ПРОМЫШЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ (ИТС 20—2016)

вильное место для водозабора и выпуска. Важно предотвратить циркуляцию потока к

водозабору, что может оказать влияние на температуру забираемой воды и, следова-

тельно, снижать эффективность системы охлаждения. Как пример, площадь влияния

теплового сброса в пределах изотермы повышения естественной температуры на 1 °C

(например, в озере без сильных течений), составляет приблизительно 1 га на МВт(эл)

для обычной электростанции, или приблизительно

45 км² для электростанции

5000 МВт(эл).

Распределение тепла в водном объекте происходит под воздействием различ-

ных физических явлений: турбулентная диффузия, конвекция в воде, перемещение по-

токов жидкости переменной плотности, испарение, радиация, конвекция в воздухе.

В зависимости от температуры и объема сброса тепла и типа принимающей среды, не-

которые явления являются преобладающими и определяют способ распределения

тепла в принимающей среде.

Расчет распределения тепла в водном объекте достаточно сложен из-за множе-

ства механизмов его распространения и, соответственно, множества влияющих факто-

ров. Нормативная методика расчета температур воды в водном объекте дана в [46].

Исходные условия и параметры для расчета НДС тепла должны содержать:

- данные об использовании водного объекта (экологическое состояние, виды ис-

пользования, баланс водопотребления и водоотведения, схема расположения водоза-

боров и выпусков сточных вод);

- гидрологические характеристики водного объекта в год 95 % обеспеченности:

для водотоков - расход, скорость течения, глубина; для водоемов - нормативный

подпорный уровень и уровень «мертвого» объема, средняя глубина и площадь водного

зеркала;

- расходы забираемой воды из водного объекта на охлаждение оборудования;

- расходы и температуры нагретых вод;

- среднемноголетние метеорологические условия, к которым относятся: есте-

ственная температура воды в водном объекте, °C; температура, °C и влажность возду-

ха, Па; максимальная температура и соответствующая ей влажность воздуха за по-

следние 10 лет, °C; скорость ветра на ближайшей береговой метеостанции, м/с; высота

флюгера на ближайшей метеостанции, м; облачность общая и нижняя, баллы (доли

единицы).

Охлаждение воды в водоемах-охладителях происходит с поверхности зеркала

воды, участвующей в теплообмене, являющейся активной зоной водоема. Водоемы-

охладители обеспечивают более низкие температуры охлажденной воды, чем градир-

127

ни и брызгальные бассейны, при меньшем колебании температуры в течение суток

благодаря их большой теплоаккумулирующей способности.

Различают ближнюю и дальнюю зоны сброса охлаждающей воды. Ближняя зона

определяется как область, в которой перемешивание теплого водного потока с речной

водой еще неполно. Температура воды в ближней зоне зависит от степени смешива-

ния воды. Смешивание может быть интенсифицировано и ускорено за счет примене-

ния специальных устройств.

Дальняя зона - область теплой воды, которая полностью перемешана по глу-

бине и является, таким образом, вторичным тепловым полем. Избыточная температу-

ра в дальней зоне постепенно снижается из-за смешивания с окружающими водами и

теплообмена с атмосферой.

При сбросах в море, подверженное действию приливов, или в море с сильными

течениями, поток теплой воды главным образом управляется течениями в принимаю-

щей среде. Они вызывают быстрое смешивание, предотвращая любую стратифика-

цию, вызванную различием плотностей теплой и холодной воды. Температура теплой

воды снижается преимущественно из-за перемешивания, а не из-за потерь тепла на

поверхности воды. В [9] сообщают, что площадь теплой воды в море, подверженном

действию приливов, для атомной электростанции мощностью 5000 МВт(эл) составляет

от 2 до 10 км².

Поведение потока теплой воды в море без течений определяется, прежде всего,

явлением стратификации и конвекции. Температура очень быстро снижается в резуль-

тате перемешивания. В бесприливном море или озере распространение охлаждающей

воды находится под сильным влиянием ветровых течений. В среднем область темпе-

ратурного влияния ТЭС оценивается примерно в 1 га/МВт(эл).

При размещении выпуска в устьях рек необходимо учитывать возможности об-

ратного движения воды в результате ветрового воздействия (нагонные явления) или

приливных течений. Эти явления могут существенно изменить распространение потока

теплой воды в устье.

128

3.5.2 Законодательные ограничения теплового воздействия на

окружающую среду

Действующим российским законодательством установлены следующие требова-

ния к изменениям температуры водных объектов под воздействием тепла, отводимого

со сточными водами:

- для водных объектов или их участков, используемых для хозяйственно-

питьевого, культурно-бытового водопользования, водоснабжения пищевых предприя-

тий, для рекреационного водопользования, а также в черте населенных мест летняя

температура воды в результате сброса сточных вод не должна повышаться более чем

на 3 °C по сравнению со среднемесячной температурой воды самого жаркого месяца

года за последние 10 лет;

- для водных объектов или их участков, которым присвоена какая-либо рыбохо-

зяйственная категория водопользования (высшая, первая или вторая), температура

воды не должна повышаться по сравнению с естественной температурой водного объ-

екта более чем на 5 °C, с общим повышением температуры не более чем до 20 °C ле-

том и 5 °C зимой для водных объектов, где обитают холодолюбивые рыбы (лососевые

и сиговые) и не более чем до 28 °C летом и 8 °C зимой в остальных случаях. В местах

нерестилищ налима запрещается повышать температуру воды зимой более чем на

2 °C.

На основании этих требований по определенной методике разрабатываются

обязательные индивидуальные требования к температуре каждого выпуска сточных

вод. Методика разработки индивидуальных нормативов допустимого сброса (НДС по

температуре) дана в [46] и заключается в расчете максимальной температуры стоков,

при которой в контрольном створе выполняются указанные выше требования. При

этом учитываются индивидуальные особенности сточных вод (расход), конструкция и

место выпуска, категория водопользования участка водного объекта, его гидрологиче-

ские характеристики, климатические характеристики, естественные температуры воды

водного объекта и т. п.

Водным кодексом предполагается переход от описанной методики установления

индивидуальных нормативов допустимого сброса к методике нормирования на основе

использования нормативов допустимого воздействия (НДВ) на водные объекты. Мето-

дика разработки НДВ предполагает установление целевых показателей качества воды

для каждого водного объекта и нормативов воздействий (количество веществ и микро-

организмов, содержащихся в сбросах сточных вод и (или) дренажных вод в водные

129

объекты) для водных объектов или их участков. Однако из-за неготовности норматив-

ной базы сроки перехода на новую методику пока не определены.

3.5.3 Применяемые методы снижения влияния ПСО на температурный

режим водных объектов

Применяемые методы снижения влияния ПСО на температурный режим водных

объектов направлены на:

- снижение объемов сброса тепла в водные объекты;

- выбор водного объекта с достаточной охлаждающей способностью;

- выбор мест и конструкции выпуска теплых вод с учетом местных условий и

нормативных требований к температуре воды водных объектов;

- снижение температуры сбросной воды, поступающей в водный объект, интен-

сификация снижения температуры воды водного объекта в зоне смешения или в ак-

тивной зоне водоема-охладителя.

Очевидно, что воздушные системы охлаждения, оборотные испарительные си-

стемы с различными типами градирен практически не создают рисков превышения до-

пустимых температур водных объектов. Однако, при решении вопроса об общем сни-

жении теплового воздействия на окружающую среду важно понимать, что в конечном

счете все тепло попадет в атмосферу и что поверхностный водоем - только промежу-

точное звено процесса теплопередачи от технологического оборудования к атмосфере.

Объем отводимого тепла полностью определяется общей энергоэффективностью тех-

нологического процесса, включающего и систему охлаждения. При этом прямоточные

ПСО и оборотные водные системы с водоемами-охладителями обеспечивают макси-

мальную эффективность использования первичной энергии и, соответственно, мини-

мальные объемы сбросного тепла. В связи с этим замена прямоточных систем и обо-

ротных систем с водоемами-охладителями на прочие типы ПСО может рассматривать-

ся лишь в том случае, если вблизи производственной площадки отсутствуют водные

объекты с достаточной охлаждающей способностью и такой водоем не может быть со-

здан.

При строительстве оборотных систем с водоемами-охладителями необходимо

рассматривать возможность создания на них гидроэлектростанций небольшой мощно-

сти. Ряд ТЭС применяют этот метод дополнительной выработки электроэнергии. При

решении вопроса о целесообразности строительства ГЭС необходимо учитывать его

техническую возможность и экономическую целесообразность.

130

Снижение объемов отведения тепла в водные объекты может достигаться сни-

жением общих объемов избыточного тепла от технологического процесса за счет по-

вышения его экологической эффективности и полезного использования избыточного

тепла.

Основным методом, который применяется при проектировании производствен-

ных объектов и позволяет предотвращать превышение допустимых норм температур-

ного состояния водных объектов, является выбор водного объекта, охлаждающая спо-

собность которого соответствует максимальной возможной тепловой нагрузке.

Предварительные инженерно-экологические изыскания и моделирование про-

цессов теплопередачи на физических и математических моделях позволяют спроекти-

ровать водозаборные и сбросные сооружения, наилучшим образом приспособленные

для того, чтобы избегать недопустимого повышения температуры в водном объекте,

рециркуляции тепла от выпуска к водозабору и способствовать максимально быстрому

перемешиванию тепловых сбросов с водой водного объекта. Если возможно матема-

тическое моделирование, то оно должно быть основано на конкретных гидрологических

данных. Использование моделирования гарантирует соответствие нормативным огра-

ничениям максимальных температур воды в контрольных створах.

Для максимального использования поверхности водоемов-охладителей должно

обеспечиваться оптимальное распределение сбрасываемой для охлаждения воды.

В оборотных ПСО с водоемами-охладителями коэффициент эффективности водохра-

нилища может быть в пределах 0,5-0,85. в зависимости от формы и схемы расположе-

ния водосбросных, струераспределительных, струенаправляющих и водозаборных со-

оружений. Кроме того, в процессе эксплуатации водоемов-охладителей для предот-

вращения снижения площади активной зоны необходимо не допускать в зоне транзит-

ного потока водохранилищ разрастание высшей водной растительности, расположение

сооружений садкового рыбного хозяйства, а также других сооружений, уменьшающих

площадь активной зоны. Одной из характеристик водоема-охладителя, позволяющих

оценить эффективность охлаждения, является кривая падения температуры воды в

поверхностном слое. Более эффективное охлаждение обеспечивает выпуск в верхний

слой водоема-охладителя широким фронтом с небольшой скоростью, а наиболее вы-

годной термической структурой водоема-охладителя является двухслойная вертикаль-

ная температурная стратификация.

При выпуске подогретой циркуляционной воды в водоем-охладитель открытым

каналом могут установиться два различных гидротермических режима.

131

Первый режим характеризуется тем, что в канал внедряется охлажденная вода

нижнего слоя, приобретая форму клина. Благодаря образованию поверхности раздела

между слоями, гасящей турбулентные возмущения, удается существенно уменьшить

перемешивание подогретой воды с водой нижнего слоя.

При втором режиме внедрение холодной воды в канал не происходит. Сбрасы-

ваемая подогретая вода интенсивно перемешивается с окружающей водой на участке

акватории водоема-охладителя у водовыпуска.

Наиболее эффективное охлаждение циркуляционной воды в водоемах-

охладителях обеспечивается при создании первого из указанных гидротермических

режимов (с наименьшим перемешиванием). Если параметры отводящего канала

не позволяют получить на водовыпуске гидротермический режим с минимальным пе-

ремешиванием, могут быть применены специальные водовыпускные сооружения. Как

правило, сброс охлаждающих вод в водный объект производится открытым сбросным

каналом трапециевидной формы.

В прямоточных системах и оборотных системах с водоемами-охладителями для

гарантированного выполнения НДС по температуре в условиях аномально высоких

температур воздуха применяют разбрызгивающие устройства, которые могут устанав-

ливаться на акватории отводящих каналов, водовыпусков или зоны смешения. Этот

метод применяется как резервный. Для его применения необходимо строительство до-

полнительной насосной и его применение связано с дополнительными капитальными и

эксплуатационными затратами. В [9] сообщается о применении предварительного

охлаждения сбросной воды прямоточной системы охлаждения больших электростан-

ций посредством градирни. Этот дорогостоящий метод применяется там, где циркуля-

ция теплой воды в поверхностном водоеме может влиять на температуру воды на во-

дозаборе. Дополнительные затраты на градирню должны быть сравнимы с затратами,

связанными со снижением эффективности из-за более высокой температуры входной

воды.

3.6 Сбросы загрязняющих веществ в водные объекты от ПСО

Сбросы загрязняющих веществ в поверхностные водные объекты оцениваются

как одна из наиболее значимых экологических проблем ПСО. Выделяют три возмож-

ных пути попадания загрязняющих веществ в поверхностные водоемы из водных си-

стем охлаждения:

- охлаждаемые химические вещества в результате их утечек при нарушении

герметичности теплообменников;

132

- продукты коррозии оборудования систем охлаждения;

- химические вещества, используемые для обработки подпиточной, циркуляци-

онной и продувочной воды.

Для управления этими воздействиями на окружающую среду применяются раз-

личные методы. Меры по снижению рисков утечек рассматриваются в разделе 3.10.

Этот раздел посвящен мерам по снижению объемов и уровню токсичности сбросов за-

грязняющих веществ в водные объекты, связанных с применением различных химиче-

ских добавок к охлаждающей воде, а также продуктов коррозии оборудования систем

охлаждения. Основные меры направлены на:

- сокращение необходимости применения химических методов обработки воды;

- выбор реагентов, наименее токсичных для окружающей среды;

- выбор наиболее эффективных методов применения реагентов.

При рассмотрении данных мер необходимо учитывать, что наиболее важным ас-

пектом ПСО является их косвенное влияние на энергопотребление охлаждаемого про-

изводственного процесса. Поэтому экологическая результативность методов снижения

сбросов загрязняющих веществ должна оцениваться в первую очередь с точки зрения

их влияния на общее энергопотребление производственным процессом. Кроме того,

применение методов снижения сбросов не должны приводить к перемещению загряз-

нений в другие природные среды, например, к образованию опасных отходов.

3.6.1 Обработка охлаждающей воды

Используемые для охлаждения природные воды содержат растворенные колло-

идные и грубодисперсные вещества, а также растительные и животные организмы. По-

падая в систему технического водоснабжения, эти вещества могут негативно влиять на

работу ПСО. В водных ПСО могут происходить следующие негативные процессы и яв-

ления:

- коррозия оборудования и сооружений ПСО. Коррозия может быть определена

как процесс разрушения металла за счет химических или электрохимических реакций с

окружающей средой. В результате образуются оксиды или соли металла, имеющие

менее прочную структуру, что вызывает разрушение материала. В системах охлажде-

ния коррозия вызывает две основных проблемы. Первая и наиболее очевидная про-

блема - это разрушение оборудования, что влечет за собой затраты на его замену,

сбросы загрязняющих веществ в окружающую среду и простои предприятия. Вторая

проблема - снижение эффективности работы оборудования, связанное с ухудшением

теплообмена, вызванное накоплением в теплообменнике продуктов коррозии. Корро-

133

зия вызывается или интенсифицируется в присутствии кислорода, солей, отложений и

низким уровнем pH. Коррозия также может вызываться биозагрязнителями, так назы-

ваемая микробиологическая коррозия: кислота, выделяемая бактериями, может вызы-

вать коррозию;

- выпадение взвесей и образование механических отложений, нарушающих про-

цессы теплообмена и повышающих энергопотребление ПСО. Механические отложения

могут ускорять процессы коррозии. Загрязнение происходит, когда нерастворимые ми-

неральные и органические твердые частицы оседают на поверхностях прямоточных и

открытых оборотных систем охлаждения, и образовывают при этом отложения. Приро-

да частиц, их размеры и низкая скорость потока воды являются факторами, влияющи-

ми на интенсивность загрязнения. Загрязнителями могут быть песок, ил, оксиды желе-

за и другие продукты коррозии, и они также могут реагировать с некоторыми химиче-

скими веществами, применяемыми для обработки воды. Загрязнители попадают в си-

стему из воздуха, с подпиточной водой или с утечками из охлаждаемого технологиче-

ского процесса;

- выпадение на теплообменных поверхностях солевых отложений, нарушающих

процессы теплообмена, преимущественно углекислого кальция, сульфатов и фосфа-

тов цинка и магния. Если концентрация соли в водяной пленке вблизи теплообменной

поверхности превышает ее растворимость в состоянии насыщения, происходит оса-

ждение соли, что приводит к образованию на теплообменной поверхности солевого

слоя или накипи. Основные виды отложений - карбонат и фосфат кальция, но воз-

можны также отложения и сульфата кальция, силикатов цинка и магния, в зависимости

от солевого состава циркуляционной воды. Отложения снижают эффективность тепло-

обменника, так как теплопроводность карбоната кальция приблизительно в 25 раз ни-

же, чем теплопроводность стали. Интенсивность отложений зависит от трех основных

факторов: минерализация (щелочность) воды, повышенные температура и pH цирку-

ляционной воды, и вторичных факторов: присутствие сложных органических веществ и

материал поверхностей теплообменника. Кроме того, образованию отложений могут

способствовать определенные конструктивные особенности теплообменника. Волни-

стость, наклонные каналы и недостаточные скорости воды способствуют образованию

отложений. В оборотных системах высокие коэффициенты концентрации могут приве-

сти к отложениям. Отложения могут вызвать проблемы в градирнях, поскольку пленоч-

ный ороситель может быть восприимчивым к различным типам осадков. Из-за испаре-

ния (1,8 % циркулирующего потока на 10 °C охлаждения) в градирне растворенные со-

ли и органические вещества могут сконцентрироваться в оборотной воде до такого

134

уровня, что может произойти их осаждение. В частности, отложения солей происходит:

при нагреве воды до 30 °C при прямоточном охлаждении и 45 °C в градирне; из-за ис-

парения воды, что приводит к росту концентрации растворенных солей; из-за потерь

свободного углекислого газа во время прохода воды через градирни, вызывающих по-

вышение pH, который варьируется в зависимости от расхода воды и типа оросителя.

В деревянных градирнях pH 7,5-7,8, но в градирнях с пластмассовым оросителем pH

увеличивается до 8,2-8,4;

- биологические обрастания и отложения, образование биопленок, препятству-

ющих теплообмену, повышающих гидравлическое сопротивление тракта ПСО и, соот-

ветственно, энергопотребления. Биозагрязнения также могут ускорять процессы корро-

зии.

Биозагрязнение обычно разделяют на два типа: макрозагрязнение (например,

мидиями, дрейссеной) и микрозагрязнение (бактериями, грибками, водорослями).

Макрозагрязнение более характерно для прямоточных систем с пресной водой.

Макрозагрязнение может приводить к засорению системы трубопроводов и водоводов

и может вызывать процессы эрозии и коррозии. Интенсивность и видовое разнообра-

зие макрозагрязнителей существенно зависит от местных условий.

Микрозагрязнение характерно и для прямоточных и для открытых оборотных си-

стем охлаждения. Рост микроорганизмов на мокрых поверхностях приводит к образо-

ванию биопленок. Результат нерегулируемого роста микроорганизмов - образование

шлама. Биопленки состоят из живых клеток и продуктов их метаболизма. Микрозагряз-

нение всегда предшествует макрозагрязнениям.

Преобладающее влияние биозагрязнений - снижение интенсивности теплопе-

редачи в теплообменниках и рост затрат энергии из-за увеличения сопротивления гид-

равлического тракта ПСО. Если биозагрязнение развивается на металлической по-

верхности, возможна ее коррозия. Кроме того, некоторые микроорганизмы, распро-

страняясь через градирни, могут угрожать человеческому здоровью.

Доступны многие методы борьбы с биозагрязнениями. Их области применения,

типы охлаждающей воды и связанные проблемы приведены в таблице 3.5.

135

Таблица 3.21 - Обзор загрязняющих и засоряющих организмов, степени загрязнения для морской, жесткой и пресной воды. В последнем

столбце приведены методы борьбы (обозначение интенсивности загрязнения: + низкая; ++ средняя; +++ высокая) ([9])

Тип охлаждающей воды, характерное загрязнение,

засорение и отложения

Страна

Основные методы борьбы с загрязнениями

Морская вода

Жесткая вода

Пресная вода

Бельгия

Гидроидные +

Биопленка ++

Пресная вода:

Биопленка ++

Зебровая мидия +

Фильтрация воды, мусоросборные фильтры, ре-

Азиатские мол-

шетки.

люски +

Шариковая очистка конденсаторов.

Мшанки ++

Периодическая обработка гипохлоритом.

Брюхоногие мол-

люски ++

В градирнях: от-

ложения ++

Дания

Мидии +

Морская вода

Не используется

Морская вода:

Биопленка +

Фильтрация воды, фильтры для мусора.

Шариковая очистка конденсаторов.

Нетоксичные покрытия.

Тип охлаждающей воды, характерное загрязнение,

засорение и отложения

Страна

Основные методы борьбы с загрязнениями

Морская вода

Жесткая вода

Пресная вода

Франция

Мидии +++

Загрязнение: ни-

Зебровая ми-

Морская вода:

Усоногие раки ++

каких проблем

дия ++

Фильтрация воды, фильтры для мусора. Шарико-

Засорение: Мор-

Засорение: дрей-

Мшанки ++

вая очистка конденсаторов (несколько предприя-

ской крыжовник

фующие макро-

Водоросли ++

тий). Постоянное хлорирование низкими концен-

(медуза) +++

фиты +

Брюхоногие мол-

трациями (0.5-1.0 мг/л), электрохлораторы

Морские водо-

люски ++ Азиат-

Пресная вода:

росли +++

ские моллюски +

Фильтрация воды, фильтры для мусора. Шарико-

В градирнях: от-

вая очистка конденсаторов. Шоковое хлорирова-

ложения ++

ние один или два раза в год.

Германия

Зебровая мидия +

Пресная вода:

Биопленка ++

Фильтрация воды, фильтры для мусора. Шарико-

В градирнях: от-

вая очистка конденсаторов. Прерывистое хлори-

ложения ++

рование гипохлоритом, перекисью водорода, озо-

ном

Ирландия

Мидии +

Морская вода

Зебровая мидия

Морская вода:

Биопленка +

Фильтрация воды, фильтры для мусора.

Засорение:

Шариковая очистка конденсаторов.

Рыба +++

Постоянное хлорирование гипохлоритом

Тип охлаждающей воды, характерное загрязнение,

засорение и отложения

Страна

Основные методы борьбы с загрязнениями

Морская вода

Жесткая вода

Пресная вода

Италия

Мидии +++

(только одна

Зебровая мидия

Морская вода:

Гидроидные ++

станция) Засоре-

Биопленка ++

Фильтрация воды, фильтры для мусора. Шарико-

Трубчатые чер-

ние: морские во-

Засорение: дрей-

вая очистка конденсаторов (несколько предприя-

ви ++

доросли +

фующие расте-

тий).

Усоногий рак ++

мусор +

ния, листва +

Постоянное или импульсное хлорирование гипо-

Биопленка ++

хлоритом или электрохлораторами

Засорение: мор-

Пресная вода:

ские водоросли +

Фильтрация воды, фильтры для мусора. Шарико-

Posidonia +

вая очистка конденсаторов.

Импульсное хлорирование (очень мало случаев)

Нидерланды

Мидии +++

Мидии ++

Зебровая мидия +

Морская и пресная вода:

Биопленка ++ За-

Биопленка +

Биопленка ++

Фильтрация воды, фильтры для мусора. Шарико-

сорение: меду-

Засорение:

вая очистка конденсаторов.

зы +++

рыба +

рыба ++

Тепловая обработка.

рыба ++

Непрерывное или прерывистое хлорирование ги-

похлоритом

Норвегия

ГЭС: проблемы

только с миграци-

ями рыбы

Тип охлаждающей воды, характерное загрязнение,

засорение и отложения

Страна

Основные методы борьбы с загрязнениями

Морская вода

Жесткая вода

Пресная вода

Португалия

Мидии ++

Азиатские мол-

Морская вода:

Биопленка +

люски +

Фильтрация воды, фильтры для мусора. Шарико-

вая очистка конденсаторов (несколько предприя-

тий). Постоянное хлорирование низкими концен-

трациями (0.5-1.0 мг/л), электрохлораторы

Пресная вода:

Фильтрация воды, фильтры для мусора. Шарико-

вая очистка конденсаторов.

Испания

Биопленка +

Биопленка ++

Морская и пресная вода:

Трубчатые чер-

В градирнях:

Фильтрация воды, фильтры для мусора. Шарико-

ви +

отложения ++

вая очистка конденсаторов.

Мидии ++

Непрерывное хлорирование, низкими и шоковыми

Устрицы +

дозами, гипохлоритом и электрохлораторами.

Великобритания

Усоногие раки +

Морская вода

Биопленка ++

Морская и пресная вода:

Мидии ++

В градирнях:

Фильтрация воды, фильтры для мусора. Шарико-

Биопленка ++

отложения ++

вая очистка конденсаторов.

Засорение:

Непрерывное хлорирование (импульсное - зи-

Рыба +++

мой) гипохлоритом и электрохлораторами

Водоросли ++

Медузы +

Для борьбы с указанными негативными явлениями применяются различные ме-

тоды, наиболее распространенными из которых является обработка охлаждающей во-

ды химическими веществами. Применение таких веществ имеет важное значение для

окружающей среды: рано или поздно они покидают систему охлаждения и поступают в

окружающую среду, в поверхностные водоемы или, в намного меньшей степени, в ат-

мосферный воздух.

Объем применяемых веществ существенно различается в разных типах ПСО.

По результатам опроса определено, что российскими предприятиями в прямо-

точных системах какие-либо методы химической обработки охлаждающей воды

не применяются. Это связано, прежде всего, с большими объемами охлаждающей во-

ды, а также с жесткими ограничениями на сброс загрязняющих веществ в природные

водные объекты. Тем не менее, в прямоточных системах могут происходить те же

негативные явления, что и в других водных ПСО. Для борьбы с ними применяются

иные методы, не связанные с химической обработкой воды:

- применение в системах охлаждения материалов, наименее подверженных кор-

розии в среде охлаждающей воды;

- конструктивные меры, предотвращающие образование механических отложе-

ний;

- очистка охлаждающей воды от плавающего мусора;

- предотвращение попадания в систему охлаждения взвешенных веществ и вод-

ных организмов;

- механические методы очистки теплообменных поверхностей, которые могут

применяться на действующем или остановленном оборудовании.

В странах Европейского Союза в [9] сообщают о редких случаях применения в

прямоточных системах биоцидов с целью борьбы с развитием в теплообменниках не-

которых водных организмов.

В сухих радиаторных ПСО, а также в промежуточных контурах других типов си-

стем охлаждения постоянная обработка воды не применяется. Однако эти системы, как

правило, заполняются обессоленной водой, при подготовке которой применяются хи-

мические вещества. Процессы водоподготовки сопровождаются образованием сточных

вод и отходов.

Наибольшие объемы химических веществ применяются для обработки циркуля-

ционной воды в оборотных водных ПСО.

140

Выбор методов обработки охлаждающей воды является сложной и специфиче-

ски местной проблемой, требующей учет следующих факторов:

- конструкция и материал теплообменника;

- температура и химический состав охлаждающей воды;

- организмы, обитающие в поверхностном водоеме;

- чувствительность водной экосистемы к поступлению в водный объект химиче-

ских веществ и продуктам их трансформации.

Для надлежащей эффективности любой из обработок обычно требуется регули-

рование pH охлаждающей воды и щелочности в пределах определенного диапазона.

Хорошее регулирование pH и щелочности более важно там, где используются про-

граммы обработки, чувствительные к pH или если в открытых оборотных градирнях

применяются более высокие коэффициенты концентрации, чтобы минимизировать

продувку и сократить потребность в подпиточной воде. Обычной практикой в промыш-

ленности является разработка регламентов технического обслуживания ПСО и выпол-

нение их силами сторонней организацией, но ответственность за эксплуатацию систем

при этом остается на владельце системы охлаждения.

Ингибиторы коррозии

Наибольшее значение для обеспечения высокого уровня эффективности,

надежности и экологической безопасности ПСО имеет подавление процессов коррозии

теплообменных поверхностей. Для таких поверхностей применяются материалы с вы-

сокой теплопроводностью. В конденсаторах поставки отечественных турбостроитель-

ных заводов установлены, как правило, трубки из медных сплавов: медно-цинковых

(латуней), легированных для увеличения их стойкости против коррозии оловом, а в

случаях возможности эрозионно-коррозионных повреждений алюминием и содержащих

также небольшое количество мышьяка для снижения их склонности к обесцинкованию

(латуни ЛО-70-1, ЛА-77-2, ЛОМш 70-1-0,05 и ЛАМш 77-2-0,05), и медно-никелевых,

легированных железом и марганцем (сплавы MHЖ-5-1, МНЖ-Мц-5-1-0,8 или

МНЖМц-30-1-1).

В латунных трубках коррозионные повреждения проявляются в форме общего

обесцинкования, пробочного обесцинкования, коррозионного растрескивания, ударной

коррозии и коррозионной усталости. Форма и скорость развития коррозионного процес-

са зависят от агрессивности охлаждающей воды, ее скорости в трубках, чистоты трубок

и состояния металла.

141

При

благоприятных

условиях

(пресные,

слабоминерализованные,

не загрязненные стоками воды, хорошо отожженные мягкие трубки) наблюдается лишь

медленный процесс общего обесцинкования латунных трубок (образования с водяной

стороны трубки постепенно углубляющегося слоя красной губчатой меди), приводящий

к необходимости замены трубок вследствие утонения и уменьшения механической

прочности их стенок по истечении 15-20 лет и более. Однако повышенная агрессив-

ность охлаждающих вод, загрязнение трубок содержащимися в воде примесями, а так-

же дефекты изготовления трубок приводят к их местному (пробочному) обесцинкова-

нию или коррозионному растрескиванию, что существенно сокращает срок службы

трубок.

При местном обесцинковании на внутренней поверхности латунных трубок обра-

зуются небольшие (диаметром до 3-5 мм) язвины и пробки губчатой меди, быстро про-

никающие вглубь стенки и образующие в результате выпадения пробок, сквозные сви-

щи-отверстия. Растрескивание трубок происходит при наличии в них растягивающих

напряжений, большей частью остаточных напряжений, не снятых из-за неудовлетвори-

тельного их отжига после изготовления (латунные трубки должны быть «мягкими»).

При пробочном обесцинковании и коррозионном растрескивании выход трубок из строя

может начаться уже через 3-5 лет после их установки, а необходимость замены труб-

ного пучка конденсатора из-за большого числа заглушенных трубок и ускорившегося

выхода их из строя может возникнуть по истечении 8-10 лет, а иногда и быстрее.

При высокоминерализованных водах, главным образом морских, входные концы

латунных трубок могут подвергаться ударной коррозии или эрозионно-корозионному

разрушению, связанному с повреждением защитной пленки на поверхности металла

под действием ударов, вызываемых кавитацией, и содержащихся в воде абразивных

примесей (песка, золы). Легирование латуни алюминием повышает ее стойкость про-

тив эрозии, вследствие чего трубки из алюминиевой латуни нашли применение в ос-

новном на приморских электростанциях, где срок их службы составляет в среднем око-

ло 10 лет. Но при загрязненных стоками морских водах и содержании в воде сульфи-

дов стойкость их недостаточна.

Для защиты входных концов латунных трубок от ударной коррозии в них встав-

ляются втулки из пластмассы длиной 150-250 мм или на участок той же длины нано-

сится покрытие из эпоксидной смолы или другого синтетического материала. Втулка

или покрытие должны иметь плавное очертание на входе и сходящую на нет толщину

по их длине, так как наличие уступа при переходе к металлу приводит к образованию

142

очага коррозии последнего. При морских водах целесообразно также применение элек-

трохимической (протекторной или катодной) защиты.

В последнее время в конденсаторах мощных паровых турбин электростанций

применяются в основном трубки из медно-никелевого сплава МНЖ-Мц 5-1-0,8 (мяг-

кие), при высокоминерализованных и загрязненных морских водах - из сплава МНЖ-

Мц 30-1-1.

Трубки из сплава МНЖ-Мц 5-1-0,8 применяются взамен латунных при пресных и

чистых морских водах, не содержащих сульфидов и аммиака. Сплав с 30 % Ni хорошо

противостоит действию аммиака, и трубки из этого сплава могут применяться в выход-

ной зоне трубного пучка (воздухоохладительной секции), если при трубках из других

медных сплавов в этой зоне наблюдается их аммиачная коррозия. Но этот сплав не-

пригоден при кислых водах.

Трубки из медно-никелевых сплавов подвержены язвенной коррозии под отло-

жениями, и даже сравнительно редкие локальные отложения могут приводить к обра-

зованию в них течей. При кислых водах или содержания в воде сульфидов они могут

подвергаться пробочному обезникелеванию.

Для предотвращения или замедления коррозии конденсаторных трубок из мед-

ных сплавов с водяной стороны наряду с выбором их материала, учитывающим свой-

ства охлаждающей воды, и выполнением требований, предъявляемых к их изготовле-

нию, транспортировке и хранению, весьма важным является поддержание в условиях

эксплуатации достаточной чистоты внутренней поверхности трубок и осуществление в

случае необходимости мероприятий, способствующих образованию на этой поверхно-

сти прочной и плотной защитной пленки.

Ингибиторы коррозии удаляют продукты коррозии, пассивируют, осаждают или

адсорбируют их. Пассивирующие (анодные) ингибиторы формируют защитную оксид-

ную пленку на поверхности металла. Осаждающие (катодные) ингибиторы являются

простыми химическими веществами, которые образуют нерастворимые осадки, обра-

зующие на поверхности защитный слой. Адсорбционные ингибиторы имеют полярные

свойства, что позволяет им адсорбироваться на поверхность металла. Ранее в каче-

стве антикоррозионных добавок использовались, главным образом, соединения ме-

таллов, в настоящее время наблюдается тенденция перехода к азолам, фосфонатам,

полифосфатам и полимерам. Токсичность для окружающей среды этих веществ ниже,

в то же время антикоррозийные свойства выше. Разработаны биоразлагаемые поли-

меры, эффективные для борьбы с коррозией.

143

В различных системах охлаждения применяют различные ингибиторы коррозии.

За рубежом в прямоточных системах используют полифосфаты и цинк и, ограничен-

но - силикаты и молибдаты. В некоторых странах почти не применяют ингибиторы

коррозии в прямоточных системах, за исключением ингибиторов для желтых металлов

(например, сульфаты железа), применяемых для теплообменников или конденсаторов

из медных сплавов. По результатам опроса в Российской Федерации ни одна из ком-

паний не сообщила о применении ингибиторов коррозии в прямоточных системах.

Образованию на поверхности медных сплавов оксидной пленки, обладающей

повышенными защитными свойствами, способствует содержание в воде гидратиро-

ванных окислов железа. При этом на поверхности естественной оксидной пленки -

слоя, состоящего в основном из окислов меди, образуется сцепленный с ним второй

оксидный слой, представляющий собой гомогенный слой окиси железа. Поскольку

окислов железа, попадающих в охлаждающую воду в результате коррозии стальных

элементов водозаборных сооружений, обычно недостаточно, рекомендуется особенно

при соленых (морских) и солоноватых водах дозирование в охлаждающую воду суль-

фата железа (FeSO4) или других соединений железа или же установка в передней во-

дяной камере конденсатора железных анодов. Этот метод упрочнения защитной плен-

ки пригоден как для новых, так и для проработавших уже трубок.

Образованию стабильной защитной пленки на поверхности трубок при дозиро-

вании сульфата железа может препятствовать значительное содержание в воде абра-

зивных примесей (песка, золы).

Наиболее широко ингибиторы коррозии применяются в открытых оборотных си-

стемах. Многие годы в качестве ингибитора коррозии применялись хроматы, но в

настоящее время из-за их токсичности использование хроматов значительно сократи-

лось. В настоящее время наиболее часто антикоррозионные программы обработки ба-

зируются на добавках фосфатов и цинка. Часто в системе создают щелочные условия

(pH 8-9), но введение биоцидов и диспергаторов может повлиять на кислотность сре-

ды. Вода по своей природе является слабокоррозионной средой. Щелочная среда в

комбинации с применением органических фосфонатов эффективна против коррозии и

отложений.

По результатам опроса среди российских предприятий получены сведения о

применении некоторыми из них ингибиторов коррозии со среднегодовым расходом

0,7 т/год.

Теоретически, закрытые водные системы не требуют введения ингибиторов кор-

розии. Кислород, попадающий в систему с подпиточной водой, должен быстро израс-

144

ходоваться на окисление металлов, после чего коррозия должна бы прекратиться. Од-

нако, реальные закрытые системы теряют достаточно много воды и в них достаточно

воздуха, чтобы защита от коррозии была необходима. Для закрытых систем наиболее

подходят ингибиторы коррозии на основе хроматов, молибдатов и нитритов. Как пра-

вило, обработка хроматами и молибдатами дает наилучшие результаты. Токсичность

хроматов ограничивает их применение, в частности, если система должна периодиче-

ски опорожняться. В этих случаях доступны нехроматные препараты, но в некоторых

государствах ЕС они все еще разрешены. Обработка молибдатами обеспечивает эф-

фективную защиту от коррозии и более приемлема для окружающей среды.

Самые эффективные ингибиторы коррозии для меди - ароматические азолы.

Их концентрации в испарительных оборотных системах охлаждения обычно колеблют-

ся от 2 до 20 мг/л в пересчете на активное соединение. Для сравнения, для некоторых

анодных ингибиторов (таких как хроматы, молибдаты и нитриты) концентрации, ис-

пользуемые в прошлом, составляли 500-1000 мг/л в замкнутых системах.

Ингибиторы солевых отложений

Главным образом, это полифосфаты, фосфонаты и некоторые полимеры. По-

следние усовершенствования в этой области связаны с разработкой биоразлагаемых

соединений.

Образование солевых отложений может происходить в прямоточных и открытых

оборотных системах охлаждения. В закрытых оборотных системах это не является

значительной проблемой. В закрытых системах отложения могут быть в случаях, когда

значительные утечки требуют частых добавок подпиточной воды.

Увеличение концентрации солей в охлаждающей воде в открытых оборотных си-

стемах охлаждения вызывается испарением в градирне и контролируется величиной

продувки. Отношение концентрации солей в оборотной воде к их концентрации в под-

питочной воде называют коэффициентом концентрации. Коэффициент концентрации

составляет 2-3 для больших электростанций и до 8-9 для некоторых оборотных про-

мышленных систем охлаждающей воды. Типичные коэффициенты концентрации в

промышленности (не на электростанциях) составляют от 3 до 5.

На практике интенсивность отложений контролируется регулированием значения

pH и применением ингибиторов солевых отложений. Опыты на больших системах

охлаждения электростанций, снабженных градирнями, показывают, что обработка кис-

лотой (серной или соляной) не приводит к изменению pH, среда остается щелочной.

145

В то же время кислоты нейтрализуют щелочность, что позволяет избежать осаждения

CaCO3.

Однако, в процессах декарбонизации регулирование pH воды может выполнять-

ся добавлением кислот. Декарбонизация путем осаждения карбоната кальция зависит

от трех основных факторов: минерализации (щелочности), температуры и pH циркуля-

ционной воды. Вторичные факторы - присутствие органических комплексов в воде и

материал теплообменника.

Сообщают о трех альтернативных методах обработки охлаждающей воды,

предотвращающих образование отложений в теплообменниках и испарительных гра-

дирнях в крупных водных системах охлаждения:

- декарбонизация подпиточной воды (при этом образуется осадок);

- дозирование кислоты;

- дозирование ингибиторов солевых отложений.

Наиболее распространенные ингибиторы отложений - полифосфаты, фосфо-

наты, полиакрилаты, сополимеры и терполимеры. Их типичные концентрации в воде

составляют от 2 до 20 мг/л в пересчете на активное вещество. Стабилизаторы жестко-

сти воды предотвращают образование кристаллов и используются в оборотных систе-

мах, но редко или никогда - в прямоточных системах. Первичные контуры закрытых

оборотных систем не подвержены образованию отложений, кроме тех случаев, когда

используется жесткая подпиточная вода. В закрытых системах используют умягченную

воду или конденсат в качестве подпиточной воды, чтобы предотвратить образование

отложений.

Химические диспергаторы

Главным образом в качестве диспергаторов используются сополимеры, часто в

комбинации с поверхностно-активными веществами. Основное экологическое влияние

этих веществ связано с их недостаточной способностью к биоразложению. Диспергато-

ры - это полимеры, используемые для предотвращения осаждения загрязнений, они

удаляют частицы (в т. ч. органические, например, микрозагрязнение и биопленку) с по-

верхности теплообменника, увеличивая их электрический заряд, при этом частицы от-

талкиваются друг друга и, в результате, остаются взвешенными в толще воды и выво-

дятся из ПСО, например, с продувочной водой. Могут также использоваться поверх-

ностно-активные вещества, часто называемые биодиспергаторами, облегчающие про-

никновение биоцидов в слой биозагрязнений. Диспергаторы помогают сохранить по-

верхности теплообменников чистыми, что повышает интенсивность теплообмена, сни-

146

жает риск коррозии. Обычной практикой является дозирование биоцидов в комбинации

с диспергаторами в концентрациях 1-10 мг/л в пересчете на активное вещество.

Наиболее эффективные и широко используемые диспергаторы - низкомолекулярные

анионные полимеры, в том числе: органические сульфонаты и сульфонаты металлов,

феноляты металлов, диалкил дифиофосфаты металлов, диалкил натрий сульфосукки-

наты, полиэтиленалкильные и алициклические амины, моноэтаноламинфосфат, по-

лиакрилаты, полиметаакрилаты и основанные на акрилатах полимеры.

Биоциды

Биоциды вводятся в охлаждающую воду промышленных открытых водных си-

стем охлаждения для борьбы с биозагрязнением. Было выполнено большое количе-

ство исследований, посвященных способам использования биоцидов и их влиянию,

существует большое количество публикаций по этим вопросам. Биоциды - вещества,

которые замедляют рост микроорганизмов в охлаждающей воде, уменьшают общее

количество клеток в воде и снижают стабильность биопленки, и таким образом умень-

шают органическое загрязнение систем охлаждения. Биозагрязнение включает разви-

тие микроорганизмов, бактерий, морских водорослей и грибов, и также развитие мак-

роорганизмов, таких как устрицы, моллюски.

Обычно биоциды деляются на биоциды-окислители и биоциды-неокислители.

Биоциды-окислители обладают неспецифическим широким спектром биоцидного дей-

ствия, которое ограничивает степень приспособляемости организмов к этим биоцидам.

Биоциды-неокислители обладают более направленным и сложным действием и поэто-

му нуждаются в более длительном времени реакции, чем биоциды-окислители.

Экологическая проблема применения биоцидов заключается в их токсичности.

Некоторые антибактериальные препараты, используемые в системах охлаждения, яв-

ляются соединениями, быстро распадающимися в воде, таким образом, снижая потен-

циальные экологические риски. Такой химический распад сопровождается снижением

токсичности соединения. Соединение может быть добавлено в систему циркуляцион-

ного водоснабжения, выполнить свою задачу по устранению микробов и затем разло-

житься на менее токсичные химические вещества.

Потребление биоцидов определяется типом системы охлаждения, качеством во-

ды (пресная или соленая), сезоном, утечками органических материалов из охлаждае-

мого процесса и временем распада биоцида. По данным ([9]) в странах ЕС в прямоточ-

ных системах обычно применяются биоциды-окислители, такие как гипохлорит или ги-

побромит.

147

В открытых оборотных системах охлаждения биоциды-окислители используются

самостоятельно или в комбинации с биоцидами-неокислителями. Почти весь объем

биоцидов-неокислителей и других средств кондиционирования циркуляционной воды

потребляется оборотными системами водоснабжения.

Биоциды-окислители: главным образом, используются хлор (или комбинация

хлора и брома) и монохлорамин. Хлор и бром являются сильными окислителями

(остротоксичными), что означает, что срок их распада невысок, но при этом могут обра-

зовываться токсичные побочные продукты - галоидированные органические соедине-

ния. Другие биоциды-окислители - озон, ультрафиолетовое излучение (УФ), перекись

водорода и надуксусная кислота. Использование озона и УФ требуют предварительной

подготовки подпиточной воды и применения специальных материалов. Считается, что

их экологические влияния менее вредны, чем у галоидированных пестицидов, но их

применение нуждается в специальных методах, дорого и применимо не во всех ситуа-

циях.

Биоциды-неокислители: изотриазолоны, DBNPA, глютаральдегид и четвертич-

ные аммониевые основания и т. д. Эти соединения, как правило, остро токсичны и ча-

сто практически небиоразлагаемы, хотя есть некоторые соединения, которые гидроли-

зуются или разлагаются по другим механизмам. Потенциальные экологические воздей-

ствия этих веществ значительны.

Таблица 3.22 - Химические вещества, используемые для обработки охлаждающей воды в

открытых и оборотных водных системах охлаждения в ЕС ([9])

Проблемы качества воды

Коррозия

Отложения

Биозагрязнение

Химические веще-

Прямоточ-

ства

Оборотные

ные си-

системы

стемы

Цинк

Молибдаты

Силикаты

Фосфонаты

Полифосфаты

148

Проблемы качества воды

Коррозия

Отложения

Биозагрязнение

Химические веще-

Прямоточ-

ства

Оборотные

ные си-

системы

стемы

Сложные эфиры

высокомолеку-

лярных спиртов

Природная орга-

ника

Полимеры

Биоциды-

неокислители

Биоциды-

окислители

Примечание - Хром в ЕС не применяется из-за его высокой экологической опасности.

Биоциды-окислители

Обычно используемые в промышленных системах охлаждения биоциды-

окислители - хлор и бром, в жидком и газообразном виде, органические соединения

галогенов, двуокись хлора, озон, монохлорамин и перекись водорода. В условиях мор-

ской воды наблюдается рост объемов применения двуокиси хлора из-за ее эффектив-

ности и пониженного образования бромированных углеводородов (в частности бромо-

форма, хлородибромметана, бромдихлорметана и дибромацетонитрила) и тригаломе-

танов (THM) по сравнению с гипохлоритом. Также в некоторых местах используется га-

зообразный хлор (Cl2) из-за компактности и дешевизны, но при его применении возни-

кают риски аварийных утечек хлора.

Натрия хлорат (хлорноватокислый натрий) - окислительный биоцид, обычно

используемый в больших прямоточных системах. Он может производиться путем элек-

тролиза из морской воды. Этот процесс, называемый электрохлоринацией, позволяет

избежать транспортировки и хранения опасного газообразного или сжиженного хлора.

Потребление хлорноватокислого натрия обычно ниже в системах с морской водой, чем

с пресной, из-за высокого содержания растворенных и взвешенных органических ве-

149

ществ в пресной воде. Из-за этого в морской воде ниже образование хлорорганических

соединений.

Таблица 3.23 - Оценочные уровни потребления некоторых биоцидов-окислителей в

нескольких европейских странах (кг/год) ([9])

Великобри-

Нидерланды

Франция

Группа

Биоциды-окислители

тания

(1995)³⁾

(1998)

(1993)²⁾

Хлорсодержа-

Гипохлорит натрия

731 000^{1) ,5)}

1 800 000⁴⁾

817 000⁶⁾

щие

Дихлоризоцианурат натрия

19 300

Диоксид хлора

13 000

Бромсодержа-

Бромид натрия

356 000

22 500

щие

1-бром-3-хлор-5,5-диметилги

286 000

1000

дрохлорид (BCDMH)

Другие

Перекись водорода

910

Надуксусная кислота

975

¹⁾ Оценка дана в пересчете на активное вещество (потребление в виде готовой продукции

намного выше.

²⁾ Во всех водных системах охлаждения.

³⁾ Только в оборотных системах.

⁴⁾ В пересчете на Cl2.

⁵⁾ Это заниженная оценка, т. к. в Великобритании на многих прибрежных электростанциях

используются электрохлоринаторы.

⁶⁾ На Cl2, произведенный электрохлоринаторами ТЭС.

Это также справедливо для систем охлаждения, использующих воду из сильно

загрязненных гаваней. Часто предпочитается непрерывное хлорирование с низкими

концентрациями, хотя все более часто практикуется прерывистое или полунепрерыв-

ное хлорирование. Однако это требует более интенсивного мониторинга системы

охлаждения и охлаждающей воды. При применении газообразного хлора и раствора

гипохлорита натрия наиболее активным химическим веществом является недиссоции-

рованная гипохлорная кислота. Это очень активный окислительный агент и реагирует с

большинством видов органики в воде с образованием тригалометана (THM), хлоро-

форма (3 % - 5 %) и других хлорорганических соединений. Свободный хлор может

также реагировать с аммиаком с образованием хлораминов или с разнообразными

растворенными органическими соединениями, образовывая различные типы галоге-

150

норганических соединений (например, THM, хлорфенолы). Это происходит непосред-

ственно в системе охлаждения одновременно с его основной биоцидной работой.

Использование окислительного биоцида - гипобромовой кислоты (HOBr) может

быть альтернативой гипохлориту. Гипобромовая кислота не диссоциирует при более

высоких значениях pH, чем гипохлорная кислота. Из этого следует, что при pH 8 и вы-

ше HOBr - более эффективный биоцид, чем диссоциированный ион Cl^-. Как след-

ствие, в щелочной пресной воде эффективная дозировка гипобромита может быть

намного ниже, чем гипохлорита. Хотя бромированная органика в 2-3 раза более ток-

сична, чем хлорированные эквиваленты, они более быстро разлагаются и это может

обеспечить экологическое преимущество. Однако, в морской воде, окисление ионов

бромида гипохлоритом приводит к быстрому образованию гипобромита, и хлорирова-

ние морской воды почти эквивалентно бромированию, и экологическая выгода гипоб-

ромита по сравнению с гипохлоритом небольшая.

Бромид и гипохлорит натрия, хлорамин и перекись используются в оборотных

системах в комбинациях, которые, как ожидают, приводят к образованию менее эколо-

гически опасных веществ. Недостаток такой обработки в том, что при высоких концен-

трациях свободного окислителя (FO) может происходить образование канцерогенного

бромата. Другим возможным источником этого вещества может быть окисление ионов

бромида при озонировании природных вод.

Содержание бромата зависит от концентрации бромида в пластовой воде, ис-

пользуемой для производства гипохлорита натрия. Теоретическая максимальная кон-

центрация бромата (BrO^3-) в растворе гипохлорита натрия, произведенного электроли-

зом морской воды, около 100 мг/л или 3 мг на грамм хлора. Широкий диапазон концен-

траций бромата найден в коммерческих растворах гипохлорита. Если для производ-

ства хлора используются концентрированные морские воды, оно изменяется от 0.15 до

4.0 мг BrO^3-на грамм хлора.

Биоциды-неокислители

Биоциды-неокислители - сравнительно медленно реагирующие вещества, ко-

торые воздействуют на специфические клеточные компоненты или пути миграции ве-

ществ. Обычно используются, по сообщениям, следующие биоциды-неокислители:

2,2-дибром-3-нитрилопропионамид (DBNPA), глютаровый альдегид, четвертичные ам-

мониевые соединения (QAC), изотриазолоны, галоидированные бисфенолы и тиокар-

баматы, но на рынке есть многие другие биоциды и в пределах Европы объем и часто-

151

та использования отдельных биоцидов значительно изменяется. В таблице 3.8 дана

оценка потребления некоторых биоцидов-неоксидантов.

Применение биоцидов-неокислителей вместо биоцидов-окислителей рекоменду-

ется только в тех случаях, когда биоциды-окислители не в состоянии обеспечить до-

статочную защиту, например, в системах с высокими нагрузками органики, или в обо-

ротных водных системах охлаждения, где не практикуется ежедневное регулирование.

В больших оборотных водных системах охлаждения, где главным образом использует-

ся гипохлорит натрия, иногда применяется постоянный мониторинг, обеспечивающий

необходимый уровень свободных окислителей в контуре. Однако, для многих более

мелких оборотных водных систем охлаждения, а также систем в компаниях сферы об-

служивания, у которых нет возможности держать специальный персонал, применение

биоцидов-неокислителей, которые менее зависимы от качества воды, предпочтитель-

но. Биоциды-неокислители, главным образом, применяются в открытых испаряющих

оборотных системах охлаждения. Обычно, они применяются в системах охлаждения в

концентрациях активного компонента приблизительно от 0,5 до 50 ppm (иногда 100

ppm).

Биоциды-неокислители проявляют свое влияние на микроорганизмы реакцией со

специфическими компонентами клеток или клеточными реакциями. Первая реакция

включает повреждение мембраны клетки, во второй реакции повреждаются биохими-

ческие механизмы производства клеточной энергии или использования энергии в клет-

ках. Четвертичные аммониевые соединения - катионактивные поверхностно-активные

молекулы. Они повреждают клеточные мембраны бактерий, грибов и морских водорос-

лей, таким образом увеличивая проходимость стенки клеток, приводящей к денатура-

ции протеинов и к смерти клеток. Изотриазолоны являются неспецифическими, и они

воздействуют на ATФ-синтез в клетках. Из других биоцидов широко используется про-

тив бактерий и грибов метилен(бис)тиоцанат (MBT), этот биоцид, как полагают, необ-

ратимо связывает биомолекулы, предотвращая их сокращение и реакции окисления.

Глютаральдегид используется и против аэробных и анаэробных бактерий и его био-

цидная деятельность основана на образовании поперечных связей в белках.

152

Таблица 3.24 - Оценка объемов потребления наиболее широко применяемых биоцидов-

неокислителей в некоторых европейских государствах, кг/год ([9])

Великобри-

Нидерланды

Франция

Группа

Биоциды-неокислители

тания

(1995)³⁾

(1998)

(1993)²⁾

QAC

Диметил кокобензил аммо-

23400¹⁾

ний хлорид

Бензил-алкодиум аммоний-

21400

ные соединения

Всего QAC

71152

Изотриазолины

5-хлоро-2-метил-4-изотриазо

13200

лин-3-он

Всего изотриазолины

18000

1500

Галогенизированные бисфе-

12150

нолы (дихлорофен + фен-

тихлор)

Тиокарбаматы

56800

Другие

Глютаральдегид

56400

750

Тетраалкил фосфониум хло-

9500

рид

2,2-дибром-3-нитрил-

17200

800

пропионамид

Метилен(бис)тио-сианат

2270

1450

(MBT)

1-бромо-1-нитростирен (BNS)

231

1950

Фаттиамины

20000⁴⁾

Другие

4412

Оценка всего

234963

6450

¹⁾ Оценка дана в пересчете на активное вещество (потребление в виде готовой продукции

намного выше.

²⁾ В любых водных системах охлаждения.

³⁾ Только в оборотных системах.

⁴⁾ Используется в приморских ТЭС.

153

Факторы, влияющие на использование биоцидов ([9])

Следующие факторы являются основными при использовании биоцидов, но мо-

гут быть учтены также и при использовании других добавок.

Очевидно, что биоцид должен быть эффективным в определенной ситуации, в

которой он используется. Однако важно понять, что биоцид, или программа обработки

охлаждающей воды, который эффективен в одной системе, возможно, не будет так же

эффективен в другой системе, даже если эти системы совершенно идентичны. Одна из

причин этого может быть в развитии у микроорганизмов стойкости к данному биоциду.

Для биоцидов-окислителей это встречается реже, чем для биоцидов-неокислителей.

Тип системы определяет период нахождения охлаждающей воды в системе

охлаждения, и, соответственно, время контакта биоцида с охлаждающей водой.

В прямоточных водных системах охлаждения это время невелико, поэтому использу-

ются быстро реагирующие биоциды-окислители. Медленнее реагирующие биоциды-

неокислители в настоящее время используются только в оборотных водных системах

охлаждения. В большинстве систем

(> 90 %) используются Na°Cl, Cl2, ClO2 или

Na°Cl/NaBr.

Тип охлаждаемого процесса - важный фактор при выборе биоцида, особенно

если жидкости процесса могут реагировать с биоцидами. Некоторые процессы, напри-

мер, прямое охлаждение металла в металлургической промышленности создают спе-

циальные условия в охлаждающей воде. Жидкости, просачивающиеся в охлаждающую

воду, могут выполнять роль питательных веществ для биологического роста.

Химическое и биологическое качество воды влияет на выбор программы обра-

ботки охлаждающей воды, и, таким образом, на выбор биоцида. Местонахождение ор-

ганизмов-макрозагрязнителей сильно связано с качеством воды. Вообще говоря, по-

вышенная биомасса в поверхностном водном объекте может привести к повышенному

содержанию макрозагрязнителей в водных системах охлаждения.

Для микроорганизмов pH воды не играет основной роли. В теории значение pH

около 7 оптимально для микробного роста. Кислотные среды способствуют росту гри-

бов, а при pH выше 8 подавляется рост морских водорослей. Однако, на практике ока-

зывается, что микроорганизмы очень приспосабливаемы и могут колонизировать раз-

нообразные системы. В качестве иллюстрации можно привести пример: обычно счита-

ется, что грибы предпочитают кислотную нейтральной среде, а в щелочной среде вы-

тесняются бактериями. Теоретически это правильно, но, если система охлаждения об-

работана бактерицидом, не подавляющим грибковую деятельность, часто наблюдает-

154

ся загрязнение системы грибковыми спорами даже при значении pH = 9.

В прямоточных системах значение pH определяется входящей водой, хотя дозирова-

ние гипохлорита натрия может немного увеличить значение pH, но обычно это увели-

чение невозможно измерить. В открытых испаряющих оборотных системах значение

pH часто поддерживается от 7 до 9 за счет дозирования кислот (обычно серной) или

оснований (обычно гидроокиси натрия).

Известно, что при применении в качестве биоцидов гипохлорита и гипобромида

натрия значение pH сильно влияет на равновесие между гипогалогенными кислотами и

гипогалит-ионом. Гипогалогенные кислоты приблизительно в сто раз более токсичны,

чем их анионы. Поэтому, по теории, значение pH влияет на токсичность, например, ги-

похлорита.

На практике значение pH не может влиять на прямоточные системы. Пресновод-

ные прямоточные системы обычно используют охлаждающую воду, имеющую pH 7-8;

системы охлаждения с морской воды работают при значении pH около 8.

Водные оборотные системы обычно эксплуатируются при pH в пределах 7-9.

Опыт в химической промышленности показал, что оборотная система, работающая при

pH = 9 использует меньше гипохлорита, чем система, работающая при более низком

значении pH, без потерь эффективности обработки. Судьба гипохлорита в оборотных

системах изучена в достаточной степени. Один из результатов исследований: при

pH=8,5 в градирне теряется 5 % - 10 % дозируемого гипохлорита, при pH<7-30 % -

40 %.

Объяснение этого состоит в том, что анионы гипохлорита не могут быть выведе-

ны из градирни, в отличие от гипогалогенной кислоты. Поэтому делается заключение,

что дозировка гипохлорита при pH = 9 одинаково эффективна, несмотря на то, что

только 1 % - 5 % хлора присутствует в кислотном виде, так как потребляемая кислота

немедленно пополняется из избыточного количества анионов. Общее заключение -

эксплуатация оборотных систем при высоком значении pH уменьшает объем гипохло-

рита, необходимого для эффективного регулирования микрозагрязнений.

Температура поверхности влияет на интенсивность роста морских организмов и

поэтому может использоваться в качестве фактора при выборе программы обработки

для прямоточных систем охлаждения. В Нидерландах, в течение зимних месяцев, мак-

розагрязнители прямоточных систем растут медленно. Поэтому при температурах во-

ды ниже 12 °C нет необходимости в дозировании биоцидов. В прямоточных системах

на Средиземноморском побережье рост макрозагрязнителей имеет место весь год, по-

этому биоциды-окислители также дозируются весь год. Как правило, температура воды

155

очень влияет на изменчивость разновидностей, темп роста и потребление биоцидов.

В прямоточных системах величина нагрева воды ∆T = 8 °C - 12 °C ограничена пре-

дельной температурой выпуска. Оборотные системы имеют такое же ограничение в

точке сброса, хотя иногда допускаются более высокие температуры выпуска. Темпера-

туры оборотной воды могут составлять 20 °C - 30 °C и выше. Большинство разновид-

ностей макрозагрязнителей в Нидерландах не выдерживает долгосрочное воздействие

температур 30 °C, но некоторые разновидности, например, жестководная мидия, при

этой температуре очень быстро растет.

Для оборотных систем с высокими коэффициентами концентрации жесткость

подпиточной воды и содержание в ней органических веществ имеют чрезвычайно важ-

ное значение, так как это влияет на объем отложений и необходимых антикоррозийных

добавок. И для прямоточных и для оборотных систем важно содержание органических

веществ (растворенных и взвешенных) в охлаждающей воде, так как это влияет на по-

требление биоцидов. Степень, в которой это влияет на биоциды, различна (например,

гипохлорит будет реагировать с аммиаком, диоксид хлора - не будет). Как правило,

желательно уменьшать до минимума все вещества, которые приводят к увеличению

потребления биоцидов.

3.6.2 Загрязняющие вещества, сбрасываемые ПСО в окружающую среду

В настоящее время перечень нормируемых показателей качества сточных вод,

отводимых в окружающую среду, устанавливается на основании п.19 ([46]): перечень

нормируемых веществ формируется на основе исходной информации об использова-

нии веществ на конкретном предприятии и анализе данных о качестве исходной и

сточных, в том числе дренажных вод. При этом в [46] и других нормативных или норма-

тивно-методических документах отсутствуют какие-либо указания о методах проведе-

ния такого анализа. Таким образом, действующее законодательство не содержит по-

ложений, позволяющих однозначно определить перечень нормируемых показателей

качества сточных вод, отводимых в окружающую среду, для каждого конкретного пред-

приятия. В этих условиях ответственность за формирование таких перечней фактиче-

ски переложена на территориальные органы государственных надзорных органов, со-

гласующие и утверждающие нормативы допустимого сброса (Росводресурсы, Роспри-

роднадзор, Росгидромет, Росрыболовство, Роспотребнадзор). Любой из этих государ-

ственных органов имеет возможность влияния на содержание перечня нормируемых

веществ для конкретного предприятия.

156

Сведения о фактических сбросах загрязняющих веществ от ПСО, полученные в

результате опроса российских предприятий, противоречивы и не отражают уровня

фактического воздействия ПСО различных типов на окружающую среду, не позволяют

сделать выводы о массах загрязняющих веществ, отводимых ими со сточными водами,

характерных значениях показателей качества сточных вод.

Так, по результатам опроса предприятий Российской Федерации были получены

сведения о среднегодовых массах загрязняющих веществ, сброшенных в окружающую

среду от ПСО различных типов (таблица 3.9).

Таблица 3.25 - Среднегодовая масса сбросов в окружающую среду за 2013-2015 годы от

ПСО различных типов (по результатам опроса)

оборотная

воздушная

оборотная

Наименование

водная с

прямоточ-

с вентиля-

водная с

загрязняющего

водоемом-

ная

торными

баш. гра-

брызг. бас-

вент. гра-

вещества

охладите-

градирнями

дирнями

сейнами

дирнями

лем

БПК

39,65

1,67

2,44

Взвешенные

104,84

9,56

7,15

32,05

вещества

Нефтепро-

0,45

0,03

0,13

0,84

дукты

–

(нефть)

СПАВ

0,06

Фенол, гид-

0,001

роксибензол

ХПК

692,53

1,09

Анионы

Кремний (си-

2,28

ликаты)

Нитрат-анион

26,28

0,26

0,89

Нитрит-анион

1,22

0,001

Сульфат-

1867,10

77,83

73,44

365,93

анион (суль-

–

фаты)

157

оборотная

воздушная

оборотная

Наименование

водная с

прямоточ-

с вентиля-

водная с

загрязняющего

водоемом-

ная

торными

баш. гра-

брызг. бас-

вент. гра-

вещества

охладите-

градирнями

дирнями

сейнами

дирнями

лем

Фосфаты (по

0,70

1,37

фосфору)

Фторид-

0,35

8,04

2,10

анион

Хлорид-

124,93

109,46

60,90

317,01

324,78

анион (хло-

–

риды)

Катионы

Аммоний-ион

0,63

0,16

0,07

Алюминий

0,04

Ванадий

0,07

0,35

Железо

17,90

0,13

0,17

0,32

Калий

18,70

Кальций

34,54

41,52

Магний

21,03

21,97

Марганец

0,01

Медь

0,11

0,01

0,02

0,03

Мышьяк и его

0,21

соединения

Натрий

70,64

Стронций

0,93

Хром

0,0016

Цинк

0,01

0,0002

В соответствии с этими данными наибольшие массы

загрязняющих веществ

сбрасываются прямоточными системами охлаждения, в том числе сотни тонн в год

взвешенных и органических веществ, сульфатов, хлоридов, десятки тонн железа, даже

стронций. В то же время, по результатам этого же опроса ни для одной прямоточной

системы охлаждения не используется обработка циркуляционной воды какими-либо

химическими веществами. Т. е. в циркуляционную воду прямоточных систем химиче-

158

ские вещества не добавляются. На этом основании можно сделать вывод, что сведе-

ния о массах сбросов от прямоточных ПСО содержат сведения о веществах, которые

присутствовали в исходной охлаждающей воде.

Этот вывод косвенно подтверждается анализом перечней показателей качества

сточных вод, нормируемых для прямоточных систем ТЭС. По результатам опроса были

получены сведения о показателях качества вод, отводимых в поверхностные водные

объекты прямоточными ПСО ТЭС, приведенные в таблице 3.10.

Таблица 3.26 - Показатели качества сточных вод для прямоточных ПСО ТЭС

Количество случаев нор-

В % от общего количества

Показатель качества сточных вод

мирования показателя

прямоточных ПСО

Взвешенные вещества

89 %

Нефтепродукты (нефть)

89 %

Солесодержание

78 %

БПК

67 %

Сульфат-анион (сульфаты)

67 %

Хлорид-анион (хлориды)

67 %

Железо

44 %

Аммоний-ион

33 %

ХПК

33 %

Медь

33 %

Алюминий

22 %

Ванадий

22 %

Кальций

22 %

Кислород

11 %

Температура

11 %

Нитрат-анион

11 %

Нитрит-анион

11 %

Фосфаты (по фосфору)

11 %

Фторид-анион

11 %

Марганец

11 %

Стронций

11 %

Цинк

11 %

159

Из анализа данных таблицы 3.10 очевидно, что у государственных надзорных

органов отсутствует единое мнение о показателях качества сточных вод, на которые

могут повлиять прямоточные ПСО и которые необходимо нормировать.

Основное количество нормируемых показателей (17 из 23 или 74 %) встречается

менее чем в половине случаев. В том числе такой важнейший показатель для прямо-

точных систем, как температура вод, отводимых в водные объекты, нормировался

только в 11 % случаев, наравне с такими экзотическими показателями, как содержание

стронция, цинка, марганца, нитратов, нитритов.

Достаточно часто нормировались показатели солесодержания, содержания хло-

ридов и сульфатов, хотя очевидно, что прямоточные ПСО не могут повлиять на эти по-

казатели исходной воды.

Надзорные органы практически единодушны в необходимости нормирования

массы сбросов взвешенных веществ и нефтепродуктов.

Для оборотных водных ПСО данные еще более противоречивы. Каждый из нор-

мируемых показателей встречается в составе НДС ТЭС с оборотными системами

не более чем в 17 % случаев (таблица 3.11).

Таблица 3.27 - Нормируемые показатели качества сточных вод для водных оборотных ПСО

ТЭС

Количество случаев нор-

В % от общего количества

мирования показателя

водных оборотных ПСО

Взвешенные вещества

17 %

Нефтепродукты (нефть)

17 %

Железо

17 %

Солесодержание

14 %

Сульфат-анион (сульфаты)

14 %

Хлорид-анион (хлориды)

14 %

Медь

14 %

БПК

11 %

Алюминий

11 %

Кальций

8 %

Фосфаты (по фосфору)

8 %

Фенол, гидроксибензол

8 %

Магний

8 %

Натрий

8 %

160

Количество случаев нор-

В % от общего количества

мирования показателя

водных оборотных ПСО

ХПК

6 %

Нитрат-анион

6 %

Марганец

6 %

Аммоний-ион

3 %

Ванадий

3 %

Нитрит-анион

3 %

Цинк

3 %

СПАВ

3 %

Кремний (силикаты)

3 %

Хром

3 %

По данным опроса для обработки циркуляционной воды в оборотные системы в

среднем вводится 134 т/год различных химических веществ: серной и соляной кислот,

ингибиторов, биоцидов, диспергаторов. При этом в составе нормируемых показателей

практически отсутствуют показатели содержания химических веществ, используемых в

оборотных водных ПСО для обработки циркуляционной воды. Исключение составляют

показатели содержания сульфатов и хлоридов при использовании серной и соляной

кислот.

Таким образом, по результатам анализа фактических данных о нормируемых по-

казателях качества сточных вод ПСО и массах сбрасываемых веществ системами

охлаждения, можно сделать вывод о невозможности применения этих данных для

формирования перечня загрязняющих веществ, отводимых ПСО различных типов со

сточными водами.

Данный перечень возможно сформировать исходя из анализа методов эксплуа-

тации ПСО различных типов.

Для прямоточных систем и водных оборотных систем с водоемами-

охладителями сброс загрязняющих веществ со сточными водами не характерен в свя-

зи с тем, что эксплуатация этих типов ПСО не требует применения каких-либо химиче-

ских веществ, добавляемых к циркуляционной воде.

161

Таблица 3.28 - Рекомендуемые для нормирования показатели качества сточных вод

прямоточных ПСО и оборотных водных ПСО с водоемами-охладителями

Примечания: причины включения в перечень, особен-

Показатель

ности нормирования и контроля

Температура возвратных вод

Данный показатель является основным для прямо-

точных ПСО. Он должен нормироваться и постоян-

но (непрерывно) контролироваться.

Разность содержания охлаждае-

Этот показатель предназначен для контроля отсут-

мых веществ в воде на выходе и

ствия утечек экологически опасных охлаждаемых

входе ПСО в случае их опасности

веществ. Контроль может быть инструментальным

для окружающей среды

непрерывным или периодическим.

Таблица 3.29 - Рекомендуемые для нормирования показатели качества сточных вод

оборотных водных ПСО с градирнями и брызгальными бассейнами

Примечания: причины включения в перечень, особен-

Показатель

ности нормирования и контроля

Показатель концентрации водо-

В оборотных системах значение pH может регули-

родных ионов pH продувочных

роваться и существенно отличаться от pH воды в

сточных вод

водных объектах - приемниках сточных вод. Кон-

троль может быть инструментальным непрерыв-

ным или периодическим.

Разность ХПК в воде на выходе и

В оборотных системах могут развиваться микро- и

входе ПСО

макроорганизмы. Данный показатель позволяет

контролировать интенсивность данных процессов.

Контроль - инструментальный периодический.

Токсичность продувочных сточ-

Данный показатель позволяет контролировать

ных вод для гидробионтов

сброс биоцидов из ПСО. В связи с разнообразием

применяемых биоцидов контроль каждого из них

затруднителен и может быть дорогостоящим. Дан-

ный показатель позволяет заменить анализ воды

на содержание специфических биоцидов и являет-

ся обобщающей характеристикой стоков с точки

зрения их токсичности для водных организмов.

Контроль - инструментальный периодический.

162

Примечания: причины включения в перечень, особен-

Показатель

ности нормирования и контроля

Разность содержания взвешен-

Этот показатель предназначен для контроля воз-

ных веществ в воде на выходе и

можного сброса продуктов коррозии оборудования

входе ПСО

ПСО. Значение НДС для этого показателя должно

определяться с учетом точности методики приме-

няемой измерения исходя из формулы: Свых -

Δвых < Cвх + Δвх, где Cвх, Cвых - концентрация

нормируемого вещества в воде водного объекта в

месте водозабора и в сточных теплообменных во-

дах соответственно; Δвх, Δвых - абсолютная по-

грешность измерения величин Cвх и Cвых соот-

ветственно. Контроль - инструментальный перио-

дический.

Разность содержания охлаждае-

Этот показатель предназначен для контроля отсут-

мых веществ в воде на выходе и

ствия утечек экологически опасных охлаждаемых

входе ПСО в случае их опасности

веществ. Контроль может быть инструментальным

для окружающей среды. При

непрерывным или периодическим.

наличии возможности контроль

содержания охлаждаемых ве-

ществ может быть заменен кон-

тролем косвенных физико-

химических показателей, которые

могут служить индикаторами

наличия утечек, например, про-

водимости, pH, температуры во-

ды.

При использовании для подпитки оборотных водных систем сточных вод в пере-

чень нормируемых веществ могут быть включены специфические загрязняющие веще-

ства, характерные для таких сточных вод, например, содержание нефтепродуктов или

ионов аммония. При использовании для обработки циркуляционной воды специфиче-

ских реагентов возможно дополнение перечня показателями, характеризующими со-

держание данных реагентов в продувочной воде, например, при введении азолов и

других азотсодержащих веществ - содержание азота, при введении фосфорсодержа-

163

щих веществ - содержание фосфора, при введении веществ, содержащих металлы -

суммарная концентрация соответствующих металлов. Эти же показатели должны кон-

тролироваться и в подпиточной воде с целью определения массы загрязняющих ве-

ществ, отводимых ПСО в окружающую среду.

Показатели солесодержания (общее солесодержание, сухой остаток, сульфаты,

хлориды, кальций, магний и т. д.) продувочной воды в оборотных системах всегда вы-

ше, чем в подпиточной воде, так как в процессе эксплуатации оборотных испаритель-

ных систем происходит их концентрирование. Тем не менее, данные показатели

не включены в перечень нормируемых веществ, так как в общем случае они поступают

в ПСО с подпиточной водой и затем сбрасываются в том же количестве с продувочной

водой. В связи с этим ограничение и контроль сброса, фактически - возврата, этих

веществ в водные объекты нецелесообразно.

В то же время для обработки циркуляционной воды в оборотных системах могут

применяться известь, серная и соляная кислоты, других веществ, которые влияют на

общее солесодержание циркуляционных и продувочных вод. Однако разделить массы

солей, поступающих в ПСО с подпиткой и с реагентами, на основе результатов хими-

ческого анализа сточных вод затруднительно. В этих случаях целесообразно устанав-

ливать предельное количество этих веществ, вводимых в ПСО.

3.6.3 Снижение сбросов в поверхностные водные объекты

Применяемые методы снижения сбросов загрязняющих веществ в поверхност-

ные водные объекты от ПСО могут быть направлены на:

- снижение коррозии оборудования систем охлаждения;

- снижение утечек охлаждаемых веществ;

- применения методов обработки охлаждающей воды, не связанные с примене-

нием реагентов;

- выбор менее экологически опасных реагентов;

- оптимизация методов применения реагентов.

Далее дано описание специального подхода для выбора биоцидов для новых и

действующих ПСО ([9]). Этот подход обеспечивает учет всех важных факторов, влия-

ющих на снижение совокупного использования биоцидов.

При проектировании системы охлаждения должно быть принято решение о типе

системы охлаждения. Если будет использоваться охлаждающая вода, необходимо

предусмотреть технические решения для контроля биозагрязнений. При проектирова-

нии важно предусмотреть достаточно высокие скорости потока во всех частях системы

164

и отсутствие избыточных сопротивлений в гидравлическом тракте. Это снизит возмож-

ность оседания организмов. Применение нетоксичных покрытий поможет далее сокра-

тить возможности для прикрепления и развития организмов. Структура водозабора

должна быть разработана таким образом, чтобы минимизировать захват мусора и вод-

ных организмов. Фильтровальные устройства и сороудерживающие решетки могут да-

лее сократить объем захватываемых макрозагрязнителей. Входные и распределитель-

ные камеры теплообменников могут быть сделаны из армированных стекловолокном

пластмасс. Этот материал может также применяться для трубопроводов и соединений

в системе. Кроме того, при проектировании могут быть предусмотрены относительно

простые методы, такие как устройства для химического и биологического мониторинга,

или дозировки (например, специальные стойки дозирования и точки ввода реагентов)

или более сложные для механической очистки, такие как, мидийные решетки или си-

стема шариковой очистки. В некоторых случаях может использоваться термообработка

и тогда нет необходимости в биоцидной обработке. Для применения термообработки

должен быть разработан специальный контур в водной системе охлаждения. Даль-

нейшие возможности для оптимизации подобны тем, которые применяются в суще-

ствующих системах.

В существующей водной системе охлаждения важно определить виды биоза-

грязнителей и величину риска биозагрязнения. Предпосылка для этого - адекватный

биологический мониторинг. Причина проблемы биообрастания должна быть проанали-

зирована. Качество охлаждающей воды может быть улучшено предварительной подго-

товкой воды (например, микро- и макрофильтрацией). Это может частично снизить

риск биообрастания, сокращая объем поступающих организмов и питательных ве-

ществ. Если основная причина увеличенного биологического роста - утечки охлажда-

емых веществ, они должны быть устранены, например, применением материалов,

устойчивых против коррозии или установкой резервных теплообменников, которые

позволяют более частую механическую чистку и техническое обслуживание.

В прямоточных системах борьба с макрозагрязнениями иногда ведется приме-

нением термической обработки, без использования пестицидов. Наиболее часто при-

меняемый пестицид - гипохлорит натрия (хлорноватистокислый натрий). Дозирование

осуществляется ударно или непрерывно. Стратегия дозирования для регулирования

макрозагрязнений должна быть профилактической, не допуская необходимости шоко-

вого дозирования при высоком уровне макрозагрязнений, что требует очень высоких

доз в течение длительных периодов времени. Рекомендуется рассмотреть возмож-

ность применения способа целенаправленной дозировки в местах с высоким риском

165

загрязнения, таким как вход и выход из теплообменника. Так как концентрация биоци-

да-окислителя в водной системе охлаждения постепенно уменьшается, необходимы

химические измерения, чтобы регистрировать эффективный остаточный уровень пе-

стицида в критических точках системы охлаждения. Измерение концентраций пестици-

да, основанные на измерении токсичности, также полезно для оптимизации. Контроль

макрозагрязнений дают информацию относительно отстаивания и роста организмов и

об эффективности программы контроля биообрастаний. Эта информация является су-

щественной для программ оптимизации пестицида в прямоточных системах, у которых

есть проблемы с макрозагрязнениями.

В открытых оборотных системах микрозагрязнение намного более важно, чем

макрозагрязнение. Измерения микрозагрязнений дают важную информацию относи-

тельно развития и состояния микробного населения в водной системе охлаждения.

Чтобы предотвратить внос организмов и питательных веществ с охлаждающей водой,

входная вода может быть предварительно очищена (например, микрофильтрацией или

отстаиванием). Вынесенная система фильтрации (непрерывная фильтрация части

циркулирующего объема воды) помогает еще более сократить объем органического

материала в охлаждающей воде. Объем пестицида, требуемого для успешной обра-

ботки, может быть таким образом сокращен.

В системах оборотного охлаждения используются биоциды-окислители и биоци-

ды-неокислители. В Нидерландах приблизительно 90 % оборотных систем обрабаты-

ваются гипохлоритом натрия. Биоциды-неокислители используются, только когда био-

циды-окислители не могут обеспечить достаточную защиту. Для окислительных и

неокислительных биоцидов рекомендуется прерывистое или ударное дозирование для

того, чтобы минимизировать их использование, хотя в некоторых случаях при непре-

рывном дозировании с низким уровнем концентраций может расходоваться меньше

химикатов, чем при ударном дозировании. Это также снижает риск развития привыка-

ния водных организмов. Для биоцидов-неоксидантов необходимы точные аналитиче-

ские методы, чтобы оптимизировать их использование. Биологические методы для из-

мерения концентраций биоцида в охлаждающей воде могут также быть полезными в

оборотных системах.

Если возможно, рекомендуется закрыть или сократить продувку во время шоко-

вого дозирования биоцидов-оксидантов и неоксидантов, чтобы сократить сбросы ак-

тивного биоцида. Это особенно эффективно при их высокой реакционной способности

или способности к разложению. Далее рекомендуется поддерживать в оборотной вод-

ной системе охлаждения, обработанной гипохлоритом, значение pH равным 8-9 для

166

минимизирования потерь испарения хлора в градирне. Опыт показал, что это

не обязательно приводит к снижению эффективности биоцида.

Комбинированное использование гипохлорита и бромида может применяться в

пресноводной водной системе охлаждения и в прямоточной водной системе охлажде-

ния, так как некоторые их побочные продукты - бромированные амины - имеют бо-

лее сильный биоцидный эффект, чем их хлорированные гомологи и они быстрее раз-

рушаются.

В оборотных системах с высоким качеством воды может применяться озониро-

вание. Здесь важно обратить внимание на риск коррозии. Несколько опытов примене-

ния озона в Европе были успешны. Наконец, УФ-облучение может также применяться в

оборотных системах как дополнительный метод. Однако только УФ-облучение

не может уничтожить биозагрязнение, которое уже имеется на поверхностях водной

системы охлаждения. Для эффективности этому методу необходима относительно

прозрачная охлаждающая вода, так как свет должен быть в состоянии проникать через

слой воды.

В результате данный подход к оптимизации применения биоцидов может быть

суммирован следующим образом:

- когда выбор типа системы охлаждения выполнен, должна быть реализована

сложная схема исследований с целью выбора из следующих вариантов, которые далее

повлияют на необходимость обработки охлаждающей воды:

- выбор материалов и покрытий теплообменников и трубопроводов:

- исключение в конструкции системы охлаждения избыточных сопротивлений,

источников возмущения потока воды, мест, удобных для роста макрозагрязнителей,

обеспечение необходимой скорости воды;

- изучение возможностей улучшения качества охлаждающей воды предвари-

тельной подготовкой подпиточной воды;

- рассмотрены возможности механической очистки системы охлаждения;

- альтернативные физические и механические методы обработки ПСО, напри-

мер, тепловая очистка, УФ-облучение, вынесенная фильтрация циркуляционной воды.

В зависимости от результата этого исследования водная система охлаждения

может все еще нуждаться в определенной защите от отложений, коррозии или биоза-

грязнений. Это зависит от химического состава охлаждающей воды, от способа, кото-

рым система эксплуатируется, например, значений коэффициентов концентрации, и

выбранной конфигурации охлаждения. Ясно, что для закрытого воздушного охлажде-

ния или воздушных конденсаторов такая обработка не нужна. Химические вещества

167

могут использоваться для очистки оребренных труб, но обычно она применяется на

остановленном оборудовании.

Как только необходимость в обработке охлаждающей воды определена, необхо-

дим выбор конкретной программы обработки охлаждающей воды, соответствующей

законодательным требованиям. Эти требования могут включать:

- запрещение использования определенных веществ для обработки охлаждаю-

щей воды, например, хрома, соединений ртути, металлоорганических соединений, нит-

ритов, меркаптобензтиазолов;

- ограничение применения определенных веществ или групп веществ (например,

цинка, фосфора, хлора, AOX) в сточных водах, определяя нормативы сброса;

- ограничение токсичности сточных вод.

Выбор добавок для обработки охлаждающей воды для новых и существующих

систем в соответствии со следующим подходом приведет к снижению сбросов:

- устанавливают необходимость в обработке охлаждающей воды после того, как

другие физические методы очистки были рассмотрены;

- выбирают тип добавок;

- оценивают экологический риск веществ, которые будут применены;

- если возможно, применяют вещества, у которых более низкий потенциал воз-

действия на окружающую среду.

3.6.4 Снижение сбросов путем выбора материалов и конструкции ПСО

Для снижения объемов применения добавок в новых системах охлаждения при-

меняют определенные материалы и конструкции. Для оборудования систем охлажде-

ния используются много различных материалов. Поставщики оборудования обычно

предлагают оборудование, изготовленное из некоторого диапазона различных метал-

лов и сплавов, чтобы дать возможность выбрать материал, пригодный для химического

состава охлаждающей воды и условий процесса. Важно учитывать, что характеристики

материалов могут быть противоречивыми, что усложняет выбор материала и влияет на

программу обработки охлаждающей воды. Например, материал с пониженной коррози-

онностью может иметь одновременно более высокую чувствительность к биозагрязне-

нию.

Надлежащее расположение и конструкция системы охлаждения могут влиять на

необходимость в добавках к охлаждающей воде. Во время монтажа необходимо избе-

гать ненужных выступов, а также резких изменений в направлении потоков воды. Это

вызывает турбулизацию потока, которая усиливает коррозионные процессы, осажде-

168

ние, например, мидий. Эксплуатация системы с адекватной минимальной скоростью

потока воды не только поддерживает необходимую производительность системы

охлаждения, но также и сокращает накопление макрозагрязнений и коррозию материа-

лов.

Применяемые покрытия и краски препятствуют фиксации организмов, снижают

трение воды и облегчают чистку систем. Эти предохраняющие от обрастания краски

не должны содержать токсичные вещества. Водостойкость и цена варьируются и зави-

сят от размера системы охлаждения и условий. Например, органические покрытия

наносятся в относительно небольших установках охлаждения посредством теплового

отверждения на поверхности. Это порошковые покрытия, которые могут использовать-

ся во влажной среде, не содержат токсичных веществ, не используют растворителей,

коррозионностойкие, в итоге существенно продлевают жизнь оборудования.

3.6.5 Применение дополнительных и альтернативных методов обработки

охлаждающей воды

По результатам опроса были получены сведения о методах обработки систем

охлаждения, которые приводят к снижению потребности в ее химической обработке и

применении реагентов, применяемых российскими предприятими (таблица 3.14).

Таблица 3.30 - Методы обработки ПСО, снижающие потребность в реагентной обработке

циркуляционной воды

оборотная

Наименование метода обработки

прямоточная

воздушная

водная

Механическая очистка на остановленном обо-

рудовании

Повышение температуры охлаждающей воды

Кислотная промывка на остановленном обору-

довании

Очистка теплообменников водой высокого

давления

Шариковая очистка

Термическая чистка на остановленном обору-

довании (термосушка)

169

оборотная

Наименование метода обработки

прямоточная

воздушная

водная

Промывка радиаторов водой или мыльным

(моющим) раствором (в зависимости от степе-

ни загрязнения) с использованием специаль-

ной установки

Кроме того, в справочнике ([9]) сообщается о применении европейскими пред-

приятиями следующих методов:

- очистка и подготовка подпиточной воды;

- механическая очистка работающего оборудования ПСО;

- механическая очистка остановленного оборудования;

- термическая очистка;

- применение специальных покрытий для оборудования;

- ультрафиолетовое (УФ) облучение, озонирование воды с целью ее обеззара-

живания;

- ультразвуковые технологии.

Цель всех перечисленных методов состоит в том, чтобы улучшить биологиче-

ское качество охлаждающей воды и сохранить поверхности элементов систем охла-

ждения (трубопроводов и теплообменников) чистыми насколько это возможно, созда-

вая в системе внутреннюю среду, которая будет препятствовать загрязнениям. Неко-

торые из этих методов не имеют общего применения или все еще исследуются. Эколо-

гические выгоды от их применения должны быть сбалансированы со снижением объе-

мов применения химических веществ. Например, УФ-облучение нуждается в относи-

тельно прозрачный воде, озонирование и ультразвуковая технология нуждаются в до-

полнительном подводе энергии.

В соответствии с ([48]) способ термической очистки теплообменников заключает-

ся в том, что при повышении температуры стенок трубок до 50 °C - 55 °C органиче-

ские и илистые отложения высыхают, растрескиваются и отслаиваются от стенок тру-

бок. Для ускорения процесса сушки и удаления отслоившихся отложений через трубки

теплообменника с помощью вентилятора продувается воздух, обычно предварительно

подогретый в калорифере.

На ТЭС термическая очистка производится при поочередном отключении поло-

вин конденсатора по воде при одновременном снижении электрической нагрузки таким

образом, чтобы температура в выхлопном патрубке не превышала 55 °C. В очищаемую

170

половину конденсатора прекращается подача воды. Вскрываются люки со стороны

входа и выхода воды, очищаются от мусора (щепы, рыбы, ракушек и т. п.) трубные дос-

ки, закрываются задвижки на линии отсоса воздуха. На площадке перед конденсатором

устанавливается вентилятор, напорный патрубок которого соединяется с одним или

двумя люками крышки конденсатора со стороны подвода воды. Включается вентилятор

и калорифер и через трубки конденсатора продувается подогретый воздух. Сушка тру-

бок конденсаторов продолжается 4-8 ч, а при необходимости и более. Продолжитель-

ность сушки определяется толщиной и характером отложений и температурой воздуха,

поступающего в конденсатор. После окончания сушки закрываются люки крышки кон-

денсатора и он включается в работу. Отложения, вынесенные воздухом в водяные ка-

меры, удаляются с водой при включении половины конденсатора в работу.

Разновидностью термической сушки является вакуумная сушка. Сущность мето-

да заключается в том, что в водяном пространстве конденсатора создается вакуум на

40-150 мм вод. ст более глубокий, чем в паровом пространстве. В процессе сушки

слой осадка уплотняется, разрывается на мелкие чешуйки и отслаивается. Процесс

сушки происходит при параметрах, соответствующих кипению, отложения высыхают до

влажности 3 % - 5 %. При включении конденсатора в работу чешуйки смываются цир-

куляционной водой. Длительность вакуумной сушки одной половины конденсатора со-

ставляет 1-2 ч.

Механическая очистка теплообменников производится щетинистыми ершами,

укрепленными на длинных шомполах и приводимых в действие вручную или с помо-

щью механических, электрических, гидравлических или пневматических устройств раз-

личного типа; резиновыми цилиндриками или поршеньками, проталкиваемыми через

трубку шомполами; водой или воздухом под давлением с помощью пистолетов различ-

ной конструкции или других устройств; струей воды под большим давлением и в от-

дельных случаях с примесью песка, золы, воздуха и т. д. Очистка высоконапорной

установкой ведется с давлением рабочей воды 400-500 кгс/см², поэтому она проводит-

ся специально обученным персоналом, как правило, специализированных организаций.

Химический способ очистки теплообменников в остановленном состоянии при-

меняется при неэффективности или невозможности применения механических мето-

дов. При химическом способе очистки большое внимание уделяется равномерному

растворению отложений, достигаемому отсутствием пенообразования, и минимальной

потере металла теплообменных поверхностей.

171

В настоящее время для очистки теплообменников применяются следующие мо-

ющие вещества:

- водный конденсат низкомолекулярных органических кислот (ВК НМК), пред-

ставляющий собой 25-35%-ную смесь муравьиной, уксусной, пропиновой, валериано-

вой, масляной и капроновой кислот, а также концентрат низкомолекулярных кислот (К

НМК), т. е. 75%-ная смесь этих кислот. ВК НМК и К НМК являются отходом производ-

ства синтетических жирных кислот. Очистка производится 5-7%-ным раствором с инги-

биторами коррозии: И-2-В или И-1-Е в количестве 0,2 % - 0,5 % в промывочном рас-

творе; смесь 0,1 % КИ-1 с 0,05 % тиурама или 0,1 % 0П7 (ОП10, КИ-1) с 0,02 % каптак-

са;

- техническая соляная кислота, ингибированная В-2 или БП-5, 2-5%-ная с добав-

кой для пеногашения водного конденсата из расчета 0,35 кг (100%-ного) на 1 кг накипи

или синтетических жирных кислот (СЖК) фракции С5-С6 в количестве 0,15 % - 0,25 %

по объему. В качестве дополнительных ингибиторов могут быть использованы: тио-

сульфат натрия в количестве 4-5 г на 1 г-ион железа и меди; 0,3-0,5%-ный И-2-В или

И-1-Е; тиомочевина с гидроксиламином по 2 г на 1 г-ион железа и меди; смесь катапина

и тиурама в количествах соответственно 0,1 и 0,05 % в промывочном растворе; рода-

нистый аммоний в количестве 0,1 % в промывочном растворе; смесь роданистого ам-

мония с тиомочевиной по 0,05 % каждого компонента в промывочном растворе; смесь

0,1 % - 0,2 % КИ-1 с 0,02 % каптакса.

Количество реагентов, необходимое для химической очистки, рассчитывается по

количеству имеющейся в нем накипи.

Финансовые затраты могут варьироваться в зависимости от размера системы и

количества одновременно применяемых методов.

Фильтрация подпиточной воды оборотных систем и циркуляционной воды пря-

моточных систем с целью задержки мусора применяется повсеместно при заборе воды

из поверхностных водных объектов. Для этого используются неподвижные решетки и

вращающихся сеток для мусора, мусорозадерживающие фильтры с ячейками различ-

ного размера.

Очистка конденсаторов эластичными шариками из губчатой резины является од-

ним из наиболее широко применяемым методом поддержания в чистоте поверхности

охлаждения трубчатых теплообменников и конденсаторов в энергетике. Шарики диа-

метром на 1,0-1,5 мм больше диаметра очищаемых трубок при прохождении по ним за

счет плотного прилегания к стенкам препятствуют накопления биологических, механи-

ческих и солевых отложений.

172

Система шариковой очистки (СШО) состоит из фильтра предварительной очист-

ки, очищающего воду от крупного мусора, насоса отмывки фильтра, шарикоулавлива-

ющего устройства, предназначенного для сбора и возвращения шариков в цикл, насоса

для циркуляции шариков, загрузочной камеры для введения шариков в контур цирку-

ляции, а также для сбора и удаления отработавших шариков, транспортных трубопро-

водов циркуляции шариков с электрифицированной арматурой и средств автоматиза-

ции системы. Принципиальная схема СШО показана на рисунке

___________

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема системы шариковой очистки конденсатора:

1 - конденсатор; 2 и 3 - напорный и сливной циркуляционные водоводы; 4 -

фильтр предварительной очистки; 5 - шарикоулавливающее устройство; 6 - загру-

зочная камера; 7 - насос промывки фильтра предварительной очистки; 8 - насос

циркуляции шариков; I и II - подвод и слив циркуляционной воды; III - подача воды на

173

отмывку фильтра предварительной очистки; IV - сброс загрязненной воды из филь-

тра; V - контур циркуляции шариков; VI - опорожнение загрузочной камеры.

В Европе, кроме того, для предотвращения обрастания промышленных систем

достаточно часто используются следующие методы:

- поддержание достаточно высоких скоростей воды, чтобы избежать фиксации

органических организмов (> 2 м/с), эта рекомендация в настоящее время применяется

очень широко;

- нетоксичные покрытия и краски, которые усложняют фиксацию организмов,

улучшают влияние скорости потока и облегчают очистку; однако, эти покрытия дороги и

должны восстанавливаться каждые 4-5 лет.

Иногда используется установка специальных противомидийных фильтров.

Физические методы могут применяться и для морской и для пресной воды.

Имеется несколько случаев применения облучения воды ультрафиолетовым

светом (УФ-облучение).

В технической литературе имеется информация об успешном применении на не-

скольких химических и нефтехимических российских предприятиях (Казаньоргсинтез,

Лукойл-Пермнефтеоргсинтез,

Акрон,

Московский

НПЗ,

ЛУКОЙЛ-

Пермнефтегазпереработка и др.), а также десятках зарубежных промышленных пред-

приятиях различных отраслей, технологии каталитического обеззараживания циркуля-

ционной воды водных оборотных систем охлаждения.

Суть технологии заключается в следующем. В поток охлаждающей воды поме-

щается ячейка с металлическим (наноструктурированный Cr-Ni-Fe сплав) нерасходуе-

мым катализатором, сюда же дозируется реагент, основа которого - стабилизирован-

ный 30 %-й раствор перекиси водорода Н2О2. При взаимодействии с катализатором

молекулы перекиси водорода за счет перехода электронов активируются, а сама по-

верхность катализатора приобретает положительный заряд. Имеющие слабый отрица-

тельный заряд клетки микроорганизмов в течение секунды притягиваются к поверхно-

сти катализатора, где под воздействием активных высокореакционноспособных моле-

кул перекиси водорода клеточные мембраны микроорганизмов разрушаются, вслед-

ствие чего клетки микроорганизмов полностью деструктурируются и окисляются.

В результате этих реакций в воде образуются поверхностно-активные вещества

биологического происхождения (биоПАВ), которые, в отличие от синтетических ПАВ

(СПАВ), нетоксичны, проявляют свою активность на поверхности раздела фаз жид-

кость/твердое тело и малоактивны на разделе фаз жидкость/газ, т. е. не образуют пены

и по своей структуре очень схожи с мембранами клеток микроорганизмов, поскольку

174

являются продуктами их распада. Продвигаясь с потоком воды, биоПАВ отщепляют

соединенные с металлическими и другими поверхностями слои биоотложений (био-

пленок), что вызывает гибель внутренней анаэробной части биослоя. Таким образом,

постепенно происходит полная очистка поверхности оборудования и трубопроводов от

биоотложений. Сообщают, что в результате применения каталитического обеззаражи-

вания происходит очистка не только градирен, но и всех элементов охлаждающей си-

стемы (оросителей, трубопроводов, теплообменников и т. д.) и препятствуют образо-

ванию новых слоев биообрастаний, а также предотвращается образование новых сло-

ев биообрастаний (биопленок).

Разработчики технологии отмечают следующие преимущества каталитического

обеззараживания, подтвержденные опытом его применения, по сравнению с другими

применяемыми методами:

- уничтожение биозагрязнителей не только в объеме воды, но и труднодоступной

для других методов биопленки;

- в ПСО не вносятся соли и галогенпроизводные вещества;

- независимость эффективности обеззараживания от pH и концентрации нефте-

продуктов в охлаждающей воде;

- за счет применения нерасходуемого катализатора (реальный срок сохранения

активности катализатора составляет не менее 10 лет) существенно снижается масса

применяемого реагента (в 15-20 раз);

- за счет уничтожения биопленки существенно снижатся интенсивность коррози-

онных процессов, увеличивается срок службы оборудования, улучшается теплообмен.

Технология совместима со всеми применяемыми ингибиторами коррозии и от-

ложения солей. По сведениям разработчика технологии экономические показатели ее

внедрения и применения сравнимы с показателями альтернативных технологий обез-

зараживания охлаждающей воды.

3.6.6 Оптимизация методов обработки циркуляционной воды

Оптимизация методов использования добавок к охлаждающей воде означает

выбор адекватного режима дозировки и мониторинга влияния программы обработки

воды на сбросы в поверхностный водный объект и на эффективность работы системы

охлаждения (эффективность теплопередачи и надежность системы).

Выбор режима дозировки должен стремиться к достижению необходимой кон-

центрации в нужное время без снижения эффективности системы охлаждения. Сни-

женная дозировка может вызвать коррозию или отложения и снижение эффективности

175

системы охлаждения, что, в свою очередь, приводит к косвенным экологическим влия-

ниям, передозировка химического вещества может привести к загрязнению поверхно-

стей теплообмена, более высоким уровням сбросов в окружающую среду и более вы-

соким затратам на обработку.

Целенаправленная дозировка, основанная на анализе качества охлаждающей

воды, стремится поддерживать минимальный необходимый уровень концентрации,

обеспечивающий постоянную защиту от загрязнений. Избегают чрезмерно высоких

уровней концентрации, снижая таким образом сбросы в окружающую среду и затраты

на приобретение реагентов. Поэтому правильно разработанные режимы дозировки со-

кращают необходимые объемы добавок и могут быть экономически эффективными.

Для поддержания эффективности применяемого обработки циркуляционной во-

ды важно организовать производственный контроль состояния ПСО. Его объем опре-

деляется конструкцией ПСО и применяемыми методами обработки воды.

3.7 Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу

Для целей идентификации НДТ систем охлаждения важно учитывать прямые и

косвенные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, связанные с эксплуатацией

ПСО. Прямые выбросы ПСО связаны с возможным поступлением в атмосферу эколо-

гически опасных веществ, содержащихся в циркуляционной воде и поступающих в ат-

мосферу через градирни. Косвенные выбросы - это дополнительные выбросы от про-

изводственного процесса, связанные с недостаточной эффективностью работы систе-

мы охлаждения. Они возникают вследствие того, что недостаток охлаждения может

приводить к увеличению потребления сырья или энергетических ресурсов и, в резуль-

тате, к увеличению объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

3.7.1 Объемы выбросов в атмосферу

В сравнении с выбросами загрязняющих веществ в атмосферу охлаждаемыми

технологическими установками выбросы ПСО, как правило, относительно невелики.

Кроме того, загрязняющие вещества от ПСО поступают атмосферу в основном с ка-

пельной влагой, выбрасываемой водными градирнями, которая достаточно быстро

оседает на почву или испаряется. Поэтому область влияния капельных выбросов от

градирен невелика. Зона выпадения капельной влаги на поверхности земли имеет

форму эллипса с большой осью, проходящей через центр градирни в направлении

ветра. Наибольшая интенсивность выпадения капель на поверхность земли в этой

176

зоне находится на большой оси эллипса на расстоянии примерно двух высот градирни.

На расстоянии 5-6 высот башни интенсивность выпадения влаги снижается примерно

в 10 раз. Размер зоны выпадения капельной влаги зависит от высоты градирни, скоро-

сти ветра, степени турбулентности воздуха в приземном слое, концентрации и крупно-

сти капель, а также от температуры и влажности атмосферного воздуха.

В процессе сбора данных по применяемым в Российской Федерации системам

охлаждения сведений о прямых выбросах загрязняющих веществ от ПСО

не поступило, что свидетельствует о низкой значимости этого экологического аспекта

ПСО. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от ПСО не нормируются и

не контролируются.

Косвенные выбросы от охлаждаемых производственных процессов, связанных с

недостаточной эффективностью ПСО, могут быть существенно выше прямых выбросов

от градирен. Их интенсивность и состав существенно зависят специфики охлаждаемого

процесса.

3.7.2 Методы снижения выбросов

Применяемые методы снижения косвенных и прямых выбросов загрязняющих

веществ в атмосферу направлены на:

- обеспечение соответствия производительности ПСО требованиям охлаждаемо-

го производственного оборудования;

- снижение массы и экологической опасности веществ, используемых в ПСО для

обработки подпиточной или циркуляционной воды;

- снижение возможностей поступления в атмосферу загрязняющих веществ, ис-

пользуемых в ПСО.

В качестве методов снижения косвенных выбросов могут применяться все мето-

ды, направленные на повышение эффективности охлаждения технологического обору-

дования, а также энергетической эффективности работы ПСО.

Масса прямых выбросов в атмосферу от градирен зависит от массы и уровня

экологической опасности веществ, используемых для обработки охлаждающей воды,

их концентрации в циркуляционной воде. В связи с этим меры, направленные на сни-

жение объемов применения химических веществ, применяемых для стабилизационной

обработки и обеззараживания циркуляционной воды, а также на применение менее

токсичных веществ, способствуют снижению негативного воздействия ПСО на атмо-

сферный воздух.

177

Замена химических методов обработки охлаждающей воды на механические и

физические также способствуют снижению выбросов загрязняющих веществ в атмо-

сферу.

При внесении изменений в эксплуатационные режимы работы градирен необхо-

димо оценивать влияние изменений на выбросы в атмосферу.

Учитывая, что основным путем поступления загрязняющих веществ в атмосферу

от ПСО являются их выброс с капельным уносом мокрых градирен (башенных, венти-

ляторных, атмосферных), методом снижения выбросов является применение доста-

точно эффективных каплеуловителей (сепараторов капельного уноса). Стандартные

капельные сепараторы, используемые в настоящее время в мокрых градирнях, позво-

ляют ограничить потери воды с уносом до 0,01 % от полного расхода циркуляционной

воды. Меры по оборудованию градирен достаточно эффективными каплеуловителями

доступны как для новых проектируемых, так и для действующих градирен.

В качестве эксплуатационного метода, косвенно способствующего снижению

прямых выбросов от градирен, может рассматриваться организация производственно-

го контроля состава циркуляционной воды, ее химического и бактериологического со-

става. Такой контроль позволяет предотвратить чрезмерное накопление в воде и вы-

брос загрязняющих веществ в атмосферу. В программу контроля могут включаться

вещества, применяемые для стабилизационной обработки и дезинфекции воды, взве-

шенные вещества, количество общих и термотолерантных колиформных бактерий, ко-

лифагов, БПК, ХПК, интенсивность запаха и окраски. Инструментальный контроль объ-

ема выбросов от градирен, эффективности каплеуловителей достаточно сложен, по-

этому в производственном контроле он не применяется. В качестве эксплуатационных

мер для поддержания эффективности работы каплеуловителей применяются их пери-

одические осмотры, механические чистки и ремонты.

3.8 Паровые факелы градирен

3.8.1 Условия образования парового факела

Образование парового факела может происходить только в водных оборотных

системах охлаждения в условиях, когда воздух с высоким содержанием влаги покидает

градирню или иной охладитель, смешивается с атмосферным воздухом и начинает

остывать. Если при остывании относительная влажность воздуха достигает 100 %, то

некоторая доля водяного пара конденсируется в капли, что и приводит к образованию

видимого парового факела. Учитывая, что при испарении воды растворенные в ней

178

вещества не переходят в пар, паровой факел состоит из чистых водяных капель. Фор-

ма и плотность парового факела зависят от температуры и относительной влажности

атмосферного воздуха, силы ветра. Чем более холодным и влажным является атмо-

сферный воздух, тем более устойчивым и протяженным будет паровой факел. Поэтому

эта проблема актуальна в большей степени для областей с более холодным климатом

и, главным образом, в холодные сезоны года. Паровые факелы от крупных ПСО могут

снижаться до уровня земли, что может приводить к оледенению дорог, зданий и соору-

жений.

По результатам опроса ни одно из опрашиваемых предприятий, эксплуатирую-

щих испарительные градирни различного типа, не сообщило о существенной значимо-

сти проблем, связанных с образованием парового факела. В то же время, в процессе

обсуждения проекта настоящего справочника НДТ поступала информация о наличии

таких проблем, в особенности для невысоких вентиляторных испарительных градирен.

В справочнике ([9]) также отмечается возможное воздействие испарительных градирен

на условия безопасности эксплуатации автомобильных дорог, взлетно-посадочных по-

лос аэропортов, других сооружений.

3.8.2 Методы предотвращения и уменьшения парового факела

Уменьшение парового факела - комплексная технологическая мера, требующая

изменения конструкции ПСО. В некоторых случаях образование парового факела мо-

жет быть предотвращено сушкой влажного отходящего воздуха перед их выбросом в

атмосферу, его смешиванием с некоторым количеством теплого сухого воздуха. Одна-

ко эти меры связаны с дополнительным расходованием энергии и поэтому неэффек-

тивны в смысле комплексного воздействия на окружающую среду и потребления энер-

гии производственным объектом в целом. Полное предотвращение парового факела

возможно только при эксплуатации сухих радиаторных и гибридных систем.

В результате опроса российских предприятий не было получено сообщений о

мерах, применяемых для снижения интенсивности или предотвращения образования

парового факела.

179

3.9 Шум

3.9.1 Источники и уровни шума ПСО

ПСО создают относительно невысокий уровень шума, он может создавать про-

блемы только при расположении ПСО недалеко от границ санитарно-защитных и жи-

лых зон.

По результатам опроса были получены немногочисленные сведения об уровнях

шума от оборудования ПСО. В связи с различными условиями измерения (расстояния,

наличие других источников шума) данные от различных компаний несопоставимы меж-

ду собой и на их основе невозможно сформировать данные о характерных уровнях

шума от оборудования ПСО.

Шум насосного оборудования, всегда присутствующего в водных ПСО, может

быть значительным. Однако насосы всегда располагаются внутри зданий, поэтому их

шум не создает проблем для нормируемых реципиентов. Обычно в ПСО выделяют два

основных первичных источника шума:

- вентиляторное оборудование (вентилятор, передаточные механизмы, двига-

тель) - во всех градирнях с принудительной тягой или наддувом. Шум вентиляторной

установки с приводом создается преимущественно на низких и средних частотах 63-

500 Гц;

- капли, падающие в водосборные бассейны в испарительных градирнях. Шум от

падения капель (шум дождя) происходит на частотах 500-8000 Гц.

Дополнительные шумы могут возникать также при колебаниях и вибрациях от-

дельных элементов градирни (оболочки, диффузора и т. п.). Однако эти шумы связаны

с некачественным монтажом или недостаточным техническим обслуживанием ПСО.

В качественно смонтированных и обслуживаемых ПСО влияние дополнительных шу-

мов на общий шум несущественно.

Уровни шума, создаваемого градирней, оцениваются по шумовой характеристи-

ке. Шумовой характеристикой принято считать уровень звукового давления на средне-

геометрических частотах октавных полос в диапазоне 63-8000 Гц на расстоянии 1 м от

звукоактивных поверхностей.

Звукоактивная поверхность - часть поверхности градирни с наибольшим излу-

чением шума (входные окна, корпус вентилятора, выход из диффузора).

Уровень звукового давления L, дБ - величина, вычисляемая по формуле:

L = 20 lg(P/P0),

180

где P0 = 2 × 10-5 Па.

Для ориентировочной оценки шума допускается за характеристику постоянного

шума принимать уровень звука, дБА, измеряемый по шкале А шумомера и определяе-

мый по формуле:

L = 20 lg(Pa/P0),

где Ра - среднеквадратичная величина звукового давления с учетом коррекции

А шумомера, Па.

На уровень шума, создаваемого вентилятором градирни, влияют окружная ско-

рость колеса, профиль лопаток, их число, конструкция подшипников, работа электро-

двигателя и тип привода. В малых вентиляторных градирнях (площадь секции не более

16 м²) преобладающим источником шума является вентиляторная установка. При

больших размерах секции значительную долю в общий шум, создаваемый градирней,

может вносить и шум дождя, особенно на высоких частотах. Разница в шуме градирни

с различными типами капельных и пленочных оросителей несущественна и колеблется

в пределах 3 дБ.

В справочнике ([9]) предложены следующие формулы для оценки уровня шума

от различных градирен.

Уровень звукового давления от вентилятора может быть приблизительно вычис-

лен следующим образом:

L (дБА) = 16 + 10 * lg (V/V0) + 20 * (∆p / ∆p0) ± 5,

где V0 = 1 м³ воздуха/ч; ∆p0 = 1 гПа.

Это общее уравнение может использоваться и для дутьевых и для вытяжных

вентиляторов. В градирнях с наддувом вклад вентиляторов в уровень мощности звука

на выходе воздуха средних и больших градирен обычно меньше, чем вклад вентилято-

ра градирни с принудительной тягой с вентиляторами наверху. Это различие может со-

ставлять до 5 дБА.

Следующее уравнение показывает, как мощность шума осевых вентиляторов

связана с окружной скоростью лопаток:

L (дБА) = C + 30 lgUtip + 10 lg(Q * P) - 5 lgD,

где C - постоянная, характеризующая профиль вентилятора, Utip - окружная

скорость лопаток вентилятора, Q - расход воздуха, P - давление, D - диаметр вен-

тилятора.

181

Для градирен с естественной тягой расход воды и высота градирни - наиболее

важные факторы, влияющие на уровень шума. Важно, чтобы высота падения капель

составляла менее 5 м.

Уровень мощности звука градирни с естественной тягой в месте забора воздуха

может быть вычислен в соответствии с уравнением:

L (дБА) = 68 + 10lg (M/M0) ± 2,

где M0 = 1 т/ч, М - массовый расход воды.

Мощность звука в месте выхода воздуха из градирни с естественной тягой может

быть приблизительно вычислена по формуле:

L (дБА) = 71 + 10lg (M/M0) - 0.15 * (H/H0) ± 5,

где M0 = 1 т/ч, М - массовый расход воды, H0 = 1 м, Н - высота градирни.

Вклад шума воды в полный уровень мощности звука вентиляторной градирни

может быть приблизительно вычислен по формуле:

L (дБА) = 72 + 10lg (M/M0) ± 3,

где M0 = 1 т/ч, М - массовый расход воды.

Шум имеет определенный частотный спектр и имеются различия в спектрах мок-

рых градирен с естественной тягой и вентиляторных градирен. Шум падающей воды в

градирнях с естественной тягой имеет более широкий спектр частот, тогда как спектр

шума вентиляторов состоит из низких частот. Это, кроме прочих факторов, объясняет,

почему шум воды обычно преобладает вблизи установки, а шум вентиляторов стано-

вится преобладающим с увеличением расстоянием от градирни. Частотные характери-

стики шума необходимо учитывать при выборе мер шумоподавления.

Таблица 3.31 - Значения уровня шума от оборудования систем охлаждения большого

нефтеперерабатывающего завода без учета влияния мер по шумоподалению ([9])

Мощность, производитель-

Оборудование

Уровень шума L, дВ(A)

ность¹⁾

Компрессоры

490/ 2000 кВт

108/ 119

Насосы

25/ 100/ 1300 кВт

94/ 98/ 108

Паровые турбины

1000/ 2000 кВт

106/ 108

АВО

7 /20 / 60 кВт

89/ 93/ 98

АВО/воздушный конденсатор

170 кВт

102

АВО/воздушный конденсатор

2.7 МВт (тепл)

АВО

14.7 МВт (тепл) / 18.8 кВт

105

АВО

1.5 МВт (тепл) / 7.5 кВт (тепл)

182

Мощность, производитель-

Оборудование

Уровень шума L, дВ(A)

ность¹⁾

Градирня

300 МВт (тепл)

106

Градирня

2000 м³/ч

105

¹⁾ Указание мощности вращающихся машин, двигателей и т. д. не является производи-

тельностью системы охлаждения.

Таблица 3.32 - Сравнение уровней шума на входе и выходе воздуха для различных типов

конструкций испарительных градирен ([9])

Конструкция водной системы охла-

Выход воздуха (при откры-

Вход воздуха, дБ(A)

ждения

том диффузоре), дБ(A)

Башенная градирня с естествен-

84 ± 3

69 ± 3

ной тягой

Атмосферная градирня

86 ± 3

80 ± 3

Вентиляторная градирня с нагне-

88 ± 3

85 ± 3

танием воздуха

Вентиляторная градирня с прину-

85 ± 3

88 ± 3

дительной тягой

Таблица 3.33 - Уровень шума от различных типов ПСО без мер по шумоподавлению ([9])

Система охлаждения

Уровень шума, дБ(A)

Башенная градирня

90-100

Вентиляторная градирня

80-120

Гибридная градирня

80-120

Радиаторная градирня

90-130

3.9.2 Применяемые методы шумоподавления

Уровень шума от вентиляторных градирен, как правило, не превышает допусти-

мый уровень по санитарным нормам для территорий промышленных предприятий уже

на расстоянии 10 м, поэтому их можно размещать в любом месте промышленного

предприятия без проведения каких-либо мероприятий по защите от шума. Однако в

случаях, если поблизости находятся жилые или другие здания, уровень шума для ко-

торых ограничен санитарными нормами, может возникнуть необходимость в проведе-

нии мероприятий для снижения уровня шума в расчетных точках до величин, допусти-

мых санитарными нормами.

183

Эти мероприятия необходимо предусматривать на стадии проектирования и

привязки градирни к местности, что обходится обычно в 2-3 раза дешевле, чем обес-

печение защиты от шума после пуска градирен в эксплуатацию.

Борьбу с шумом градирен следует осуществлять по следующим основным

направлениям:

- уменьшение или предотвращение образования шума в его источнике (первич-

ные меры) - конструктивные и административные методы (применение малошумного

источника, регламентация времени его работы и мест расположения на территории);

- снижение шума на пути его распространения (вторичные меры).

В качестве первичных мер используются:

- увеличение количества лопаток в вентиляторах до 6-8 вместо 4 может приве-

сти к снижению шума (при этом также снижается потребление энергии);

- использование низкошумных вентиляторов с более широкими лопатками и бо-

лее низкими окружными скоростями (< 40 м/с) при сохранении расхода и давления воз-

духа;

- применение низкошумных электродвигателей и механизмов передачи (с не-

большими коэффициентами передачи или многополюсных электродвигателей), гели-

коидальных механизмов вместо ременных приводов и, если возможно, прямых приво-

дов;

- использование ременных приводов с V-образными или плоскими ремнями. Ес-

ли возможно, ремни должны быть закрыты кожухами;

- применение низкошумных двигателей;

- применение центробежных вентиляторов вместо осевых;

- обеспечение наибольшего возможного расстояния между лопатками вентиля-

тора и другими конструкциями;

- использование упругой опоры механизмов и двигателей вентилятора, установ-

ка вентилятора на «плавающем» основании, «мягкое» соединение вентилятора с кор-

пусом градирни;

- снижение скорости вращения вентиляторов за счет изменения конструкции или

применения двухскоростных двигателей;

- устройство удлиненных диффузоров с непрерывным течением потока при по-

крытии внутренней поверхности диффузора звукопоглощающим материалом с пласт-

массовой пленкой для защиты от воды;

- усовершенствование аэродинамических характеристик лопастей проточной ча-

сти вентиляторов;

184

- снижение высоты падения капель воды;

- предотвращение падения капель на поверхность водосборного бассейна

устройствами, улавливающими капли и дренирующими их в бассейн (дефлекторов).

Эффект снижения шума составляет максимум 7 дБ;

- уменьшение площади поверхности воды за счет более быстрого дренирования

бассейна, при этом стенки бассейна используются как звуковые барьеры;

- применение сеток или тканых материалов с небольшими ячейками, дрейфую-

щих на водной поверхности и уменьшающих шум падающих капель. Количественная

оценка эффективности метода неизвестна;

- шумовые экраны на воздухозаборных окнах могут обеспечивать максимальное

снижение шума на 20 дБ. Недостатком является дополнительный перепад давления,

который может составлять до 10 Па, что может потребовать увеличения производи-

тельности вентилятора на 20 %;

- в тех случаях, где это возможно, целесообразно предусматривать режим рабо-

ты градирни с остановкой в ночное время или в период более низких нагрузок вентиля-

торы можно эксплуатировать при более низких скоростях вращения, 50 %-ое снижение

скорости приводит к снижению шума приблизительно на 6-10 дБ(А);

- размещение градирен с ориентацией наиболее шумных устройств, мест выхода

звуковой энергии из градирни в сторону, противоположную зданиям или другим реци-

пиентам шума.

В качестве вторичных мер применяются:

- удаление градирен от жилых домов на достаточное расстояние, определяемое

расчетами на стадии проектирования;

- устройство между градирней и рассматриваемым объектом экранов в виде

насыпей, ограждений, стенок, полос зеленых насаждений. Шумоподавляющие экраны

могут обеспечивать снижение шума на 20 дБ. Их эффективность зависит от конструк-

ции и расстояния от основания градирни;

- размещение вентиляторных градирен с использованием в качестве экранов

существующих сооружений зданий, рельефа местности. Снижение уровня звука вблизи

градирни ограждением может составлять до 20 дБ.

При выборе методов шумоподавления необходимо учитывать, что их примене-

ние может приводить к дополнительному энергопотреблению на преодоление допол-

нительного аэродинамического сопротивления. Поэтому вторичные меры могут быть

более предпочтительными. Необходимо сравнивать выгоды снижения шума на 10-25

дБА и дополнительный перепад давления на 20-70 Па, что потребует дополнительного

185

энергопотребления или установки более мощных (и более шумных) вентиляторов. Вы-

бор малошумных радиальных вентиляторов часто приводит к более высокому уровню

потребления энергии и более высоким результирующим эксплуатационным расходам,

чем для осевых вентиляторов.

Комплексное применение различных мер позволяет достигать уровней шумопо-

давления от 20 до 30 дБА. Для таких уровней шумоподавления необходимо одновре-

менно применять низкошумное оборудование и вторичные меры шумоподавления,

например, акустические экраны.

3.10 Риск утечек опасных веществ

3.10.1 Причины и потенциальные последствия утечек охлаждаемых

веществ

Риски утечек охлаждаемых веществ характерны только для поверхностных реку-

перативных теплообменников, в которых охлаждаемая и охлаждающая среды (вода

или воздух) разделены теплообменной поверхностью. В смешивающих теплообменни-

ках смешение охлаждаемой и охлаждающей сред является нормальным процессом.

В регенеративных теплообменниках некоторая доля смешивания сред также является

нормальной. Теплообменная поверхность рекуперативных теплообменников может

подвергаться коррозии, эрозии и другим видам износа и повреждениям, в результате

которых герметичность теплообменников нарушается и происходит смешение охла-

ждаемой и охлаждающей сред. В зависимости от соотношения давлений сред резуль-

татом разгерметизации теплообменной поверхности может быть загрязнение охлажда-

емого или охлаждающего веществ. Очевидно, что опасность для окружающей среды

представляют собой только те случаи, когда охлаждаемое вещество представляет

опасность для окружающей среды и оно может попасть в охлаждающую среду. Таким

образом, условиями наличия для ПСО рисков утечек, которые рассматриваются в дан-

ном справочнике НДТ, являются:

- применение поверхностных рекуперативных теплообменников;

- охлаждаемая среда является экологически опасным веществом;

- в случае разгерметизации теплообменника охлаждаемое вещество может по-

пасть в окружающую среду.

Данным критериям могут удовлетворять все типы ПСО, описанные в разделе 2.

Поэтому можно говорить только об относительной величине рисков утечек, характер-

ных для разных типов ПСО.

186

Утечки охлаждаемых веществ могут происходить в водных и воздушных систе-

мах охлаждения. В прямоточных системах загрязнение немедленно поступает в вод-

ные объекты через охлаждающую воду. В оборотных водных и гибридных системах в

случае протечки загрязнений в циркуляционную воду, их попадание в окружающую

среду произойдет спустя некоторое время, с влажным охлаждающим воздухом и про-

дувочными водами.

В воздушных системах охлаждения аварийная утечка охлаждаемого вещества

или хладагента промежуточного контура может привести к загрязнению охлаждающего

воздуха. Эта проблема может быть значимой и актуальной для воздушных систем

охлаждения, применяемых на газо- и нефтеперерабатывающих, химических предприя-

тиях, где могут охлаждаться в том числе токсичные, взрыво- и пожароопасные веще-

ства.

Системы охлаждения любых типов, применяемые на электростанциях, не несут

высоких рисков утечек опасных веществ. Причиной этого является то, что на электро-

станциях основной объем тепла отводится от конденсаторов, в которых происходит

процесс конденсации водяного пара. Очевидно, что водяной пар не является экологи-

чески опасным веществом. Кроме того, в паровом пространстве конденсатора поддер-

живается низкое давление, существенно ниже давления охлаждающей воды. В связи с

этим при нарушении герметичности трубок конденсатора происходит попадание охла-

ждающей воды в паровое пространство, что способствует повышению в нем давления

и ведет к снижению эффективности процесса производства энергии или даже к ава-

рийному останову турбины. Однако при этом не происходит попадания каких-либо за-

грязняющих веществ в окружающую среду.

В то же время на ТЭС в охлаждении нуждаются и экологически опасные веще-

ства - масла, которые применяются для смазки и охлаждения разнообразных враща-

ющихся механизмов, включая паровые и газовые турбины, насосы, тягодутьевые ме-

ханизмы. Кроме того, отдельные системы охлаждения иногда применяются для охла-

ждения изоляционного масла в маслонаполненном электрооборудовании. Если систе-

мы охлаждения этого оборудования объединяется с системами охлаждения конденса-

торов, то риски утечек появляются для всей системы охлаждения.

На интенсивность процессов износа теплообменников влияют такие факторы,

как тип и материал теплообменника, скорости жидкостей, химический состав охлажда-

емого и охлаждающего веществ, температуры материалов и уровни давления.

Нарушение целостности теплообменной поверхности не всегда происходит в ви-

де явного видимого разрыва трубок в теплообменнике, иногда утечка происходит из-за

187

наличия небольших трещин или дефектов теплообменных поверхностей. Самые рас-

пространенные причины возникновения дефектов в теплообменниках:

- коррозия в результате химического воздействия (язвенная коррозия);

- коррозия, связанная с биологическими загрязнениями, действием бактерий;

- механическая эрозия;

- вибрация, вызванная движением среды или работой насосов;

- заводские дефекты материалов;

- дефекты крепления труб;

- смещенные стыки труб;

- напряжения в материалах в результате непроектных эксплуатационных давле-

ний и/или температур;

- слишком высокий температурный перепад в теплообменнике, перепад около

50 °C может вызвать проблемы.

3.10.2 Методы снижения рисков утечек

Теплообменники должны проектироваться с учетом необходимости обеспечения

их надежности и предотвращения утечек. Применяются следующие общие меры по

снижению рисков возникновения утечек:

- выбор материалов для оборудования водных систем охлаждения с учетом

агрессивности охлаждаемой и охлаждающей сред, в том числе охлаждающей воды;

- эксплуатация систем в проектных режимах;

- обработка охлаждающей воды для предотвращения отложений, коррозии, био-

загрязнений, если это необходимо;

- предотвращение загрязнения теплообменников;

- поддержание небольших значений разности давлений между охлаждаемой и

охлаждающей средами или создание избыточного давления охлаждающей среды;

- применение непрямых ПСО с промежуточным контуром.

Очевидно, что применение непрямой системы с промежуточным контуром сни-

жает риски утечек практически до нуля. Однако необходимо учитывать, что непрямая

конструкция системы охлаждения увеличит недоохлаждение и повысит минимальную

конечную температуру процесса на 3 °C - 5 °C. Если для охлаждаемого процесса это

допустимо, а токсичность охлаждаемых веществ высока, применение непрямой кон-

струкции может быть оправдано.

Некоторые компании используют системы охлаждения, в которой часть оборудо-

вания, в котором утечки недопустимы, охлаждается непрямой системой, а другая часть

188

оборудования охлаждается иным типом системы охлаждения. Такие системы охла-

ждения характерны для АЭС. При охлаждении экологически опасных веществ прямые

прямоточные системы, как правило, не должны использоваться, особенно при наличии

доступных альтернатив.

По результатам опроса российских предприятий были получены сведения о

применении непрямых систем охлаждения с промежуточным контуром в прямоточных,

водных оборотных и воздушных ПСО.

Для крупных существующих систем охлаждения внедрение промежуточного кон-

тура обычно не является технически реализуемым и экономически эффективным.

Применение предупредительных мер борьбы с обрастаниями и отложениями, сниже-

ния вибрации, методов технического диагностирования и профилактического обслужи-

вания может снизить риски утечек до приемлемых уровней. Сообщают о применении

индикаторов утечек, которые позволяют сократить время между началом утечки и ее

обнаружением.

Необходимые меры по предотвращению таких аварийных выбросов регламенти-

руются правилами безопасности ([15]) и ([16]). Правилами предусмотрены следующие

основные требования к системам охлаждения:

- организация теплообмена, выбор теплоносителя (хладагента) и его параметров

осуществляются с учетом физико-химических свойств охлаждаемого материала в це-

лях обеспечения необходимой теплопередачи, исключения возможности перегрева и

разложения продукта;

- в теплообменном процессе не допускается применение теплоносителей, обра-

зующих при химическом взаимодействии с технологической средой взрывоопасные

продукты;

- при разработке процессов с передачей тепла через стенку предусматриваются

методы и средства контроля и сигнализации о взаимном проникновении теплоносителя

и технологического продукта в случае, если это может привести к образованию взры-

воопасной среды.

В поверхностных теплообменниках давление негорючих теплоносителей (хлада-

гентов) должно, как правило, превышать давление охлаждаемых горючих веществ.

В случаях невозможности выполнения этого требования необходимо предусматривать

контроль за содержанием горючих веществ в негорючем теплоносителе.

В теплообменных процессах, в том числе и реакционных, в которых при отклоне-

ниях технологических параметров от регламентированных возможно развитие не-

189

управляемых, самоускоряющихся экзотермических реакций, предусматриваются сред-

ства, предотвращающие их развитие.

При организации теплообменных процессов с применением высокотемператур-

ных органических теплоносителей предусматриваются системы удаления летучих про-

дуктов, образующихся в результате их частичного разложения.

3.10.3 Техническая диагностика и профилактическое техническое

обслуживание

Снижению рисков утечек в теплообменниках способствует применение различ-

ных методов технической диагностики состояния теплообменников и их профилактиче-

ское техническое обслуживание по результатам диагностики. Примерный порядок про-

ведения технического диагностирования теплообменников включает следующие про-

цедуры.

На первом этапе проводится анализ технической и эксплуатационной докумен-

тации, который включает:

- проверку соответствия фактических режимов эксплуатации проектным по тем-

пературе, давлению, числу остановов, качеству воды;

- анализ сертификатных данных для выявления случаев отклонения в исходных

механических свойствах металла или его химического состава;

- анализ данных о повреждениях, ремонтах, заменах, реконструкциях, осмотрах,

очистках, промывках основных элементов теплообменника, результатах технических

освидетельствований и гидравлических испытаний;

- выявление длительности эксплуатации оборудования в аномальных условиях,

анализ обстоятельств и причин аварийных остановов и определение зон основных

элементов, которые могли подвергаться негативному воздействию; получение инфор-

мации о наличии дефектов, интенсивности их развития, а также о возможных измене-

ниях механических характеристик и структуры металла элементов в процессе эксплуа-

тации.

Результаты анализа технической и эксплуатационной документации используют

для составления индивидуальной программы технического диагностирования тепло-

обменника. В программе указываются:

- основные элементы теплообменников, работающие в режимах, под воздей-

ствием которых могут возникать и развиваться процессы усталости, эрозии, коррозии,

а также процессы, вызывающие изменение геометрических размеров, структуры и ме-

ханических свойств металла;

190

- наиболее напряженные зоны (участки) основных элементов теплообменников,

которые в результате особенностей конструктивного исполнения или условий эксплуа-

тации наиболее предрасположены к образованию различных дефектов;

- объемы и методы контроля или исследования механических свойств и микро-

структуры металла основных элементов.

Программой могут предусматриваться различные методы контроля:

- наружный осмотр;

- визуальный и измерительный контроль;

- капиллярная дефектоскопия;

- магнитопорошковая дефектоскопия;

- метод магнитной памяти металла;

- ультразвуковая толщинометрия стенки;

- ультразвуковой контроль сварных соединений и основного металла;

- измерение твердости переносными приборами;

- определение механических свойств;

- анализ микроструктуры металла элементов по репликам (в случае необходимо-

сти);

- испытания на прочность и плотность.

В индивидуальной программе должны быть определены основные элементы, зо-

ны, подлежащие контролю, а также объемы, методы неразрушающего контроля; обос-

нованы необходимость и объемы лабораторных исследований структуры и свойств ме-

талла конкретного диагностируемого теплообменника.

При осмотре теплообменников особое внимание обращается на изменение

формы и геометрических размеров основных элементов теплообменников, произо-

шедших в процессе эксплуатации (вмятины, выпучины и отклонения образующих эле-

ментов теплообменника от прямолинейности, следы механического и коррозионного

износа).

Визуальный и измерительный контроль проводят для выявления и измерения

обнаруженных дефектов (поверхностных трещин всех видов и направлений, коррози-

онных повреждений, эрозионного износа, расслоений, вмятин, выпучин, механических

повреждений), образовавшихся в процессе эксплуатации или на стадии монтажа или

ремонта, развитие которых может привести к разрушению поврежденных элементов

теплообменника. Визуальному и измерительному контролю подлежат основной ме-

талл, сварные соединения с наружной и внутренней стороны элементов.

191

Контроль наружной и внутренней поверхностей основных элементов методами

капиллярной и магнитопорошковой дефектоскопии осуществляется с целью выявления

и определения размеров и конфигурации поверхностных и подповерхностных трещин,

а также дефектов коррозионного происхождения.

Метод магнитной памяти металла применяется с целью обнаружения и локали-

зации внутренних дефектов сварных соединений и основного металла элементов ути-

лизационного теплообменника, подвергнутых воздействию максимальных нагрузок по

конструктивным и эксплуатационным параметрам.

Ультразвуковой контроль толщины стенки проводят для определения толщины

стенки элементов утилизационного теплообменника. По результатам ультразвукового

контроля толщины стенки определяют скорость их коррозии и устанавливают сроки

замены изношенных элементов или уровни снижения рабочих параметров, а также

сроки проведения восстановительного ремонта. Ультразвуковой контроль толщины

стенки труб поверхностей нагрева проводят в наиболее теплонапряженных местах и

местах наибольшего коррозионного или эрозионного износа.

Ультразвуковой контроль следует проводить с целью выявления внутренних де-

фектов в сварных соединениях (трещин, непроваров, пор, шлаковых включений и др.) в

основном металле и в металле гибов.

Исследования механических свойств и микроструктуры металла элементов ути-

лизационных теплообменников следует выполнять для установления их соответствия

требованиям действующих нормативных документов и выявления изменений, возник-

ших в результате нарушения нормальных условий работы или в связи с длительной

эксплуатацией. Исследования механических свойств и структуры металла следует

проводить неразрушающими методами контроля.

Испытания теплообменников на прочность и плотность проводятся в виде гид-

равлических испытаний. Гидравлическое испытание является завершающей операци-

ей технического диагностирования теплообменника, осуществляемой с целью провер-

ки плотности и прочности всех его элементов, работающих под давлением. Гидравли-

ческое испытание следует проводить при положительных результатах технического

диагностирования и после устранения обнаруженных дефектов при пробном давлении

1,25 рабочего давления и времени выдержки под пробным давлением не менее

10 мин. Результаты гидравлического испытания утилизационного теплообменника при-

знаются удовлетворительными, если не обнаружено:

- трещин или признаков разрыва (поверхностные трещины, надрывы и др.);

- течи, капель и влаги на поверхности основного металла, сварных соединений;

192

- видимых остаточных деформаций.

Сообщается о положительном опыте технической диагностики состояния труб

теплообменников посредством вихревых токов. Вихретоковый метод контроля основан

на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным по-

лем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объек-

те контроля этим полем. В качестве источника электромагнитного поля чаще всего ис-

пользуется индуктивная катушка (одна или несколько), называемая вихретоковым пре-

образователем (ВТП).

Синусоидальный (или импульсный) ток, создаваемый в катушках ВТП, создает

электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электромагнитном объек-

те. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя,

наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. Регистрируя

напряжение на катушках или их сопротивление, получают информацию о свойствах

объекта и о положении преобразователя относительно его. Особенность вихретоково-

го контроля в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта.

Их взаимодействие происходит на расстояниях, достаточных для свободного движения

преобразователя относительно объекта (от долей миллиметров до нескольких милли-

метров). Поэтому этими методами можно получать хорошие результаты контроля даже

при высоких скоростях движения объектов.

В [9] сообщается, что в результате применения этого метода на химическом за-

воде количество аварийных остановок процесса из-за течей труб было сокращено на

90 % за 10 лет. Это также привело к снижению ежегодных затрат: средняя ежегодная

экономия из-за уменьшения количества заменяемых труб приблизительно в 5 раз

больше, чем инспекционные затраты.

3.10.4 Обращение с химическими реагентами

Хранение и обращение с химическими реагентами - потенциальная экологиче-

ская проблема водных систем охлаждения. Дозировка добавок в систему охлаждения

может быть непрерывной или периодической, химическое вещество может подаваться

в растворенном или в чистом виде. Объемы применяемых химикатов и их характери-

стики существенно различаются и зависят от многих факторов (например, химического

состава воды и материала теплообменников), соответственно, риски, связанные с их

хранением также различаются.

193

Например, для регулирования pH циркуляционной воды может применяться сер-

ная кислота, которая обычно хранится в резервуарах из малоуглеродистой стали. Для

обеспечения безопасности таких хранилищ необходимо принимать специальные меры.

Иногда добавки производятся на месте. Например, гипохлорит может произво-

диться электролизом морской воды. Этот процесс может быть опасным с точки зрения

образования хлора. Утечки озона при его производстве могут представлять опасность

как для персонала, так и для окружающей среды.

Добавки могут вводиться вручную или посредством автоматизированной систе-

мы управления. При ручном вводе есть более высокий риск проливов. Автоматизиро-

ванные системы снижают риски, но требуют регулярного обслуживания и контроля.

НДТ для хранения опасных веществ описаны в справочнике НДТ «Сокращение

выбросов загрязняющих веществ, сбросов загрязняющих веществ при хранении и

складировании товаров (грузов)».

3.11 Риски микробиологического загрязнения

3.11.1 Условия развития микроорганизмов в ПСО

В отечественной и зарубежной литературе сообщают о наличии рисков развития

и размножения различных болезнетворных микроорганизмов в оборотных водных си-

стемах охлаждения. Это может происходить в охлаждающей воде или на конструктив-

ных элементах ПСО, которые находятся в контакте с охлаждающей водой. Эти риски

не существуют для воздушных радиаторных систем охлаждения с естественной или

принудительной тягой.

Санитарно-эпидемиологические правила ([45]) относят водные системы охла-

ждения промышленных предприятий (градирни и испарительные конденсаторы) к по-

тенциально опасным объектам в отношении распространения легионеллезной инфек-

ции и требующим периодического исследования на наличие возбудителя легионелле-

за. Наличие в данных системах больших количеств циркулирующей теплой воды в со-

четании с образованием водного аэрозоля, способного распространяться в радиусе до

нескольких километров позволяет отнести данные объекты к числу потенциально

опасных в отношении возникновения легионеллезной инфекции. Учитывая, что опас-

ность представляют только системы с высокими источниками водных аэрозолей, мик-

робиологические риски значимы только для водных оборотных систем с испаритель-

ными башенными градирнями. Остальные водные системы либо не создают водных

аэрозолей (прямоточные, оборотные с водоемами-охладителями), либо имеют незна-

194

чительную высоту (водные оборотные с атмосферными, вентиляторными и эжекцион-

ными градирнями, брызгальными бассейнами).

По информации справочника ([9]) основные теплолюбивые болезнетворные мик-

роорганизмы, которых находят в водных системах охлаждения, использующих речные

воды - это бактерии Legionella pneumophila (Lp) и амебы Naegleria fowleri (Nf).

В естественной природной среде упомянутые разновидности микроорганизмов

обычно существуют в низких и безопасных концентрациях. Возбудитель легионеллеза

является широко распространенным водным микроорганизмом, присутствующим в

большинстве пресных водоемов в некультивируемом состоянии. Концентрации легио-

нелл в природных водоемах не превышают 103 КОЕ на литр и не представляют опас-

ности для человека. В связи с этим природные водоемы не являются объектами про-

филактического исследования воды на наличие возбудителя легионеллеза. Из-за по-

вышенной температуры и благоприятных условий в системах охлаждения может про-

изойти ускорение развития этих бактерий, что создает потенциальный риск для чело-

веческого здоровья. Развитие Lp ускоряется в условиях наличия загрязнений, присут-

ствия амеб, водорослей. После нескольких вспышек легионеллеза места и характери-

стики развития Lp были широко исследованы с медицинской и биологической точек

зрения. Но остается еще много недостаточно исследованных вопросов, касающихся

связи развития патогенных микроорганизмов с химическим составом воды и техноло-

гическими особенностями ПСО.

Основной механизм передачи легионеллеза - аэрозольный, путь - воздушно-

капельный. Факторами передачи инфекции являются мелкодисперсионный водный

аэрозоль и вода, содержащие легионеллы. Практически все крупные эпидемические

вспышки и многие спорадические случаи легионеллеза связаны с распространением

мелкодисперсного аэрозоля, содержащего легионеллы и генерируемого бытовыми,

медицинскими или промышленными водными системами. Потребление зараженной

водопроводной воды без образования аэрозоля считается альтернативным путем пе-

редачи инфекции. В последнее время он приобретает все большую актуальность.

В системах водоснабжения, кондиционирования и увлажнения воздуха, других

системах связанных с циркуляцией теплой воды в диапазоне от 20 °C до 50 °C концен-

трация возбудителя резко возрастает за счет образования биопленок на поверхности

оборудования, что является ключевым фактором накопления потенциально опасных

концентраций легионелл. Кроме того, в [9] сообщается, что дополнительными услови-

ями, способствующими развитию Lp в ПСО являются недостаточный уровень обслужи-

вания оборудования ПСО и pH циркуляционной воды между 6 и 8.

195

3.11.2 Методы снижения микробиологических рисков

В санитарно-эпидемиологических правилах

([45]) указано, что необходимым

условием эффективной профилактики легионеллеза является периодический количе-

ственный мониторинг потенциально опасных водных объектов и систем. Микробиоло-

гическое исследование на наличие возбудителя легионеллеза данных систем в рамках

государственного санитарного контроля необходимо осуществлять ежеквартально. При

выявлении возбудителя в концентрации, превышающей допустимые значения необхо-

димо проведение дополнительных профилактических мероприятий.

В методических указаниях ([44]) приведены рекомендации для организаций, экс-

плуатирующих системы технического водоснабжения промышленных предприятий, в

том числе ПСО, и направленные на повышение гигиенической безопасности систем

технического водоснабжения. Рекомендованные в [44] гигиенические критерии - допу-

стимые уровни гигиенических показателей воды, используемой в системах охлажде-

ния, основываются на принципе соответствия качества используемой воды условиям

ее дальнейшего применения и вероятностью контакта человека с восстановленной во-

дой: в закрытых или открытых системах. В закрытых системах технического водоснаб-

жения непосредственный контакт работающих с восстановленной водой, как правило,

отсутствует.

Для закрытых систем лимитирующим показателем опасности воды является ее

микробиологический состав. Необходимая степень обеззараживания достигается при

соответствии качества очищенных сточных и природных вод требованиям, представ-

ленным в таблице 3.19.

Таблица 3.34 - Рекомендуемые допустимые уровни показателей качества воды закрытых

систем технического водоснабжения промышленных предприятий

Показатели

Единицы измерения

Допустимые уровни

Взвешенные вещества

мг/л

10,0

БПК5

мг O2/л

10,0

ХПК

мг O/л

70,0

Общие колиформные бактерии

Число бактерий в 100 мл

500

Термотолерантные колиформные

Число бактерий в 100 мл

100

бактерии

196

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ (ИТС 20—2016) - часть 3