Рабочие процессы деаэрационной установки и ее элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Аннотация

Abstract

Введение

1. Современные проблемы энергетики

1.1 Основные проблемы энергетики

1.1.1 Основные проблемы общества, связанные с энергетикой

1.2 Проблемы водоподготовки и деаэрации воды.

2. Теоретические основы термической деаэрации

2.1 Статика процесса десорбции в деаэраторах

2.2 Кинетика процесса десорбции

2.3 Принципы термической деаэрации воды

2.4 Источники поступления газов в цикл электростанции

3. Типы термических деаэраторов и область их применения

3.1 Деаэраторы атмосферного давления

3.2 Вакуумные деаэраторы

3.3 Деаэраторы повышенного давления

3.4 Особенности эксплуатации термических деаэраторов

4. Общие принципы проектирования и расчета деаэрационных установок

4.1 Тепловой расчет деаэратора

4.2 Расчет выделения (десорбции) кислорода

4.3. Гидродинамический расчет

4.4 Определение основных конструктивных размеров колонки и ее элементов

4.5 Расчет барботажных устройств деаэраторов

4.5.1 Тепловой баланс барботажного устройства

4.5.2 Гидродинамический расчет барботажного устройства

4.6 Расчет дегазации

5. Описание объекта исследования

5.1 Деаэрационная установка повышенного давления ДСП-500

5.2 Краткая техническая характеристика вакуумного деаэратора ВД-400

6. Рекомендации по повышению эффективности работы деаэрационных установок

6.1 Модернизация деаэратора с использованием различных современных насадочных колонн

6.2 Использование природного газа в качестве десорбирующего агента

7. Технико-экономический анализ

7.1 Расчет высоты насадочного слоя для деаэратора ДВ-400

7.2 Расчёт расхода пара на вакуумный деаэратор ВД-800

Заключение

Список литературы



Аннотация

В выпускной квалификационной работе рассмотрены вопросы, связанные с рабочим процессом деаэрационной установки и ее элементов. Проанализирована работа таких деаэраторов, как ДСП-500, ДВ-400 и ДВ-800 . Выполнены тепловые расчеты дегазации воды и деаэрационной колонны. Сделаны соответствующие выводы по результатам расчетов. Приведены некоторые рекомендации по улучшению работы вышеперечисленных деаэрационных установок.



Abstract

In the final qualifying paper discusses issues related to the working process of deaeration system and its elements. The operation of these deaerators as DSP-500, DV-400 and DV-800. Submitted thermal calculations of water degassing and de-aeration of the column. Corresponding conclusions by results of calculations. We present some recommendations to improve the work of the above deaeration installs.



Введение

Назначение большинства элементов тепловой схемы котельной общеизвестно. Входящий в состав котельной деаэратор, по своему назначению несколько отличается от остальных элементов схемы. С одной стороны его можно рассматривать, как промежуточный подогреватель смешивающегося типа, поскольку в него поступает горячий пар из отбора турбин и химочищенная вода, также различные потоки чистого конденсата с производства в том числе с конденсатоочистки. Однако основное назначение деаэратора - удаление агрессивных газов из питательной воды.

В воде конденсатно-питательного тракта могут присутствовать различные примеси: газообразные (кислород, углекислота, азот и т.п.), твердые (продукты коррозии конструкционных материалов), естественные (хлориды, кремнекислоты и другие).

Борьба с коррозией - одна из важнейших технологических и экономических задач. Основным профилактическим мероприятием, предотвращающим коррозию энергетического оборудования и трубопроводов, является деаэрация, завершающая стадия комплексного технологического процесса водоподготовки, предназначенная для удаления из питательной воды котлов растворенных коррозионно-активных газов.

При кажущейся физической простоте, процесс деаэрации довольно сложно организуем технологически. Для эффективной защиты от коррозии требуется удаление газов до очень низких остаточных концентраций: для котлов - до 0,08 % от начального значения, а для теплосетей - до 0,4 %, т.е. необходимо снизить количество растворенных газов в 250-1250 раз. Удаление из воды 90-95% газов, как правило, не представляет технической трудности. Однако в связи с тем, что скорость газоудаления значительно замедляется по мере снижения остаточной концентрации, именно оставшиеся в воде 5-10 % газов и приводят в буквальном смысле к разрушительным последствиям для теплоэнергетического оборудования и трубопроводов.

Продукты коррозии, а также некоторые естественные примеси (например, кальций и магний) выпадают в отложения на теплопередающих поверхностях, что приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи и возникновению под отложениями местных, наиболее опасных видов коррозионных повреждений.

Это снижает экономичность, надежность и безопасность работы котельной.

Из газовых примесей наибольшую опасность представляют кислород и углекислота.

Кислород и углекислота являются коррозионно-агрессивными агентами.

Для уменьшения коррозионных процессов, поверхности нагрева выполняются из коррозионно-стойких материалов -- латунных сплавов, нержавеющих аустенитных сталей и высоконикелевых сплавов.

Для того чтобы иметь возможность выполнять поверхности нагрева из более дешевых углеродистых сталей, необходимо удалить из воды коррозионно-агрессивные газы и, в первую очередь, кислород и углекислоту. Для этих целей применяют деаэрационную установку, делящую весь тракт от конденсатора до барабана сепаратора, на конденсатный и питательный тракты.

Множество существующих деаэрационных установок не удовлетворяют котельные по расходу и качеству деаэрирования. Деаэраторы морально устарели и содержат в себе технические недостатки, которые не позволяют добиться устойчивого газоудаления до требуемых норм в необходимом диапазоне нагрузок.

В выпускной квалификационной работе проанализирована работа различных деаэрационных установок, установленных на Астраханской ТЭЦ-2. Выполнены некоторые тепловые расчета процесса дегазации воды. Даны некоторые рекомендации по улучшению работы установки.

Возможно, рекомендации, приведенные в ВКР, позволят повысить качество питательной воды котлов, что в свою очередь продлит срок службы поверхностей нагрева котлов и оборудования станции, а также способствуют более экономичному проведению процесса термической деаэрации.



1. Современные проблемы энергетики

Каждое поколение должно ответить на вопрос, как обеспечить себе стабильное и экономически оправданное снабжение энергией как основу устойчивого развития цивилизации.

На сегодня основные проблемы энергетики связаны с возрастающим ростом народонаселения Земли, дефицитом энергии и ограниченностью топливных ресурсов, увеличивающимся загрязнением окружающей среды.

Современное энергоснабжение более чем на 80 % базируется на невозобновляемых источниках энергии.

Сейчас на планете живет приблизительно 7 миллиардов 392 миллионов людей. Население мира каждый год возрастает на 80 миллионов человек. По прогнозам специалистов, если такая тенденция сохранится, то количество жителей Земли в 2020 г. достигнет 9 миллиардов 200 миллионов человек. Причем основной рост населения будет в наименее развитых регионах[1].

1.1 Основные проблемы энергетики

Исключительная важность для современной цивилизации удовлетворения её потребностей в энергии нашла отражение во введении в обиход такой характеристики как «энергетическая безопасность», которая является одним из важных элементов национальной безопасности страны (наряду с военной, экономической, экологической, продовольственной и другими видами безопасности) [6].. В Энергетической стратегии России до 2030 г. (ЭС-2030) «энергетическая безопасность» трактуется как «состояние защищённости страны, её граждан, общества, экономики от угроз надёжному топливо- и энергообеспечению». Существует практически линейная зависимость от энергетического благополучия (выраженного, например, в кВт*ч электроэнергии, потребляемой одним её жителем в год) индекса человеческого развития - введённой ООН количественной характеристики состояния общества/государства [2].

В индексе учтены три основных параметра:

• ожидаемая средняя продолжительность жизни человека,

• образованность (грамотность взрослого населения и охват населения тремя ступенями образования - начальным, средним и высшим);

• материальный уровень жизни, определяемый величиной реального ВВП на душу населения, который пропорционален энергообеспеченности.

Для России индекс человеческого развития составляет 0,80 (60-е место из 173 стран), а для Норвегии - страны с наибольшим душевым потреблением энергии и с одним из самых высоких в мире жизненных стандартов, он достигает 0,98 (1-е место). Эксперты ООН, учитывая особую важность не только количественных, но и качественных показателей энергопотребления, рассматривают возможность введения в индекс человеческого развития ещё одного показателя - энергоёмкости единицы ВВП [3].

Россия предлагает мировому сообществу проект Конвенции по обеспечению глобальной энергетической безопасности, которую планируется обсудить на форуме АТЭС в 2012 г. Новая доктрина энергетической безопасности страны разрабатывается под эгидой Совета безопасности РФ. (Работа должна быть завершена до конца 2011 г.) [4].

Рассмотрим, в качестве примера, динамику мирового потребления первичной энергии (рис.1.1) .



Рис.1.1. Динамика мирового потребления первичной энергии (в британских тепловых единицах - BTU. 1 BTU = 252 кал.)

Весь ХХв. характеризовался быстрым ростом потребления первичных энергоресурсов и электрической энергии - суммарное мировое потребление энергии увеличилось в 15 раз, а душевое - в 4,4 раза. (Различие обусловлено увеличением численности населения от 1,6 до 6 млрд человек). Одновременно происходило освоение первичных источников энергии со всё более высоким энергосодержанием: каменного угля, нефти, газа, урана. Это послужило материальной основой научно-технического прогресса и обеспечило многократное увеличение производительности труда: в мире в среднем - в 4,5 раза, в Японии - в 15,5, в Норвегии - в 11,5, в Германии и США - в 5,6, в России - в 3,16.

Первое десятилетие нового столетия не внесло радикальных изменений в «энергетическую картину» мира, в сформировавшиеся тенденции . Продолжает возрастать потребление энергии, несмотря на периодически случающиеся экономические кризисы и вызванные ими кратковременные снижения энергопотребления (рис. 1.1.1) [5].



1.1.1 Основные проблемы общества, связанные с энергетикой

Можно говорить о трех основных проблемах в наибольшей мере влияющих на все стороны жизни человека и затрагивающих сами основы устойчивого развития цивилизации.

Этими тремя проблемами являются:

• дефицит энергоресурсов и электроэнергии;

• угроза благополучию окружающей среды вследствие техногенного воздействия объектов энергетики ;

• геополитические и социальные угрозы.

Первая проблема, связанная с исчерпаемостью (невозобновляемостью) основных на сегодня и на достаточно отдалённую перспективу энергетических ресурсов (из них сегодня вырабатывается более 80 % электроэнергии), усугубляется крайней неравномерностью их распределения по планете. Даже в рамках «большой восьмёрки» энергообеспеченность (отношение объёма наличных энергоресурсов к их потребному объёму) изменяется в пределах порядка величин, рис. 1.1.2.

Существуют 2 способа повышения энергообеспеченности: 1) поиск и освоение собственных энергоресурсов (невозобновляемых и возобновляемых); 2) энергосбережение и повышение энергоэффективности.

Энергодефицитные страны вынуждены тратить значительную часть своего ВВП на закупку энергоресурсов, что негативно влияет на экономику и социальную сферу. К тому же они оказываются уязвимыми для политических и социальных катаклизмов в странах-поставщиках энергоресурсов на мировой рынок.

Проблема энергоресурсов есть и у энергоизбыточных стран[6]. Речь идёт об опасности для них жить за счёт природной ренты. Сырьевая траектория развития экономики страны, привлекательная простотой реализации в начале, оборачивается опасной зависимостью от конъюнктуры на мировом энергетическом рынке, ослаблением стимулов инновационного развития.

Россия в последние десятилетия оказалась, фактически, в числе таких стран (рис 1.2.).

Рис. 1.2. Энергообеспеченность стран «большой восьмёрки» (отношение объёма наличных энергоресурсов к их потребному объёму)

Не случайно отказ от сырьевой модели развития экономики, переход на инновационный путь развития объявлены руководством страны и воспринимаются обществом важнейшей задачей.

Вторая проблема - экологическая - нарастает по мере роста масштабов энергетики. А эти масштабы и используемые энергетикой технологии на сегодня таковы, что более 50 % техногенных выбросов в атмосферу парниковых газов приходятся на объекты энергетики. Энергетика интенсивно загрязняет также литосферу и гидросферу. Потоки энергии в энергосистемах становятся соизмеримыми или даже превосходящими потоки энергии в крупномасштабных природных системах и процессах, табл. 1.1. [7].

Всё это негативно влияет на климат («парниковый эффект», сопровождающийся повышением температуры атмосферы) и на погоду . Техногенные аварии на энергетических объектах вследствие их огромных масштабов и мощностей стали приобретать черты техногенных катастроф. (Ближайшие примеры - аварии на нефтяной платформе в Мексиканском заливе и на японской АЭС «Фукусима-1»).

Таблица 1.1. Сопоставление мощностей потоков энергии природного и антропогенного характера

Выводы

• На сегодня основной проблемой в мировой энергетике является не недостаток энергоресурсов, а недостаток инвестиций. В XXI в. человечеству не грозит глобальная нехватка энергетических ресурсов при условии успешной реализации стратегий энергосбережения и энергозамещения, а также создания цивилизованного мирового рынка энергоресурсов и энергии.

• Наиболее вероятным представляется сценарий развития энергетики на основе использования всех или, по крайней мере, большинства уже известных на сегодня энергоресурсов и наиболее прогрессивных технологий их преобразования в электрическую и тепловую энергию. На ближайшие десятилетия не просматриваются ни новые источники энергии, ни принципиально новые способы получения электричества и теплоты.

• Более реальная угроза устойчивому развитию цивилизации исходит от нарастающего губительного техногенного воздействия на природную среду, в 0первую очередь, топливно-энергетического комплекса. В энергетике уменьшение ущерба природе должно осуществляться как за счёт энергосбережения, так и за счёт повышения экологической чистоты энергетических технологий.



1.2 Проблемы водоподготовки и деаэрации воды

Существует ряд проблем связанных с водоподготовкой и деаэрацией воды. Это наличие в воде, используемой в работе теплоэнергетического оборудования, различного рода загрязнений: примеси добавочной воды, вводимой в цикл для покрытия внутренних и внешних потерь пара и конденсата; присосы в конденсат пара охлаждающей воды в конденсаторах или сетевой воды в теплообменниках; примеси загрязненного конденсата; возвращаемого от внешних потребителей пара на ТЭЦ; примеси искусственно вводимые в пароводяной тракт для коррекции водного режима (фосфаты, гидразин, аммиак, другие разнообразные добавки); продукты коррозии конструкционных материалов, переходящие в теплоноситель. В зависимости от типа основного теплоэнергетического оборудования и условий работы вклад и влияние каждого из перечисленных источников загрязнения в суммарное загрязнение водного теплоносителя ТЭС могут значительно варьироваться (см. табл.1.2)[8].

Таблица 1.2. Характеристика загрязнений трактов ТЭС

Источники загрязнений	Характеристика загрязнений
Добавочная вода	В зависимости от схемы очистки может содержать в различных концентрациях соли натрия и аммония, кремниевую кислоту, соединения железа, органические вещества, растворенные газы.
Присосы охлаждающей воды	Все примеси природных вод в количестве, соответствующем удельному значению присоса.
Коррозия конструкционных материалов	Оксиды и ионы железа, меди, алюминия, хрома и других элементов.
Возвратный конденсат внешних потребителей пара на ТЭЦ	Оксиды железа, нефтепродукты, ионы кальция и магния, специфические загрязнения, определяемые типом пароиспользующего предприятия.



Растворенные в воде вещества вызывают те или иные неполадки в работе энергетического оборудования. В основном это связано с образованием в тепловых агрегатах накипных отложений и коррозии.

При большей щелочности и солесодержании имеет место вспенивание котловой воды и занос солей в пароперегреватель.

В настоящее время в котлах предусматриваются специальные сепарационные устройства, ступенчатое испарение, промывка пара и другие способы, способствующие получению чистого пара. Допускаемое конструкцией котла солесодержание в чистом и солевом отсеках оговаривается заводом-изготовителем в паспортных данных к котлу.

В теплофикационных водогрейных котлах кроме карбонатных отложений при подогреве воды выше 130 °С сильно снижается растворимость CaSO₄, что потребовало принять нормы качества подпиточной и сетевой воды, исключающие выпадение из раствора гипса (образующего очень плотные накипи).

В теплообменной аппаратуре, работающей при 25-50 °С возникают так называемые низкотемпературные отложения, основным компонентом которых является карбонат кальция (СаСО₃).

Образующиеся накипные отложения значительно снижают теплопроизводительность теплообменников (иногда требуется установка дополнительных), а также увеличивают потери напора в трубках.

В подогревателях горячего водоснабжения (подогрев воды до 70 °С), использующих недеаэрированную исходную воду, накипные отложения могут быть весьма велики, поэтому применение исходной воды без предварительной обработки ограничивается соответствующими нормами.

Наряду с карбонатными отложениями в теплообменной аппаратуре идет накопление продуктов коррозии. Довольно характерным является состав отложений, отобранных из подогревателей горячего водоснабжения (состав приводится в процентах): Са - 25,96; MgO - 1,97; Fe₂O₃ - 23,46; SiO₂ - 6,2; SO₃ - 0,42; потери при прокаливании составляют 36 %[9].

В современных котлах, особенно сжигающих высококалорийное топливо (газ, мазут), тепловой поток в экранных трубках может достигать 580-700 кВт/м² [500-600 Мкал/(м²·ч)]. Образование на внутренней поверхности нагрева незначительных по толщине (около 0,1-0,2 мм) малотеплопроводных отложений приводит к перегреву металла и, как следствие, к появлению отдушин, свищей и даже разрывов экранных труб.

Отложения, образующиеся непосредственно на поверхностях нагрева, принято называть первичной накипью; грубодисперсные частицы, находящиеся в объеме воды (шлам), впоследствии могут оседать на поверхности нагрева, образуя вторичные отложения (вторичная накипь).

Образование отложений на поверхности нагрева происходит вследствие протекания в нагреваемой среде процессов, связанных с образованием труднорастворимых веществ вследствие концентрирования солей при многократном упаривании в котле, питательной воды, а также понижения растворимости ряда веществ с повышением температуры.

По химическому составу накипи подразделяют:

а) на накипи щелочноземельных металлов, которые содержат ; ; ; . В зависимости от преобладающего аниона они разделяются на карбонатные, сульфатные, фосфатные и силикатные.

б) железнокислые и железнофосфатные накипи;

в) медные накипи.

Как уже отмечалось, карбонатная накипь образуется в теплообменниках, тепловых сетях, конденсаторах турбин и др. В условиях кипящей среды обычно выпадает в виде шлама.

Сульфатные накипи, как правило, образуют плотные отложения, прочно связанные с металлом.

Силикатные накипи сложны по своему составу (; ; и др.), а по своей структуре разнообразны и образуют плотные, пористые и комковые отложения.

Железоокисные накипи, состоящие в основном из магнетита (Fe₃O₄), отлагаются обычно в зоне высоких температур (экранные трубы).

Железофосфатные накипи [NaFePO₄; Fe₃(PO₄)₂] образуются при повышенном содержании в котловой воде железа, фосфата натрия и низкой ее щелочности.

В медных накипях содержится до 30 и более процентов меди с примесями окислов железа, соединений кальция и магния. Медь в накипи присутствует в виде металла и окислов. Такие накипи образуются в зонах высоких температур на стороне трубы, обращенной в топку.

Поступает медь в котел с питательной водой как продукт коррозии латуни и других медных сплавов конденсатного тракта.

Все материалы, из которых выполняется теплоэнергетическое оборудование, в силу своей природы подвергаются коррозии - разъеданию под воздействием среды.

При плохо налаженной деаэрации коррозии подвергаются трубопроводы, теплообменная аппаратура, аккумуляторные баки и другое оборудование.

Скопление продуктов коррозии на участках теплосети с малыми скоростями может привести к увеличению гидравлического сопротивления сети, снижению ее пропускной способности, забиванию коррозионными отложениями местных систем отопления[10].

Таким образом, примеси, попавшие в пароводяной тракт теплоэнергетических объектов, снижают надежность и повышают аварийность теплоэнергетического оборудования и тепловых сетей.



2. Теоретические основы термической деаэрации

Удаление из воды растворенных газов - важная часть комплексного технологического процесса обработки воды, реализуемого на ТЭС. Необходимость этого процесса вызвана стремлением уменьшить интенсивность коррозии внутренних поверхностей теплосилового оборудования под действием растворенных в теплоносителе агрессивных газов. Кроме того, наличие в воде растворенной углекислоты отрицательно сказывается на эффективности работы анионитных фильтров, установленных в схеме очистки добавочной воды.

Один из основных потоков, подвергаемых дегазации - питательная вода котлов. Однако растворенные газы удаляют и из потоков, не являющихся непосредственно рабочим телом. Такими потоками являются химически очищенная вода, подпиточная вода тепловых сетей, конденсат пара, возвращаемый в тепловой цикл станции от внешних потребителей, охлаждающая вода конденсаторов турбин.

Деаэрация воды представляет собой один из видов абсорбционного процесса, заключающийся в переносе веществ (газов) из жидкой фазы (воды) в газовую (паровую) фазу и называемый десорбцией. При этом удаление из раствора газа, не вступающего в химические реакции с его компонентами, носит название физической десорбции (случай десорбции из воды растворенного в ней кислорода). При наличии химических связей между газом и компонентами раствора процесс удаления этого газа называется хемосорбцией-десорбцией (случай удаления из воды диоксида углерода).

Во всех случаях перенос компонента из одной фазы в другую обусловлен разностью химических потенциалов его в обеих фазах. Процессы абсорбции и десорбции обратимы. Направление движения массы зависит от того, в какую сторону от состояния равновесия отклоняется состав газа и жидкости[11].



2.1 Статика процесса десорбции в деаэраторах

Статика десорбции (абсорбции) есть равновесие между жидкой и газовой фазами, которое устанавливается при очень длительном их соприкосновении (при неизменных давлении и температуре системы).Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами компонентов и, в конечном итоге, составом одной из фаз, температурой и давлением системы.

Статика процесса десорбции может быть описана константой фазового равновесия, представляющей собой отношение концентрации газа в газовой фазе к его концентрации в жидкой фазе. В общем случае константа фазового равновесия зависит от давления, температуры системы и концентрации компонента в жидкости.

Большинство присутствующих в технологических системах электростанции водных растворов газов являются бесконечно разбавленными. При описании статики десорбции для таких растворов применим закон Генри, выражаемый зависимостью вида:

р = mрх_х, (2.1)

где р - парциальное давление газа над раствором; х- молярная доля газа в растворе; mрх - константа фазового равновесия, называемая в этом случае коэффициентом Генри и имеющая размерность давления.

Коэффициент Генри определяется только температурой раствора и не зависит от количественного состава фаз и общего давления системы.

Из закона Генри следует, что для заданного парциального давления газа над раствором существует предельная(максимальная) концентрация этого газа в растворе. То есть существует предельная растворимость газа в растворе.

Растворимость газов в воде иногда оценивают по значению коэффициента абсорбции, который для данной температуры системы представляет собой объем газа в м³, приведенный к нормальным условиям(760 мм. рт. cт. ° С), который способен раствориться в 1 м³ воды. Характер изменения коэффициентов абсорбции чистой водой диоксида углерода и кислорода показан на (рис. 2.1).

В рассмотренном виде закон Генри справедлив для идеальных растворов газов. Бесконечно разбавленный раствор газа может считаться идеальным только в случае, если газ не образует химических связей с растворителем(например, случай растворения кислорода в воде). Если же газ в растворе находится в химически связанном состоянии(к примеру, случай растворения в воде диоксида углерода), закон Генри описывает состояние системы только приблизительно [12].

Сложность описания процесса хемосорбции-десорбции диоксида углерода обусловлена необходимостью учета многообразных форм, в которых углекислота содержится в водных растворах.

Рис.2.1 Коэффициенты абсорбции СО₂ (1), N₂ (2) и О₂ (3) водой кг/м³

При растворении диоксида углерода в дистилляте лишь часть молекул СО₂ (на уровне 0,2 - 0,3 %) подвергается гидратации с образованием молекул угольной кислоты:

СО₂ + Н₂О - Н₂СО₃.

Молекулы угольной кислоты подвергаются диссоциации по первой и второй ступени:

-по первой ступени:

Н₂СО₃ - Н+ + НСО₃-;

-по второй ступени:

НСО₃- - Н+ + СО₃₂- .

Приведенные уравнения показывают, что существует жесткая связь между различными формами угольной кислоты и концентраций ионов водорода(следовательно, и водородным показателем рН раствора). Эта связь наглядно может быть представлена на (рис 2.2).

Рис. 2.2. Зависимость соотношения молярных концентраций различных форм угольной кислоты от значения рН₂₅ водного раствора



Из диаграммы видно, что при рН₂₅ = 4,3 вся угольная кислота содержится в растворе в молекулярной форме (свободная углекислота- СО₂ и Н₂СО₃). С увеличением рН раствора доля молекулярных форм уменьшается; при этом соответственно увеличивается содержаниегидрокарбонат-ионовНСО3- . При значении рН₂₅ = 8,33 достигается минимальное содержание молекулярных форм углекислоты (менее 2 %). При дальнейшем увеличении рН свободный диоксид углерода отсутствует, но увеличивается долякарбонат-ионовСО₃₂- .

Перечень реакций, протекающих, например, в деаэраторе подпитки теплосети, приведен ниже:

Н₂О - Н+ + ОН^-,

2NaHCO₃ - Na2CO₃ +Н2О + CO2, NaHCO₃ - Na⁺ +HCO₃^-,

CO₂+Н₂О - H2CO₃,

H₂CO₃ - Н⁺ +HCO₃-,

HCO₃- - CO₃₂^- +Н⁺,

2HCO₃- - CO₃₂- +Н₂О + CO₂, CO₂ - CO₂^,

Ca(HCO3)₂ - CaCO₃ +Н₂О + CO₂,

CaCO₃ - CaCO₃v,

Ca(HCO₃)₂ +Н₂О - Ca(OH)₂ + H₂CO₃,

Ca(HCO₃)₂ - CaHCO₃⁺ +HCО₃^-,

Ca(HCO₃)₂ - Ca²⁺ +2HCО₃^-,

Mg(HCO₃)₂ - MgCO₃ +Н₂О + CO₂,

Mg(HCO₃)₂ - Mg(OH)₂ + 2CO₂,

Mg(HCO₃)₂ - MgHCO₃⁺ +HCО₃-,

Mg(HCO3)² - Mg²⁺ +2HCО₃-,

MgCO₃ - Mg²⁺ +CО₃₂-.

В реальных условиях деаэрации подвергаются не чистые растворы газов в воде, а растворы, содержащие различные примеси. В этом случае различные формы содержания в растворе углекислоты оказываются вовлечены в химические взаимодействия с прочими компонентами (примесями) водного раствора. Это существенно осложняет механизм протекания процессов хемосорбции-десорбции углекислоты [13].

2.2 Кинетика процесса десорбции

Кинетика десорбции выражается в скорости процесса массопереноса и определяется степенью отклонения системы от равновесного состояния, свойствами компонентов и способом организации соприкосновения фаз.

При отсутствии равновесия между фазами происходит переход вещества из одной фазы в другую, то есть идет процесс массопередачи. Массопередача есть результирующий процесс, включающий процессы переноса вещества в пределах каждой фазы (массоотдача) и перенос вещества через границу раздела фаз (по аналогии с процессами теплопередачи).

Перенос вещества в пределах фазы может происходить за счет молекулярной, конвективной и турбулентной диффузии. Преобладание того или иного типа диффузии определяется гидродинамическими условиями протекания процесса.

Процесс молекулярной диффузии описывает закон Фика, который устанавливает связь между количеством W_А компонента А, переносимого в направлении z через поверхность F за единицу времени:

(2.2)

где DА - коэффициент молекулярной диффузии, dCA/dz - градиент концентрации компонента А в направлении z.

При наличии конвективного переноса массы выражение для WА можно записать:

(2.3)

где w - скорость перемещения массы

Для случая турбулентной диффузии можно получить уравнение для W_А в виде

(2.4)

где е_d - коэффициент турбулентной диффузии.

Иногда сумму (D_А + е_d ) обозначают как D_эф и называют эффективным коэффициентом диффузии. Как правило, основное сопротивление процессу массопереноса имеет место в жидкой фазе.

Кроме диффузионного удаления из воды газов всегда имеет место их дисперсия (образование и удаление относительно крупных газовых пузырей). Диффузия происходит в течение всего процесса деаэрации, дисперсное выделение газа из воды начинается с того момента, когда достигается насыщение ее удаляемым газом. Говорят, что раствор пересыщен газом, то есть его концентрация в воде больше, чем равновесная при данных условиях[14].

2.3 Принципы термической деаэрации воды

Процесс термической деаэрации проходит в соответствии с законом Генри, который гласит что количество растворенного в воде газа, например кислорода - GО₂ , пропорционально парциальному давлению этого газа над жидкостью.

GO₂=KO₂ЧPO₂ (2.5)

где GO₂ - количество растворенного в воде кислорода; KO₂ - коэффициент абсорбции кислорода жидкостью или коэффициент растворимости кислорода, зависящий от температуры; PO₂ - парциальное давление кислорода над жидкостью.

Из закона Генри следует, что уменьшение парциального давления газа над раствором приводит к уменьшению его концентрации в растворе. Согласно закону Дальтона, парциальное давление газа над раствором соответствует разности полного давления над раствором и парциального давления водяных паров. То есть при заданном полном давлении над раствором уменьшить парциальное давление газа(и, соответственно, его концентрацию в растворе)можно, увеличив парциальное давление водяных паров.

Максимальное парциальное давление водяных паров над раствором имеет место в том случае, если жидкая фаза находится в состоянии насыщения (кипения). Но при этом газ, содержащийся в паровой фазе, необходимо непрерывно отводить от границы раздела фаз, в противном случае его концентрация в паре возрастает, и разность концентраций газа в воде и паре уменьшается, то есть уменьшается движущая сила десорбции.

При достижении указанных условий (кипение воды и непрерывный отвод газов от границы раздела фаз), согласно закону Фика, количество перенесенного в единицу времени газа будет тем больше, чем больше площадь поверхности раздела фаз. Увеличение этой площади достигается разбивкой воды на струи и капли или барботажом пара через слой воды. Увеличение располагаемого времени процесса десорбции также приводит к повышению эффективности деаэрации. Для этого требуется выдержка воды в деаэраторном баке, который должен иметь соответствующий объем[15].

При контакте пара с водой в деаэраторе содержание газов в паре увеличивается в направлении от точки ввода греющего пара в деаэратор до точки отвода выпара (смеси выделившихся из воды газов с оставшейся несконденсированной частью греющего пара). Поэтому некоторое увеличение равновесной концентрации газов в воде в том же направлении неизбежно. Для обеспечения максимальной в данных условиях разности текущей и равновесной концентраций газов в воде целесообразно организовывать в деаэраторе явно выраженный противоток воды и греющего пара.

Таким образом, для эффективной термической деаэрации воды необходимо:

1 - нахождение воды в состоянии насыщения; 2 - непрерывный отвод выделяющихся из воды газов от границы раздела фаз;

3 - максимальная в любой точке поверхности раздела фаз разность концентраций газа в воде и паре;

4 - максимальная площадь поверхности раздела фаз;

5 - максимальное располагаемое время протекания процесса.

Более конкретно факторы, обеспечивающие эффективную работу термического деаэратора, можно определить следующим образом:

а) внутри каждой ступени деаэратора должны отсутствовать циркуляционные токи, которые могут привести к проскоку необработанных масс воды в отводящий трубопровод;

б) в деаэраторе не должно быть застойных зон ни по воде, ни, особенно, по пару;

в) в деаэраторе на всем пути между паром и водой должен быть четко выраженный противоток и максимальная разность между текущей и равновесной концентрацией газа в воде;

г) паровое пространство деаэратора должно вентилироваться необходимым количеством пара, причем парциальное давление удаляемых газов в подводимом к деаэратору паре должно быть минимальным;

д) способ обработки деаэрируемой воды, особенно на последних ступенях дегазации, должен обеспечивать многократную обработку ее паром и максимальное развитие поверхности контакта фаз;

е) в деаэраторе должны быть предусмотрены условия для удаления мельчайших газовых пузырьков, возникающих при нагревании воды или падении давления;

ж) для обеспечения глубокой дегазации и, особенно, для эффективного протекания процессов термического разложения гидрокарбонатов и других термически нестойких соединений необходимо перед последней ступенью деаэрации выдерживать воду при температуре, близкой к температуре насыщения;

з) обработка воды в последней ступени дегазации должна по возможности осуществляться при температуре более высокой, чем температура насыщения, соответствующая давлению в паровом пространстве деаэратора, что обеспечивает дополнительную дегазацию воды за счет эффекта вскипания;

и) в деаэраторе должна быть исключена возможность повторного заражения воды кислородом и углекислотой[16].

2.4 Источники поступления газов в цикл электростанции

В теплоносителе (турбинном конденсате, питательной воде котлов, сетевой воде и др.) всегда содержится некоторое количество газовых примесей (кислорода, диоксида углерода, азота, аммиака и пр.). Часть этих газов коррозионно-активных (кислород, диоксид углерода, аммиак в отношении медных сплавов, особенно в присутствии кислорода). Другие газы (например, азот), не участвуют в коррозионных процессах, но ухудшают условия теплообмена.

Источники поступления газов в цикл электростанции различны. К примеру, кислород поступает с добавком теплоносителя в цикл при восполнении внутристанционных утечек теплоносителя и невозврата конденсата от потребителей пара, с присосами воздуха и охлаждающей воды в конденсаторах турбин, воздуха и сетевой воды в подогревателях сетевой воды, работающих под разрежением, присосами воздуха в других элементах цикла, работающих в зоне вакуума(например, подогревателях низкого давления). Диоксид углерода может поступать в цикл всеми перечисленными в отношении кислорода путями и дополнительно в результате термического разложения гидрокарбонатов и гидролиза карбонатов в теплообменном оборудовании. Примеры реакций термического разложения гидрокарбонатов:

- термическое разложение гидрокарбоната натрия:

2NaHCO₃ > Na₂CO₃ + H₂O + CO₂^;

- термическое разложение гидрокарбоната кальция:

Ca(HCO₃)₂ > CaCO₃ + H₂O + CO₂^.

Поступившие в цикл газы расходуются в коррозионных процессах либо удаляются при деаэрации с различными отсосами и газовыми сдувками. Ясно, что второй путь является предпочтительным.

В цикле организован целый ряд ступеней деаэрации. Первой из них является конденсатор паровой турбины, где ввиду относительно низких температур удаляются, главным образом, газы, находящиеся в растворенном состоянии - кислород, азот, свободный диоксид углерода. Ввиду малости времени протекания процесса деаэрации в конденсате турбины за конденсатосборником конденсатора рассматриваемые газы всегда присутствуют. Часто газы дополнительно поступают через не плотности тракта «конденсатосборник конденсатора - конденсатные насосы», с дренажами ПНД. Кроме того, в процессе нагрева воды в системе регенерации интенсифицируются процессы термического разложения гидрокарбонатов и гидролиза карбонатов, что приводит к увеличению содержания в основном конденсате свободного диоксида углерода.

Далее по тракту деаэрация теплоносителя протекает в подогревателях низкого давления смешивающего типа (при их наличии) и в деаэраторе питательной воды. Последний, в силу протекания в тракте регенерации низкого давления указанных выше процессов термического разложения гидрокарбонатов и гидролиза карбонатов, несет, главным образом, нагрузку по удалению химически связанных форм углекислоты и других летучих кислот.

По этой причине даже при организации окислительного вводно-химического режима с дозированием в конденсатно-питательный тракт кислорода или воздуха деаэратор питательной воды является часто необходимым.

Генерация свободного диоксида углерода из примесей воды продолжается и после деаэратора питательной воды - в системе регенерации высокого давления и далее - в поверхностях нагрева котла[17].

3. Типы термических деаэраторов и область их применения

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[18].

3.1 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 м³, 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» [19].

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[20].

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[21].