Рабочие процессы деаэрационной установки и ее элементов

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

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].

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].

4.5 Расчет барботажных устройств деаэраторов

4.5.1 Тепловой баланс барботажного устройства

Тепловой баланс барботажного деаэрирующего устройства составляется с целью определения минимально необходимого расхода пара. Действительный расход пара на барботаж может быть принят более высоким, но должен быть согласован с общим расходом пара на деаэратор при различных режимах его работы.

Уравнение теплового баланса для барботажного устройства имеет вид:

, (4.26)

где - расход воды на входе в барботажное устройство, кг/ч; i_в - энтальпия воды на выходе из колонки (на входе в барботажное устройство), ккал/кг; - расход пара, подводимого к барботажному устройству, кг/ч; , i_п - энтальпия подводимого пара, ккал/кг; - количество пара, сконденсированного при подогреве воды от температуры на входе в устройство до температуры насыщения, соответствующей давлению в барботажном канале, кг/ч; i_д.в - энтальпия воды на выходе из барботажного устройства, ккал/кг; - расход пара на собственно барботаж, кг/ч; i_s - энтальпия насыщенного пара при давлении в паровой полости бака-аккумулятора, ккал/кг.

Определение величин, входящих в формулу (3.39), производится следующим образом:

, (4.27)

, (4.28)

где w_п -- скорость пара, приведенная к площади рабочей части листа, м/с; F_р -- площадь рабочей части листа, м².

Приведенная весовая скорость пара принимается равной =(0,15-0,20) кгс/(м^2.с).

Предварительно для определения площадь дырчатого листа принимается равной 1 м² и в последующем уточняется.

4.5.2 Гидродинамический расчет барботажного устройства

Неотъемлемым элементом большинства современных конструкций деаэраторов является непровальное барботажное устройство.

Эффективная, устойчивая работа непровальной барботажной тарелки имеет место при отсутствии провала жидкости через отверстия в ней. Режим работы тарелки в этом случае определяется скоростью пара в ее отверстиях. При незначительных скоростях пара вода полностью проваливается через отверстия тарелки и на ней отсутствует слои жидкости.

Увеличение скорости пара приводит к появлению слоя жидкости на тарелке; при этом через часть отверстий проходит пар, через другие отверстия протекает жидкость. Полное прекращение провала жидкости наступает при определенной скорости пара в отверстиях (называемой минимально необходимой), когда под листом образуется устойчивая паровая подушка.

Определение минимально необходимой скорости пара рекомендуется производить по формуле

, (4.29)

где - коэффициент поверхностного натяжения системы вода - пар, кг/м; - удельный вес воды в барботажном устройстве, кгс/м³; - удельный вес пара в паровой подушке барботажного устройства, кгс/м³; d₀ -- диаметр отверстий или ширина щелей в барботажном листе, м.

Расчетная минимальная скорость пара в отверстиях (или щелях) барботажного листа принимается в зависимости от длины листа и его геометрии .

Для практических расчетов минимальную расчетную скорость пара в отверстиях барботажного листа можно определять по эмпирической формуле

(4.30)

Живое сечение для прохода пара в барботажном листе определяется по формуле

, (4.31)

где - удельный объем пара в паровой подушке барботажного устройства, м³/кг.

Диаметр отверстий на барботажном листе рекомендуется принимать равным 5--8 мм, а ширину щелей 3--4 мм. Число отверстий (щелей) на барботажном листе будет

, (4.32)

где - площадь единичного отверстия или щели на листе, м².

Далее производится разметка расположения отверстий или щелей на рабочей части листа.

Шаг отверстий в ряду принимается равным .

Число отверстий в одном ряду

. (4.33)

Число рядов отверстий

. (4.34)

Рабочая длина листа

, (4.35)

где s₂ - шаг между рядами отверстий (или щелями), принимаемый равным 0,050--0,100 м.

Площадь листа

(4.36)

При несовпадении расчетной площади барботажного листа с предварительно принятой ее величиной, равной 1 м², проводится уточнение величины расхода пара на барботажное устройство.

Таким образом, расчет барботажного устройства проводятся методом последовательного приближения[38].

Расчет высоты паровой подушки под листом

Для обеспечения равномерной раздачи пара через отверстия или щели барботажного листа необходимо обеспечить под ним устойчивую паровую подушку. Высоту подушки рекомендуется иметь не менее 40--45 мм при длине листа 600--800 мм и не менее 50 мм при длине листа более 800 мм. Высота паровой подушки приближенно может определяться по формуле

, (4.37)

где w_п - скорость пара в отверстиях барботажного листа.

Для практических расчетов первым слагаемым в формуле (4.37) можно пренебречь ввиду его малой величины.

Для щелевого листа вместо диаметра отверстия d₀ следует в формулу (4.37) подставлять ширину щели. Коэффициент местного сопротивления принимается в формуле (4.37) равным 1,9--2,0 для отверстий диаметром до 8 мм и равным 1,5 для щелей шириной 3 мм.

Паровая подушка должна обеспечиваться при всех режимах работы деаэратора. В связи с этим барботажный лист рекомендуется секционировать со стороны паровой подушки одной или двумя перегородками, расположенными перпендикулярно направлению движения воды над листом, что повышает равномерность работы листа при малых нагрузках деаэратора. Минимальный расход пара на барботажное устройство не должен превышать минимально необходимый расход пара на деаэратор.

В связи со значительным изменением расхода пара на деаэратор при изменении режима его работы рекомендуется часть пара перепускать в обвод барботажного листа. Количество перепускаемого пара может меняться в пределах 30--70%. Коэффициент местного сопротивления перепускного устройства зависит от его конструкции и геометрии и составляет от 4,5 , до 13,2 .

Рекомендации по выбору размеров элементов барботажного устройства ЦКТИ в баке.

Барботажное устройство состоит из канала, приемной паровой камеры и подъемной шахты.

Барботажный канал представляет собой прямоугольную камеру шириной а, высотой b и длиной l. Внутри канала для жесткости всего устройства устанавливаются вертикальные перегородки. Размер а должен выбираться в зависимости от диаметра бака. Расстояние от нижней образующей бака до барботажного листа не должно быть более 150--200 мм, так как увеличение его приводит к заметному сокращению полезного объема бака. В случае невозможности выполнения этого требования устанавливаются два барботажных устройства, включаемых параллельно и устанавливаемых в противоположных торцах бака-аккумулятора. Элементы барботажного канала следует изготовлять из коррозионно-стойкого материала.

Рекомендуется принимать следующие основные конструктивные размеры барботажного устройства: высота паровой камеры - 150-200 мм; расстояние между перегородками - 100-150 мм; высота вертикальной перегородки шахты - на 150 мм выше верхнего уровня воды в баке; высота циркуляционной перегородки шахты - до оси бака; расстояние от конца барботажного канала до циркуляционной перегородки - 700 мм; расстояние от циркуляционной перегородки до оси всасывающего патрубка - 500 мм.

Живое сечение на входе воды в барботажный канал составляет

, (4.38)

где а - ширина канала, м; b - высота канала, принимаемая равной 0,150--0,250 м; - расход воды через барботажный канал, кг/ч; - скорость воды во входном сечении канала, принимаемая равной 0,10--0,25 м/с.

При помощи формулы (4.38) находят ширину канала а[39].

4.6 Расчет дегазации

Исследование непровальных барботажных листов показало, что при пенном режиме на них процесс дегазации воды происходит за счет двух факторов: увлечения газовых пузырьков потоком пара и турбулентной диффузии.

При подогреве воды на барботажном листе более чем на 4--5 °С (до температуры насыщения) не происходит достаточного развития пенного слоя. При этом интенсивность процесса дегазации резко падает. Температура воды, поступающей на барботажный лист, должна отличаться от температуры насыщения на величину не более 4--5 °С.

Одной из основных характеристик, определяющих эффект дегазации на непровальной барботажной тарелке, является динамический напор водяного пара в рабочем сечении барботажного листа (рис. 4.10).

Из рис.3.6 видно, что увеличение эффекта дегазации происходит до определенных значений величины динамического напора потока водяного пара. Оптимальными значениями можно считать: для кислорода =95^.10^-3 кгс/м², для свободной углекислоты =115^.10^-3 кгс/м².

Дальнейшее увеличение динамического напора потока пара практически не влияет на процесс дегазации. При указанных значениях динамического напора достигаются максимально возможная в данных условиях турбулизация двухфазной системы и максимальная поверхность контакта фаз, что хорошо согласует с экспериментальными данными (рис.4.11), на котором представлена зависимость газосодержания барботажного слоя от динамического напора парового потока.

Рис. 4.10. Зависимость газосодержания барботажного слоя от динамического напора водяного пара

Рис. 4.11. Удаление свободной углекислоты и кислорода на барботажном листе

в зависимости от динамического напора пара:1 - свободная углекислота; 2 кислород; с_н и с_к - концентрации кислорода и свободной углекислоты в воде при входе и выходе с барботажного листа при давлении в деаэраторе 0,05-0,5 кгс/см²

Предельные значения величины динамического напора пара соответствуют наибольшему развитию поверхности контакта в данных условиях, так как развитие поверхности контакта прямо пропорционально газосодержанию двухфазного слоя. Это качественно и количественно подтверждается при сравнении рис. 3.6 и 3.7. При превышении оптимального значения величина газосодержания и эффект дегазации становятся автомодельными по отношению к динамическому напору пара.

Повышение начальной концентрации газа в воде при постоянном значении ведет к росту конечной концентрации газа а кислород удаляется интенсивнее свободной углекислоты. Последнее объясняется различной растворимостью этих газов в воде, при этом интенсивность дегазации обратно пропорциональна растворимости газа в воде[40].

Для расчета процесса массопередачи на непровальных барботажных листах под вакуумом рекомендуются следующие критериальные уравнения:

для кислорода

, (4.38)

для свободной углекислоты

, (4.39)

где М -- критерий Маргулиса,

, (4.40)

La -- критерий Лапласа.

Здесь К -- коэффициент массопередачи; w_ж -- скорость течения жидкости по барботажному листу, м/с.

, (4.41)

где w_п -- скорость пара в рабочем сечении барботажного листа, м/с; - плотность пара, соответствующая давлению под барботажным листом, кгс * с²/м⁴; ; d₀ -- ширина щели или диаметр отверстия на барботажном листе, м; рекомендуется принимать для щелей 0,003-0,005 м, для отверстий 0,005--0,008 м.

Формулы (4.40) и (4.41) действительны в диапазоне изменения критерия Лапласа для кислорода от 1 * 10^-3 до 40 * 10^-3, для свободной углекислоты от 1,8 * 10^-3 до 60 * 10^-3.

Формулы (4.40) и (4.41) описывают процесс дегазации воды до оптимальных значений динамического напора пара.

Коэффициент массопередачи в этих уравнениях определяется из выражения

, (4.42)

где G_г - количество удаляемого газа, кг/ч; F -- рабочая площадь барботажного листа, м²; С_ср -- средняя движущая сила процесса массопередачи при перекрестном токе, кг/м³, определяемая по формуле

. (4.43)

Здесь с_н и с_к -- концентрации кислорода или свободной углекислоты в воде при входе и выходе с барботажного листа, кг/м³; с_н.р и с_к.р -- концентрации удаляемого газа в жидкости, равновесные с начальной концентрацией газа и с концентрацией газа, покидающего барботажный лист, кг/м³; так как расход пара, покидающего барботажный лист, значительно превосходит расход выделившихся газов, то с_н.р и с_к.р оказываются практически равными нулю и ими можно пренебречь. Скорость течения жидкости по барботажному листу определяется по формуле

, (4.44)

где i -- интенсивность потока жидкости, м³/(м^.ч); - высота динамического слоя жидкости, который остался бы на барботажном листе после разрушения двухфазного потока, м.

, (4.45)

где а -- длина переливного порога, м.

В диапазоне изменения от 15 * 10^-3 до 150 * 10^-3 кгс/м² высоту динамического слоя жидкости рекомендуется определять по формулам:

, (4.46)

, (4.47)

где -- высота слоя жидкости на листе при отсутствии барботажа, м; -- высота переливного порога, м.

На основе формул (4.42) и (4.43) рекомендуются формулы для определения коэффициентов массопередачи:

для кислорода

, (4.48)

для свободной углекислоты

. (4.49)

Выше приведенные методики расчета являются основными при проектировании термических деаэраторов[41].

5. Описание объекта исследования

Астраханская ТЭЦ-2, относительно молодая станция, была введена в эксплуатацию в 1985 году. Она находится в городе Астрахани (Южный федеральный округ) и входит в состав ООО «Лукойл-Астраханьэнерго», последнее в свою очередь является дочерним предприятием и на сто процентов принадлежит ОАО «Лукойл». «Лукойл-Астраханьэнерго» создавалось в 2009 году в рамках проекта стратегического развития в секторе «Электроэнергетика», реализуемого компанией «Лукойл». Собственник станции, развивая данное направление, в первую очередь ориентируется на надежное удовлетворение собственных потребностей, а также поставку электрической и тепловой энергии сторонним потребителям.

На сегодняшний день основное оборудование Астраханской ТЭЦ-2 включает в себя: 2 турбины мощностью по 80 МВт, 2 турбины мощностью по 110 МВт, 4 котлоагрегата, 2 котла водогрейных, 3 генераторных установки, 5 трансформаторов. Основной вид топлива - природный газ, резервный - мазут.

В настоящий момент Астраханская ТЭЦ-2 обслуживает часть Астрахани, расположенную на левом берегу Волги, и является надежным поставщиком электрической и тепловой энергии для своих потребителей. Имеет установленную мощность 380 МВт и тепловую - 910 Гкал/ч.

Рис. 5.1 Астраханская ТЭЦ -2

Схема технического водоснабжения - оборотная, с двумя градирнями башенного типа.

В качестве основного топлива на АТЭЦ-2 используется газ Аксарайского месторождения. Газ подается в котел с помощью ГРП. При номинальной нагрузке блока в час может сжигаться до 30 тыс. м³ в час условного топлива.

Мазутное хозяйство Астраханской ТЭЦ-2 предназначено для приёма, хранения и подачи мазута в котельное отделение блоков 80 и 110 МВт.

Мазутное хозяйство имеет два мазутных бака ёмкостью 25000 м³, которые вынесены за территорию станциих[42].

Описание оборудования блоков 80 МВт

Свежий пар от котла подается к отдельно стоящей паровой коробке, в которой расположен клапан аварийного затвора высокого давления (АЗВ), откуда по перепускным трубам через регулирующие клапана цилиндра высокого давления (РК ЦВД) поступает в цилиндр высокого давления (ЦВД).

Турбина представляет собой одновальный двухцилиндровый агрегат. Паровпуск в обоих цилиндрах расположен со стороны корпуса 2,3 подшипников, что снижает осевые усилия на упорный подшипник.

Турбина имеет сопловое парораспределение. Регулирующие клапана расположены в паровых коробках, которые приварены к корпусам цилиндров. Два клапана установлены на верхней части цилиндра и два клапана - по бокам в нижней части цилиндра. При режиме с расходом пара в ЦВД более 415 т/час предусмотрен внутренний перепуск из камеры регулирующей ступени в камеру за четвертой ступенью через перегрузочной клапан.

ЦВД литой конструкции из жаропрочной стали. Проточная часть ЦВД имеет одновенечную регулирующую ступень и 17 ступеней давления. На выходе из ЦВД часть пара идет в регулируемый производственный отбор, остальная часть направляется в цилиндр низкого давления (ЦНД).

Давление в камере производственного отбора поддерживается регулирующими клапанами части среднего давления (ЧСД).

Из ЦВД пар по перепускным трубам поступает к паровым коробкам регулирующих клапанов ЦНД. Передняя часть ЦНД выполнена литой из высококачественной углеродистой стали. Выхлопная часть ЦНД сварная. Проточная часть ЦНД состоит из трех частей: первая - до верхнего теплофикационного отбора, имеет регулирующую ступень и 7 ступеней давления ЧСД; вторая - между теплофикационными отборами, промежуточный отсек, имеет 2 ступени давления; третья - часть низкого давления, имеет регулирующую ступень и 2 ступени части низкого давления (ЧНД).

Давление теплофикационных отборов регулируется одной поворотной диафрагмой, расположенной перед частью низкого давления.

Ротор турбоагрегата вращается по часовой стрелке, если смотреть со стороны переднего подшипника турбины на генератор. Оба ротора РВД и РНД гибкие. РВД цельнокованный. На РНД первые 10 дисков откованный заодно с валом, 3 последних диска - насадные.

РВД и РНД соединены между собой жесткой муфтой и имеют один общий упорный подшипник.

Фикс-пункт турбины расположен на задней фундаментной раме ЦНД, расширение турбины происходит в сторону переднего подшипника.

Данная турбина предназначена для превращения тепловой энергии в механическую путем вращения ротора турбины, который непосредственно связан с ротором генератора, который превращает механическую энергию в электрическую .

Паровая турбина ПТ-80/100-130/13 рассчитана для работы при следующих основных параметрах:

1. Номинальная мощность - 80МВт.

2. Число оборотов - 3000 об./мин.

3. Давление пара перед СК ЦВД - 130ата

4. Температура свежего пара перед СК ЦВД - 540єС.

5. Абсолютное давление на выхлопе из ЦВД - 13 ата

6. Абсолютное давление перед входом в ЦНД -13 ата

7. Абсолютное давление в конденсаторе турбины при расчётной температуре охлаждающей воды на входе в конденсатор +20 єС и расчётным её расходом 8000 т/ч - 0.033 ата[43].

Турбина имеет нерегулируемые отборы пара, предназначенные для подогрева основного конденсата и питательной воды последовательно в ПНД, деаэраторе и ПВД. На турбине имеется валоповоротное устройство (ВПУ), а также система обогрева фланцев и шпилек ЦВД и ЦНД.

Данные об отборах пара для нужд регенерации при номинальной нагрузке и номинальных основных параметрах приведены в таблице 5.1

Таблица 2.1 Данные об отборах пара для нужд регенерации при номинальной нагрузке и номинальных основных параметрах

Котельный агрегат ТПЕ-430

Паровой котел однобарабанный, с естественной циркуляцией, имеет П-образную компоновку поверхностей нагрева и состоит из топочной камеры и опускного газохода, соединённых в верхней части горизонтальным газоходом. Котел газоплотный с уравновешенной тягой, имеет призматическую форму с размерами в плане 16080х8640 мм.

Топочная камера открытого типа с твёрдым шлакоудалением. Стены топочной камеры, горизонтального и опускного конвективных газоходов экранированы газоплотными панелями из труб, между которыми вварены полосы.

Пароперегреватель состоит из радиационного, широкого пароперегревателей, расположенных в верхней и части топки и 2-х конвективных ступеней в горизонтальном газоходе. Мембранный экономайзер состоит из 2-х ступеней и находиться в нижней части опускного газохода.

Регулирование температуры перегрева пара осуществляется впрыском собственного конденсата.

Котел оборудован 8-ю плоскофакельными греками. Горелочное устройство позволяет использовать двухступенчатую схему сжигания топлива для получения минимально возможных выбросов окислов азота.

Нормативные энергетические характеристики парового котла ТПЕ-430 представлены в таблице 5.2

Таблица 5.2 нормативные энергетические характеристики парового котла ТПЕ-430

Для подогрева воздуха котел снабжен регенеративным воздухоподогревателем.

Данный котел предназначен для получения пара высокого давления.

Основным видом топлива является природный газ, в качестве резервного топлива-мазут

Воздухоподогреватели

Воздухоподогреватели предназначены для подогрева воздуха, поступающего в горелки котла и для охлаждения дымовых газов. Воздухоподогреватели могут быть в роторном и трубчатом исполнении.

На блоках 80 МВт установлены регенеративные воздухоподогреватели (РВП-68). РВП выполнены роторного типа.

Техническая характеристика РВП-68 представлена в таблице 5.3

Таблица 5.3 техническая характеристика РВП-68

Описание и анализ работы питательно-деаэрационной установки

Питательная деаэрационная установка предназначена для обеспечения бесперебойной передачи питательной воды в котел с качеством, удовлетворяющим нормам ПТЭ, на всех режимах его работы.

В состав питательно-деаэрационной установки входят:

деаэрационная установка (деаэратор типа ДСП-500);

питательный насос (насос типа ПН-580-195-5);

трубопроводы обвязки и арматура.

5.1 Деаэрационная установка повышенного давления ДСП-500

Деаэрационная установка предназначена:

для удаления в период пуска из питательной воды коррозионно-активных газов: кислорода, свободной двуокиси углерода;

для создания рабочего резерва питательной воды в баках-аккумуляторах для компенсации небаланса между расходом питательной воды в котел и основного конденсата турбины с учетом добавочной воды;

для подогрева питательной воды в схеме регенерации турбоустановки.

В верхнюю часть деаэрационной колонки подводятся следующие потоки:

-основной конденсат после ПНД (симметрично с двух сторон для равномерной загрузки головки);

- конденсат (дистиллят) вакуумного деаэратора;

- греющий пар от коллектора 16 ата, сепаратора непрерывной продувки;

- пар от штоков клапанов турбины.

Непосредственно в аккумуляторный бак заведены трубопроводы конденсата греющего пара ПВД, рециркуляции питательных насосов.

На трубопроводах рециркуляции установлены обратные клапаны, служащие для предотвращения попадания пара из колонки в линии рециркуляции и возникновения по этой причине гидроударов при включении соответствующего ПЭНа.

Состав деаэрационной установки на первом блоке.

Деаэрационная установка включает в себя:

деаэратор типа ДСП-500 (1шт.) (рис.5.2);

бак-аккумулятор емкостью 65 мі (1шт.);

трубопроводы обвязки и арматуру.

Рис.5.2. Деаэратор типа ДСП-500

Техническая характеристика деаэрационной установки представлена в таблице 5.4

Таблица 5.4 техническая характеристика деаэрационной установки

На барботажном листе происходит интенсивная паровая обработка воды и ее более глубокая дегазация.

Перечень узлов деаэрационной колонки:

1. Водораспределитель - первая струйная тарелка

2. Подвод конденсата

3. Основной пароструйный клапан - байпасирующее устройство

4. Дополнительная вододробящая тарелка

5. Подвод греющего пара

6. Водосливной гидрозатвор

7. Барботажная тарелка

8. Отвод выпара

Деаэраторный бак.

Деаэраторный бак предназначен для создания рабочего резерва питательной воды для компенсации небаланса между расходом питательной воды в котел и основного конденсата турбины. Деаэраторный бак также обеспечивает необходимый подпор бустерных насосов.

Техническая характеристика бака аккумулятора представлена в таблице 2.5.

Таблица 5.5 техническая характеристика бака аккумулятора

Обвязка деаэраторов и особенности схемы.

Источниками греющего пара деаэраторов являются:

-пар из III отбора турбины;

-пар от коллектора собственных нужд 16 ата с давлением 13 кг/смІ и температурой 260±30°С;

При номинальной работе блока деаэраторы питаются паром из III отбора турбины в зависимости от нагрузки турбины. При пуске блока деаэраторы питаются паром от коллектора собственных нужд.

Нормальная безопасная работа деаэратора поддерживается системой автоматических регуляторов и предохранительных устройств. К ним относятся:

регулятор уровня воды в баке-аккумуляторе;

регулятор давления греющего пара;

задвижки перелива;

предохранительные клапаны.

Предохранительные клапаны установлены на коллекторе греющего пара деаэраторов после регулирующих клапанов.

Аварийный перелив и опорожнение деаэратора заведены в расширитель дренажей высокого давления (РДВД).

Выпар деаэраторов может использоваться для питания паром эжекторов уплотнений главной турбины[44].

5.2 Краткая техническая характеристика вакуумного деаэратора ВД-400

Назначение и техническая характеристика.

Вакуумный деаэратор ВД-400 (см. рис.4.3) предназначен для удаления коррозийно-агрессивных газов из подпиточной воды энергетических котлов. В соответствии с ГОСТ 16860-77 ВД-400 должен обеспечить средний подогрев воды на величину от 15є до 25°С при изменении произ-водительности в деаэраторе от 30% до 120% от номинальной, содержание кислорода в деаэрированной воде не должно превышать 30 мкг/кг, свободная углекислота должна отсутствовать.

В качестве теплоносителя используется пар от РУ-16/3 .

Эжектор типа ЭПО-3-25/75 предназначен для отсоса паровоздушной смеси из вакуумного деаэратора.

Рабочей средой является пар с абсолютным давлением 0,588 мПа (6 ата), охлаждающей водой служит ХОВ с БЗК.

Основные технические характеристики ВД-400:

Номинальная производительность - 400 т/ч

Максимальная производительность - 480 т/ч

Минимальная производительность - 120 т/ч

Рабочее абсолютное давление - 0,075-0,5 кгс/смІ

Температура теплоносителя - 70-180°

Основные технические характеристики эжектора:

Расход пара - 1000 кг/ч

Абсолютное давление пара перед соплами - 7 ата

Температура пара - 158єС

Расход охлаждающей воды - 165000 кг/ч

Температура охлаждающей воды - 30єС

Производительность по паровоздушной смеси - 87 кг/ч

Рис 5.3. Вакуумный деаэратор ВД-400

Описание конструкции и принцип работы.

В вакуумном деаэраторе ВД-400 применена двухступенчатая деаэрация воды: I-я ступень струйная, 2-я - барбатажная, что надежно обеспечивает требуемое нормами остаточное содержание кислорода и углекислоты в широком диапазоне и изменение тепловой и гидравлической нагрузки деаэратора.

Деаэратор работает следующим образом: химически обессоленная вода поступает в деаэратори попадает в распределительный коллектор, откуда стекает на первую тарелку. Прошедшая сквозь отверстия первой тарелки вода попадает на вторую тарелку. Такая конструкция первых двух тарелок объясняется выполняемой ими функцией встроенного охладителя выпара, т.е. должны обеспечить полную конденсацию необходимого количества выпара. Третья является основной, обеспечивающей работу деаэратора при всех нагрузках. В деаэраторе имеется отсек, куда подается пар. Пар поступает под барбатажный лист, а оставшаяся вода по каналу вытесняется на уровень барбатажного листа и отводится из деаэратора вместе с деаэраторной водой.

Проходя сквозь отверстия барбатажного листа и слой воды на нем, обеспечиваемый переливным порогом, пар догревает воду до температуры насыщения и подвергает интенсивной обработке.

При этом под листом образуется соответствующая паровая подушка, которая с увеличением расхода пара возрастает и избыточный пар перепускается в обвод барбатажного листа в струйный отсек между третьей и четвертой тарелками. Пар, прошедший сквозь барбатажный лист пересекает струйный поток, сливающийся с четвертой тарелки, частично конденсируясь и нагревая при этом воду, и также поступает в струйный отсек между третьей и четвертой тарелками. В этом отсеке происходит основная конденсация пара и нагрев воды до температуры, близкой к температуре насыщения. Затем пар поступает в отсек между второй и третьей тарелками, где практически полностью конденсируется. В отсеке между первой и второй тарелками происходит охлаждение паровоздушной смеси и охлаждение неконденсирующихся газов, которые отсасываются эжектором.

Такая конструкция деаэратора обеспечивает полный противоток между паром и водой на всем пути осуществления процесса дегазации, исключения мертвых зон и интенсивную вентиляцию всех паровых объемов, многократность и непрерывность обработки воды. Корпус деаэратора изготовлен из углеродистой стали, все внутренние элементы из нержавеющей стали. Крепление всех элементов к корпусу и между собой осуществляются электрической сваркой.

Эжектор имеет три ступени сжатия и состоит из следующих основных элементов: стального сварного корпуса трубной системы, верхней крышки, водяной камеры, сопел и диффузоров.

Корпус образован тремя сваренными между собой цилиндрическими камерами, объединенными верхним и нижним фланцами. В камерах размещены три ступени трубной системы, диффузор.

Трубная система выполнена из трех групп охлаждающих трубок U-образной формы Ш19х1 и сплава МНЖ-5-1, развальцованных в трубной доске. С целью обеспечения интенсивной конденсации пара и охлаждения паровоздушной смеси, каждая ступень трубной системы разделена горизонтальными перегородками, образующими проходы для паровоздушной смеси.

В трубной доске имеются отверстия для протока конденсата из третьей ступени эжектора во вторую, из второй ступени в первую. Трубная система при помощи шпилек крепится к нижнему фланцу корпуса и устанавливается на водяной камере.

Водяная камера выполнена сварной и состоит из днища с входным и выходным фланцами, перегородок и общего фланца, к которому крепится трубная система и корпус.

Крышка эжектора состоит из трех камер, собранных на общем фланце. К всасывающей камере первой ступени приварен входной приемный патрубок паровоздушной смеси. В верхней части каждой камеры имеются соответствующие гнезда под паровые сопла и во фланце отверстия для перехода паровоздушной смеси во вторую и третью камеры. Помимо этого во фланце имеются три посадочных отверстия для установки в них диффузоров, сопла и диффузоры расположены по центральной продольной оси корпуса каждой ступени. Сопла выполнены из нержавеющей стали, а диффузоры - литые, латунные.

Паровоздушная смесь поступает во всасывающую камеру эжектора и увлекается выходящей из сопла с большой скоростью струей пара через смесительную камеру в диффузор первой ступени, где происходит сжатие ее давления, устанавливающегося в охладителе первой ступени. Из диффузора паровоздушная смесь поступает в нижнюю часть корпуса, откуда перегородками направляется в холодильник, смывая его трубки снаружи. Охлаждающая вода поступает в водяную камеру и проходит последовательно по трубкам холодильников.

При этом происходит конденсация пара, находящегося в смеси и несконденсировавшаяся часть проходит во всасывающую камеру и входную часть диффузора второй, а затем и третьей ступени.

Образовавшийся конденсат рабочего пара третьей ступени отводится в отсек охладителя второй ступени, здесь часть его испаряется, а часть смешивается с конденсатом второй ступени и поступает в охладитель первой ступени, а оттуда в бак низких точек.

Деаэратор ВД-400 не имеет запаса по уровню воды в своем корпусе, поэтому для устройства работы последнего имеется ВУС и промежуточный бак с регулируемым уровнем воды, подающейся на всас перекачивающих насосов.

Установка промбака с регулируемым уровнем (Н_доп.= 80ч220 см.) обусловлена тем, что самослив из ВД-400 к ПН менее 10 метров.

Паровое пространство промбака соединено с паровым пространством вакуумного деаэратора трубой Ду 100 ( заведена между I и II тарелкой ), что позволяет удалить остаточный кислород после прохождения деаэратора.

Для защиты деаэратора от переполнения и превышения допустимого давления с промежуточного бака выполнен гидрозатвор в БЗК. Для достижения минимальной гидравлической загрузки деаэратора в 30% от номинальной имеется линия рециркуляции с ПН Ду 100[46].

6. Рекомендации по повышению эффективности работы деаэрационных установок

6.1 Модернизация деаэратора с использованием различных современных насадочных колонн

В последние годы в практике отечественных и зарубежных предприятий сложилась устойчивая тенденция к замене устаревших контактных элементов (барботажных тарелок, насадок и т.п.) преимущественно в вакуумных и атмосферных колоннах на модернизированные или вновь разработанные виды насадок, обладающих более широким интервалом устойчивой работы и большей эффективностью.

Насадочные колонны находят широкое применение в промышленности при проведении процессов абсорбции, ректификации и жидкостной экстракции. К достоинствам насадочных колонн можно отнести высокую эффективность и широкий интервал устойчивой работы, сравнительно невысокую стоимость и простоту конструкций, небольшое гидравлическое сопротивление, что особенно важно для вакуумных колонн [47].

В насадочных колоннах могут использоваться различного рода контактные устройства, такие как: кольца Рашига , кольца Палля , насадка «Инжехим» (рис.6.1).

а)

б)

в)

Рис.6.1 Виды контактных насадок: а) кольца Рашига; б)кольца Палля; в) насадка инжехим

Из подробного анализа процесса дегазации воды вытекает, что одними из факторов влияющие на интенсивность процесса деаэрации являются: площадь контакта воды с паром и турбулентность потока.

Увеличение поверхности контакта воды и пара позволяют увеличить скорость диффузии. В деаэраторах, особенно в вакуумных, большая часть газов выделяется из воды в виде пузырьков, которые выходят на поверхность воды. Меньшая, остаточная часть газов выделяется путем диффузии. Диффузия есть перенос в жидкости растворенного вещества по направлению от большей концентрации к меньшей. Диффузия газа идет от внутренних слоев воды, где концентрация растворенных газов больше, к наружным, где концентрация меньше. Затем газы через поверхностную пленку переходят в пар. Скорость диффузии зависит от физических параметров воды: вязкости и поверхностного натяжения, и от степени дробления воды.

Используемые в деаэраторах насадки уменьшают поверхность натяжение воды, а также способствуют ее дроблению, что в свою очередь уменьшает путь прохождения газа в воде и ускоряет его выход из нее благодаря увеличению поверхности контакта воды с паром.

Турбулизация, т. е. завихрение воды при ее движении. Турбулизация приводит к нарушению поверхностного натяжения воды. При этом разрывается поверхностная пленка и облегчается выход газов из воды. Благодаря турбулентному движению происходит перемешивание частиц воды и непрерывное обновление поверхности соприкосновения воды с паром. Это ускоряет выход газа из воды и переход его в пар.

Благодаря своим геометрическим формам, насадки способствуют турболизации потока, и как следствие повышают эффективность процесса деаэрации[48].

Примером модернизации деаэратора с использованием насадочной колонны может служить Казанская ТЭЦ-3.

Проведенные исследования режимов работы деаэратора ДСА-300 Казанской ТЭЦ-3 показали, что деаэратор не всегда обеспечивает требуемое содержание кислорода О₂ на выходе при различных режимах и необходима его модернизация. Характеристики работы по данным Казанской ТЭЦ-3 приведены в табл 6.1.

На основе выполненных расчетов разработаны технические решения по модернизации деаэратора, которые заключаются в замене устаревших контактных устройств в колонке деаэратора на более эффективные. Для модернизации действующего деаэратора на Казанской ТЭЦ-3 были рассмотрены варианты с заменой контактных устройств на насадку «Инжехим» номинального размера 45 и 60 мм. В результате расчетов деаэратора при различных режимах получены следующие данные (табл. 6.2), и установлены деаэраторы следующих размеров по высоте слоя насадки (табл. 6.3 и табл. 6.4) [49].

Таблица 6.1. Характеристики работы деаэратора

Таблица 6.2. Данные полученные при расчетах деаэратора

Таблица 6.3 Конструктивные характеристики деаэратора при минимальных расходах

Таблица 6.4 Конструктивные характеристики деаэратора при максимальных расходах

На основе моделирования и проведенных расчетов массообменных процессов, была предложена следующая схема модернизации деаэратора ДСА-300 (рис. 6.2).

Рис. 6.2 Схема модернизации деаэратора ДСА-300 (вид сбоку). H - высота слоя насадки

В колонке деаэратора размещается насадка «Инжехим» размером 60 мм высотой H = 1,3 м (рис. 6.2). Это обеспечивает повышение эффективности удаления кислорода О₂ до требуемой нормы. Для оценки эффективности работы модернизированного деаэратора ДСА-300 Казанской ТЭЦ-3 после его модернизации произведены натуральные испытания.

Основные результаты испытаний представлены в табл. 6.5. Испытания проводились при следующих расходах (нагрузках деаэратора): 190 - 285 т/ч.

Таблица 6.5. Результаты испытаний

Анализ результатов испытания деаэратора ДСА-300 позволяет сделать следующие выводы:

1. При максимально-возможной нагрузке содержание кислорода О₂ в деаэрированной воде на выходе из аппарата снизилось в 1,5-2 раза, что соответствует нормированному содержанию кислорода. Нагрев воды при этом соответствует рекомендуемому диапазону температур.

2. В результате проведенной модернизации улучшилась стабильность работы деаэратора ДСА-300 при максимально возможных нагрузках[50].

Таким образом можно утверждать что использование насадочных колонн, при правильном подходе расчета процесса деаэрации, а также при налаженном процессе эксплуатации, ведет к повышению эффективности термической деаэрации.

6.2 Использование природного газа в качестве десорбирующего агента

Технологии деаэрации существенно влияют на экономичность тепловых электростанций. Для повышения энергетически эффективной выработки электроэнергии на тепловом потреблении за счет отборов пара на подогрев потоков деаэрируемой и деаэрированной воды деаэрацию воды следует проводить при минимально возможной температуре этих теплоносителей [51]. Особенно актуально это положение для открытых систем теплоснабжения с большими расходами подпиточной воды: чем ниже температура деаэрированной подпиточной воды, тем меньше температура обратной сетевой воды, с которой подпиточная вода смешивается, и тем ниже потенциал отопительных отборов пара теплофикационных турбин, которым подогревается сетевая вода. Значение же потенциала отборов пара непосредственно влияет на выработку электроэнергии на тепловом потреблении.

Тем не менее, резервы повышения энергетической эффективности ТЭЦ с деаэрацией подпиточной воды систем теплоснабжения далеко не исчерпаны. В частности, одна из возможностей повышения тепловой экономичности связана с применением новых технологий низкотемпературной деаэрации подпиточной воды.

Далее рассматривается одно из таких решений, позволяющих повысить экономичность ТЭЦ путем исключения затрат пара на деаэрацию и использования в качестве десорбирующего агента природного газа [52] (рис. 6.3).

Рис.6.3. Схема дегазации подпиточной воды теплосети природным газом.

Схема (рис.6.3) деаэрации подпиточной воды содержит: котел 1, теплофикационную турбину 2 с отборами пара, которые подключены к нижнему 3 и верхнему 4 сетевым подогревателям. К деаэратору 5 подключены трубопровод исходной воды 6 и патрубки подвода 7 и отвода 8 десорбирующего агента. Патрубки подвода 7 и отвода 8 десорбирующего агента включены в газопровод 9, подключенный к горелкам котла 1. Бак-аккумулятор 10 деаэратора 5 связан трубопроводом подпиточной воды 11 с обратным сетевым трубопроводом 12 перед нижним сетевым подогревателем 3.

Вырабатываемый в котле 1 пар направляют в теплофикационную турбину 2. Сетевую воду нагревают паром отопительных отборов теплофикационной турбины 2 в нижнем 3 и верхнем 4 сетевых подогревателях. Исходную воду по трубопроводу 6 подают в деаэратор 5. Используемый в качестве десорбирующего агента природный газ из газопровода 9 направляют в деаэратор 5 по патрубку подвода 7. Из деаэратора 5 природный газ с выделившимися коррозионно-агрессивнымигазами удаляют из деаэратора по патрубку отвода 8 и по трубопроводу 9 подают в горелку парового котла 1. Деаэрированную воду из деаэратора 5 сливают в бак-аккумулятор подпиточной воды 10, после чего по трубопроводу 11 подают в обратный сетевой трубопровод 12 перед нижним сетевым подогревателем 3. Поскольку деаэрацию в деаэраторе производят газом при низких температурах (10-30°C), смешение деаэрированной подпиточной воды с обратной сетевой водой приводит к существенному понижению температуры обратной сетевой воды перед нижним сетевым подогревателем, возрастанию выработки электроэнергии на тепловом потреблении и, как следствие, к повышению экономичности способа работы тепловой электрической станции.[53]

Главная особенность технологии, которую поясняет схема на рис. 6.3, состоит в применении нового десорбирующего агента в деаэраторе. Вместо традиционных водяного пара или перегретой воды, которая образует пар при попадании в вакуумный деаэратор, новая технология предусматривает применение в качестве десорбирующей среды газа, являющегося топливом для котлов электростанции. Эффективному использованию природного газа в качестве десорбирующей среды в деаэраторах способствует отсутствие в нем коррозионно-агрессивных газов. Весьма важным обстоятельством является возможность проведения деаэрации воды при относительно невысоких температурах, поскольку газ после редуцирующих установок имеет низкую температуру. При подаче холодной деаэрированной подпиточной воды в обратный сетевой трубопровод происходит значительное снижение температуры обратной сетевой воды перед сетевыми подогревателями теплофикационных турбин. Снижение температуры обратной сетевой воды, в свою очередь, приводит к увеличению выработки электроэнергии на тепловом потреблении и повышению энергетической эффективности работы ТЭЦ.

Также предлагается модернизация вышепоказанной схемы с подогревом природного газа, уходящими газами котла (рис 6.4).

Рис 6.4. Схема деаэрации с подогревом природного газа уходящими газами

В данной схеме предложен вариант внедрения дополнительного теплообменного аппарата 14, где будет происходить теплообмен между уходящими газами ,подводимыми через трубопровод 13, и природным газом.

Установка дополнительного теплообменника влечет за собой: увеличение КПД котлоагрегата, за счет уменьшения потерь теплоты с уходящими газами,

Также увеличится температура деаэрированной воды, что позволит сократить расход пара в нижнем 3 и верхнем 4 сетевых подогревателях.

Для оценки массообменной и энергетической эффективности этого решения следует определить теоретически необходимый расход десорбирующего агента -- газа и изменение удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении теплофикационными турбинами ТЭЦ при изменении температурного режима деаэрации.

В основу методики определения теоретически необходимого удельного расхода природного газа для удаления из воды растворенного кислорода d™ⁿ, кг/т, положено решение балансовых уравнений процессов массо- и теплообмена при термической деаэрации при условии, что на выходе из деаэратора достигается равновесие между фазами [54]. С определенными допущениями можно принять, что наибольшая массообменная и энергетическая эффективность термического деаэратора достигается при минимально возможных расходах десорбирующего агента и покидающего деаэратор выпара.

Уравнение материального баланса деаэрации можно записать в виде

G_и.в.X_и.в+D_газY_газ = G_д.в X_д.в.+D_выпY_{вып ,} (6.1)

где G_и.в. и G_д.в - количество исходной к деаэрированной воды, кг/ч; D_газ - расход расход природного газа, подаваемого в деаэратор кг/ч; ; D_вып -- расход выпара деаэратора (смеси выделившихся из воды коррозионно-агрессивных газов и природного газа), кг/ч; X_и.в, X_д.в -- концентрации кислорода в воде на входе в деаэратор и выходе из него; Y_газ, Y_вып -- содержание кислорода в природном газе на входе в деаэратор и в выпаре на выходе из деаэратора.

Расчетная схема деаэратора приведена на рис. 6.5.

Согласно закону Дальтона, общее давление газовой или парогазовой смеси равно сумме парциальных давлений газов и паров, составляющих смесь. Из закона Генри следует, что концентрация газа, растворенного в воде, пропорциональна парциальному давлению этого газа над поверхностью воды.

Концентрация кислорода в газе на входе в деаэратор Y_газ практически равна нулю. Концентрация кислорода в выпаре, покидающем деаэратор, зависит от схемы движения воды и пара в аппарате. При противоточном движении мольная доля О₂ в парогазовой смеси Y_вып равна

(6.2)

где -- коэффициент Генри (константа фазового равновесия для кислорода), Па; р -- давление в деаэраторе,

Рис. 6.5 Схема деаэрационной колонки противоточного типа.

1 -- подвод исходной воды; 2 -- подвод греющего пара; 3 -- отвод деаэрированной воды; 4 -- отвод выпара деаэратора.

При противоточной схеме движения воды и природного газа в деаэраторе минимальное количество природного газа составит

(6.3)

а его удельное значение

(6.4)

Результаты расчета процесса деаэрации, выполненного по формулам (6.1) и (6.2) при разных значениях концентрации кислорода; в воде на входе в атмосферный деаэратор и приведенных в ГОСТ значениях содержания растворенного кислорода в деаэрированной воде, представлены на рис. 6.6.

Рис. 6.6 Зависимость теоретически необходимого расхода десорбирующего агента - природного газа при противоточном движении воды и газа от нагрузки деаэратора

Относительно небольшое количество природного газа, требуемое для деаэрации, можно объяснить тем, что теоретический расход соответствует деаэратору с бесконечно большой поверхностью контакта жидкой и газовой фаз. В реальных аппаратах массообмен протекает при ограниченной поверхности контакта фаз и в течение ограниченного времени, поэтому принятое при расчете равновесие между водой и паром не может быть достигнуто. Однако -- это то количество, к которому следует стремиться при организации процесса деаэрации.

Как следует из рис. 6.5 и сравнения его с данными [55], теоретически необходимый удельный расход природного газа для деаэрации существенно превышает теоретически необходимый расход водяного пара при использовании его в качестве десорбирующего агента. В то же время теоретически необходимый расход газа несколько ниже регламентированных значений удельного расхода выпара, указанных в [56].

Однако при проектировании и эксплуатации аппаратов, в которых в качестве десорбирующего агента используется природный газ с относительно низкой температурой после редуцирующих устройств, следует иметь в виду, что коэффициенты массопереноса, как правило, существенно зависят от температуры. На основании результатов расчетов массообмена и экспериментальных данных по низкотемпературной вакуумной деаэрации можно утверждать, что реальный расход газа на газовые деаэраторы будет в 3--5 раз больше теоретически необходимого [57]. Обеспечение такого расхода на ТЭЦ и в котельных не представляет каких-либо проблем, поскольку расход газа на котлы во много раз превышает расход его на деаэраторы.

Также стоит отметить, что свойства природного газа для деаэрации воды практически не изменяются, что вытекает из закона Гиббса поскольку выделяемое при деаэрации количество растворенных в воде газов не превышает 60 г на 1 т деаэрированной воды [58].

Величина G называется энергией Гиббса и является одним из важнейших термодинамических потенциалов. При постоянных температуре и давлении изменение энергии Гиббса в процессе определяет возможность его самопроизвольного протекания:

ДG=ДH-TДS (6.4)

Если для некоторой реакции ДG<0, то она может протекать самопроизвольно, при ДG>0 реакция принципиально неосуществима; ДG=0 отвечает состоянию равновесия.

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂

-137, 14-(-50,79)-(-229)=142,65

CH₄ + 2H₂O = CO₂ + 4H₂

-394,40-(-50,79)-2*(-229)=114,39

Реакции принципиально неосуществимы

ДG(H₂) = 0 (простое вещество)

Свойства воды, деаэрируемой природным газом, также не изменяются, так как природный газ не токсичен и практически не растворим в воде.

Для объяснения плохой растворимости углеводородов в воде необходимо прежде всего рассмотреть энергетику такого процесса. На рис. 6.7 приведены данные для наиболее простого углеводорода метана.

Рис . 6.7 Растворимость метана в воде

Известно, что растворение газообразного метана в воде -- процесс экзотермический (ДЗ° < 0). Тем не менее изменение свободной энергии (ДG°) -- величина положительная, поскольку в уравнении преобладает энтропийный член (-Т * ДS°). Очевидно, что изменение энтропии процесса (ДS°) -- величина отрицательная, т.е. растворение метана в воде требует повышения степени упорядоченности системы. При окружении молекул метана молекулами воды подвижность молекул метана должна уменьшаться. Однако при этом существенно важнее то обстоятельство, что молекулы воды, располагаясь вокруг этих неполярных молекул, образуют собственную сетчатую структуру, 'клатраты', стабилизированную, как и в структуре льда, водородными связями. Таким образом, растворение метана в воде -- процесс, приводящий к более высокой упорядоченности водной фазы. Чем больше поверхность контакта между водой и неполярной фазой, тем выше степень такой упорядоченности[59]

Весьма незначительное сопротивление газового деаэратора может быть учтено при настройке регулятора давления газа на газораспределительном пункте, на котором происходит срабатывание основного перепада давления газа, подаваемого из магистральных газопроводов на ТЭЦ.

Исходя из выше сказанного можно сделать следующие выводы:

• При подготовке подпиточной воды теплосети на ТЭЦ имеются существенные резервы повышения энергетической эффективности, прежде всего благодаря снижению температуры теплоносителей, участвующих в деаэрации.

• Предложенная технология деаэрации подпиточной воды теплосети с применением в качестве десорбирующего агента природного газа, поступающего в топки котлов, позволяет существенно понизить температурный уровень процесса деаэрации.

. В результате оценки массообменной эффективности деаэрации подпиточной воды теплосети при использовании в качестве десорбирующего агента природного газа установлено, что теоретически необходимый удельный расход газа для деаэрации составляет около 1 м³ на 1 т деаэрированной воды.

7. Технико - экономический анализ

7.1 Расчет высоты насадочного слоя для деаэратора ДВ-400

Насадочные колонные аппараты широко применяются в нефтехимической, химической, и других отраслях промышленности, поэтому их расчет является актуальным. Задачей модернизации колонн является выбор типа насадки, ее геометрических размеров и высоты слоя (количество секций) в аппарате при заданном качестве разделения и производительности.

В основе технологического расчета насадочного аппарата при выполнении проектного и проверочного расчетов лежат условия термодинамического равновесия, уравнения материального баланса, уравнения массопередачи, а также однопараметрическая диффузионная модель [60].

Необходимо определить диаметр аппарата, высоту слоя насадки и расход газового поглотителя при заданной конструкции и размерах насадочных элементов. Окончательный выбор насадки выполняется после техникоэкономического анализа [61].

В таблице 7.1 приводится сравнение характеристик новой насадки с известными. Видно, что новая насадка обладает лучшими гидравлическими и массообменными свойствами, чем близкие ей по размерам известные насадки.

В качестве первого приближения первоначально рассмотрен расчет насадочного деаэратора, обеспечивающего необходимое качество деаэрации, по модели идеального вытеснения. Произведен выбор более эффективного контактного устройства из следующих: насадка «Инжехим-2000», кольца Рашига 50x50, кольца Палля 50 x 50 (таблица 7.1). Вид контактных устройств представлен на рисунке 7.1, рисунке 7.2, рисунке 7.3.

Таблица 7.1 -Сравнительные характеристики промышленных насадок размером 50x50 мм [79]

Элемент насадки «Инжехим-2000» образован изогнутыми металлическими полосами, смещенными относительно друг друга. Элемент изготавливается штамповкой из металлической ленты (см. рис. 6.1в).

Принципиальная схема насадочного деаэратора представлена на рисунке 7.1.

Таблица 7.2 - Технические характеристики насадки «Инжехим-2000»

Рисунок 7.1 - Схема насадочного деаэратора: 1 - опорная решетка,2 - слой насадки, 3 - распределитель жидкости;

Х_Н, Х_К - концентрация О₂ в жидкости на входе и выходе из аппарата,

Y_Н, Y_К - концентрация О₂ в паре на входе и выходе из аппарата,

G_Н, G_K - количество пара на входе и выходе из аппарата,

L_H, L_K - количество пара на входе и выходе из аппарата [62].

Модель идеального вытеснения предполагает поршневое движение потоков аппарате (без перемешивания). В этом случае совместное решение уравнений материального баланса и массопередачи позволяет вычислить высоту насадки при заданной степени извлечения.

Расчет высоты насадочного слоя будем проводить для деаэратора ДВ-400.

Степень извлечения (или отгонки) процесса деаэрации определяется :

==80%

Х_Н и Х_К принимаются в соответствии с начальной и конечной концентрацией О₂ входе и выходе из термического деаэратора.

Количество переданной массы М, кг/с, компонента из жидкой фазы в газовую равно:

М=(Х_К - Х_Н)=66 * (100-20)=5,33 кг/с

где L - массовый расход жидкой смеси на входе, кг/с принимается в соответствии с техничесими характеристиками деаэратотра.

Расход газового поглотителя G, кг/с согласно известным рекомендациям принимается равным

=*40*66=1,6 кг/с

где р_г - плотность газа, кг/м³, р_ж - плотность жидкости, кг/м³,приняты в соответствии с температурой воды и пара при входе в деаэратор .

Коэффициент распределения (константа фазового равновесия) при постоянной температуре и давлении определяется по соотношению [63]

m= = = 1,65

где Е - константа Генри, зависящая от температуры и от природы газа и жидкости. Р - общее давление смеси газов или паров равное сумме парциальных давлений всех компонентов.

Составы газа и жидкости выражены в относительных массовых концентрациях, поэтому коэффициент распределения умножается на поправочный множитель.

? = m=1,65,

Из уравнения материального баланса определяется значение Y_к, мкг/кг:

Y_к= Y_н = +3=6,33 мкг/кг

Фиктивная скорость газа в точке захлебывания (W₃) можно определить из решения следующего уравнения:

A₁ -B₁

отсюда, м/с.

где a_v- удельная поверхность насадки, м²/м³ ; ускорение свободного падения, м²/с, (g = 9,81); е_св- свободный объем насадки, м/м ; _ж - динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа-с. Значения коэффициентов А₁ и В₁ в зависимости от типа насадки взяты из таблице 7.3 [63].

Рабочая (фиктивная) скорость газа, м/с:

W = bW₃ =2,95*0,8=2,38

где b= 0,8.

Диаметр колонны D_k , м:

Таблица 7.3 - Значения коэффициентов А₁иВ₁в зависимости от типа насадки

Выбирается ближайший стандартный диаметр колонны и пересчитывается рабочая скорость газа. Стандартные диаметры колонн приведены в таблице 7.4

Таблица 7.4 - Нормальный ряд диаметров колонн в промышленности.

S_k = 1,13 м²,

где S_k = - площадь поперечного сечения колонны, м².

Далее производим расчет движущей силы массопередачи и числа единиц переноса.

Первоначально рассчитывается движущие силы массопередачи внизу деаэратора:

?Y_н= Y*_н -Y_н=33-3=30мкг/кг

Затем вверху деаэратора

?Y_к= Y*_к -Y_к=165-6,33=158,67мкг/кг

где Y*_к = ?Х_н - равновесная с жидкостью состава Х_н концентрация компонента в газе, кг/кг; Y*_н, = ?Х_к - равновесная концентрация компонента в газовой фазе на входе в аппарат, кг/кг.

Средняя движущая сила массопередачи ?Y _ср, мкг/кг,

Число единиц переноса п_ог равно:

Далее производим расчет коэффициента массопередачи.

Коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах можно определить по теоретическим или эмпирическим зависимостям [64].

Критериальное выражение Онда для расчета коэффициента массоотдачи в газовой фазе (в_г в орошаемых колоннах с нерегулярными насадками имеет вид [67].

Постоянные А, р, к для колец в навал имеют значения A=0,0142,p=0,52 ,k=0,22.

Критерий Рейнольдса:

где р_г - плотность газа, кг/м ; - динамический коэффициент вязкости газа, мПа*с.

D_г- коэффициент диффузии поглощаемого компонента в газе, м /с, находится из выражения [24, 53]:

где Р - абсолютное давление, кг*с /см²;V_A ,Vв - молярные объемы газов, см³/моль; М_А, Мв - мольные массы газов, г/моль.

Критерий Галилея в газовой фазе:

v_r - коэффициент кинематической вязкости газовой фазы, м²/с.

Критерий Шмидта в газовой фазе:

где - динамический коэффициент вязкости газа, Па*с.

Далее производим расчёт коэффициента массоотдачи:

Для нахождения коэффициента массоотдачи в жидкой фазе используется следующее выражение, которое дает для насадочных колонн с нерегулярными кольцевыми насадками удовлетворительные результаты по массоотдаче в жидкой фазе при ламинарном безволновом пленочном течении:

где - коэффициент смачиваемости поверхности насадки; = 3,1415; q=L/(S_kр_ж) - плотность орошения, м³(м²*с); А=0,93. Для насадок «Инжехим- 2000» А = 1,53, где- удельный объем деаэрированной воды м³/кг , =18,96.

Коэффициент диффузии О₂ в жидкости:

Коэффициент смачиваемости поверхности насадки:

Критерий Рейнольдса для жидкости:

При известных значениях в_г и в_ж вычисляется коэффициент массопередачи:

При известном значении К_ог высота едениц переноса h_ог вычисляется по выражению:

где = 113 .

Высота слоя насадки определяется по формуле[64]:

Расчет слоя насадки показал что теоретически необходимая высота составляет 1,57 метров.

7.2 Расчёт расхода пара на вакуумный деаэратор ВД-800

Вакуумный деаэратор служит для дегазации воды, идущей на восполнение потерь в тепловых сетях. На Астраханской ТЭЦ-2 установлены четыре деаэратора ДВ-800 на нужды подпитки теплосетей.

Для расчета потребуются средние данные за осенний зимний период по станции (табл.7.5).

Таблица.7.5. Средние данные по ТЭЦ-2 за ОЗП 2015/2016 гг.

Принимаем давление вакуумного как функцию от температуры

.

Рисунок 7.2. Расчётная схема вакуумного деаэратора

Энтальпия пара перед сетевым подогревателем определятся из выражения:

Энтальпия пара после сетевого подогревателя определятся из выражения :

Определяем энтальпии химически - очищенной воды при температуре 30 и 70 :

Энтальпия химически - очищенной воды перед сетевым подогревателем:

Энтальпия химически - очищенной воды после сетевого подогревателя:

где -теплоемкость воды, и температура воды до и после сетевого подогревателя соответственно.

Далее производим расчет по уравнению материального баланса.

Уравнение теплового баланса для нашего деаэратора будет выглядеть следующим образом:

где и расход пара и химически - очищенной воды соответственно.

где - расход сетевой воды т/ч.

Тогда расход пара на деаэратор составит:

Далее приводится расчет экономичности предложенной технологии работы ТЭЦ по методике для котла паропроизводительностью 500 т/ч, и теплофикационной турбины ПТ-80/100-130/13[65].

Мощность, развиваемая турбиной на тепловом потреблении за счет отбора пара на деаэрацию, определяется по формуле:

где -- расход пара, отбираемого натермическую деаэрацию воды, кг/с; h₀ и h -- энтальпии свежего пара и пара из отбора, кДж/кг; -- электрический и механический КПД турбогенератора.

Расчет показал, что применение новой технологии позволяет увеличить электрическую мощность, развиваемую на тепловом потреблении, чуть более чем 2 МВт.

Годовая экономия топлива составляет[66]:

где п -- число часов использования турбины; , -- удельный расход условного топлива на выработку электроэнергии в конденсационном и теплофикационном режиме соответственно, кг/(кВт * ч).

При стоимости условного топлива в г. Астрахани 3418 руб/т годовая экономия при использовании деаэрации природным газом для принятых в расчете условий составит 8063062 руб.

Заключение

Таким образом, в работе отражены вопросы деаэрации воды. Дана физическая картина процессов, происходящих при деаэрации (дегазации) воды. Описаны негативные факторы и их последствия на теплоэнергетическое оборудование (коррозия и др.), приводящие к необходимости дегазации воды. Приведены величины содержания растворенных газов в воде в зависимости от ее температуры.

Дано описание конструкций и принципа работы возможных типов деаэраторов: вакуумных, атмосферного типа и деаэраторов повышенного давления, применяемых как в промышленно-отопительных котельных для дегазации питательной воды котлов, так и в тепловых сетях. Приведены схемы их включения в различные теплоэнергетические установки. Описано вспомогательное оборудование деаэрационных установок: баки-аккумуляторы, охладители выпара, барботажные устройства и др.

В работе дано описание методик и рекомендаций по расчету деаэрационных установок: методика теплового и гидродинамического расчетов деаэрационных колонн струйного типа, методика теплового и гидродинамического расчетов барботажных устройств деаэраторов, расчет дегазации воды в деаэраторе.

Дано описание объекта анализа в работе, а именно - описание деаэраторов типа ВД-400, ВД-800 и ДСП- 500. Такие деаэраторы эксплуатируются на Астраханской ТЭЦ-2. Приведены необходимые характеристики, описание конструкции, описание основных элементов деаэратора и принципы их.

Выполнен расчет высоты насадочного слоя, а также расчет расхода пара в деаэраторе при характерных параметрах его работы.

Расчет высоты насадочного слоя деаэрационной колонны показал, что теоретически необходимая высота насадки составляет 1,57 м.

Расчет расхода пара на деаэрацию составил 11,5 т/ч. Данный расчет привел к следующему выводу: избавившись от использования пара в деаэрационной установке ВД-800, уменьшится расход условного топлива на 2359 тонн в год, что влечет за собой экономию 8 миллионов рублей в год.

Кроме описанного выше, в выпускной квалификационной работе приведены рекомендации по повышению эффективности работы деаэрационных установок, опираясь на которые можно добиться улучшения качества дегазации воды, совершенствовать рабочий процесс дегазации, внести некоторые энергосберегающие моменты в работу деаэраторов.

Список литературы

1. Проблемы современной энергетики [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://iqrate.com/energetics/problemy-sovremennoy-energetiki/

2. Ушаков В.Я. Основные проблемы энергетики // Известия Томского политехнического университета. Выпуск №4/ том 319/2012

3. Современные проблемы энергетики и пути их решения //'Альтернативная энергетика': стимулы и инновации // Аква-Терм. - 2013. - № 2. - С. 86-88.

4. Энергетическая проблема и пути ее решения [Электронный ресурс].Режим доступа:http://www.grandars.ru/student/mirovaya-ekonomika/energeticheskayaroblema.html.

5. Ушаков В.Я. Современная и перспективная энергетика: технологические, социально-экономические и экологические аспекты. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008.

6. Быстрицкий, Г. Ф. Общая энергетика : учебное пособие / Г. Ф. Быстрицкий. - 2-е изд., испр. и доп. - Москва : КНОРУС, 2010. - 293 с.

7. Влияние энергетического фактора на экономическую безопасность регионов Российской Федерации / отв. ред. А. И. Татаркин. - Екатеринбург : Изд-во Уральского ун-та, 1998. - 196 с.

8. Иониты в химической технологии. Под ред. Б.П. Никольского, П.Г. Романкова. Л.: Химия, 1982. - 416 с.

9. Ионообменные методы очистки веществ. Под ред. Г.А. Чикина, О.Н. Мягкого. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1984. - 372 с.

10. Иваненко А.С. Водоподготовка. Пособие аппаратчику. Киев: Тэхника, 1978. - 184 с.

11. Шарапов, В.И. Термические деаэраторы / В.И. Шарапов, Д.В. Цюра. - Ульян. гос. техн. ун-т., 2003. - 560 с.

12. Оликер, И.И. Термическая деаэрация воды в отопительно-производственных котельных и тепловых сетях [Текст] / И.И. Оликер. - Л.: Стройиздат, 1972. - 137 с.

13. Оликер, И.И. Термическая деаэрация воды на тепловых электростанциях / И.И. Оликер, В.А. Пермяков. - Л.: Изд-во «Энергия», 1971. - 185 с.

14.Теплоэнергетика и теплотехника [Текст]: в 3 кн. Кн. 1. Теплоэнергетика и теплотехника: Общие вопросы: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. - 3-е изд., перераб. - М.: Изд-во МЭИ, 1999. - 528

15.Тепловые и атомные электростанции [Текст]: Справочник / под общ. А.В. Клименко, В.М. Зорина. ? 3-е изд., перераб. и доп. ? М.: Из-дательство МЭИ, 2003. - 245 с.

16.Жук, Н.П. Курс тории коррозии и защиты металлов [Текст]/ Н.П. Жук. - М.: Изд-во «Металургия», 1976. - 472 с.

17.Тодт, Ф. Коррозия и защита от коррозии [Текст]/ Ф. Тодт ; пер. с нем. Л.И. Акинфиева, А.Е. Егорова, Н.О. Оберштейна и др. - Л.: Изд-во «Химия», 1967.- 712 с.

18.Герасимов, В.В. Водный режим атомных электростанций [Текст] /В.В. Герасимов, А.И. Касперович, О.И. Мартынова. - М.: Атомиздат, 1976. - 398 с.

19.Бакластов, А. М. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломас-сообменных установок: Учеб. пособие для вузов / А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, П.Г. Удыма; Под ред. А.М. Бакластов. - М.: Энергоиз-дат, 1981. - 336 с.

20.Правила технической эксплуатации тепловых электрических станций и сетей Российской Федерации : офиц. текст: утв. Прика-зом Минэнерго России № 229 от 19.06.03: ввод. в действие с 30.06.03 : зарег. в Минюсте России 20.06.03 № 4799. - М.: Омега-Л, 2006. - 256 с.

21.Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок: офиц. текст: утв. Приказом Министерства энергетики Российской Фе-дерации № 115 от 24.03.03 : зарег. в Министерстве юстиции Россий-ской Федерации 2.04.03. № 4358 - М.: ИНФРА-М, 2004. - 184 с. - (Б-ка журнала «Кадровая служба предприятия». Серия «Охрана тру-да». Вып. 13 (34))..

22.Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водо-грейных котлов (ПБ 10-574-03). Серия 10. Выпуск 24 (Колл. авт. - М.: ГУП “НТЦ по безопасности в промышленности ГГТН России”, 2003).

23.Соколов, Е.Я. Теплофикация и тепловые сети [Текст] / Е.Я. Соколов.- М.: Энергоиздат, 1982. - 360 с.

24.Назмиев, Ю.Г. Теплообменные аппараты ТЭС [Текст] / Ю.Г. Назмиев, В.М. Лазарев. - М:. Энергоатомиздат, 1998. - 288 с.

25.Кутателадзе, С.С. Теплопередача при конденсации и кипении [Текст] / С.С. Кутателадзе. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Гос. научно-техн. изд-во машиностроит. литер., 1952, - 231 с.

26.Кутателадзе, С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивле-ние: Справочное пособие [Текст] / С.С. Кутателадзе. - М.: Энергоатомиздат, 1990, - 367 с.

27.Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. - Новосибирск: Наука (СО), 1970. - 660 с.

28.Исаченко, В.П. Теплопередача: Учебник для вузов / В.П. Ис-аченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел; - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 416 с.

29.Исаченко, В.П. Теплообмен при конденсации [Текст] / В.П. Исаченко;- М.: Энергия, 1977. - 240 с.

30.Кутепов, А.М. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании / А.М. Кутепов, А.С. Стерман, Н.Г. Стюшин; - М.:Высшая школа, 1986. - 448с.

31.Кафаров, В.В. Основы массопередачи [Текст] / В.В. Кафаров. - М.: Наука, 1972. - 496 с.

32.Яворский, Б.М. Справочник по физике [Текст] / Б.М. Яворский, А. А. Детлаф; - М.: Наука, 1980. - 512 с.

33.Кутателадзе, С.С. Гидравлика газо-жидкостных систем [Текст] / С.С. Кутателадзе, М.А. Стырикович; - М.: Гос. энергетич. изд-во, 1958, - 232 с.

34.Процессы и аппараты химической технологии [Текст]. Т. 1. Осно-вы теории процессов химической технологию. / под ред. А.М. Куте-пова. - М.: Логос, 2000. - 480 с.

35.Жуков, В.П. Системный анализ энергетических тепломассообменных установок [Текст] / В.П. Жуков, Е.В. Барочкин, - Иваново: ГОУ ВПО «Иван. гос. энерг. ун-т им. В.И. Ленина». - 2009. - 176 с.

36.Рамм, В.М. Абсорбция газов [Текст] / В.М. Рамм. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во «Химия», 1976 г. - 656 с.

37.Хоблер, Т. Массопередача и абсорбция [Текст] / Т. Хоблер. - пер. с польского.- Л.: Изд-во «Химия», 1964. - 480 с.

38.Астарита, Дж. Массопередача с химической реакцией [Текст] / Дж. Астарита. - Л.: Изд-во «Химия», 1971. - 224 с.

39.Коган, В.Б. Равновесие между жидкостью и паром: Справочное по-собие [Текст] / В.Б. Коган, В.М. Фридман, В.В. Кафаров. - М.: Изд-во «Наука», 1966. - 644 с.

40.Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т 1 / Пер. с англ., под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 560 с.

41.Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т 2 / Пер. с англ., под ред.О.Г. Мартыненко, А.А. Михалевича, В.К. Шикова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.

42. Паровые турбины и турбоприводы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://yekaterinburg.all.biz/parovye-turbiny-i-turboprivody-g365633

43. Николаев Н.И. Паровые турбоприводы вспомогательных механизмов //ГМУ, Новороссийск, 2015. С.100

44. Паровые турбины и турбоприводы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.miningexpo.ru/bboard/5579

45. Занин А.И., Соколов В.С. Паровые турбины// Учебное пособие для СПТУ / М.: Высш. Шк., 1988. - 208с.

46. Гришук, И.К. Исследование работы барботажных тарелок [Текст] / И.К. Гришук, Б.М. Столяров // Теплоэнергетика, 1960. - № 4.

47. Лаптев, А.Г. Энерго- и ресурсоберегающие технологии и аппараты очистки жидкостей в нефтехимии и энергетике / А.Г. Лаптев, М.И. Фарахов, М.М. Башаров [и др.] / под ред. А.Г. Лаптева. - Казань.: Отечество, 2012. - 410 с.

48. Лаптев, А.Г. Математическая модель термической деаэрации воды в насадочных колоннах /А.Г. Лаптев, А.Н. Долгов // электронное научно-техническое издание «Наука и Образование», 2012. - № 4. - С.1-10. http://technomag.edu.ru/doc/174163.html

49. Лаптев, А.Г. Математическая модель очистки воды от растворенных газов в насадочных колоннах / А.Г. Лаптев, А.Н. Долгов // Вода: химия и экология, 2011, № 12. - С. 98-104.

50. Долгов А.Н. Математическая модель дегазации в насадочных аппаратах/ А.Н. Долгов, А.Г. Лаптев // Известия вузов. - Проблемы энергетики, 2012. - № 5-6 - С. 79-85.

51.Шарапов В.И. Подготовка подпиточной воды систем теплоснабжения с применением вакуумных деаэраторов. М.: Энергоатомиздат, 1996.

52.Шарапов В.И. Справочно-информационные материалы по применению вакуумных деаэраторов для обработки подпиточной воды систем централизованного теплоснабжения. М.: СПО ОРГРЭС, 1997.

53.Шарапов В.И., Цюра Д.В. Термические деаэраторы. Ульяновск: изд-во УлгТУ, 2003.

54.Пат. 2537656 РФ МПК F 01 К 17/00. способ работы тепловой электрической станции / В.И. Шарапов, О.В. Пазушкина, Е.В. Кудрявцева // БИ. 2015. № 1.

55.ГОСТ 16860-88*. Деаэраторы термические. Типы, основные параметры, приемка, методы контроля. М.: Изд-во стандартов, 1989.

56.Шарапов В.И., Малинина О.В. Определение теоретически необходимого количества выпара термических деаэраторов // Теплоэнергетика. 2004. № 4. С. 63-66.

57.Методика расчета энергетической эффективности технологий подготовки воды на тепловых электростанциях / В.И. Шарапов, П.Б. Пазушкин, Д.В. Цюра, Е.В. Макарова // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2012. № 7-8. С. 22-35.

58.Рид, Р. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие [Текст]/ Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. перевод с англ. под ред. Б.И. Соколова. - 3-е изд. - Л.: Химия, 1982.- 532 с.

59. Фастовский В.Г. Метан. Москва-Ленинград, Гостоптехиздат, 1947. - 156 с.

60. Долгов, А.Н. Расчет теплообменной эффективности насадочных колонн по диффузионной модели / МЭИ, Москва, 2011. - Т. 2 - С. 492-493.

61. Силов, И.Ю. Определение эффективности насадочных термических/Нижнекамск, 2011. - С. 55-56.

62 Лаптев А.Г. Диффузионная модель дегазации в насадочных колоннах /Иваново, 2011. - С. 48-51.

63. Долгов, А.Н. Сравнительная характеристика эффективности деаэарции воды в насадочных колоннах / А.Н. Долгов, А.Г. Лаптев // VI Всероссийская научно- практическая конференция «Повышение эффективности энергетического оборудования». - Иваново, 2011. - С. 48-51.

64. Долгов, А.Н. Расчет теплообменной эффективности насадочных колонн / А.Н. Долгов, А.Г. Лаптев // семинар, посвященный Дню энергетика и 40-летию образования КГЭУ: материалы докладов XII аспир.-маг.семинара. - Казань, 2011. - Т. 1. - С. 209-210.

65. Расчет тепловой схемы турбоустановки //НТУ. Энергетический факультет. Кафедра ТЭС. Турбины ТЭС и АЭС. 32 стр.

66. Шкловер Г.Г., Мильман О.О. Исследование и расчет конденсационных паровых турбин// М. Эноргоатомиздат, 1985. - 240с.