ТЭХ Санкт-Петербурга: нетрадиционный подход

Система централизованного теплоснабжения Санкт-Петербурга, которая существует более ста лет, является одной из крупнейших в мире. Под системами теплоснабжения понимается единая энергетическая цепь по выработке, транспортировке и потреблению тепловой энергии.

В системах теплоснабжения Санкт-Петербурга с открытым горячим водоснабжением ГУП «ТЭК СПб» установил автоматические анализаторы растворенного в воде кислорода (кислородомеры) КАМ-04 МП.1. Приборы были установлены на границах раздела принадлежности тепловых сетей предприятия (от ТЭЦ Обуховского завода и ТЭЦ № 5 АО «Ленэнерго», а также в собственной котельной мощностью 320 МВт).

Установленное оборудование является сертифицированным средством измерения и было зарегистрировано в Государственном реестре. Периодические поверки проводятся в ФГУ «ТЕСТ-Санкт-Петербург» по стандартным газовым смесям.

С самого начала эксплуатации этих приборов было выявлено несоответствие их показаний результатам анализов, выполняемых работниками службы водного режима котельных. Для определения концентрации растворенного кислорода службы водного режима ГУП «ТЭК СПб» применяет лабораторные методики визуальной калориметрии с химическим реактивом метиленовым голубым и титрование по методу Винклера. Использование метиленового голубого химического реактива позволяет регистрировать концентрации кислорода в диапазоне от 0 до 100 мкг/л. Метод Винклера дает возможность определять концентрацию О2 начиная от 200 мкг/л и выше. Поскольку существующие нормы лежат в пределах 30–50 мк/л, то основным методом, который применяется в котельных предприятия, является метод с использованием метиленового голубого химического реактива. При эксплуатации анализаторов постоянно осуществлялась их проверка сопоставлением показаний с измерениями контрольным переносным прибором КАМ-05П, калибровка которого постоянно проверялась в лабораторных условиях, выявивших, что разброс в показаниях приборов не выходил за рамки допустимых паспортных погрешностей. Одновременно наряду со снятием показаний приборов службой водного режима Восточного филиала ГУП «ТЭК СПб» проводились контрольные измерения химическими методами. Опытные данные, полученные анализатором и химическими анализами, приведены
на рис. 1 и рис. 2.





Из рисунков видно, что если результаты совпадают, то опытные точки лежат на прямой линии. Совпадение результатов наблюдается свыше 200 мкг/л (по методу Винклера), при концентрациях кислорода до 30 мкг/л (по метиленовому голубому реактиву). При больших концентрациях метиленовый голубой реактив дает существенное занижение результатов.

Для выяснения причин наблюдаемых различий была разработана специальная методика, и рабочая группа из представителей ГП «ТЭК СПб» и ООО «ОКСИКОН» провела сопоставление показаний ручного анализатора КАМ-05П с результатами определения концентрации кислорода с помощью метиленового голубого на модельных растворах.

Модельные растворы готовили насыщением воды, не содержащей растворенного кислорода, кислородом воздуха посредством диффузии через стенки силиконового шланга, по которому протекала анализируемая проба. Различные концентрации кислорода задавались путем кратного изменения длины шланга. Калибровка прибора была проверена продувкой датчика воздухом по равновесной концентрации. Исходная концентрация кислорода в воде составляла 6 мкг/л. Результаты измерений представлены на рис. 3.



Из рис. 4 видно, что показания кислородомера пропорциональны изменениям длины силиконового шланга. Методика метиленового голубого реактива показала существенное занижение концентрации по сравнению с показаниями кислородомера.
Так как этот метод с применением метиленового голубого реактива связан с окрашиванием пробы, то он носит исключительно субъективный характер при сопоставлении пробы со шкалой. Обычное большое содержание железа в пробах, которое впоследствии коагулирует, позволяет предположить, что шкалы могут достаточно быстро стареть.



Поэтому практически, если концентрация кислорода, измеренная с применением метиленового голубого реактива, составляет 60–80 мкг/л, можно реально предполагать концентрацию в 2-3 раза большую. Таким образом, использование анализаторов при измерениях концентраций растворенного кислорода дает более достоверную информацию. На рис. 4 приведен характерный среднесуточный ход зависимости концентрации кислорода в прямой сетевой воде ТЭЦ Обуховского завода (ЦТП, ул. Запорожская, 23) в период отопительного сезона 2002/2003 года.
Из рисунка видно, что периодический контроль кислорода не дает правильной оценки концентрации из-за ее больших суточных изменений. Также видно, что концентрация кислорода связана с суточными изменениями разбора горячего водоснабжения. Данный факт позволяет сделать вывод о плохом качестве подпиточной воды, по-видимому, из-за нестабильной работы вакуумных деаэраторов или присосов воздуха в баках-аккумуляторах.
Из рис. 5 следует также, что средняя концентрация за отопительный сезон составляла не менее 200 мкг/л, что вызывало значительную коррозию отопительных систем.



Неоднократные обращения работников филиала ГУП «ТЭК СПб» к администрации ТЭЦ Обуховского завода, подкрепленные данными сертифицированного оборудования, заставили заняться наладкой режимов работы оборудования. Замена эжекторов деаэраторов и ряд других мероприятий позволили в прошлом отопительном периоде довести концентрацию кислорода до значений, не превышающих установленных норм.
Анализаторы, установленные в котельных, позволяют оценивать и повреждаемость тепловых сетей, и работу оборудования самих котельных.
С начала отопительного сезона концентрация кислорода не превышала норм (30 мкг/л). С середины апреля 2003 года (рис. 6) наблюдается значительное их превышение. При уменьшении тепловой нагрузки недостаточная эффективность работы охладителей деаэрированной воды для поддержания требуемого температурного режима периодически заставляла подмешивать «сырую» воду.




Выводы
1. Применение автоматических анализаторов позволяет:
– прогнозировать надежность работы оборудования и тепловых сетей, получая более объективные интегральные данные по концентрациям растворенного кислорода и оценивая скорости коррозии этих систем;
– анализировать работу котельных и других источников теплоснабжения и определять конкретное оборудование, требующее наладки или замены.
2. Термическая деаэрация питательной воды котлов, воды подпитки тепловых сетей (ТС) и горячего водоснабжения (ГВС) является основным средством защиты оборудования и сетей от кислородной и углекислотной коррозии.

Автоматический анализатор кислорода
Принцип работы и устройство автоматического анализатора кислорода рассмотрим на примере прибора Марк-0403, изготовленного в России заводом Взор (г. Нижний Новгород).

Технические характеристики
Диапазоны измерения концентрации растворенного кислорода (в дальнейшем КРК):
I диапазон, мкг/дм3 от 0 до 20,0;
II диапазон, мкг/дм3 от 0 до 200,0;
III диапазон, мкг/дм3 от 0 до 2000;
IV диапазон, мг/дм3 от 0 до 20,0.

Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности анализатора при измерении КРК при температуре анализируемой среды, совпадающей с температурой градуировки и находящейся в диапазоне от плюс 15 до плюс 55 °С, при температуре окружающего воздуха (20±5) °С:
I диапазон ± (2,7+0,04Y) мкг/дм3;
II диапазон ± (3+0,04Y) мкг/дм3;
III диапазон ± (5+0,04Y) мкг/дм3;
IV диапазон ± (0,023+0,04Y) мг/дм3,
где Y – здесь и далее по тексту – измеряемое значение КРК.

Пределы допускаемой дополнительной абсолютной погрешности
анализатора при измерении КРК, обусловленной изменением температуры анализируемой среды на каждые ± 5 °С от температуры градуировки, в пределах всего рабочего диапазона температур, мг/дм3 ± 0,013Y.



Устройство и принцип работы

Кислородный датчик включает в себя:
– измерительный элемент датчика с преобразователями концентрации кислорода и температуры;
– модуль термоканала с усилителем-нормализатором температуры.
Измерительный элемент датчика и модуль термоканала соединяются двужильным экранированным кабелем длиной 5 м (длина может быть увеличена до 100 м).

Модуль термоканала соединяется коротким многожильным кабелем через разъем с блоком преобразовательным.
Через контакты разъема 1 и 3 на модуль термоканала поступают напряжения (5±0,1) В и (-4,205 ± 0,001) В. Через контакт 6 поступает поляризационное напряжение Un = -0,63 ± 0,05 В на преобразователь концентрации кислорода. Из модуля термоканала на блок преобразовательный через контакт 8 поступает напряжение Ut, мВ, пропорциональное температуре измерительного элемента датчика tuo, °C, U, = -22,07tU3.
Ток, текущий в цепи, подключенной к преобразователю концентрации кислорода (контакт 6), пропорционален концентрации кислорода в анализируемой среде.

Блок преобразовательный включает в себя четыре платы:
– плату источников питания и канала кислорода;
– плату аналого-цифрового преобразователя температуры;
– плату индикации и управления;
– плату дистанционного управления для исполнений ВР15.01.000, ВР15.01.000-01, ВР 15.01.000-04, ВР 15.01.000-05.


Принцип измерения кислорода
При измерении содержания в воде растворенного кислорода используется амперометрический датчик, по принципу работы совпадающий с полярографической ячейкой закрытого типа.

Электроды погружены в раствор электролита, который отделен от анализируемой среды мембраной, проницаемой для кислорода, но не проницаемой для жидкости и паров воды. Кислород из анализируемой среды диффундирует через мембрану в тонкий слой электролита между катодом и мембраной и вступает в электрохимическую реакцию на поверхности катода, который поляризуется внешним напряжением, приложенным между электродами.
При этом в датчике вырабатывается сигнал постоянного тока, который при фиксированной температуре пропорционален концентрации растворенного кислорода в анализируемой среде.

Выходной сигнал датчика кислорода поступает на усилитель-нормализатор, затем на плату аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Далее термокомпенсированный сигнал идет на формирователь токового выхода и на плату индикации и управления, где преобразуется в десятичный код и отображается на индикаторе.

Чувствительность преобразователя концентрации кислорода (коэффициент пропорциональности) резко возрастает с повышением температуры анализируемой среды. Для компенсации этой зависимости в анализаторе применяется автоматическая температурная коррекция с использованием преобразователя температуры, размещенного в одном корпусе с преобразователем концентрации кислорода.

Внимание
Кроме задач контроля растворенного кислорода в деаэрированных водах анализатор может использоваться для измерений в различных поверхностных и сточных водах, в том числе в мутных и окрашенных, с наличием органических загрязнителей.