Рабочие процессы деаэрационной установки и ее элементов

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. Принципиальная схема деаэратора струйно-барботажноготипа атмосферного давления с деаэрационной колонкой типа ДСА, барботажным устройством деаэраторного бака системы ЦКТИ:

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[22].

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[23].

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 м³ и более одна из опор является подвижной (роликовой), обеспечивающей компенсацию температурных расширений бака при пусках и остановах деаэратора. Баки полезной емкостью 8 м³ и более оборудуются специальными пояса-ми, обеспечивающими требуемую жесткость корпуса.



Рис. 3.4. Общий вид деаэраторного бака полезной емкостью75 м³: 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[24].

3.2 Вакуумные деаэраторы

В настоящее время среди всех конструкций вакуумных деаэраторов наиболее широкое применение нашли деаэраторы НПО ЦКТИ. Деаэраторы относительно малой производительности выполняются вертикальными, деаэраторы повышенной производительности - горизонтальными. При этом горизонтальные вакуумные деаэраторы имеют модульную конструкцию. Наиболее крупный аппарат производительностью 1200 т/ч состоит из трех таких модулей, объединенных в единый горизонтальный цилиндрический корпус. Существуют несколько вариантов конструкции вакуумного деаэратора, отличающихся исполнением и схемой объединения внутренних элементов. Рассмотрим один из таких вариантов (рис. 3.5). Деаэратор представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд диаметром 3 м и длиной 2 м с внутренними элементами.

Деаэратор двухступенчатый струйно-барботажный. Струйная ступень деаэрации включает два струйных отсека и контактный струйный охладитель выпара.



Рис. 3.5. Конструктивная схема горизонтального вакуумного деаэратора:

1 - штуцер подвода исходной воды; 2 - распределительный коллектор; 3 - верхняя струеобразующая тарелка; 4 - порог верхней струеобразующей тарелки; 5 - ограничивающий порог второй струеобразующей тарелки; 6 - вторая струеобразующая тарелка; 7 - третья струеобразую-щая тарелка; 8 - непровальный барботажный лист; 9 - штуцер отвода деаэрированной воды; 10 и16 - штуцеры подвода греющего теплоносителя; 11 - канал подвода пара под барботажный лист; 12 - жалюзийный сепаратор; 13 - канал для отвода неиспарившейся части перегретой воды; 14 - пароперепускной трубопровод; 15 - штуцер отвода выпара

Барботажная ступень выполнена в виде непровального барботажного листа. Вода, подлежащая деаэрации, вводится через патрубок 1 в распределительный коллектор 2, после чего поступает на верхнюю струеобразующую тарелку 3. Перфорация верхней тарелки рассчитана на пропуск 30 %-ого расхода воды при номинальной гидравлической нагрузке деаэратора. Остальная часть воды переливается через порог 4 верхней тарелки на вторую струеобразующую тарелку 6. Зона перфорации второй тарелки секционирована ограничивающим порогом 5 таким образом, чтобы при малых гидравлических нагрузках работала только часть отверстий тарелки для обеспечения нормального струеобразования. Струйный поток со второй тарелки перетекает на третью струеобразующую тарелку 7, откуда также в виде струй поступает на непровальный барботажный лист 8. Двигаясь по барботажному листу, вода обрабатывается барботажным паром и сливается через штуцер отвода деаэрированной воды 9. Греющий теплоноситель поступает в деаэратор через штуцер 16 (если греющим теплоносителем является пар) или штуцер 10 (если греющим теплоносителем является перегретая вода). Поступившая в деаэратор перегретая вода вскипает. Для эффективного отделения образовавшегося пара от воды установлен специальный жалюзийный сепаратор 12. Выделившийся пар по каналу 11 поступает под барботажный лист 8, а оставшаяся часть перегретой неиспарившейся воды - по каналу, образованному перегородками 13, вытесняется на уровень барботажного листа, где смешивается с деаэрируемой водой. Для поддержания требуемого давления пара в паровой подушке под барботажным листом имеется перепускной трубопровод пара 14, отводящий избыточный пар непосредственно в основной струйный отсек деаэратора. Несконденсировавшаяся часть парового потока, прошедшего через барботажный лист и струнные отсеки поступает в струйный охладитель выпара, образованный струйным потоком воды, стекающей с верхней тарелки 3 на вторую струеобразующую тарелку 6. Охладитель выпара обеспечивает практически полную конденсацию пара из выпара. Оставшаяся часть пара вместе с выделившимися из воды в процессе деаэрации газами удаляется эжектором через штуцер отвода выпара 15.

Для обеспечения слива воды из деаэратора самотеком в аккумуляторный бак, деаэратор устанавливается выше бака, причем высота определяется рабочим давле- нием(разрежением) в деаэраторе и обычно составляет не менее 10 м. Вакуумные деаэраторы не имеют запаса воды в своем корпусе. При сливе деаэрированной воды самотеком уровень ее колеблется в сливном трубопроводе в зависимости от давления в деаэраторе, уровня воды в баке-аккумуляторе и нагрузки. Схемы с подачей воды из деаэратора непосредственно к насосам деаэрированной воды применяются редко и характеризуются относительно низкой надежностью[25].

Вакуумные деаэраторы следует защищать от переполнения и от опасного повышения давления. Наиболее просто вопрос защиты решается при сливе деаэрированной воды самотеком в аккумуляторные баки атмосферного давления при обязательном отсутствии запорной и регулирующей арматуры на сливных трубопроводах. В этом случае защита осуществляется через переливные гидрозатворы баков, рассчитанные на пропуск максимального расхода деаэрированной воды. В остальных случаях защита должна выполняться с помощью гидрозатвора, присоединяемого к сливному трубопроводу. Высота гидрозатвора выбирается в зависимости от места его присоединения к системе. При подводе к деаэратору в качестве греющей среды пара необходимо также устанавливать предохранительные устройства на паропроводе между деаэратором и регулятором давления.

Вакуумный деаэратор требует установки дополнительного вспомогательного оборудования - газоотводящего устройства. В качестве таких устройств чаще всего применяются струйные аппараты - эжекторы, которые могут быть паро - или водо- струйными. Весьма редко в качестве газоотводящего устройства применяется механический вакуумный насос.

Вакуумные деаэраторы, с точки зрения эксплуатации, сложнее других типов деаэраторов. Это обусловлено необходимостью обеспечения вакуумной плотности всей системы, усложненностью схемы установки из-за применения газоотводящих аппаратов, спецификой слива деаэрированной воды из зоны вакуума. Однако эти трудности компенсируются возможностью существенного повышения тепловой экономичности электростанции при использовании в вакуумных деаэраторах в качестве греющего теплоносителя перегретой воды. В этом случае можно уменьшить расход пара в отборы турбин при давлении 1,2 атмосфер и более, и, наоборот, увеличить нагрузку теплофикационных отборов турбин с ПСГ при давлении, как правило, менее 1 атмосферы, а также исключить потери ценного конденсата пара.

Перечень контролируемых при эксплуатации вакуумной деаэрационной установки параметров аналогичен перечню этих параметров для атмосферных деаэраторов. Однако в случае вакуумной деаэрационной установки необходимо дополнительно контролировать показатели работы газоотводящих устройств, а также подъемных насосов эжекторов, если используются эжекторы водоструйного типа[26].

3.3 Деаэраторы повышенного давления

Деаэраторы повышенного давления, используемые в качестве деаэраторов питательной воды в схемах паротурбинных установок, в большей степени выполняют функции регенеративного подогрева питательной воды и создания её запаса для питания котлов, чем функции собственно деаэрации теплоносителя. Это обусловлено тем, что деаэрируемая вода (основной конденсат) содержит относительно малое количество газовых примесей. В части удаления растворенных газов, например, кислорода, деаэратор питательной воды является барьерным. Основная нагрузка деаэратора питательной воды по деаэрации теплоносителя - это хемосорбция- десорбция газосодержащих примесей, находящихся в химически связанном виде, например, углекислоты и других летучих кислот.

Конструкции деаэраторов повышенного давления многообразны. Используются чисто струйные колонки, колонки с неупорядоченной и упорядоченной насадкой, а также барботажные элементы. Колонки устанавливаются на деаэраторных баках. Рассмотрим примеры. Колонка ДП-800 струйного типа (рис. 3.6) имеет в верхней части смесительно-распределительное устройство 10, в которое введены патрубки основного 1 и резервного5 конденсатов, а также среды из уплотнений питательных насосов 2. Через горловину 12 вода сливается на струйные тарелки 11, расположенные в нижней части колонки. Через отверстия нижней тарелки вода струями сливается в деаэраторный бак. Греющий пар и отсосы со штоков стопорных и регулирующих клапанов турбины поступают в колонку через коллекторы 7 и 8, расположенные под нижней тарелкой. Омывая нисходящий струйный поток воды, греющий пар частично конденсируется, а его меньшая часть вместе с выделившимися из воды газами удаляется через патрубок 13 в охладитель выпара. Конденсат ПВД подается непосредственно в деаэраторный бак[27].



Рис.3.6. Деаэрационная колонка ДП-800: 1 - подвод основного конденсата; 2 - подвод среды из уплотнений питательных насосов; 3, 4 и 9 - резервные патрубки; 5 - подвод резервного конденсата; 6 - люк; 7 - парораспределительный коллектор; 8 - подвод среды от штоков стопорных и регулирующих клапанов турбины; 10 - смесительно - распределительное устройство; 11 - струйные тарелки; 12 - горловина верхней части колонки; 13 - отвод выпара

В колонке с неупорядоченной насадкой (рис. 3.7) поверхность раздела фаз образована пленками воды, стекающей сверху вниз через насадку.



Рис 3.7. Деаэрационная колонка ДП-320: 1 - подвод греющего пара; 2 - парораспределительный коллектор; 3 - корпус; 4 - слой насадки; 5, 8 и 10 -патрубки отвода выпара; 6 -подвод основногоконденсата;7 -водораспре-делительноеустройство;9 - крышка; 11 -отвод выпара; 12 - отверстия для прохода воды; 13 и 15 - цилиндрические перегородки; 14 и16 горизонтальные листы;17-перфорированная водо-распределительная тарелка; 18-каркас;19-сетка;20-кольца;21-опорная решетка; 22 -подвод средыот штоков стопорных и регулирующих клапанов турбины



В данном случае использована омегообразная насадка из нержавеющей стали. Колонка состоит из разъемного корпуса 3 и крышки 9, водораспределительного устройства 7, слоя насадки 4 и коллектора ввода пара 2. Предусмотрены патрубки: для ввода основного конденсата 6, греющего пара 1, отсосов со штоков стопорных и регулирующих клапанов турбины 22, отвода выпара 11. Водораспределительное устройство 7 образовано листами 14 и 16 и цилиндрической перегородкой 15. Устройство обеспечивает равномерное распределение воды по перфорированной тарелке 17 и далее - по поверхности слоя насадки 4. Насадка засыпается на плетеную сетку 19, изготовленную из нержавеющей проволоки, которая описается на решетку 21. Сверху насадка также ограничена сеткой. Слой насадки фиксируется внутри каркасом 18. Греющий пар подводится в нижнюю часть колонки и распределяется по её сечению с помощью кольцевого короба 2. Выпар отводится через ряд патрубков 5, 8 и 10.

Баки деаэраторов питательной воды должны обеспечивать прием ряда потоков, например, конденсата греющего пара ПВД, рециркуляции питательных насосов, сброса воды из растопочного расширителя и прочих. Бак должен обеспечивать запас питательной воды котлов с работой котла энергоблока при полной нагрузке в течение 3,5 минут, а котла неблочной ТЭС- не менее 7 минут.

Деаэраторы питательной воды обычно оборудуются следующими защитами и блокировками:

- блокировкой, действующей на открытие линии аварийного перелива при достижении первого предела по уровню воды. Если переполнение деаэратора не прекращается, возможно открытие арматуры на линии опорожнения;

- защитой по увеличению уровня воды до второго предела - действует на останов энергоблока;

- защитой в виде предохранительных клапанов от недопустимого повышения давления;

- блокировкой, действующей на открытие арматуры на подводе греющего пара от стороннего источника (обычно от коллектора собственных нужд 8-13 атмосфер) при недопустимом понижении давления. Резкое снижение давления в деаэраторе весьма опасно, поскольку приводит к объемному вскипанию воды в деаэраторе, гидроударам и срыву работы бустерных и питательных насосов. Такая ситуация характерна при отключении турбины [28].

3.4 Особенности эксплуатации термических деаэраторов

Режим работы деаэратора должен обеспечивать получение деаэрированной воды требуемого химического качества при отсутствии гидроударов и повышенных вибраций оборудования. Химическое качество деаэрированной воды контролируется по результатам периодического отбора и анализа проб. Обычно контролируются:

-массовая концентрация растворенного в воде кислорода;

-значение водородного показателя рН.

Если рН пробы деаэрированной воды оказывается меньше 8,33, то это указывает на присутствие в деаэрированной воде свободной углекислоты. Существуют количественные химические анализы, позволяющие определить концентрацию в воде свободного диоксида углерода.

Деаэраторы, оборудованные барботажными устройствами, при правильной эксплуатации обеспечивают получение деаэрированной воды при отсутствии в ней свободной углекислоты и, кроме того, со степенью разложения содержащихся в воде гидрокарбонатов на уровне 40-60 % (то есть полностью удаляют свободную углекислоту и около половины связанной углекислоты).

Напомним, что процесс термического разложения гидрокарбонатов может быть формализован уравнением:

2NaHCO₃ > (t) > Na₂CO₃ + H₂O + CO₂^aq; CO₂^aq > CO₂ ^.

Известно, что степень разложения гидрокарбонатов у линейно зависит от времени пребывания воды в деаэраторе(времени выдержки при температуре насыщения) и составляет при времени1 час примерно 0,4 (40 %) для деаэраторов без барботажа и 0,6 (60 %) для деаэраторов с барботажом.

Для обеспечения нормативного качества деаэрированной воды необходимо поддержание соответствующего теплового режима работы деаэратора, который контролируется, в основном, по значениям следующих параметров:

-гидравлической нагрузки деаэратора;

-температуры воды перед деаэратором;

-уровня воды в деаэраторном баке;

-давления пара в деаэрационной колонке или надводном пространстве деаэраторного бака;

-давления барботажного пара;

-температуры деаэрированной воды;

-расхода выпара деаэратора.

Для большинства деаэраторов регулировочный диапазон изменения гидравлической нагрузки ограничен 30 % и 120 % от номинального значения. При малых нагрузках не наступает заполнения струйных тарелок, образуются широкие коридоры для свободного прохода пара, в результате эффективность деаэрации ухудшается. Большие гидравлические нагрузки, напротив, приводят к переполнению струйных тарелок, переливу воды через их борт, увеличению парового сопротивления деаэрационной колонки и общему ухудшения условий теплообмена и деаэрации. Из-за неравномерного прогрева воды в таких режимах становятся вероятными гидроудары, приводящие к вибрациям, а иногда и разрушению внутренних элементов деаэратора.

Нагрев воды в современных деаэраторах ограничивается на уровне не менее 10 и не более 70 ^оС (то есть температура воды перед деаэратором не менее30 и не более 90 ^оС). Температура воды перед деаэратором регулируется её нагревом в предвключенном, обычно пароводяном кожухотрубном подогревателе. При малом нагреве воды в деаэраторе (большой температуре исходной воды) потребность деаэратора в паре уменьшается. В результате ухудшается вентиляция парового пространства и ухудшаются условия отвода газов от границы раздела фаз, что приводит к ухудшению эффективности деаэрации. Большой нагрев воды в деаэраторе(малая температура исходной воды), напротив, приводит к увеличению расхода греющего пара и, соответственно, скоростей пара в паровом пространстве. В таких условиях паровой поток нарушает струеобразование в деаэрационной колонке, что ухудшает эффективность деаэрации.

Уровень воды в деаэраторном баке слабо влияет на деаэрационные характеристики аппарата. Максимальное значение уровня устанавливается так, чтобы в режиме нормальной эксплуатации отсутствовал перелив воды через предохранительно - сливное устройство. Минимальное значение уровня должно обеспечивать нормальную работы насосов деаэрированной воды, а также работу барботажного устройства деаэраторного бака при его наличии.

Давление пара в деаэрационной колонке или надводном пространстве деаэраторного бака в атмосферном деаэраторе может варьироваться в узком диапазоне. Максимальное давление при этом ограничено условиями срабатывания защиты (гидрозатвора предохранительно-сливного устройства) от превышения давления. Минимальное давление - условиями обеспечения нормального расхода выпара деаэратора.

Если деаэратор оборудован барботажными устройствами с индивидуальным подводом к ним пара, необходимо контролировать давление барботажного пара. При малом давлении пар в барботажное устройство не проходит (давление барботажного пара должно быть больше давления основного пара минимум на величину давления столба воды в барботажном устройстве). При большом давлении барботажный пар может вытеснить основной пар. Такие чисто барботажные режимы вполне применимы для ряда конструкций деаэраторов.

Температура деаэрированной воды должна соответствовать температуре насыщения при рабочем давлении в деаэраторе. Малая температура при нормальном давлении в деаэраторе указывает на наличие внутренних дефектов, препятствующих теплообмену.

Расход выпара деаэратора является исключительно важной характеристикой его работы. Этот расход непосредственно не измеряется и устанавливается либо по тепловому балансу охладителя выпара, либо по положению штока вентиля на трубопроводе выпара. Малый расход выпара приводит к нарушению нормальной вентиляции парового пространства деаэратора и ухудшает деаэрацию. Большой расход выпара может нарушить гидродинамику струйного течения воды в отсеках деаэрационной колонки, что также ухудшает деаэрацию.

Принято использовать не абсолютный, а удельный расход выпара- отношение расхода выпара к расходу деаэрированной воды, и измерять его в кг на тонну деаэрированной воды. Современные деаэраторы устойчиво работают при значениях удельного расхода выпара от 0,5 до 2,0 кг/т, деаэраторы старых конструкций - до 5кг/т.

Если деаэратор оборудован охладителем выпара, необходимо контролировать температуру охлаждающей воды до и после него. Нормальная работа охладителя выпара характеризуется выходом из патрубка газовой сдувки упругой струи практически сухого воздуха. Излишнее парение из этого патрубка указывает на недостаточный расход воды через охладитель выпара[29].



4. Общие принципы проектирования и расчета деаэрационных установок

Основные требования, предъявляемые к деаэраторам

• Конструкции деаэраторов должны соответствовать требованиям ГОСТ 16860--77, который определяет типы и типоразмерные ряды деаэраторов, устанавливает диапазоны изменения производительности и среднего подогрева воды в них, требования к качеству деаэрированной воды в зависимости от начальной концентрации кислорода и свободной углекислоты и др.

• В деаэраторе должна обеспечиваться деаэрация всех поступающих потоков воды, в которых могут содержаться растворенные газы.

• В деаэраторах, как правило, должна применяться двухступенчатая схема деаэрации воды, причем в качестве второй ступени наиболее целесообразен барботаж.

• Ступени деаэратора должны представлять собой элементы аппарата непрерывного действия, для чего внутри каждой ступени должны отсутствовать циркуляционные токи, которые могут привести к проскоку необработанных масс воды в отводящий трубопровод.

• В деаэраторе не должно быть застойных зон ни по воде, ни по пару.

• Деаэратор должен вентилироваться необходимым количеством пара. Также должна быть обеспечена вентиляция парового объема бака-аккумулятора.

• На всем пути между паром и водой в деаэраторе должны обеспечиваться противоток и максимальная разность между равновесным давлением газа, соответствующим его концентрации в воде, и его парциальным давлением над водой.

• В каждую ступень деаэратора должно подводиться необходимое количество пара. Парциальное давление удаляемых газов и паре должно быть минимальным.

• Исходные потоки воды в деаэраторе должны быть подогреты до температуры насыщения при давлении в нем.

• Применяемые в деаэраторах способы взаимодействия воды и пара, особенно на второй ступени дегазации, должны обеспечивать многократную обработку воды паром и максимальное развитие поверхности контакта фаз.

• В деаэраторе необходимо создавать условия для удаления мельчайших газовых пузырьков, возникающих в воде при надевании или снижении давления.

• В деаэраторах должна быть исключена возможность вторичной аэрации воды[30].

4.1 Тепловой расчет деаэратора

Исходными данными для расчета выделения кислорода являются начальное и конечное его содержание в деаэрируемой вод и расчетные характеристики потоков воды и пара в отсеках, определяемые в тепловом расчете колонки. Поэтому при определении размеров струйной колонки тепловой расчет предшествует расчет выделения кислорода.

• Расчет числа отсеков проводится последовательным пpиближением, вплоть до достижения требуемого остаточного содержания кислорода при входе воды в бак-аккумулятор.

• В случае применения струйной колонки в качестве первой ступени при двухступенчатой деаэрации воды (струйно-барботажный деаэратор) число отсеков в колонке может быть сокращено. Величина недогрева воды в ней до температуры насыщена в этом случае может приниматься в пределах 5--10°С; при это еще обеспечивается бесшумная работа барботажного устройств Недогрев воды в струйной колонке приводит к увеличению расхода пара на барботажное устройство, что не всегда может быть допущено по технико-экономическим требованиям

В объем теплового расчета струйной колонки входит определение температуры воды на тарелках и расхода пара в кал дом из отсеков. Тепловой расчет ведется последовательно для каждого из отсеков колонки, начиная с верхнего. Он начинаете с выбора геометрических параметров пучка струй.

Под геометрическими характеристиками пучка струй понимается длина струй, их начальный диаметр и шаг (диаметр и ш отверстий на тарелке).

Длина струй L принимается равной расстоянию между нижней плоскостью вышерасположенной тарелки и видимым (динамическим) уровнем воды h_дин на нижележащей тарелке того же отсек

Расстояние между тарелками (высота отсека H) равно

H=L+ h_дин (4.1)

Динамический уровень воды на тарелке определяется сумме гидростатического уровня воды h_гс и перепада давлений по пар вой стороне между смежными отсеками ??p

h_дин=h_гс+??p (4.2)

Величины h_гс и ??p определяются в ходе гидродинамическо расчета колонки. При производительности деаэрационной установки до 400 т/ч длину струй L рекомендуется принимать равной 350--500 мм, а для более крупных деаэрационных установок целесообразно увеличивать ее до 800--900 мм с целью ограничить скорость пара и предотвратить таким путем унос капельной влаг.

Диаметр отверстий d₀ на тарелках по условиям развития поверхности струй и эксплуатационным условиям следует принимать равным 5--8 мм.

Шаг отверстии на тарелках должен приниматься равным не менее 18--20 мм при расположении их в вершинах равностороннего треугольника.

Для определения температуры воды на тарелках и расхода пара в отсеках выполняется расчет подогрева воды в отсеках.

В деаэрационных колонках обтекание пучка водяных струй потоком пара приближается к поперечному. При поперечном обтекании пучка струй паром давлением более атмосферного для определения подогрева воды следует пользоваться формулой

(4.3)

или

, (4.4)

где: А -- коэффициент, зависящий от давления в деаэраторе и определяемый по рис. 4.1;

t_s -- температура насыщения при давлении в деаэраторе, °С;

t_вх t_вых температура воды на входе и выходе из отсека, °С;

L, d₀-- длина струй и диаметр отверстий в тарелке, м;

₀ -- средняя скорость истечения воды из отверстия в тарелке, м/с;

_п-- средняя скорость пара в пучке струй, м/с.

Уравнение содержит три неизвестные величины: _{0 п} и причем последняя является искомой.

Скорость воды на выходе из отверстия тарелки определяется по формуле

₀= (4.5)



-коэффициент расхода для перфорированного листа;

| -- коэффициент, учитывающий влияние движения воды по тарелке на коэффициент расхода ();

-- гидростатический уровень воды на тарелке, м.

Рис 4.1 Зависимость коэффициента А от давления в формуле подогрева воды в струях

При диаметре отверстий 5--8 мм и толщине днищ тарелок 6 мм коэффициент принимается равным 0,75. Коэффициент для практических расчетов можно принимать равным 0,9.

Для равномерного распределения воды по всем отверстиям тарелки необходимо, чтобы при номинальной гидравлической нагрузке величина равнялась 60--80 мм

Для определения действительной средней скорости пара и струйном пучке рекомендуется пользоваться методом последовательно приближения.

В первом варианте расчета верхнего отсека деаэраторов значение _п ориентировочно принимается равным 0,5 - 1 м/с. После выбора по указанным выше рекомендациям значений L и d₀ определяют температуру воды t_вых на нижней тарелке рассматриваемого верхнего отсека. Затем определяют количества пара, конденсирующегося на струях первого отсека, при найденной величине подогрева воды в них по формуле

(4.6)

де i_вых - удельная энтальпия воды при температуре t_вых , ккал/кг.

Для уточнения принятой средней скорости пара в пучке вначале подсчитываются скорости пара _вх и _вых соответственно на входе в пучок струй первого отсека и выходе из него:

(4.7)

где G^'_вып - расход пара на выходе из струйного пучка, включающий расход выпара из деаэратора и количество пара, конденсирующегося на поверхности воды в смесительно-распределительном устройстве.

Живое сечение на входе пара в пучок струй первого отсека

Щ_вх=L(D₁ - d₀), (4.8)

и на выходе пара из пучка струй первого отсека

Щ_вых=L(D₂ - d₀), (4.9)

где D₁, D₂ -- диаметры условной окружности по наружному и внутреннему диаметрам пучка, м;

п₂ п₂ число отверстий, вынесенных соответственно на условную окружность диаметром D₁, D₂, шт.

Средняя скорость пара в первом отсеке при _вх/_вых< 1,25 подщипывается по формуле

(4.10)

(4.11)

Полученная средняя скорость пара в первом отсеке сопоставляется с принятой в начале расчета. В случае , если расхождение между ними превышает 0,1 м/с, расчет повторяется при новом искомом значении скорости[31].

Расчетная величина средней скорости пара в отсеке не должна превышать предельно допустимую из условия предотвращении уноса капель. Предельно допустимая средняя скорость пара в пучке струй для данного давления в деаэраторе определяется по рис.4.2 . Диаметр капли принимается приближенно равным диаметру отверстий в тарелке.

Рис 4.2 Зависимость предельно допустимой скорости пара в струйном отсеке от начального диаметра струи при различных давлениях в деаэраторе

По расчетному значению скорости пара в первом отсеке находят фактическую температуру воды на выходе из первого отсек (на нижней тарелке его), которая является начальной температурой воды для расчета подогрева ее во втором отсеке.

Расход воды через верхние тарелки рассчитываемых отсеков определяется с учетом распределения поступающих потоков воды по тарелкам и количества пара, сконденсировавшегося в предшествующем отсеке.

Давление пара во всех отсеках принимается постоянным и равным номинальному давлению в деаэраторе, а пар -- сухим насыщеным.

Тепловой расчет струйной колонки проводится при одновременном выполнении схем отдельных отсеков колонки, включая разметку отверстий на тарелках, что связано с необходимостью определения средней скорости пара в пучке струй (отсеке).

Пример такой схемы дан на рис. 4.3

Рис 4.3 Схема отсека струйной колонки

При удельном расходе выпара 2 кг на 1т деаэрированной воды содержание неконденсирующихся газов в паровоздушной смеси может не учитываться при расчете подогрева воды во всех отсеках струйной колонки.

В отсеках вакуумных деаэраторов подогрев воды определяется по формуле

(4.12)

Коэффициент определяется по рис 4.4 .

Рис 4.4 Зависимость коэффициентов А₁ и В₁ от абсолютного давления и температуры колонки исходной воды

В отсеках с продольным обтеканием пучка струй паром расчет подогрева воды в деаэраторе атмосферного давления рекомендуется проводить по формуле

(4.13)

Выбор скорости пара в отсеках с продольным обтеканием струй осуществляется на основе вышеприведенных рекомендаций[32].

4.2 Расчет выделения (десорбции) кислорода

Расчет выделения кислорода в отсеке с поперечным обтеканием струй паром давлением больше атмосферного производится по формуле

(4.14)

где и - концентрации кислорода в начале и в конш струи, мг/кг;

В -- коэффициент, зависящий от давления в деаэраторе, определяемый по рис 4.5;

-- количество пара, сконденсировавшегося в данном отсеке, кг/ч;

-- расход воды через верхнюю тарелку отсека, кг/ч

Данная формула применима для недонасыщенной воды, т. е. ц ? 1. Концентрация кислорода в паре не учитывается в связи с незначительной ее величиной при расходе выпара в размере 2 кг на 1 т деаэрированной воды.

По этой же формуле определяется концентрация кислорода на нижней тарелке данного отсека.



Рис 4.5. Зависимость коэффициента В от давления в формуле десорбции кислорода

Параллельно с расчетом процесса десорбции кислорода определяется степень насыщения воды кислородом ц на каждой из тарелок.

Расчет по формуле (4.14) проводится до отсека, на нижней тарелке которого вода достигает состояния насыщения кислородом, т. е. ц= 1.

В расчетах отсеков, на тарелках которых величина ц >1, пересыщение не учитывается.

В этом случае за начальную концентрацию кислорода на верхних тарелках отсеков принимается предельная концентрация, соответствующая состоянию насыщения при температуре воды на данной тарелке и давлении в деаэраторе, определяемая по таблицам растворимости.

В отсеках вакуумных деаэраторов с поперечным омыванием пучка струй выделение кислорода рассчитывается по формуле

(4.15)

Коэффициент определяется по рис 4.4

То же, для углекислоты

E (4.16)

Коэффициент E определяется по рис 4.6.

Рис 4.6 Зависимость коэффициента Е от абсолютного давления и температуры исходной воды

При продольном обтекании пучка струй паром расчет выделения кислорода в деаэраторе атмосферного давления проводится по формуле

(4.17)

Выбор скорости пара в отсеках с продольным обтеканием струп паром проводится на основе вышеприведенных рекомендаций[33].

4.3 Гидродинамический расчет

В задачи гидродинамического расчета входят определение гидравлических характеристик и проверка гидродинамической устойчивости отдельных отсеков и колонки в целом при различны режимах работы.

Гидростатический уровень воды при максимальной гидравлической нагрузке колонки выбирается исходя из условия, что при минимальной гидравлической нагрузке величина этого уровня будет не меньше = 5-10 мм.

Число отверстий на тарелке определяется предварительно по формуле

(4.18)

где G_в -- полный расход воды через данную тарелку, кг/ч;

--удельный объем воды при температуре ее на тарелке м³/кг;

а₂-- коэффициент запаса на загрязнение перфорации тарелки (1,00-1,10).

Расчетное число отверстий в дальнейшем уточняется при конструировании тарелки.

При отсутствии подводов в колонку кипящих потоков воды число отверстий на всех тарелках принимается одинаковым. В случае ввода кипящих потоков в один из отсеков колонки число отверстий на нижележащих тарелках (по сравнению с верхними) увеличивается.

Гидравлически устойчивым называется такой режим работы струйной колонки, при котором не появляется местной рециркуляцин воды в отсеках под воздействием потока пара. Нарушение гидродинамической устойчивости может быть вызвано недопустимо высокими скоростями пара в отдельных сечениях колонки Поэтому при проектировании следует выбирать живые сечения для прохода пара в колонке таким образом, чтобы при всех возможных в условиях эксплуатации режимах работы деаэратора скорости пара лежали в пределах, при которых не возникают значительные перепады давлений между отсеками и унос капельной влаги в расположенный выше отсек [34].

Нарушение гидродинамической устойчивости может также быть вызвано загрязнением отверстий в тарелке, так как при этом происходит переполнение тарелки и перелив воды через ее борт способствующий увеличению уноса воды и скоплению ее в отсеке

При нарушении гидродинамической устойчивости колонки с тарелками в одном из отсеков происходит «захлебывание», т. е захват воды потоком пара, что приводит в дальнейшем к затапливанию данного и расположенных выше отсеков и в результате к уносу воды с паром. При поступлении в деаэратор воды с относительно низкой температурой нарушение гидродинамической устойчивости может привести к сильным гидравлическим ударам и механическому повреждению деаэратора

Кроме скоростей пара в отсеках колонки, следует также контролировать величину относительного уровня воды на тарелках, который определяется по формуле

(4.19)

где -- высота борта тарелки, мм

Это предотвратит возможность перелива воды через борт и уменьшит вероятность наступления предельного режима работы колонки. Отсутствие перелива воды обеспечивается при относительном уровне воды Н< 1.

При разработке конструкции тарелок струйных колонок рекомендуется принимать Н ? 0,7.

Высота бортов тарелок выбирается в зависимости от динамического уровня воды на нижней из них при максимальной производительности колонки

(4.20)

В этом случае для вышерасположенных тарелок будет обеспечено условие Н<0,7

Гидростатический уровень воды при заданных расходах, числе и диаметрах отверстий на тарелке определяется по формуле

(4.21)

Перепад давлений между соседними отсеками определяется из выражения

₁ (4.22)

где ₁ - паровое сопротивление пучка струй воды, мм вод. ст.;

- сумма местных сопротивлений парового тракта между отсеками, мм вод. ст.

Паровое сопротивление одного ряда струй можно приближенно принимать равным 1 мм вод. ст.; тогда - ₁=n

Где n - число рядов струй по ходу пара

Местное сопротивление по пути движения пара из отсека в отсек слагается из сопротивлений поворота потока и внезапных изменений сечения

(4.23)

Коэффициент сопротивления горловины тарелки с незакругленными кромками определяется по рис 4.7

рис 4.7 Коэффициент местного сопротивления горловины тарелки с острыми кромками

или по формуле

(4.24)

Коэффициент местного сопротивления при повороте парового потока на 180° составляет величину = 3,5-4. Для других случаев значение этих коэффициентов следует находить по справочникам [35].

4.4 Определение основных конструктивных размеров колонки и ее элементов

Деаэрационные колонки устанавливаются либо непосредственно на баке, либо отдельно. В первом случае колонка присоединяется к баку-аккумулятору с помощью специального патрубка, диаметр которого может быть меньше диаметра колонки или равен ему. Во втором случае соединение колонки с баком осуществляется трубой, диаметр которой существенно меньше диаметра колонки.

Сопряжение колонки с баком не вызывает конструктивных осложнений, если отношение диаметра колонки или переходного штуцера к диаметру бака меньше 0,7.

Величина данного отношения является предельной с точки зрения обеспечения конструктивной прочности бака-аккумулятора. Применение переходного штуцера становится необходимым у колонок производительностью свыше 500 т/ч. Колонки такой производительности должны иметь обычаю два днища и соединяться с баком-аккумулятором при помощи переходного патрубка.

В деаэраторах струйно-барботажного типа (с одной колонкой) целесообразно колонку и барботажное устройство располагать у противоположных торцов бака-аккумулятора.

Колонка состоит из следующих основных элементов: корпуса, водораспределительного устройства, тарелок, коллекторов ввода греющего пара и «кипящих» потоков воды, штуцеров подвода «некипящих» потоков воды, а также штуцера отвода выпара.

Корпус колонки выполняется в виде цилиндрического сосуда с одним или двумя днищами. Верхнее днище колонки рекомендуется выполнять съемным для проведения осмотров и ремонта внутренней части колонки.

Для колонок атмосферного давления рекомендуется применять конические днища, для колонок повышенного давления - эллиптические (ГОСТ 6533-53).

Корпус колонки изготовляется обычно из стали МСТ-3. К корпусу колонки привариваются штуцеры для подвода потоков воды, пара и выпара.

Штуцеры «некипящих» потоков воды располагаются в одной горизонтальной плоскости на уровне водораспределительного устройства. Штуцер для отвода выпара устанавливается на верхнем днище колонки.

Водораспределительное устройство предназначается для смешения «некипящих» потоков воды и дробления на струи.

Для распределения воды в струйных деаэрационных колонках применяются в основном камеры со свободным сливом (как более простые в изготовлении и эксплуатации), могут применяться также водораспределительные камеры напорного типа. В водораспределительном устройстве должно обеспечиваться хорошее перемешивание потоков воды, имеющих разную температуру, так как неравномерное распределение температуры воды по сечению колонки способствует появлению так называемых тепловых перекосов и ухудшает эффективность деаэрации. В камере со свободным сливом для этой цели служат два кольцевых канала, образующих лабиринт, в котором перемешивается вода. После этого она переливается на верхнюю тарелку первого отсека. Водораспределительные устройства, применяемые обычно для деаэраторов ДСА и ДСП (рис. 4.8), обеспечивают удовлетворительное перемешивание воды. Они крепятся непосредственно к корпусу колонки, что допускает их осмотр и ремонт при съеме верхнего днища колонки без демонтажа трубопроводов «некипящих» потоков. Над водораспределительным устройством располагается отбойный щит, предотвращающий унос капельной влаги с выпаром.

Рис. 4.8. Водораспределительное устройство

Коллектор ввода греющего пара. Греющий пар при температуре до 250°С целесообразно подводить в деаэрационную колонку через шаровое пространство бака-аккумулятора с целью улучшения вентиляции этого пространства [36].

В этом случае необходимо обеспечить слив воды из колонки непосредственно в бак-аккумулятор, не допуская накопления ее в высоте соединения колонки с баком и последующего перелива воды через горловину бака.

Греющий пар с температурой выше 250 °С (вследствие опасности образования трещин из-за термической усталости металла стенок бака) следует подводить непосредственно в колонку с помощью штуцера с двойными стенками и перфорированного коллектора, раздающего пар по всему сечению колонки. Диаметр коллектора принимается равным диаметру подводящей паровой трубы. Суммарную площадь отверстий или щелей для раздачи шара рекомендуется принимать равной живому сечению коллектора. Отверстия располагаются несколькими рядами на нижней части коллектора (рис. 4.9). Диаметр отверстий принимается 10 - 12 мм, шаг между отверстиями 20 - 25 мм. Рекомендации по выбору скоростей пара рассматриваются в разделе данного параграфа.

Рис. 4.9. Ввод в деаэрационную колонку сильно перегретого пара.

1 - корпус колонки; 2 - коллектор для подачи пара; 3 - установочное кольцо; 4 - установочное ребро; 5 - патрубок для установки коллектора; 6 - подводящий трубопровод; 7 - приварыш; 8 - отверстия для выхода пара.

Коллектор ввода «кипящего» потока. При одноступенчатой схеме деаэрации ввод «кипящего» потока воды осуществляется в зависимости от перегрева воды в один из нижних отсеков колонки с помощью перфорированного коллектора.

При двух и более ступенях деаэрации ввод «кипящего» потока воды целесообразно осуществлять непосредственно в паровой объем бака-аккумулятора со стороны, противоположной размещению барботажного отсека. «Кипящий» поток может вводиться с помощью суживающегося сопла или (при значительном расходе) перфорированного коллектора. Площадь выходного сечения сопла принимается обычно равной примерно 60 % площади входного сечения. Скорость воды в отверстиях коллектора принимается не выше 3 - 5 м/сек. При больших скоростях воды на коллекторе должны устанавливаться небольшие съемные сопла из коррозионностойкого материала.

Расчет присоединительных штуцеров

Диаметр присоединительных штуцеров, расположенных на деаэрационной колонке, рассчитывается по формуле

(4.25)

где G - расход среды (пара или воды), кг/ч;

v - удельный объем среды, м³/кг;

w - скорость пара или воды, м/сек.

Скорость пара в штуцерах рекомендуется принимать:

при p = 1,2 ат w = 40 - 70 м/сек;

при p = 7 - 10 ат w = 30 - 40 м/сек.

Скорость воды в штуцерах рекомендуется выбирать в пределах 1,5 - 2,5 м/сек.

При малых напорах значения скоростей среды следует уточнять на основе гидравлического расчета соответствующих трактов. Для деаэраторов атмосферного давления, питаемых паром от теплофикационных отборов турбин, следует также исходить из обеспечения оптимальной динамической саморегулирующей способности деаэрационной установки [37].