Термические деаэраторы принято классифицировать по рабочему давлению и по способу организации соприкосновения фаз.
По рабочему давлению выделяют следующие типы деаэраторов:
Вакуумные, работающие при абсолютном давлении в корпусе от 0,075 до 0,5 атмосфер;
Атмосферные, абсолютное давление в которых варьируется в диапазоне от 1,1 до 1,3 атмосфер;
Повышенного давления, работающие при абсолютном давлении от 5 до12 атмосфер.
Способ организации соприкосновения фаз определяется конструкцией деаэратора. Поскольку в одном и том же деаэраторе, как правило, применяется несколько отличающихся друг от друга по принципу действия деаэрационных устройств, современные деаэраторы являются обычно комбинированными. При этом выделяют следующие основные типы деаэрационных устройств (или отдельных элементов деаэраторов):
Струйные, в которых поверхность раздела фаз образована поверхностью свободно падающих в паровом потоке струй воды;
Барботажные, в которых греющий теплоноситель в виде паровых пузырей распределяется в потоке воды;
Пленочные, где поверхность раздела фаз образуется при пленочном течении воды в паровом потоке;
Капельные, в которых вода распределяется в паровом потоке в виде капель.
Поверхность раздела фаз может быть условно фиксированной, как, например, в пленочных деаэраторах с упорядоченной насадкой, либо нефиксированной, как в деаэраторах с неупорядоченной насадкой, струйных, капельных и барботажных. Область применения деаэраторов в тепловых схемах энергетических объектов, как правило, определяется рабочим давлением, деаэраторы повышенного давления применяются исключительно в качестве деаэраторов питательной воды тепловых электростанций высокого, сверхвысокого и сверхкритического начального давления пара;
Деаэраторы атмосферного давления используются в качестве деаэраторов питательной воды электростанций и котельных низкого и среднего начального давления пара, деаэраторов добавочной воды цикла теплофикационных электростанций (ТЭЦ) при большем начальном давлении пара, деаэраторов подпиточной воды тепловых сетей закрытого типа (реже- для теплосети открытого типа с использованием охладителей деаэрированной воды), деаэраторов питательной воды испарительных и паропреобразовательных установок электростанций;
Вакуумные деаэраторы применяются в качестве деаэраторов подпиточной воды тепловых сетей, в схемах испарительных и паропреобразовательных установок, реже - в качестве деаэраторов добавочной воды цикла электростанций и котельных.
Деаэраторы атмосферного давления
Наиболее распространенный тип атмосферного деаэратора - это струйно-барботажные деаэраторы. В таких деаэраторах применяется, как правило, двухступенчатая схема деаэрации, включающая струйную и барботажную ступени. Необходимо отметить, что под ступенью деаэрации принято понимать один или несколько включенных последовательно по воде деаэрационных элементов, работающих по одному принципу. Например, два расположенных один под другим струйных отсека относятся к одной струйной ступени.
Конструкции таких деаэраторов несколько отличаются друг от друга для аппаратов разной производительности из стандартного ряда. Большинство типовых конструкций струйно-барботажных атмосферных деаэраторов разработаны НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова. В настоящее время используются как устаревшие модели таких деаэраторов(типа ДСА), так и их современные аналоги(типов ДА иДА-м). Разработан стандартный ряд типоразмеров таких деаэраторов, отличающихся номинальной производительностью по деаэрированной воде: 1, 3, 5, 15, 25, 50, 100, 200 и 300 т/ч.
Атмосферные деаэраторы, как правило, состоят из деаэрационной колонки, установленной на горизонтально расположенном цилиндрическом деаэраторном баке. Деаэраторный бак в составе деаэратора выполняет две важные функции. Во-первых, он служит средством создания запаса деаэрированной воды для технологической схемы. Если, например, деаэратор используется в качестве деаэратора питательной воды паровых котлов низкого давления, то в деаэраторном баке необходимо создать запас воды для обеспечения бесперебойного питания этих котлов в аварийных ситуациях. Во-вторых, как показано выше, деаэраторный бак позволяет увеличить время выдержки воды при температуре, близкой к температуре насыщения, что способствует повышению эффективности деаэрации.
Применительно к аппаратам малой производительности (1 и 3 т/ч по деаэрированной воде) деаэратор может выполнять указанные функции и без деаэраторного бака, поскольку необходимый запас воды можно создать непосредственно в корпусе деаэрационной колонки, размеры которой не будут при этом слишком большими. В типовых конструкциях таких деаэраторов не выделяют деаэрационную колонку и деаэраторный бак, а говорят о корпусе деаэратора в целом. Такие деаэраторы называют бесколонковыми.
Деаэраторы большей производительности комплектуются деаэраторными баками различной вместимости. Отечественными энергомашиностроительными завода-ми выпускаются деаэраторные баки стандартных типоразмеров вместимостью 2, 4, 8, 15, 25, 35, 50 и 75 м 3 , причем каждый деаэраторный бак предназначен для деаэрационной колонки определенной производительности. Однако по запросу заказчика, как правило, возможны поставки выбранных деаэрационных колонок с баками другой вместимости из стандартного ряда.
Кроме деаэраторов, разработанных НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова, применяется ряд конструкций атмосферных деаэраторов, разработанных другими организациями. Среди таких деаэраторов отметим барботажный деаэратор конструкции Уралэнергометаллургпрома.
В настоящее время атмосферные деаэраторы выпускаются следующими основными отечественными заводами:
ООО «Нефтехиммаш оборудование», ОАО«Бийский котельный завод», ОАО«Сибэнергомаш», ОАО«Белэнергомаш», ЗАО«Теплоэнергокомплек», ОАО «ТКЗ- Красный котельщик», ОАО«Сарэнергомаш» .
Ниже рассмотрим основные конструктивные решения, используемые в деаэраторах атмосферного давления и элементах их обвязки: охладителях выпара и предохранительно-сливных устройствах.
Рассмотрим конструктивную схему бесколонковых деаэраторов производительностью 1 и 3 т/ч (рис.3.1), разработанных НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова.
Рис. 3.1. Конструктивная схема бесколонковых деаэраторов ДА-1 и ДА-3: 1 - штуцер подвода исходной воды; 2 - перфорированный водораспределительный коллектор; 3 - струеобразующая тарелка; 4 - водоприемный лоток; 5 - секционирующий порог струеобразующей тарелки; 6 - ограничительный порог струеобразующей тарелки; 7 - барботажное устройство; 8 - барботажный лист; 9 и 10 - перегородки; 11 - штуцер отвода деаэрированной воды; 12 - штуцер подвода греющего пара; 13 -паропровод; 14 - пароприемный короб; 15 - пароперепускное окно; 16 -паровпускное окно; 17 - входное окно встроенного охладителя выпара; 18 - штуцер отвода выпара; 19 - люк; 20 и 21 - штуцеры для подключения предохранительно-сливного устройства соответственно по пару и воде; 22 -дренажный штуцер.
энергетика десорбция барботажный гидродинамический
Деаэратор ДА-1 или ДА-3 представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд с эллиптическими днищами и размещенными внутри него деаэрационными устройствами.
Направляемая на деаэрацию вода поступает в деаэратор через штуцер 1 и перфорированный водораспределительный коллектор 2. Из отверстий водораспределительного коллектора 2 вода в виде струй стекает на струеобразующую тарелку 3, перфорированную в части, расположенной над водоприемным лотком 4. Струеобразующая тарелка 3 секционирована порогом 5 таким образом, что при малой гидравлической нагрузке вода стекает в виде струй в лоток 4 только через отверстия, расположенные до порога 5 по ходу движения воды. При увеличенной гидравлической нагрузке уровень воды на струеобразующей тарелке 3 повышается, вода переливается через порог 5 и в работу включаются все отверстия струеобразующей тарелки. Такое секционирование струеобразующей тарелки 3 выполнено для того, чтобы при малых гидравлических нагрузках деаэратора не возникало разверки («перекосов») между потоками воды и греющего пара, приводящих к ухудшению условий теплообмена и деаэрации. Максимальная гидравлическая нагрузка деаэратора ограничена высотой ограничительного порога 6: при повышенной гидравлической нагрузке уровень воды на струеобразующей тарелке увеличивается и если наступает перелив воды через порог 6, эффективность нагрева воды и деаэрации резко ухудшается.
В струйном потоке внутри лотка 4 происходит основной нагрев воды при контакте её с греющим паром и начинается процесс дегазации. Вода, сливающаяся из лотка 4 в виде потока в водяной объем деаэратора, при большинстве режимов работы деаэратора остается недогретой до температуры насыщения, соответствующей давлению в паровом пространстве деаэратора, и содержит газы как в растворенном, так и в дисперсном виде.
После определенной выдержки воды в водяном объеме деаэратора, длительность которой определяется гидравлической нагрузкой и уровнем воды в деаэраторе, вода поступает в барботажное устройство 7. Это устройство выполнено в виде канала прямоугольного сечения, ограниченного сверху и по бокам сплошными перегородками и имеющего в нижней части перфорированный барботажный лист 8. При барботировании пара через слой воды в барботажном устройстве 7 вода догревается до температуры насыщения, соответствующей давлению в барботажном устройстве. Это давление больше, чем давление в паровом пространстве деаэратора над поверхностью воды на величину давления водяного столба высотой Н, поэтому и температура воды в барботажном устройстве становится больше температуры насыщения при давлении пара над поверхностью воды в деаэраторе. В барботажном устройстве 7 из-за достижения водой температуры насыщения большая часть растворенных газов переходит в дисперсное состояние в виде мелких газовых пузырьков, здесь же происходит частичное термическое разложение гидрокарбонатов и гидролиз карбонатов с образованием свободного диоксида углерода, который, в свою очередь, также переходит в дисперсное состояние.
Покинув барботажное устройство 7, вода в смеси с несконденсированной частью греющего пара поступает в канал, образованный перегородками 9 и 10 и движется по этому каналу вверх. При этом движении давление среды непрерывно уменьшается от давления в барботажном устройстве до давления пара над поверхностью воды в деаэраторе. Соответственно вода, оказывающаяся перегретой относительно температуры насыщения, вскипает в объеме, что сопровождается переходом большей части еще находящихся в растворенном виде газов в дисперсное состояние. В верхней части водяного объема происходит разделение фаз: вода переливается через перегородку 10 и опускается в сторону штуцера отвода деаэрированной воды 11, а пар с выделившимися из воды газами движется в сторону струйной ступени деаэрации.
Необходимо отметить, что проскок пароводяной смеси из барботажного устройства 7 непосредственно в штуцер отвода деаэрированной воды 11 маловероятен. Поток среды в зазоре между перегородками 9 и 10 из-за присутствия пара имеет меньшую плотность, чем поток воды, опускающийся в канале, образованном перегородкой 10 и стенкой корпуса, что обуславливает только подъемное движение среды между перегородками 9 и 10. Между тем, зазор между перегородкой 10 и корпусом в нижней части необходим для обеспечения возможности некоторой циркуляции воды вокруг перегородки 10. Такая циркуляция увеличивает кратность обработки воды паром и увеличивает располагаемое время процесса деаэрации, что повышает эффективность удаления из воды газов.
Весь греющий пар подается в деаэратор через штуцер 12 и по паропроводу 13 поступает в пароприемный короб 14 под барботажный лист 8.Под барботажным листом 8 при этом создается паровая подушка, исключающая провал воды через отверстия барботажного листа. Такие барботажные листы называются непровальными.
Здесь целесообразно остановиться подробнее на предельном режиме работы непровального барботажного листа - режиме «захлебывания» или инжекционном режиме. Если скорость пара в отверстиях листа слишком велика, пар, выходящий из отверстий барботажного листа, захватывает всю жидкость, дробит её и уносит в виде брызг. Именно по этой причине максимальное давление пара под барботажным листом необходимо ограничивать. В рассматриваемых деаэраторах ДА-1 и ДА-3 с этой целью в перегородке 9 выполнено пароперепускное окно 15, байпасирующее часть пара помимо отверстий барботажного листа8 при увеличении давления пара под этим листом сверх необходимого для эффективной работы барботажного устройства.
После разделения воды и парогазовой смеси в верхней части канала, образованного перегородками 9 и 10, эта смесь поступает через паровпускное окно 16 в струйный отсек деаэратора, где большая часть пара конденсируется, нагревая поток воды. Оставшаяся часть пара в смеси с газами омывает струеобразующую тарелку 3 и поступает во встроенный контактный охладитель выпара. Охладитель выпара представляет собой струйный поток воды, вытекающий из водораспределительного кол- лектора 2, сквозь который проходит парогазовая смесь, поступающая через окно 17. Здесь водяной пар дополнительно конденсируется на струях относительно холодной воды. Оставшаяся малая часть пара и неконденсируемые газы отводятся из деаэратора через штуцер отвода выпара 18.
Деаэраторы ДА-1 и ДА-3 оборудуются люком 19, обеспечивающим доступ внутрь корпуса для его осмотра и ремонта, а также штуцерами 20 и 21 для подключения предохранительно-сливного устройства и дренажным штуцером 22.
Атмосферный деаэратор производительностью от 5 т/ч и более (рис. 3.2) состоит из деаэрационной колонки 7, установленной на деаэраторном баке 10. Колонка включает несколько (в данном примере два) струйных отсека, образуемых ниже верхней 8 и нижней 9 перфорированных тарелок, а также может быть дополнена барботажным листом. Вода, подлежащая деаэрации, подается через систему водо-распределения на верхнюю струеобразующую тарелку 8, откуда стекает на расположенную ниже тарелку 9 и далее - на барботажный лист (при его наличии) или непосредственно в деаэраторный бак (как в рассматриваемом примере). Струйные тарелки имеют специальные пороги, обеспечивающие поддержание некоторого уровня воды на них, а также перелив воды помимо струйной зоны при переполнении тарелок. Барботажные листы обычно выполняют непровальными (динамическое воздействие парового потока не позволяет воде «провалиться» через отверстия листа), поскольку работа провального барботажного листа эффективна лишь в узком диапазоне расходов воды и пара через него.
Рис.3.2.
1 - подвод воды; 2 - охладитель выпара; 3, 6 - выпар а атмосферу; 4 - подвод стороннего конденсата(например, конденсата пара производственных отборов турбоагрегатов); 5- регулятор уровня; 7 - деаэрационная колонка; 8, 9 - верхняя и нижняя струеобразующие тарелки; 10 - деаэраторный бак; 11 - предохранительно-сливное устройство; 12 - подвод барботажного пара; 13 - приборы контроля давления; 14 - регулятор давления; 15 - подвод основного пара; 16 -отвод деаэрированной воды; 17 - указатель уровня; 18 - дренаж; 19 - подвод горячего конденсата.
Пар подается обычно в надводное пространство деаэраторного бака (и называется в этом случае основным паром 15), вентилирует его, обеспечивая удаление выделившихся из воды в баке газов, и попадает в деаэрационную колонку. Здесь пар взаимодействует с нисходящим потоком воды, обеспечивая её нагрев и деаэрацию.
Выпар, содержащий выделившиеся из воды газы и водяной пар, отводится из деаэратора в атмосферу через патрубок 6 или на охладитель выпара 2, где тепловой потенциал этого потока используется, например, для подогрева исходной воды перед деаэрационной колонкой. В этом случае из парового пространства охладителя выпара осуществляется газовая сдувка 3. Возможно дополнение указанной конструкции барботажным устройством деаэраторного бака. Наиболее часто применяются устройства системы ЦКТИ (в данном примере) либо перфорированные барботажные коллекторы, смонтированные на дне бака вдоль его образующих. Барботажный пар 12 подается при этом через специальный трубопровод, поскольку давление этого пара должно быть больше давления основного пара минимум на величину давления столба воды в деаэраторном баке. Деаэратор оборудуется предохранительно-сливным устройством 11; уровнемерными стеклами 17; патрубками подключения деаэратора к паровой и водяной уравнительным линиям;дренажным трубопроводом 18; патрубком отвода деаэрированной воды 16.
Опыт эксплуатации атмосферных деаэрационных установок показывает, что независимо от причины ухудшения эффективности деаэрации воды, использование парового барботажа в водяном объеме деаэраторного бака позволяет эту эффективность повысить.
Даже если деаэрационная колонка обеспечивает требуемое качество деаэрированной воды, то барботажное устройство деаэраторного бака работает как барьерное, уменьшающее вероятность проскока в деаэрированную воду растворенных газов и расширяющее допустимый диапазон изменения гидравлической и тепловой нагрузок деаэратора при сохранении требуемого качества деаэрированной воды. В этом случае паровой барботаж в деаэраторном баке обеспечивает некоторый перегрев воды относительно температуры насыщения и тем самым защищает воду от повторного заражения газами.
Кроме того, необходимо помнить, что оставшаяся в воде после деаэрационной колонки часть газов содержится в дисперсной форме и представляет собой множе- ство мельчайших газовых пузырьков, размеры которых настолько малы, что не обеспечивают их самостоятельного всплытия за счет действия выталкивающей силы. В деаэраторе без барботажа в водяном объеме бака эти пузырьки попадут в деаэрированную воду. Паровой барботаж, обеспечивающий интенсивное перемешивание и турбулизацию объема воды в баке, способствует выделению из воды части газов, находящихся в дисперсной форме, повышая эффективность деаэрации в целом.
Таким образом, затопленное барботажное устройство деаэраторного бака часто оказывается необходимым даже при использовании современных двухступенчатых деаэрационных колонок.
Рассмотрим, в качестве примера, барботажное устройство системы ЦКТИ (рис. 3.2.).
Рис. 3.2. Принципиальная схема барботажного устройства деаэраторного бака системы ЦКТИ: 1 - барботажный лист; 2 - верхняя полка; 3 - шахта подъемного движения; 4 - отвод деаэрированной воды; 5 - деаэрационная колонка; 6 - деаэраторный бак; 7 - подвод барботажного пара; 8 - подвод основного пара; сплошные линии-направление движения воды; пунктирные линии - направления движения пара
Вода проходит через канал, образованный поверхностью барботажного листа 1 и верхней полкой 2, и при этом движении обрабатывается паром, выходящим из отверстий барботажного листа. Пароводяная смесь, выходя из канала, поступает в специально организованную шахту подъемного движения 3, в верхней части кото-рой пар и выделившиеся из воды газы отделяются от воды и отводятся в надводное пространство деаэраторного бака и смешиваются с потоком основного пара, а вода опускается в водяном объеме бака к патрубку отвода деаэрированной воды 4.
Собственно деаэраторные баки (см. пример на рис. 3.4) представляют собой горизонтально расположенные цилиндрические сосуды с эллиптическими, реже коническими, днищами, устанавливаемые на двух опорах. Причем для баков полезной емкостью 25 м 3 и более одна из опор является подвижной (роликовой), обеспечивающей компенсацию температурных расширений бака при пусках и остановах деаэратора. Баки полезной емкостью 8 м 3 и более оборудуются специальными пояса-ми, обеспечивающими требуемую жесткость корпуса.
Рис. 3.4. Общий вид деаэраторного бака полезной емкостью75 м 3: А - штуцер под деаэрационную колонку; Б - штуцер подключения предохранительно-сливного устройства по пару; В- штуцер подвода основного пара; Г- дренажный штуцер; Д- штуцер отвода деаэрированной воды; Е- штуцер подключения предохранительно-сливного устройства по воде; Ж- штуцеры для подключения указателя уровня; С- штуцер для сброса от сепаратора непрерывной продувки котла; Т- штуцер для ввода питательной воды из линии рециркуляции питательных насосов; У- штуцер ввода перегретых конденсатов; Ф- штуцер для ввода паровоздушной смеси из парового пространства подогревателей; Ц- штуцер подвода пара к затопленному барботажному устройству деаэраторного бака; Ч- резервный штуцер
Колонки сочленяются с деаэраторными баками, как правило, с помощью сварки. В конструкциях современных деаэраторов колонка располагается около одного из торцов деаэраторного бака, отвод деаэрированной воды из бака осуществляется со стороны противоположного торца. Этим достигается максимально возможное при заданных геометрических характеристиках время выдержки воды в деаэратор- ном баке при температуре, близкой к температуре насыщения, и соответственно наибольшая эффективность деаэрации.
Деаэраторные баки оборудуются люком, обеспечивающим доступ внутрь бака его для осмотра и ремонта, а также осмотра и ремонта нижних устройств деаэрационной колонки, штуцерами для подключения предохранительно-сливного устройства по пару и воду (последний монтируется внутри бака и оканчивается переливной воронкой, высота расположения верхней кромки которой определяет предельный уровень воды в баке). Предусмотрены штуцеры для подключения деаэратора к паровой и водяной уравнительным линиям, необходимым при параллельной работе нескольких деаэраторов, штуцер отвода деаэрированной воды, подвода основного и барботажного пара, дренажный штуцер, а также ряд штуцеров для сброса высокопотенциальных потоков, температура которых больше, чем температура насыщения при рабочем давлении в деаэраторе, или ввода потоков уже деаэрированной воды. Если перегретые относительно температуры насыщения в деаэраторе потоки направить не в деаэраторный бак, а в деаэрационную колонку, то образующийся при их вскипании пар может нарушить нормальную вентиляцию парового пространства деаэратора, что, в свою очередь, приведет к ухудшению эффективности деаэрации воды.
Деаэраторы этого типа имею производительность от 5 до 300 т/ч деаэрированной воды.
Основными устройствами деаэратора являются деаэрационная колонка 7 и бак - аккумулятор 12, в которых производится двух ступенчатая дегазация воды (рис.73).
Вода подается на верхнюю дырчатую тарелку 8 и в виде потока струй стекает с нее на барботажную тарелку 9 с отверстиями. На тарелке с помощью порога переливной перегородки постоянно поддерживается слой воды, через который проходит пар. Нагретая и частично дегазированная вода сливается на сливную дырчатую тарелку 10, которая преобразует поток воды в поток струй. Подогретые паром, который движется навстречу, струи воды поступают в деаэраторный бак 12.
Рис.73. Схема двухступенчатого деаэратора с колонкой типа ДА
производительностью 5 – 100 т/ч:
1 – ввод воды; 2 – охладитель выпара; 3, 6 – выхлоп в атмосферу; 4, 15 – подвод основного и горячих конденсатов; 5 – регулятор уровня; 7 – деаэрационная колонка; 8 – верхняя тарелка; 9 – барботажная тарелка; 10 – сливная тарелка; 11 – подвод пара в барботажное устройство; 13 – предохранительное устройство; 14 – барботажное устройство; 16 - манметр; 17 – регулятор давления; 18 – подвод греющего пара; 19 – отвод деаэрированной воды; 20- охладитель проб воды; 21 – указатель уровня; 22 – дренаж.
Внутри бака в противоположной стороне от колонки расположено барботажное устройство 14. По трубе 11 пар поступает в барботажное устройство, смешивается с водой и нагревает ее до кипения. Так как плотность пароводяной смеси в барботажном устройстве меньше плотности воды, внутри бака устанавливается циркуляция воды, обеспечивающая длительный контакт воды с паром, равномерный нагрев всего ее объема до кипения, высокую степень распада бикарбоната натрия и как следствие всего – качественную дегазацию воды.
Пар в барботажном устройстве не весь превращается в конденсат. Остаток его выходит из воды, смешивается с потоком греющего пара и поступает в колонку. Подача греющего пара в деаэратор производится через регулятор давления 17, который поддерживает давление пара на уровне 0,12 ±0,005 МПа.
В колонке пар, в основном, конденсируется, отдавая свою теплоту воде. Оставшийся пар в смеси с газами выходит из деаэратора и охлаждается в охладителе выпара 2, подогревая поступающую в деаэратор умягченную воду.
Расход умягченной воды регулирует регулятор уровня 5. Визуальный контроль за уровнем производится с помощью указателя уровня, состоящего из двух стекол.
Если в деаэратор поступает конденсат, температура которого выше температуры насыщения в деаэраторе (104 0 С при давлении 0,12 МПа), то он вводится в бак через патрубок 15. Такой конденсат вскипает в баке с образованием некоторого количества пара, что позволяет уменьшить расход греющего пара. Менее горячий конденсат (например, конденсат с сетевых подогревателей с температурой 80 – 85 0 С) вводится на верхнюю тарелку колонки. Низко потенциальный пар, например, из сепаратора непрерывной продувки, вводится только в бак деаэратора.
Предохранительными устройствами атмосферных деаэраторов служат гидравлические затворы (выкидные устройства) высотой около 6 м, подключаемые к паровому пространству бака–аккумулятора. Гидрозатворы являются комбинированными устройствами, что позволяет им защищать деаэратор от чрезмерного избыточного давления, от вакуума и от перелива воды (рис.74).
Рис. 74. Схема комбинированного предохранительного устройства деаэратора:
1 –переливной гидрозатвор; 2 – подвод воды из деаэратора; 3 – расширительный бачок; 4 – слив воды; 5 – выхлоп в атмосферу; 6 – труба для контроля залива; 7 – подвод химочищенной воды для залива; 8 – подвод пара из деаэратора; 9 – гидрозатвор от повышения давления; 10 – дренаж.
Максимальное давление, при котором срабатывает предохранительное устройство, составляет 0,17 МПа. В переливной гидрозатвор вода поступает через переливную воронку, установленную внутри бака на максимально допустимом уровне воды. Для аварийного сброса воды применяются также сигнализаторы уровня с электромагнитным клапаном на дренажной линии.
Для того чтобы добиться долговечности и качества работы гидравлической системы необходимо использовать деаэратор. Он применяется во всех котельных, так как налаживает стабильную и правильную работу системы. В нашей статье рассмотрим подробнее, что такое деаэратор в котельной.
Что такое деаэратор и для чего он применяется в котельной
Деаэрация - это процесс очищения жидкости от различных примесей. Например, от углекислого газа и кислорода. Для организации системы водоподготовки в котельной обязательно используют деаэратор. Он помогает улучшить качество работы.
Первым способом является химическая деаэрация. В таком случае в воду добавляют реагенты, вследствие чего из воды удаляются лишние газы. Второй способ называется термическая деаэрация. Воду нагревается до кипения до тех пор, пока она не очистится от газообразных веществ, которые в ней растворились.
Деаэраторы разделяют на атмосферные и вакуумные. Первые применяют с водой или паром. А вакуумные только с паром.
Деаэраторы обладают общим двухступенчатым устройством. Таким образом, в бак попадает вода, где она протекает через мембраны, а затем очищается от примесей. Химическая вода, которая находится в баке, не дает образовываться различным естественным примесям в теплоносителе.
Деаэраторы бывают пониженного и повышенного давления. Так как кислород и углекислый газ относятся к агрессивным газам, то они способствуют образованию коррозии в трубопроводах, а также изнашивают их. Для того чтобы этого не происходила необходимо перед подачей воды по трубопроводам ее подготовить. Именно для этого используют деаэрирущие фильтры.
Из-за загазованности воды возникают различные неисправности в системе. Некоторые из них могут привести к утечке воды или газа или вовсе вывести систему из строя. Наличие газовых пузырей в воде приводит к некачественной работе насосов, форсунков и ухудшает функции гидравлической системы. Установить деаэратор в котельной выйдет дешевле, чем часто ремонтировать систему.
Деаэрация воды в паровой котельной
Деаэрация воды в паровой котельной необходима для защиты всей парогенераторной системы и трубопроводов. При наличии вредных примесей система будет изнашиваться и начнет подвергаться коррозии.
Газообразные и естественные примеси могут вызвать кавитацию насоса. А она в свою очередь может привести к гидравлическим ударам и нарушит работу насосного режима. В худшем случае может произойти разрыв гидравлической системы или вовсе насосы перестанут работать.
Деаэратор, который применяется для парового котла, имеет вид бака со специальными мембранами и тарелками. Они устроены вертикально на емкости для воды. Под маленьким давлением вода поступает из подающей линии в бак, затем протекает через мембраны и тарелки и таким образом происходит очищение от примесей.
Иногда в паровых котельных применяют распылительные деаэраторы. В них вода распыляется таким образом, чтобы примеси сразу уходили в выпар.
Система повышенного давления
Систему повышенного давления применяют для котлов с высокой мощностью. Они подают много пара, а также обеспечивают необходимый температурный режим для централизованной отопительной системы под высоким давлением. Для функционирования системы требуется давления свыше 0,6 Мпа.
Такая установка является термической также как и деаэратор пониженного давления. Это означает, что при повышении температурного режима воды и подачи пара происходит освобождение системы от газообразных примесей.
В систему устанавливают гидрозатворы. Они понижают давление в случае его повышения.
Система пониженного давления
Для системы пониженного давления в основном применяют установки атмосферного и вертикального типа, которые оснащены барботажным дополнительным баком. Через него происходит выпар.
В основном баке системы химически подготовленная смесь смешивается с водой, затем она протекает через мембраны и тарелки и затем происходит отделение всех примесей.
Котельные, которые обеспечивают горячим водоснабжением, нуждаются в вакуумной термической системе. Так как для такой котельной лучше всего подходит дегазация вакуумом. Такая система используется для очистки воды в водонагревательных котлах.
В зависимости от того какой необходим режим подачи пара для паровых котлов применяются деаэраторы повышенного или пониженного давления. Для менее мощных котельных, которые обеспечивают невысокий температурный режим, который подходит для центрального отопления, используют установку с пониженным давлением. Оно может быть 0,025-0,2 Мпа.
Правильная эксплуатация
Для качественной работы котла и для предотвращения аварийных ситуаций необходимо правильно использовать деаэратор и всю систему. Для этого необходимо поддерживать воду в баке на определенном уровне при понижении давления, проверять условия требуемого режима, соблюдать все правила использования и проверять работу приборов более 1 раза за смену.
В химической воде необходимо правильно добавлять вещества, а также вести контроль их уровня. Проверять качество химической воды.
Гидрозатворы должны обладать легким ходом. В случае повышения давления ими нужно воспользоваться без каких-либо помех. Все устройства должны быть аттестованы метрологически и проверены. Они должны соответствовать предварительно установленным графикам. За уровнем воды можно следить при помощи специального водоуказательного стекла. Не стоит забывать про контроль показаний манометра.
Все приборы автоматики должны работать исправно для правильно работы деаэратора. Необходимо проверять работу автоматов и приборов. Для этого проводят регулярные осмотры и проверки.
Деаэратор выступает в роли защиты для всей котельной системы. Поэтому каждая котельная оснащена такой установкой.
Так как кавитация приводит к выходу из строя насоса и гидравлической системы, то деаэратор просто необходим в котельной. Такое устройство полностью очищает воду от всех примесей. Таким образом, система работает без каких-либо повреждений.
Непременным условием эффективной и экономичной эксплуатации атмосферных деаэраторов является их грамотная настройка. О том, каким требованиям должна удовлетворять работа деаэраторов, и как можно осуществить его настройку самостоятельно - наша статья.
Типичные нарушения в работе деаэраторов
На практике чаще всего встречаются 2 типичные ошибки регулирования работы атмосферных деаэраторов: работа без барботажа 1 и работа без деаэрационной колонки.Оба эти способа могут быть успешными в плане удаления растворенных газов, остаточное содержание которых предписано правилами. Но эффективность работы деаэраторов при таких режимах крайне низка из-за большого удельного расхода пара на деаэрацию.
Критерии и условия качественной работы деаэраторов
При деаэрации из 1 тонны воды обычно удаляется 6-7 граммов растворенных газов. Опытным путем установлено, что при эксплуатации атмосферных деаэраторов максимальное количество выпара не должно быть более 22 кг на тонну. Исходя из этого, выбирают сечение отводящего трубопровода и охладитель выпара. Оптимальным можно считать такой способ работы деаэратора, при котором автоматически обеспечиваются требуемые эксплуатационные параметры и в деаэрационной колонке, и в барботажном баке при минимально необходимом количестве выпара.Основные факторы, влияющие на качество работы деаэратора хорошо известны:
- расход воды и его стабильность;
- температура химочищенной воды;
- давление в деаэраторе;
- расход пара в деаэрационную колонку;
- расход пара на барботаж в баке;
- уровень воды в баке.
Принцип действия автоматической системы управления работой деаэратора
Сначала рассмотрим, как работает система автоматического управления в целом (рис. 1).При увеличении потребления пара растет расход питательной воды из бака деаэратора. При этом возникает отклонение ее уровня, измеряемого датчиком, от заданного значения. Регулятор уровня воздействует на регулирующий клапан подачи воды в колонку деаэратора, так что ее расход увеличивается и уровень восстанавливается. При этом шток клапана занимает новое положение, соответствующее большему расходу.
Рис. 1
Поступление в деаэрационную колонку большего количества холодной воды сопровождается интенсивной конденсацией пара, поступающего из парового пространства бака. В результате давление в паровом пространстве понижается. Это приводит к изменению управляющего воздействия в регуляторе давления прямого действия. При этом шток регулирующего клапана занимает новое положение, соответствующее большему расходу пара. Но давление в паровом пространстве, тем не менее, будет несколько ниже исходного. Так и должно быть при пропорциональном регулировании.
Как при этом изменится температура воды в баке (рис.2)? Очевидно, что она достаточно быстро понизится до нового значения, соответствующего установившемуся давлению в паровом пространстве. Это произойдет частично за счет поступления воды с более низкой температурой из колонки, частично за счет испарения небольшого количества аккумулированной в баке «перегретой» воды. Снижение температуры воды приведет к увеличению открытия клапана подачи пара на барботаж. Расход пара на барботаж увеличится, часть его сконденсируется в водяном объеме, а часть, пройдя паровое пространство, попадет в деаэрационную колонку.
Рис. 2
Теперь рассмотрим обратную ситуацию. Что произойдет при снижении нагрузки? В работе регулятора уровня и регулятора давления никаких особенностей не будет. Регулятор уровня восстановит его, уменьшая при этом расход воды, а регулятор давления уменьшит подачу пара в паровое пространство. Установившееся давление при этом будет несколько выше исходного, соответственно, несколько большей через некоторое время будет и температура воды. Ведь температура кипения (конденсации) однозначно связана с давлением. Пример изменения температуры в зависимости от нагрузки приведен на рис. 3.
Рис. 3
В отличие от регуляторов уровня и давления, результат действия регулятора расхода пара на барботаж может иметь неприятную особенность. И она напрямую связана с тем, насколько правильно он настроен. Дело в том, что при небрежной настройке заданная температура может оказаться меньше или такой же, как установившаяся при повышенном давлении. В этом случае произойдет не уменьшение подачи пара на барботаж, а его полное прекращение. В результате будет нарушен режим деаэрации.
Принцип действия автоматических регуляторов
Теперь рассмотрим, как работает каждый регулятор в отдельности. Начнем с регулятора давления, от которого зависит расход пара в деаэрационную колонку. Отметим только, что фактически он подает пар в паровое пространство бака. Из бака через импульсную трубку давление передается на мембрану привода регулятора. Таким образом осуществляется обратная связь. Пример расходной характеристики клапана прямого действия приведен на рис. 4.
Рис. 4
Этот регулятор имеет пропорциональную характеристику. При такой характеристике большей разнице между текущим и заданным значением параметра соответствует больший ход штока. Диапазон изменения заданного давления зависит от площади диафрагмы и диапазона пружины. Управляющее отклонение в нашем случае – разница между давлением 0,2 бар, соответствующем рабочему давлению в деаэраторе, и текущим давлением, соответствующим рабочей точке на расходной характеристике клапана. Регулятор реагирует на изменение давления практически мгновенно. Время задержки определяется в основном временем заполнения или опорожнения полости привода.
Теперь подробно рассмотрим, как работает регулятор расхода пара на барботаж. Будем называть его именно регулятором расхода, хотя обычно такая система используется в качестве регулятора температуры. Этот регулятор также имеет пропорциональную характеристику. Диапазон изменения задания зависит от объема жидкости в чувствительном элементе и ее коэффициента объемного расширения. При такой характеристике большей разнице между текущим значением температуры и ее заданным значением соответствует больший ход штока.
Управляющее воздействие в нашем случае будет определяться разницей между температурой, соответствующей рабочему давлению в деаэраторе (103-105 ºС), и температурой, заданной настроечной рукояткой. Но необходимо иметь в виду, что результат этого воздействия, в общем случае, имеет нелинейный вид. Поясним, в чем тут дело.
Полный ход штока толкателя составляет 10мм и соответствует изменению температуры жидкости в чувствительном элементе на 10ºС. Полный ход плунжера клапана, в зависимости от диаметра, составляет от 3 до 9мм. При этом при перемещении штока клапана от 0 до 20% расход возрастает от 0 до 75% полного расхода. Это особенность расходной характеристики клапана быстрого открытия. Таким образом, расход будет меняться линейно, только если текущее перемещение плунжера клапана не выйдет за пределы линейного участка расходной характеристики.
Другая особенность рассматриваемого регулятора – его инерционность. Дело в том, что для нагрева или охлаждения жидкости в чувствительном элементе требуется некоторое время. Его продолжительность, кроме прочего, зависит и от способа монтажа датчика. Наибольшее время задержки будет при использовании сухой гильзы. Наименьшее – при монтаже без защитной гильзы. При этом важно отметить, что в любом случае время задержки регулятора расхода существенно больше, чем у регулятора давления. Поэтому при совместной работе регуляторов их взаимное влияние не приводит к колебаниям режима.
На работе регулятора уровня остановимся кратко. Корректность его работы определяется соблюдением порядка действий по настройке, предписанных в инструкции. В результате настройки устанавливаются ПИД параметры, соответствующие интегральному критерию качества.
Условия успешного выполнения работ по настройке деаэратора
Обязательно нужно сказать о наиболее важных условиях, без выполнения которых любые попытки настройки работы деаэраторов подобны блужданию в потемках.- Для контроля результата работы деаэратора необходимо иметь надежный оксиметр (кисло-родомер) и PH-метр. Желательно, чтобы оксиметр работал в микрограммовом диапазоне и обеспечивал непрерывный контроль. 2
- Точки контроля должны быть оборудованы пробоотборниками. Наиболее подходят холодильники отбора проб проточного типа. Они должны обеспечить температуру пробы не выше 50ºС при расходе от 2 до 50 л/ч. Наличие нескольких пробоотборников существенно облегчает выполнение работ по наладке. Подводящие трубки должны быть металлическими, что исключает вторичное заражение кислородом. Использовать неметаллические трубки не рекомендуется.
- настроить регулятор расхода воды;
- настроить регулятор давления;
- настроить регулятор расхода пара на барботаж;
- откорректировать настройку регулятора давления и проверить диапазон изменения давления;
- откорректировать настройку регулятора расхода пара на барботаж;
- проверить работу деаэратора в режимных точках по показаниям оксиметра и PH-метра.
Деаэрационные установки
И КОНДЕНСАТНЫЕ НАСОСЫ
§ Типы, конструкции, схемы включения деаэраторов.
§ Материальный и тепловой балансы деаэратора.
§ Схемы включения питательных насосов, тип привода.
§ Схемы включения конденсатных насосов.
Воздух, растворенный в конденсате, питательной и добавочной воде, содержит агрессивные газы (кислород, углекислота), вызывающие коррозию оборудования и трубопроводов электростанции. Коррозия усиливается с повышением температуры и давления воды.
Кислород и свободная углекислота поступает в питательную воду с присосами воздуха в конденсатор и аппаратуру регенеративной системы, находящуюся под вакуумом, и с добавочной водой.
Для защиты от газовой коррозии применяют деаэрацию воды, т.е. удаление растворенного в ней воздуха, или дегазацию воды, т.е. удаление растворенного в ней агрессивного газа.
Для удаления растворенного воздуха применяют термическую деаэрацию воды, которая является основным методом удаления из воды растворенных газов. Кислород, оставшийся в воде после термической деаэрации, дополнительно обезвреживают, связывая его химическим реагентом (соединениями аммиака ).
Термическая деаэрация воды основана на следующем. По закону Генри – Дальтона равновесная концентрация растворенного в воде газа, мкг/кг, пропорциональна парциальному давлению этого газа над ее поверхностью и не зависит от присутствия других газов
где – коэффициент пропорциональности, зависящий от рода газа, его давления и температуры, мг/(кгּПа). Относительный состав газов при растворении воздуха в воде в соответствии с этим законом отличается от состава их в воздухе. Так, при температуре 0 о С и нормальном давлении вода содержит по объему кислорода 34,9 % (в воздухе 21 %), углекислого газа 2,5 % (в воздухе 0,04 %), азота и других недеятельных газов 62,6 % (в воздухе 78,96 %).
Концентрацию растворенного в воде газа можно выразить через равновесное парциальное давление:
Когда парциальное давление газа над поверхностью воды ниже равновесного < происходит десорбция (выделение) газа из раствора; если > , происходит адсорбция (поглощение) газа водой, при равенстве = наступает состояние динамического равновесия. Таким образом, чтобы обеспечить удаление из воды растворенного в ней газа надо понизить его парциальное давление в окружающем пространстве. Этого можно достигнуть заполняя пространство водяным паром. Процесс десорбции газа из раствора будет в этом случае сопровождаться подогревом воды до температуры насыщения. Движущей силой процесса десорбции газа является разность равновесного парциального давления газа в деаэрируемой воде и парциального давления его в паровой среде.
Абсолютное давление над жидкой фазой представляет собой сумму парциальных давлений газов и водяного пара:
.
Следовательно, необходимо увеличить парциальное давление водяных паров над поверхностью воды, добиваясь , и как следствие этого получить .
Питательная вода паровых котлов ТЭС согласно Правилам технической эксплуатации электростанций (ПТЭ) должна содержать кислорода менее 10 мкг/кг.
По сравнению с удалением О выделение из воды СО более сложная задача, так как в процессе подогрева воды количество углекислого газа увеличивается вследствие разложения бикарбонатов и гидролиза образующихся карбонатов.
Кроме удаления из воды растворенных агрессивных газов, деаэраторы служат также для регенеративного подогрева основного конденсата и являются местом сбора и хранения запаса питательной воды.
Термические деаэраторы паротурбинных установок электростанций делятся:
По назначению на:
1) деаэраторы питательной воды паровых котлов;
2) деаэраторы добавочной воды и обратного конденсата внешних по-
требителей;
3) деаэраторы подпиточной воды тепловых сетей.
По давлению греющего пара на:
1) деаэраторы повышенного давления (тип ДП, рабочее давление 0,6– 0,7 МПа, реже 0,8–1,2 МПа, температура насыщения 158–167 С и соответственно 170–188 С);
2) атмосферные деаэраторы (тип ДА, рабочее давление 0,12 МПа, температура насыщения 104 С;
3) вакуумные деаэраторы (тип ДВ, рабочее давление 0,0075 – 0,05 МПа, температура насыщения 40–80 С).
По способу обогрева деаэрируемой воды на:
1) деаэраторы смешивающего типа со смешением греющего пара и обогреваемой деаэрируемой воды. Этот тип деаэраторов применяется на всех без исключения ТЭС и АЭС;
2) деаэраторы перегретой воды с внешним предварительным нагревом воды отборным паром.
По конструктивному выполнению (по принципу образования межфазной поверхности) на:
1)деаэраторы с поверхностью контакта, образующейся в процессе движения пара и воды:
а) струйно-барботажные;
б) пленочного типа с неупорядоченной насадкой;
в) струйного (тарельчатого) типа;
2) деаэраторы с фиксированной поверхностью контакта фаз (пленочного типа с упорядоченной насадкой).
В вакуумных деаэраторах давление ниже атмосферного и для отсоса выделяющихся из воды газов требуется эжектор. Имеется опасность повторного «заражения» воды кислородом из-за присоса атмосферного воздуха в тракт перед насосом. Вакуумные деаэраторы применяются, когда требуется деаэрировать воду при температуре ниже 100 подпиточная вода тепловых сетей, вода в тракте химической подготовки). К ним относятся также деаэрационные приставки конденсаторов . Деаэрация воды осуществляется не только в деаэраторах, но также и в конденсаторах паровых турбин. Однако на пути от конденсатора до конденсатного насоса содержание кислорода может увеличиться за счет подсоса воздуха через сальники насосов и другие неплотности.
Атмосферные деаэраторы работают с небольшим избытком внутреннего давления над атмосферным (приблизительно 0,02 МПа), необходимым для самотечной эвакуации выделяющихся газов в атмосферу. Преимуществом атмосферных деаэраторов является минимальная толщина стенки корпуса (экономия металла).
В настоящее время атмосферные деаэраторы применяют главным образом для добавочной воды испарителей и подпиточной воды тепловых сетей.
Деаэраторы повышенного давления применяются для обработки питательной воды энергетических котлов с начальным давлением пара 10 МПа и выше. Применение деаэраторов типа ДП на ТЭС позволяет при более высокой температуре регенеративного подогрева воды ограничиться в тепловой схеме небольшим количеством последовательно включенных ПВД (не более трех), что способствует повышению надежности и удешевлению установки и благоприятно сказывается при эксплуатации ввиду меньшего сброса температуры питательной воды при отключении ПВД.
В деаэраторах перегретой воды вода поступает сначала в предвключенный поверхностный подогреватель, где вода, подлежащая последующей деаэрации, нагревается до температуры, превышающей на 5–10 С температуру насыщения при давлении в деаэраторе. Чтобы вода в подогревателе не закипела, давление воды должно быть на 0,2–0,3 МПа выше, чем в деаэраторе. При вводе в деаэратор давление воды снижается и вода вскипает, выделяя пар, который заполняет колонку.
Принцип предварительного перегрева с последующим вскипанием воды способствует улучшению качества деаэрации. Однако деаэраторы перегретой воды сложны по конструкции, недостаточно надежны, трудно регулируемы и поэтому в настоящее время у нас в энергетике не применяются.
Полезный для термической деаэрации принцип предварительного перегрева воды с последующим вскипанием реализуется в деаэраторах барботажного типа. В них пар вводится под уровень воды в аккумуляторе или в промежуточной емкости, располагаемой в колонке. За счет гидростатического подпора вводимый в слой воды пар имеет несколько повышенное давление по сравнению с давлением в паровом пространстве колонки. При контакте с водой в глубине слоя пар нагревает ее до температуры, превышающей температуру насыщения у поверхности. При движении воды, увлекаемой пузырьками пара вверх барботажного отсека вода вскипает и интенсивно выделяет растворенные газы.
В деаэраторах смешивающего типа греющий пар вводится в нижнюю часть колонки, заполняя ее, а вода в ее верхнюю часть. Поток воды дробится на капли, струи или пленки для увеличения поверхности контакта с паром и движется навстречу ему сверху вниз. Выделяющиеся из воды газы удаляются через линию выпара, расположенную в верху колонки.
Вместе с газами из колонки деаэратора удаляется некоторое количество пара, называемое выпаром. Обычно выпар составляет 1–2 кг, а при наличии в исходной воде значительного количества свободной или связанной углекислоты – 2–3 кг на одну тонну деаэрируемой воды. Выпар обусловливает дополнительную потерю теплоты и теплоносителя и из этих соображений должен быть минимальным.
Таблица 10.1
Свободная углекислота в воде после деаэратора должна отсутствовать, а показатель рН (при 25 ) питательной воды должна поддерживаться в пределах 9,1 0,1.
