ потребует дополнительно до 250 млн м3 природного газа в год, что будет способствовать повышению загрузки газопроводов и спроса на природный газ.

4. Для определения реальных масштабов сооружения мини-ТЭЦ в энергодефицитном регионе необходима детальная проработка каждого конкретного проекта с оценкой его экономической эффективности. При этом, учитывая инвестиционные возможности, наиболее вероятной реализация таких проектов представляется в промышленности и сельском хозяйстве.

Статья поступила 30.06.2015 г.

Библиографический список

1. Башмаков И.А. Анализ основных тенденций развития систем теплоснабжения в России и за рубежом [Электронный ресурс]. URL: http://www.cenef.ru/file/Heat.pdf (04.06.2015).

2. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов: (вторая редакция) / Мин. экон. РФ [и др.]; авт. кол.: В.В. Косов, В.Н. Лившиц, А.Г. Шахназаров. М.: ОАО «НПО Изд-во «Экономика», 2000. 421 с.

3. Методические рекомендации по применению унифицированных подходов к оценке экономической эффективности инвестиционных проектов ОАО «Газпром» в области тепло-и электроэнергетики. М.: Изд-во ОАО «Газпром», 2009. 45 с.

4. Миллер А.Б. О реализации программы газификации регионов Российской Федерации [Электронный ресурс]. URL: http:// government.ru/news/18596/ (04.06.2015).

5. Федяев А.В., Колегов Ю.Е., Сендеров А.М. Особенности реконструкции и модернизации систем централизованного теплоснабжения г. Нариманов Астраханской области // Вестник ОАО «Промгаз». 2005. Вып. 1. С. 73-80.

6. Федяев А.В., Колегов Ю.Е., Сендеров А.М. Разработка технико-экономических предложений по реконструкции и модернизации систем теплоснабжения г. Ахтубинска в связи с газификацией // Вестник ОАО «Промгаз». 2005. Вып. 1. С. 62-72.

7. Эффективность применения газотурбинных технологий в условиях разработки небольших нефтегазоконденсатных месторождений Иркутской области / А.М. Карасевич, Г.Г. Лачков, А.В. Федяев, О.Н. Федяева // Теплоэнергетика. 2012. № 2. С. 41-45.

УДК 628.165.081

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕННЫХ РАСХОДОВ ВОДЫ МЕМБРАННЫХ УСТАНОВОК НА СОБСТВЕННЫЕ НУЖДЫ

© А.В. Нахабо1, Е.В. Самаркина2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Проведен анализ проблемы существования высоких собственных нужд при эксплуатации комбинированных мембранных установок на производстве. Рассмотрены различные причины, влияющие на увеличение затрат количества воды на собственные нужды при реальной работе мембранных систем, в сравнении с расчетными значениями. Для снижения собственных нужд установки мембранной фильтрации в период минимальных нагрузок предложен метод консервации блоков обратного осмоса. Показана эффективность применения данного метода. Для исследования влияния старения мембран на расходы воды на собственные нужды проведены испытания обратноосмотического элемента на лабораторной установке. По результатам испытаний и анализа загрязнений предложена технология промывки для восстановления рабочих характеристик мембран. Ключевые слова: водоподготовка; мембранные технологии; комбинированные мембранные установки; обратный осмос; собственные нужды; аутопсия; лабораторные установки.

EXPLORING THE PROBLEM OF INCREASED AUXILIARY WATER CONSUMPTION IN MEMBRANE SYSTEMS A.V. Nakhabo, E.V. Samarkina

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

1Нахабо Анна Вадимовна, аспирант, тел.: 89021705249, e-mail: nahabo.av@mail.ru Nakhabo Anna, Postgraduate, tel.: 89021705249, e-mail: nahabo.av@mail.ru

2Самаркина Екатерина Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики, тел.: 89025115775, e-mail: katsamar@rambler.ru

Samarkina Ekaterina, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Heat Power Engineering, tel.: 89025115775, e-mail: katsamar@rambler.ru

The article addresses to the issue of high auxiliary water consumption when using combined membrane equipment. It deals with various factors causing the increase in auxiliary water consumption when using membrane technologies compared with predicted values. The method of water conservation through the implementation of reverse osmosis systems is proposed to reduce auxiliary water consumption of the membrane equipment under off-peak conditions. The effectiveness of the method is illustrated. The authors have tested a reverse osmosis system using laboratory facilities to assess the impact of membrane aging on auxiliary water consumption. Based on the test results and contaminant analysis a cleaning technology for membrane performance restoration has been developed.

Keywords: water conditioning; membrane technologies; combined membrane plants; reverse osmosis; auxiliary consumption; autopsy; laboratory installations.

Переход мембранного разделения от идеи к области практического применения стал возможным относительно недавно после прорыва в технологиях производства мембран, разработки мембранных модулей с большей поверхностью фильтрации, усовершенствования их компоновки, организации эффективных технологий разделения и создания систем автоматического управления.

В связи с этим в последнее время на предприятиях происходит активное внедрение мембранных технологий, использование которых обладает рядом неоспоримых преимуществ перед схемами традиционного ионного обмена. Однако для начала широкомасштабного применения этих методов в энергетике требуются повышения их надежности и эффективности, упрощение технологических схем, снижение капитальных и эксплуатационных затрат [1-5].

Эксплуатационные затраты мембранных установок включают в себя затраты на реагенты для коррек-ционных обработок и промывок мембран, стоимость замен мембранных элементов по истечении срока эксплуатации и, конечно, затраты на собственные нужды (СН), которые зачастую превышают значения затрат в сравнении с традиционным ионированием. В установках ультрафильтрации (УУФ) за счет применения тупиковой фильтрации СН складываются из затрат на прямые и обратные промывки, а также регулярные химические усиленные промывки для восстановления рабочих характеристик мембран. В установках обратного осмоса (УОО) кроме промывок учитывается процент выхода концентрата. Снижение расхода концентрата в УОО до сих пор остается важной нерешенной проблемой. Хотя, согласно теории, при стабильном качестве воды и регулярном отборе пер-меата СН УОО должны быть постоянными в течение всего срока эксплуатации. Но практика использования данных технологий, в особенности комбинированных установок, включающих в себя УУФ и УОО, показывает, что в действительности расход воды на СН несколько отличается от расчетного и регламентированного производителями установок.

Для решения данного вопроса был выполнен анализ работы комбинированной установки мембранной фильтрации, включающей в себя УУФ (3 блока по 40 т/ч) и УОО (3 блока по 33 т/ч). Общая производительность - 90 т/ч.

Собственные нужды, а также нагрузки комбинированной установки за 6 лет эксплуатации представлены на рис. 1. На графике видно, что после первого года эксплуатации установки наблюдается существенное повышение значений затрат воды на СН преимуще-

ственно в летний сезон, когда происходит снижение нагрузки. Пики повышения СН комбинированной системы совпадают с пиками снижения нагрузок на установку [5].

Нами был произведен расчет значений СН отдельно по установкам (УУФ и УОО). В качестве примера рассмотрим расчет за март 2014 г. При расходе сырой воды 43486 т было получено химочищенной воды (ХОВ) - 3049 т, СН составили 12637 т (41%).

При расчете собственных нужд установок ультрафильтрации учитывали, что через каждые 40 мин работы выполняется автоматическая промывка водой (прямая - обратная - прямая). Прямая промывка ведется исходной водой в течение 30 секунд с расходом 40 т/ч. Обратная промывка ведется фильтратом в течение 18 секунд (расход 170 т/ч). Таким образом, расчет показал, что расход воды на промывку составил 1,51 т, количество промывок одной установки в сутки составило 33 шт.

В табл. 1 представлено количество промывок водой с учетом фактического времени работы в марте 2014 г.

Потери воды составили 2379,76 т. Усиленная хим-промывка (УХП) выполнялась через 8 часов работы в полуавтоматическом режиме в течение 25 мин. Расчет показал, что потери воды при этом на одну УХП составили 4,1 т. Суммарные потери воды с учетом фактического времени работы в марте 2014 г. составили 578,6 т (среднечасовые потери 0,8 т/ч). Таким образом, в итоге общие СН УУФ составили 2959 т.

Производительность УОО (KROS) колеблется в пределах 31-33 т/ч. При этом с каждой установки расход концентрата составляет 5 т/ч. Через 130 часов работы каждый KROS промывается циркуляцией в течение 30 мин (расход воды 400-500 л/промывку). В табл. 2 представлены основные технологические показатели работы УОО в марте 2014 г.

Таким образом, потери воды с концентратом при работе УОО составили 4155 т или 5,6 т/ч. Суммарные потери при работе комбинированной мембранной установки в целом составили: 2959+4155=7144 т (или 9,6 т/ч).

Исходя из вышесказанного, можно заключить, что из общих СН ХВО (12637 т) собственные нужды УОО+УУФ (7144 т) составили 57%, а происхождение остальных 43% потерь воды осталось неизвестным.

Рост СН можно объяснить снижением нагрузок и потребности в химочищенной воде и, как следствие, сокращением числа часов работы установок в летний период. В это время УОО работают с меньшими интервалами времени, следовательно, происходит

больше включений и отключений оборудования. При каждом включении установка обратного осмоса до выхода на рабочие параметры сбрасывает 1,2 т воды.

В целях снижения расходов воды на СН комбинированной мембранной установки в летний период была проведена консервация установки обратного осмо-

са блока № 2 на период с 19.06.2014 по 11.09.2014.

В период консервации (рис. 2) наблюдается снижение пиков значений собственных нужд ХВО в неотопительный период, что теоретически подтверждает эффективность ее внедрения.

Сумма по полю, выработано ХОВ ш Сумма по полю СН Рис. 1. Изменение собственных нужд комбинированной мембранной установки

Таблица 1

Количество водных промывок ультрафильтрационных установок за месяц работы

Номер установки Количество промывок, шт. Время работы установок, ч

УУФ № 1 522 374

УУФ № 2 529 379

УУФ № 3 525 376

Таблица 2 Основные технологические показатели работы установки обратного осмоса за месяц

Номер установки Время работы установок, ч Выход концентрата, т/мес.

КРОБ № 1 209 1045

КРОБ № 2 111 555

КРОБ № 3 511 2555

120 100 80

so öS

60

40 20 0

«?> ^ <?>

*f ff & * $

2012

2013

2014

Рис. 2. Изменение собственных нужд ХВО в течение года

В реально работающих мембранных установках при переменных режимах и непостоянных нагрузках расходы воды на СН зачастую оказываются много больше регламентированных производителями за счет периодической работы УОО. При этом расходы УУФ всегда остаются условно постоянными. Данное явление объясняется частыми включениями и отмывками УОО, старением мембран и, как следствие, более длительными отмывками перед включением, а также уменьшением степени отбора пермеата для обеспечения постоянного качества воды на выходе из установки и многими другими тонкостями эксплуатации.

Для анализа причин влияния старения мембран на расходы воды на собственные нужды УОО были осуществлены испытания обратноосмотического элемента на лабораторной установке при следующих условиях: модельный раствор хлорида натрия в воде с массовой долей 500 мг/л, температура 25°С, рабочее давление 8 атм, исходная вода - водопроводная вода близкая по качеству к фильтрату УУФ.

Были получены следующие результаты: селективность - 98%; производительность - 190 л/ч.

После испытаний визуальный осмотр выявил сильное загрязнение торцов элемента темно-коричневой массой. Вскрытие элемента показало среднее загрязнение поверхности мембраны рыхлым глиноподобным веществом, влажность которого составила 85%, общее количество загрязнений в элементе в пересчете на сухой остаток - 6,7 г. Был выполнен химический анализ загрязнений мембраны, который показал следующие результаты (табл. 3).

Результаты анализа позволили сделать вывод, что на УОО поступает вода с высоким содержанием гидроокиси железа, полисиликатов, кремниевой кислоты и органики.

Для наиболее эффективной регенерации мембран и продления срока их службы по результатам аутопсии предложена промывка мембран в несколько этапов:

1. Промывка 2%-м раствором триполифосфата натрия в течение 1,5 ч при температуре 30°С.

2. Промывка очищенной водой в течение 0,5 ч.

3. Промывка водным раствором с содержанием 2%-го фторида аммония и 1%-й лимонной кислоты в течение 1,5 ч при температуре 30°С.

Подобную регенерацию мембранных элементов необходимо проводить на месте при снижении ее производительности на 10% от первоначальной после выхода на рабочий режим.

При реальной эксплуатации УОО показателем старения мембран является повышение удельной электропроводимости УЭП пермеата (рис. 3).

Таблица 3

Химический анализ загрязнений с рулонного обратноосмотического элемента_

Определяемые показатели Содержание, %

Полисиликаты 42,5

Органика 31

Железо 13,4

Кальций 5,8

Магний 2,0

Сульфаты 0,76

Марганец 0,09

Медь 0,09

Анализ литературных источников показал, что мировой опыт эксплуатации мембранных обратноос-мотических элементов на высокоминерализованных морских водах, где содержание растворенных солей больше в 5-6 раз рассматриваемого случая, предполагает реальный срок службы мембран также около 4-5 лет.

8 7

С

m >

л CL П5 СП X ОС

л ^

си

л 2

.0 Л .0 Л Л Л .0 Л Л Л .0 Л Л Л .0

CL CL CL CL CL CL

Ю П5 си 2 Ю П5 си 2 Ю П5 си 2 Ю П5 си

ОС СП ОС СО ü ОС СО ОС СО ü

1- X с 1- X с 1- X с 1- X с

ОС П5 ОС П5 ОС П5 ОС П5

О О О О

2009

2010 2011 2012

Рис. 3. Изменение УЭП пермеата УОО

м 2

2013

о.

ю ос

I-

^

о

л о.

П5 СП X ОС

.0

си

л

Я

а 2

ю G

ь ЁГ

^ -Ei о

2014 (пусто

Солесодержание воды, мг/дм3

Рис. 4. Сравнение зависимости стоимости очистки воды ионным обменом и обратным осмосом от солесодержания воды при одинаковой производительности

Сравнивая стоимость очистки воды с использованием метода обратного осмоса и ионного обмена (рис. 4) можно отметить наличие точки пересечения прямых, соответствующих каждому методу. Положение этой точки у разных авторов сильно различается: от 600-800 мг/дм3 до 100-150 мг/дм3. Опыт эксплуатации мембранных установок показывает, что последнее вряд ли может соответствовать реальности. Корректно эта точка может быть определена только для заданного состава воды при сравнении реальных установок с учетом всех расходов [6].

Учитывая, что в России большинство водоисточников не относится к сильноминерализованным, то для развития и более массового внедрения комбинированных мембранных систем с применением, в том числе метода обратного осмоса, становится актуаль-

ной задача сдвига точки равновесия в сторону меньших значений солесодержания воды.

Таким образом, анализ работы установки показал, что для уменьшения капитальных и эксплуатационных затрат УОО в части расходов воды на СН необходимо как можно дольше поддерживать чистоту мембран с помощью подбора оптимального состава реагентов для проведения комплексных химических промывок. Кроме этого, необходимо обеспечить равномерную нагрузку в течение всего периода эксплуатации с уменьшением количеств включений/отключений установок, а на период минимальных нагрузок предусмотреть временный вывод из эксплуатации резервных блоков с помощью консерваций.

Статья поступила 10.06.2015 г.

Библиографический список

1. Громов С.Л., Пантелеев А.А. Современные технологии водоподготовки как средство снижения эксплуатационных расходов // Энергетик. 2012. № 10. С. 15-18.

2. Пантелеев А.Л. Проектные решения водоподготовитель-ных установок на основе мембранных технологий // Теплоэнергетика. 2012. № 7. С. 30-37.

3. Рябчиков Б.Е. Современная водоподготовка. М.: Изд-во «ДеЛи плюс», 2013. 680 с.

4. Технологии мембранного разделения в промышленной водоподготовке / А.А. Пантелеев, Б.Е. Рябчиков, О.В. Хору-жий, С.Л. Громов, А.Р. Сидоров. М: Изд-во «ДеЛи плюс»,

2012. 429 с.

5. Нахабо А.В., Самаркина Е.В. Анализ работы водоподго-товительных установок с применением методов мембранного разделения // Повышение эффективности использования энергии в условиях Сибири: материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Иркутск, 22-26 апреля 2014 г.). Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. С. 206-210.

6. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: Изд-во «ДеЛи принт», 2004. 328 с.