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                              供热管网系统水处理调研报告

                              时间:2014-05-26 15:00来源:未知阅读:

                                   一、前言
                                   1、目前,热水供暖系统的水质、水处理和运行管理处于无序和落后的状态,设备的腐蚀和结垢现象严重,影响到锅炉、换热设备、水泵、管道、阀门及整个供暖系统的能源效率、安全性  和使用寿命,也严重阻碍新型节能型散热器、散热器恒温控制阀和机械式分户热表的推广应用。为了适应城镇供热体制改革的需要,必须改变上述落后的状态,为此,北京市建筑设计标准化办公室已于2004年12月编制完成《供热采暖系统水质及防腐技术规程》,由北京市规划委员会和北京市市政管理委员会于当年颁布实施。本报告是在编制该规程时所做的调研工作。
                                  2、由于该技术规程属国内首次编制,调研的主要目的是收集国内外相关资料及了解目前供暖系统水质、水处理的现状及运行管理方面的问题,为编制规程提供了依据。

                                   
                                    二、调研工作包括四个部分
                                   国内外相关标准和文献的收集:
                                   收集到的国内外相关标准和文献有:目前国内尚无热水集中供暖水质、水处理及运行管理的标准。遇到这方面的问题,往往引用国标《工业锅炉水质标准》(GB1576)及行业标准《城市热力网设计规范》(CJJ34—2002)。这两个规范仅涉及到以热电厂和区域锅炉房为能源的一次热水热力网的水质标准。热水集中供暖系统的水质水处理则应涵盖低压热水锅炉及热交换站、管道、阀门、水泵、散热器及热计量控制设备等的防腐阻垢及防堵塞措施,这方面尚属空白。
                              收集到的国外相关标准和文献有:

                                  (1)英国标准《民用住宅热水集中供暖系统水处理实施法规》(BS 7593:1992)
                              该标准适用于与热水锅炉直接连接的热水集中供暖系统,为了最大限度减少腐蚀和水垢生成,提出了水处理实施细则。除了明确水处理的目标外,该标准还阐述了供暖系统中各种腐蚀的机理,腐蚀抑制剂的作用和使用,以及系统的清洗程序等。
                                  (2)德国工程师协会标准《热水供暖装置中预防损害的措施—在热水供应装置和热水供暖装置中水垢的形成》(VDI 2035)第一部分;德国工程师协会标准《热水供暖装置中预防损害的措施—在热水供暖装置中的水腐蚀》(VDI 2053)第二部分;这两份标准也称之为“VDI指针”,它的应用对象为规划设计人员、专业公司、以及系统的运行管理人员。VDI 2035的第一部分和第二部分的最新修订时间分别为1996年4月和1998年9月。VDI 2035指针的第一部分对水垢的形成、水处理及除垢等保护措施作了详尽的叙述;第二部分则对黑色金属和其它材料的腐蚀机理、腐蚀损害,以及如何通过正确的设计、水处理及运行管理来预防腐蚀的措施作了详尽的叙述。VDI 2035指针对我们编制适合国情的标准具有很高的参考价值。
                              德国工程师协会2035指针认为,采用膜片式压力膨胀水箱的闭式系统,能够很大程度上阻止或减少氧气进入系统。从理论上讲,一个闭式热水供暖系统,有良好的运行管理,失水量极少或者没有,这样的系统不需要以防腐为主要目的的水处理,只有在开式热水供暖系统中才需要防腐蚀的措施。
                                  (3) 《关于区域供热系统水处理的丹麦新标准》—刊登于《丹麦供热协会季刊》2001年第二期。该文列出了1999年年底开始执行的丹麦区域供热系统所用的最新补水和循环水水质推荐标准;铁、黄铜的腐蚀和PH值的关系;不锈钢的腐蚀和温度及氯化物浓度的关系;颗粒物浓度控制的重要性;应当采用对环境无破坏作用的水处理药品,等等。丹麦区域供热协会认为氯化物含量大于7ppm,在94℃时对AISI304不锈钢以及在108℃时对AISI316不锈钢将产生强烈腐蚀。
                                  (4) 芬兰区域供热协会标准:[远程和区域供热水处理](Suositus KK3/1988)推荐的供热循环水水质标准中指出,说明供暖系统中水质出现变化。
                                  (5) 国际能源署IEA1996年N8研究报告:《欧洲和北美水处理实践回顾》中提出,在区域供热水中:总铁浓度<0.1mg Fe/kg;总铜浓度<0.02mg Cu/kg。
                                  (6) 国际标准化组织标准《太阳能—热水供暖系统—考虑到内部腐蚀的材料选择》(ISO/TR 10217):指出采用铝制金属设备时,水中应无Cu++ 、Fe++及CI-,5<PH值<9(使用缓蚀剂);采用不锈钢金属设备时, CI-<50ppm(使用缓蚀剂)。
                                  (7) 意大利标准《供热厂的水处理》(UNI 8065:1989)提出供热系统循环水的PH值应大于7(使用铝合金或轻合金元件散热器时,PH值应小于8)
                                    铁(Fe)  〈0.5毫克/公斤(腐蚀现象造成该值过高,应予以清除)
                                    铜 (Cu)    〈0.1毫克/公斤(腐蚀现象造成该值过高,应予以清除)
                                  (8) 俄罗斯标准《防腐蚀和抗老化的统一方法—水系统中的金属腐蚀抑制剂》(GOST 9.514—99):该标准介绍了金属腐蚀抑制剂的应用及金属腐蚀的检测方法。
                                 
                                      2.供暖系统设备结垢腐蚀情况调研。已完成的供暖水质及散热器腐蚀情况的试验分析共8例。
                                  (1) 供暖系统腐蚀堵塞严重,寿命达不到予计的年限。有的新型钢制散热器在热水供暖系统中安装不到一年、使用不到一个供暖季就被腐蚀穿孔损坏,媒体屡有这方面的报道;有的分户热计量示范项目安装了500多块机械式户表,运行不到一个月,竟有200多块热表被泥沙、焊渣或铁锈堵死,需要拆卸返修,而现场的拆卸检修由于无法再标定,势必影响计量精度。热水集中供暖系统使用的低压热水锅炉的设计寿命一般在20年以上,但在实际上,热水锅炉的寿命一般13年,最长15年也就报废了。由于水处理方法不当,锅炉或热交换内壁结垢造成热能效率降低,为了除垢用酸洗,对锅炉造成严重的腐蚀损害;管网的设计寿命在30年以上,而现状是管网使用十几年就被腐蚀破坏了;至于水泵、阀门,由于锈蚀而造成漏水或者卡死,随处可见…经调研发现,当采用防腐阻垢药剂时,必然增加循环水中的悬浮物浓度,有的是固态药剂颗粒本身,有的则是药剂置换产生的不结垢的污泥。解决悬浮物浓度的办法是排污,定期排污是降低悬浮物浓度,避免污泥在内壁沉积的有效于手段。同时,温控阀和户用热表被污物和杂质堵塞上原因,并不是悬浮物的重量浓度,而是因为水中含有较大直径的颗粒,一般是焊渣、铁屑、麻丝(或其它纤维)、细小的碎石、铁锈等,当其粒径或者互相粘连后的直径大于温控阀阀芯或者机械式热表内部流道间隙,就会造成堵塞。    根据在世方豪庭和浩鸿园的实测数据,水中悬浮物重量浓度为20~31mg/L时,由于循环水装有旁通过滤器(磁棒式过滤器),使用的散热器温控阀(阀芯最小间隙为0.1mm)没有出现堵塞。悬浮物重量浓度大,在系统流速很低的地方会出现沉积,即污泥。在悬浮物浓度很高的情况下,在系统流速很慢的部分会出现较严重的污泥沉积,严重时,可能出现局部堵塞。但是,这样的沉积性堵塞不会在散热器温控阀或热表处发生,因为在温控阀阀芯和热表同部的水流有加还的趋势,所以造成它们堵塞的直接原因是出现无法通过的大颗粒物,属于“卡死”。为此,新标准不仅要考虑到悬浮物的重量浓度,避免污泥沉积堵塞,还要考虑用过滤器的设置控制通过调节阀门及仪表的颗粒物粒径,避免发生卡死式堵塞。
                                 
                                  (2)关于防腐型散热器
                              钢制及铝制新型散热器对热水中的含氧时、PH值均有要求,特别是铝制散热器,只适用于PH值=5~8的中性水,钢制散热器则适用于PH值=8.2~12的碱性水,对超标的氯根、硫酸根含量敏感。目前热水集中供暖的水质差,尤其含氧量没有控制,氯化物可能来自焊剂及运行不当的软化水装置,高浓高工的氯化物离子可以使钢制或铝制散热器以及不锈钢析式换热器产生点坑腐蚀损坏。一些厂家被迫对散热器内腔作防腐处理,或添加牺牲阳极碱金属棒(如镁棒),推出了各种各样的防腐型散热器,被称之为“被动防腐”。
                                    由于第一批采用涂料内防腐型的散热器,使用不到4年就出了不少问题,后来被拆掉。因此,内防腐型散热器寿命究竟多长?谁也不能肯定回答。这就是防腐型散热器的现状。目前一些专家已经认识到:我国的钢制、铝制散热器已尼发展到了“从被动防腐到主动防腐的转折阶段”。规范热水集中供暖水质、水处理和运行管理,看来是水到渠成和迫在眉睫的事了。
                                 
                                  (3)钢制、铝制散热器或铜管铝片散热器的混装
                               铜管铝片散热器由于供暖热水只和铜管内壁接触,通常不会产生腐蚀,甚至在有氧的水中。然而,钢制散热器、铝制散热器和铜制散热器在同一个热水系统中混合安装时,由于钢、铝、铜它们的电化学电动势不同,互相直接接触会产生电解反应。按照电化学电动势的顺序,铜的电动势为+100mV;钢为-450mV;铝为-700 mV。由此可见,如果钢制散热器由于电动势的差异,将加速其电化学腐蚀。此外,钢制散热器和铝制散热器安装在同一系统中时,铝制散热器将处在非常不利的地位。首先,它的电化学腐蚀将加速。其次,由于钢制锅炉、管道、散热器在碱性水中可以受到较好的保护,系统中常常加入碱性防腐阻垢药剂,而这些碱性药剂对铝制散热器有极强的腐蚀性。
                                 
                                    3.对几种水处理方法的调研
                                 
                                    (1) 上海昱真水处理工程有限公司的YZ型系列防腐阻垢剂.上海昱真水处理工程有限公司的YZ型系列防腐阻垢剂是该企业自行研制的水处理药剂,并在1992年通过了劳动部部级鉴定,主要应用于热水锅炉、集中供暖系统、小型蒸汽锅炉、中央空调和工业冷却水循环系统。
                               YZ型系列防腐阻垢剂具有防腐、阻垢、除垢、除锈、育保护膜、防止人为失水、及停炉保护等多种功能。对于热水锅炉或二次换热系统,以投固体药剂YZ—101为主。由于投药可使PH值为10~12,不低于9。该方法要求按“三开三关法”每天每组排污阀及除污器排污一次,以降低悬浮物浓度。上海昱真公司特别强调“使用药剂后不用再除氧就能达到根本性防腐”,因为它有以    下三层防腐功能:
                                   a)由于除垢除锈,就等于除掉了电化学腐蚀的阴极,从而阻止了电化学腐蚀;b)它有几种育㎡能迅速提高水的PH值。当PH值≥10时,铁处于钝化区中,腐蚀最小。YZ—101型防腐阻垢药剂在许多项目十多年的使用实践中证明是集中供暖系统的一种简单而行之有效的水处理方法。
                               YZ型系列防腐阻垢剂加药简单,有的时候仅根据补多少水加多少药的简单方法不需要设备初投资。北京花家地北里热力站直接投药的补水箱。运行费用较低,每20万平方米供暖面积一个供暖季平均使用1吨左右药剂,折合0.03~0.10元/㎡/年。
                                 
                                  (2) 沈阳天泉高新技术开发公司开发研制的集除氧、阻垢和防止人为失水为一体的综合水处理技术设备,即ZDH型多功能水处理设备。2001年7月该项技术通过了建设部科技司主持的国家级技术成果及新产品鉴定。
                              ZDH型多功能水处理设备采用真空解析与电化学相结合的除氧方法。该项除氧技术的核心是利用电化学方法产生Fe(OH)2,再利用Fe(OH)2与水中的O2发生化学反应,来除掉补水中的溶解氧:Fe(OH)2 +O2+H2O→Fe(OH)3,其效果可满足溶解氧含量≤0.1mg/L的要求。电化学方法可以适当产生过量的Fe(OH)2,用来消除运行中进入循环水系统的氧。它的阻垢机理是利用除氧后产生的Fe(OH)3胶体所具有的大的表面能将水中的Ca+,Mg+怖胱蛹笆苋任龀龅腃aCO3等盐类相互吸附,从而阻碍CaCO3晶核的生成,达到有效的防垢目的。通过电化学水处理后,水中的硬度不用加热就可明显下降。它的另一个特征是Fe(OH)3最终的颜色为棕黄色。Fe(OH)3是很稳定的胶体,没有磁性,但具有明显的§(ZETA)电位。胶体微粒在水循环动力作用下均匀分布在水中,由于胶体颗粒或胶团带有相同的静电荷,它们互相排斥。因此,热水供暖系统中的水由于Fe(OH)3胶体的存在,永远保持棕黄色,从而有效地减少了人为失水。
                                  ZDH型多功能水处理技术适用于补水硬度≤6.0mmol/L,温度在95℃以下的热水供暖系统,特别是对采用变频泵补水定压的系统及其它失水量较大的系统的补水处理。它在锅炉房或者势力站使用时,可以替代原有的钠离子交换软化水装置,也可以设置在软化水装置后进行以除氧为主要目的的水处理。
                              ZDH型多功能水处理装置由于不能将供暖系统的部分循环水接入进行处理,因而,对于采用开式膨胀水箱定压的开式系统、或者对于采用膜片式压力膨胀循环水含氧量小于0.1mg/L,保护系统不受腐蚀,需要进一步研究。
                                 
                                 (3)中国化工新材料总公司研究所的支离子水装置
                              中国化工新材料总公司研究所隶属于中化化工科学技术研究总院,其技术实力雄厚。该研究所负责人认为去离子水的使用由于没有钙、镁离子,不会结垢。同时,由于其离子浓度极低,水的导电率极低,不会在金属表面出现电化学腐蚀,而电化学腐蚀是金属腐蚀的最主要的原因。如果系统失水量很小,使用去离子水成本不会太高。在供暖系统中使用去离子水在我国还是一个新课题,需要我们去探索,去实践。不过,国外的区域供热行业已经有了采用去矿物质水(脱盐水)的补水和循环水水质标准。此外,去离子水注入供暖系统后,如果系统清洗不彻底,系统里的杂质,可溶解物将溶入水中,使去离子水就成有离子水,丧失了它的不腐蚀不结垢的优点。此时,能否将部分系统的循环水不断经过去离子过滤装置而保持其较好的去离子特性?运行费如何?有待进一步研究。
                               
                                 (4)关于钠离子交换软化水处理的方法。
                                   钠离子交换软化水处理在国标GB1576中作为热水锅炉锅外水处理方法提出后,在全国大多数锅炉房及热力站得到了广泛应用。然而,钠离子交换软化水处理,只对锅炉或热交换器起防垢作用,不能防腐。相反,由于操作不当,补水中常常会带入大量氯要。氯化物离子可以导致钢制散热器、不锈钢板式换热器、以及铝制散热器产生点坑腐蚀损坏。不锈钢板式换热器最怕受氯腐蚀,腐蚀后在高温高压的作用下开裂。钠离子交换软化水方法其再生废液排入地下水,会增加地下水的硬度、碱度、及氯要的含量,影响地下水的水质,甚至危及人民身体健康。据了解,近年来,随着钠离子交换软化水处理装置的推广,地下水氯要的含量确有增加的趋势。例如,北京某郊区自备井水中氯要的含量已超过200mg/L,硬度高达25.0mmol/L,这是非常值得注意的。在对采用软化水处理的供暖系统的水质的现场检测,发理它们的氯化物含量都很高,如中科院自动化大厦供暖系统循环水中的氯要含量高达193mg/L,沈阳成龙花园供暖系统(使用软化水处理+ZDH多功能水处理装置)循环水中的氯化物含量为101.5mg/L。与此相反,不使用离子交换软化水处理的系统中氯化物的含量明显要小得多,在所测定的三个工程中为3.9 mg/L﹏50 mg/L不等.注:行业标准《城市热力网设计规范》(CJJ34—2002)规定供热介质中的氯化物含量不宜高于25ppm。
                                 
                                   4. 系统运行管理调研,通过对31个锅炉房供暖系统的调研,情况如下:
                                 (1) 人为失水严重,日补水量<1%仅占16%;日补水量1﹏10%占36%;日补水量>10%占48%。
                                 (2) 非采暖期间系统充水保养仅占13%,非采暖期间系统泄水占87%。
                                 (3) 采暖系统出现腐蚀占26%。
                                 (4) 采暖系统采用开式膨胀水箱主压方式占60%,采暖系统采用变频泵补水定压方式占32%,采暖系统采用膨胀罐定压仅占8%。
                                 (5) 采暖系统热表安装率仅为8%。
                                   目前,国内采用隔膜式压力膨胀水罐的闭式系统很少。其原因之一是,一些设计者认为开式高位水箱仍然是最可靠最简单的定压方式,使许多供暖系统仍然设计为开式系统。其次,国家规范没有禁止使用开式系统,在GBJ 19—2001修改稿中仅在谈到钢制散热器时提到:“采用钢制散热器时,应采用闭式系统”,而开式系统对管道、锅炉、水泵及铝制散热吕的氧腐蚀危害,未加考虑。还有一个原因是很多设计人员不熟悉隔膜式压力膨胀水罐定压方式及其设计。同时看出,采用变频补水泵补水定压的系统明显增加;由于补水得不到控制和非采暖期间系统泄水,采暖系统出现的腐蚀情况不容忽视。
                                 
                                  三、调研报告结论
                                  1.腐蚀堵塞现象普遍,部分锅炉房水处理方法不当,效率低,甚至影响供暖系统的正常运行,影响节能及热计量的推行。

                                  2.许多人,甚至是工程技术人员,在供暖系统的水质、水处理和运行管理观念和意识上的落后,不知道供暖水质需要加以控制,水处理方法和运行管理需要规程可遵循。

                                  3.由于供暖系统的水质得不到控制,严重的腐蚀使供热系统的寿命达不到预期的年限;系统运行效率低;造成能源极大的浪费;补水得不到控制,不仅浪费水源、热源,不当的水处理还会造成地下水污染。因此,改变供暖系统水质,直接关系到节约能源和环境保护的基本国策。

                                  4.从所收集到的文献看出,欧洲和北美国家,对集中供暖的水质、水处理和运行管理有严格的标准和规定。他们认为这是提高能源利用效率、环境保护以及延长供热设备寿命不可分割的组成部分。IEA(国际能源机构)曾经为供热水处理方法以及区域供热管网的腐蚀设立研究课题。在丹麦、芬兰等北欧国家,由于区域供热的水质有着严格的标准,水处理方法有效,以及对系统进行科学的运行管理工作,供热设备和管网的寿命都在30﹏50年。有些二战前制造的钢制散热器距今已有50多年的历史,仍然工作正常。这表明,只要实施正确的水处理和运行管理,就可以保证供暖系统的钢制散热器等供暖设备长期高效及可靠的运行。

                                  5.由于人力和时间有限,虽然只是初步和很粗略的了解一些情况,但足以看出我国供暖系统水质、水处理和运行管理处方面的落后状态及编制新规程的必要性和迫切性。这次调研为我们编制新规程提供了很有价值的依据。相信新规程的编制会促进实现我国供暖系统的科学化管理,缩小和先进国家的差距。

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