Главная On-line запрос
Russian
Компания

Опыт применения
мобильных водоподготовительных установок
на основе мембранных технологий

Введение

Мембранные технологии водоподготовки на сегодняшний день являются одними из наиболее перспективных. Привлекательность использования мембранных процессов связана с низким потреблением энергии, невысокой потребностью в реагентах, компактностью готовых установок и их модульностью, относительной легкостью эксплуатации и обслуживания, а также универсальностью.

Благодаря этим качествам мембранные технологии идеально подходят для использования в мобильных водоподготовительных установках (ВПУ) в качестве ключевых стадий водоподготовки. Мобильные ВПУ (МВПУ) наиболее целесообразно использовать в случае острой необходимости получения очищенной воды в местах отсутствия её стабильного источника требуемого качества и/или для сезонных технологических процессов. Также МВПУ эффективны при небольшой производительности (до 20-30 м3/ч) и сжатых сроках строительства водопотребляющих объектов, например электростанций. Мобильные ВПУ могут быть переданы во временное пользование потребителю, в частности, в форме аренды, или проданы.

Мобильные ВПУ обычно выполняются в виде закрытых отапливаемых (в условиях России) и/или кондиционируемых контейнеров (блок-боксов) или автофургонов. В них монтируется технологическое оборудование, емкости, организуется реагентное хозяйство и устанавливается общеинженерное оборудование (отопление, вентиляция, кондиционирование, освещение, пожаротушение, видеонаблюдение, связь). В случае необходимости обеспечения сохранности оборудования при транспортировке мобильной ВПУ в зимний период в районы Крайнего Севера или их длительного хранения до начала эксплуатации при отрицательных температурах, контейнеры могут быть укомплектованы системой автономного обогрева. Как и для традиционных капитальных ВПУ, подбор технологического оборудования для мобильных установок проводится исходя из качества исходной воды и требований к очищенной (подготовленной) воде.

Компания GE Water & Process Technologies, дистрибьютором которой на территории Российской Федерации является ООО «ГИДРОТЕХ», предлагает мобильные ВПУ под маркой MobilFlow®. В составе установок MobilFlow® реализован широкий спектр технологий: механическая фильтрация, обратный осмос, Н/ОН-ионирование, химическая деаэрация по запатентованной GE технологии DEOX, охлаждение на градирнях контейнерного исполнения и ряд других технологических процессов. В последнее время к перечисленным выше методам очистки воды, которые применяются в составе мобильных ВПУ, были добавлены технологии ультрафильтрации и электродеионизации.


Рис. 1.
Мобильные ВПУ c фильтрационным оборудованием производства GE Water & Process Technologies.

Мобильная ВПУ, по сравнению со среднестатистической ВПУ стационарного исполнения, оказывается гораздо более компактной. В частности, стандартный автофургон длиной 13 метров позволяет вместить фильтрационное оборудование с различными загрузками фильтров (см. рис 1) производительностью до 140 м3/ч, в зависимости от выбранной технологии, либо мембранное оборудование: установку обратного осмоса производительностью до 136 м3/ч (одна ступень) или до 68 м3/ч (две ступени), установку электродеионизации производительностью до 68 м3/ч, либо комплексную систему, имеющую в своём составе установки механической фильтрации и обратного осмоса (опционально 2 ступени обратного осмоса и ФСД) производительностью до 45 (23) м3/ч. В стандартном 6-метровом контейнере возможно размещение установки ультрафильтрации производительностью до 50 м3/ч (12 модулей inge dizzer5000+), включая все сервисные емкости, насосы с ЧРП, систему управления.

Применение мобильных ВПУ в Российской энергетике

В 2007 году специалисты компании «ГИДРОТЕХ» (г. Москва) спроектировали, рассчитали, сконструировали и осуществили пуск в эксплуатацию трёх мобильных ВПУ для применения в составе газотурбинных электростанций. Производительность каждой ВПУ - 6 м3/ч по подготовленной воде (при расчётной температуре исходной воды 5-12˚C).

Изготовление и поставка трёх вышеописанных мобильных ВПУ осуществлялись в рамках реализации программы ОАО «РАО ЕЭС России» по снижению энергодефицита московской энергосистемы за счёт эксплуатации автономных мобильных систем выработки электрической энергии. Мобильные газотурбинные энергоустановки (ГТУ) строятся на электроподстанциях московской энергосистемы и предназначены для временной периодической эксплуатации в пиковые периоды энергопотребления.

В составе мобильных электростанций используются ГТУ производства компании Pratt&Whitney (США), работающие на авиационном керосине. В ходе их эксплуатации для снижения негативного воздействия на окружающую среду (выбросов оксидов азота) требуется осуществлять впрыск воды в турбину. К качеству подпиточной воды для ГТУ предъявляются строгие требования, т.к. наличие в воде загрязнений может привести к коррозии энергетического оборудования ГТУ и/или образованию осадков (отложений) на поверхностях нагрева.

Качественная и грамотно сконструированная система подготовки воды (МВПУ) позволяет эксплуатировать энергетическое оборудование мобильной ГТЭС в оптимальном режиме, увеличить срок службы основного оборудования, сократить потребность в проведении ремонтных работ, а также повысить общий уровень безопасности эксплуатации потенциально опасного объекта.

Выбор технологий, которые необходимо применить в составе мобильной ВПУ, основывается на требованиях, изложенных в получаемом от заказчика техническом задании. После изучения имеющихся исходных данных, а также требований, предъявляемых к подготовленной воде, в качестве основного метода очистки была предложена технология двухступенчатого обратного осмоса с последующим дополнительным обессоливанием пермеата второй ступени обратного осмоса на напорных нерегенерируемых фильтрах смешанного действия (ФСД).

Поскольку в качестве исходной воды (см. табл. 1) по требованию заказчика могла быть использована как водопроводная, так и артезианская вода, характеризующаяся, в частности, повышенным содержанием в ней железа, выбор оптимального решения вопроса предварительной подготовки (предочистки) воды перед обратноосмотическим обессоливанием был немаловажен.

Таблица 1. Качество исходной воды.

Наименование компонента

Единица измерения

Значение

Жесткость общая

мг-экв/л

≤ 7,0

Железо общее

мг/л

≤ 1,0

Марганец

мг/л

≤0,1

Сульфаты

мг/л

≤100

Кремнекислота

мг/л

≤12

Окисляемость перманганатная

мгО2

≤5,0

Взвешенные вещества

мг/л

<10

Сухой остаток

мг/л

≤ 500

Нефтепродукты

мг/л

≤0.04

pH

-

5,0-8,0

Специалистами ООО «ГИДРОТЕХ» было предложено следующее технологическое решение (см. рис.2) Исходная вода с расчетной температурой 5-12оС подается в промежуточную накопительную ёмкость, которая необходима для обеспечения резервирования, а также стабильных значений напора и подачи воды на ВПУ контейнерного типа. Далее при помощи центробежного насоса вода направляется на фильтр грубой очистки (грязевик), затем на блок напорной фильтрации, состоящий из нескольких параллельно установленных напорных фильтров с зернистым слоем каталитической загрузки.


Рис. 2. Структурная схема мобильной ВПУ. 1 – исходная вода; 2,3 – стоки; 4 - рециркуляция концентрата 2-й ступени обратного осмоса; 5 - деионизованная вода. БД1-4 – блоки дозирования реагентов; Е1-3 – емкости, МФ – механические фильтры; УФ – установка ультрафиолетового обеззараживания; ОО1-2 – блоки обратного осмоса 1-й и 2-й ступени, соответственно; ФСД – фильтры смешанного действия.

Фильтр грубой очистки (тонкость фильтрации 100 мкм) позволяет обеспечить защиту автоматических клапанов управления напорных фильтров от возможного попадания песка и прочих крупных взвешенных частиц, содержащихся в артезианской воде.

Для обеспечения большей эффективности процесса каталитического окисления в поток исходной воды осуществляется дозирование водного раствора гипохлорита натрия, что позволяет обеспечить обеззараживание и окисление восстановленных форм железа, марганца, серосодержащих соединений. Дозирование реагента целесообразно проводить в момент поступления исходной воды в промежуточную накопительную емкость, чтобы обеспечить необходимое время контакта окислителя с водой.

Блок напорной фильтрации с каталитической загрузкой при условии предварительного дозирования в исходную воду раствора гипохлорита натрия позволяет эффективно удалить из неё железо и марганец. Работа блока напорной фильтрации организована в одну ступень (параллельное расположение фильтров). Промывка напорных фильтров осуществляется обратным потоком исходной воды. По оценкам специалистов частота проведения обратной промывки напорных фильтров (при непрерывной работе) определяется совокупностью условий эксплуатации мобильной ВПУ.

Перед подачей воды на стадию обратного осмоса необходимо провести её коррекционную обработку путём введения химических реагентов в расчётных дозах. Для предотвращения образования осадка нерастворимых солей жесткости на рабочей поверхности мембран предусматривается блок дозирования антискаланта «ЭнергоСофт», а для нейтрализации остаточного активного хлора (который может существенно снизить срок эксплуатации мембран за счет негативного воздействия на активный слой тонкой полиамидной мембраны) – блок дозирования водного раствора метабисульфита натрия. Следует отметить, что дозирование антискаланта «ЭнергоСофт» является самым экономичным решением проблемы осадкообразования на мембранах, т.к. уже в микродозах (0,3-0,5 мг/л) этот реагент позволяет предотвратить обрастание мембран осадками солей жесткости (сульфатами и карбонатами) [2].

Одной из довольно распространенных проблем водоподготовительных установок, эксплуатирующихся в периодическом режиме, является образование и рост микрофлоры на стенках трубопроводов и основного оборудования. К сожалению, отсутствие постоянного протока воды не позволяет избежать подобного нежелательного процесса. Поэтому для предотвращения образования микрофлоры и снижения вероятности биообрастания мембран перед подачей воды на вход блока обратного осмоса предусматривается проточный ультрафиолетовый облучатель. Обеззараживание воды осуществляется за счёт воздействия на микроорганизмы бактерицидного ультрафиолетового излучения с длиной волны 254 нм.

Перед непосредственной подачей в мембранные обратноосмотические модули предварительно подготовленная вода пропускается через блок микрофильтрации на с патронными фильтроэлементами (тонкость фильтрации– 5 мкм), который обеспечивает удаление микровзвесей. В результате реализации комплексной системы предподготовки качество воды удовлетворяет требованиям, предъявляемым к питательной воде для обратного осмоса.

Высокоселективные мембраны установки обратного осмоса позволяют существенно снизить общее солесодержание (минерализацию) воды и подготовить её должным образом для финишной деионизации. Технология обратного осмоса, реализованная в мобильной ВПУ, представлена двухступенчатой системой. Поступающая на блок обратного осмоса вода двукратно проходит через мембрану по схеме: исходная воды – пермеат первой ступени – пермеат второй ступени. При этом пермеат первой ступени обратного осмоса является исходной водой для второй ступени обратного осмоса, а концентрат второй ступени направляется в бак исходной воды.

Степень извлечения пермеата (соотношение потоков очищенной и исходной воды, выход продукта, степень конверсии) на первой ступени обратного осмоса обычно лежит в диапазоне 60-80%. Оценка является интервальной по причине того, что данный критерий может быть изменен пользователем в ходе эксплуатации при соответствующем изменении качества исходной воды. Степень извлечения пермеата на второй ступени обратного осмоса, как правило, может быть доведена до 85-90%.

Необходимо также иметь в виду, что степень извлечения пермеата на первой ступени обратного осмоса существенно зависит от того, каким способом заказчик планирует утилизировать концентрат первой ступени. Если концентрат планируется сбрасывать в ливневую канализацию, то его общее солесодержания не должно превышать 1 г/л (в хозяйственно-фекальную – 2 г/л). В случае использования артезианской воды в качестве исходной, требование по солесодержанию концентрата может существенно снизить максимально допустимую степень извлечения пермеата. Напротив, если для заказчика приоритетной задачей является минимизация объёма образующихся стоков (концентрата), степень извлечения пермеата максимально увеличивается, однако появляется необходимость решения вопроса вывоза и утилизации рассола (концентрата).

Для достижения максимально возможной степени обессоливания исходной воды между ступенями обратного осмоса осуществляется подщелачивание пермеата первой ступени. Это позволяет сместить равновесие угольной кислоты в воде в область преимущественного существования гидрокарбонатной формы, которая, в отличие от растворённого в воде углекислого газа и угольной кислоты, гораздо лучше задерживается обратноосмотическими мембранами. Подщелачивание пермеата первой ступени обеспечивается дозированием гидроксида натрия.

Таблица 2. Качество деионизованной воды.

Наименование компонента

Единица измерения

Значение

Электропроводимость H-катионированной пробы

мкСм/см

≤ 1,0-1,5

Кремнекислота

мг/л

≤0,1

Натрий

мг/л

≤0,1

Пермеат второй ступени в количестве 6,0 м3/ч через накопительную емкость насосами подается на ионообменную доочистку на фильтрах смешанного действия. Готовый продукт (деионизованная вода) поступает в накопительную емкость, откуда подается на впрыск в камеру сгорания газогенератора ГТЭС. Качество деионизованной воды, полученной при эксплуатации мобильных ВПУ, приведено в табл. 2.

Рис. 3. Размещение оборудования мобильной ВПУ в блок-боксе.

Комплект оборудования, соответствующий разработанной технологии, был размещён в блок-боксе (мобильном контейнере) «северного» исполнения. Габариты мобильной ВПУ: 12000х2490х2500 мм (ДхШхВ) позволяют осуществлять её транспортировку до места назначения автомобильным транспортом (на специальной платформе).

В мобильном контейнере были размещены технологические блоки и узлы, емкостное оборудование, насосные агрегаты, реагентное хозяйство и система управления на базе PLC производства Allen-Bradley с сенсорной жидкокристаллической панелью управления. Следует отметить, что все оборудование должно быть размещено компактно, но без ущерба для дальнейшей эксплуатации и технического обслуживания. Трехмерная модель сконструированной мобильной ВПУ в блок-боксе приведена на рис. 3.

Монтаж мобильной ВПУ по месту её временной эксплуатации осуществляется на основании из железобетонных плит, после чего производится подключение трубопроводов подачи исходной воды, отвода очищенной воды и сточных вод (концентрата установки обратного осмоса первой ступени, промывных вод фильтров и т.д.), а также электромонтаж (энергоснабжение и линии связи).

Заключение

Несмотря на пока ещё довольно небольшой опыт практической эксплуатации поставленных силами ООО «ГИДРОТЕХ» мобильных ВПУ для ГТУ, можно уже с уверенностью сказать, что с возложенными на подобные универсальные системы водоподготовки задачами они успешно справляются, что подтверждается высокой эффективностью и надежностью поставленного оборудования. В настоящее время специалисты ООО «ГИДРОТЕХ» приступили к проектированию стандартной мобильной водоподготовительной установки (в виде индивидуального контейнера стандартного типоразмера) для использования во всех климатических зонах, которая бы позволяла обеспечивать получение до 5 м3/ч воды требуемого для решения конкретных задач качества из исходной воды практически любого источника.