Иностранная терминология
В значительной части зарубежных систем технических терминов нет единого термина «деаэратор» для описания элемента тепловой схемы станции в виде бака с колонкой; например, в немецком колонка называется Entragaserdom, и понятие «деаэратор» (Entgaser) относится только к ней, а бак запаса питательной воды - Speisewasserbehälter. В последнее время и в некоторых русскоязычных публикациях (о нетрадиционных для наших предприятий конструкциях либо переводных) бак отделяют от деаэратора.
Назначение
- Защита трубопроводов и оборудования от коррозии .
- Недопущение воздушных пузырей, нарушающих проходимость гидравлических систем, нормальную работу форсунок и т. д.
- Защита насосов от кавитации .
Принцип действия
В жидкости газ может присутствовать в виде:
- собственно растворённых молекул ;
- микропузырьков (порядка 10 −7 ), образующихся вокруг частиц гидрофобных примесей;
- в составе соединений, разрушающихся на последующих стадиях технологического цикла с выделением газа (например, NaHCO 3).
В деаэраторе происходит процесс массообмена между двумя фазами : жидкостью и парогазовой смесью. Кинетическое уравнение для концентрации растворённого в жидкости газа при его равновесной (с учётом содержания во второй фазе) концентрации , исходя из закона Генри , выглядит как
,где - время; f - удельная поверхность раздела фаз; k - скоростной коэффициент, зависящий, в частности, от характерного диффузионного пути , который газ должен преодолеть для выхода из жидкости. Очевидно, для полного удаления газов из жидкости требуется (парциальное давление газа над жидкостью должно стремиться к нулю, то есть выделившиеся газы должны эффективно удаляться и замещаться паром) и бесконечное время протекания процесса. На практике задаются технологически допустимой и экономически целесообразной глубиной дегазации.
В термических деаэраторах, основанных на принципе диффузионной десорбции , жидкость нагревается до кипения ; при этом растворимость газов близка к нулю, образующийся пар (выпар) уносит газы ( снижается), а коэффициент диффузии высок (растёт k ).
В вихревых деаэраторах собственно обогрева жидкости не происходит (это делается в теплообменниках перед ними), а используются гидродинамические эффекты, вызывающие принудительную десорбцию : жидкость разрывается в самых слабых местах - по микропузырькам газа, а затем в вихре фазы разделяются силами инерции под действием разности плотности .
Кроме того, известны небольшие установки, где некоторая степень деаэрации достигается облучением жидкости ультразвуком . При облучении воды ультразвуком интенсивностью порядка 1 Вт /см 2 происходит снижение на 30-50 %, k возрастает примерно в 1000 раз, что приводит к коагуляции пузырьков с последующим выходом из воды под действием Архимедовой силы .
Выпар
Выпар - это смесь выделившихся из воды газов и небольшого количества пара, подлежащая эвакуации из деаэратора. Для нормальной работы деаэраторов распространённых конструкций его расход (по пару по отношению к производительности) должен составлять не менее 1-2 кг/т, а при наличии в исходной воде значительного количества свободной или связанной углекиcлоты - 2-3 кг/т. Чтобы избежать потерь рабочего тела из цикла, выпар на крупных установках конденсируют . Если охладитель выпара, применяемый для этой цели, устанавливается на исходной воде деаэратора (как на рис.), она должна быть достаточно сильно недогрета до температуры насыщения в деаэраторе. При использовании выпара на эжекторах он конденсируется на их холодильниках, и специальный теплообменник не нужен.
Термические деаэраторы
Термические деаэраторы классифицируютя по давлению.
Атмосферные деаэраторы (см. рис.) требуют наименьшей толщины стенок; выпар удаляется из них самотёком под действием небольшого избытка давления над атмосферным. Вакуумные деаэраторы могут работать в условиях, когда на котельной нет пара; однако им требуется специальное устройство для отсоса выпара (вакуумный эжектор) и б́ольшая толщина стенок, к тому же бикарбонаты при низких температурах разлагаются не полностью и есть опасность повторного подсоса воздуха по тракту до насосов . Деаэраторы ДП имеют больш́ую толщину стенок, зато их применение в схеме ТЭС позволяет сократить количество металлоёмких ПВД и использовать выпар как дешёвую рабочую среду для пароструйных эжекторов конденсатора ; деаэрационная приставка конденсатора, в свою очередь, является вакуумным деаэратором.
Как теплообменные аппараты термические деаэраторы могут быть смесительными (обычно, греющие пар и/или вода подаются в объём деаэратора) или поверхностными (греющая среда отделена от нагреваемой поверхностью теплообмена); последнее часто встречается у вакуумных подпиточных деаэраторов теплосетей.
По способу создания поверхности контакта фаз смесительные деаэраторы подразделяются на струйные , плёночные и барботажные (встречаются смешанные конструкции).
В струйных и плёночных деаэраторах основным элементом является колонка деаэратора - устройство, в котором вода стекает сверху вниз в бак, а греющий пар поднимается снизу вверх на выпар, попутно конденсируясь на воде. В небольших деаэраторах колонка может быть интегрирована в один корпус с баком; обычно же она выглядит как вертикальный цилиндр, пристыкованный сверху к горизонтальному баку (цилиндрической ёмкости с эллиптическими либо коническими днищами). Сверху находится водораспределитель, снизу - парораспределитель (например, кольцевая перфорированная труба), между ними - активная зона. Толщина колонки данной производительности определяется допустимой плотностью орошения активной зоны (расходом воды через единицу площади).
В деаэраторах струйного типа вода проходит активную зону в виде струй, на которые она может быть разбита 5-10 дырчатыми тарелками (кольцевые с центральным проходом пара чередуются с круговыми меньшего диаметра , обтекаемыми по краю). Струйные деаэрационные устройства имеют простую конструкцию и малое паровое сопротивление, но интенсивность деаэрации воды сравнительно низка. Колонки струйного типа имеют большую высоту (3,5-4 м и более), что требует высокого расхода металла и неудобно при ремонтных работах. Такие колонки применяются как первая ступень обработки воды в двухступенчатых деаэраторах струйно-барботажного типа.
Также существуют форсуночные (капельные) деаэраторы , где вода разбрызгивается из форсунок в капельном виде; эффективность за счёт измельчения фазы велика, однако работа форсунок ухудшается при засорении и при сниженных расходах, а на преодоление сопротивления сопел уходит очень много электроэнергии .
В деаэраторах с колонками плёночного типа поток воды расчленяется на пленки, обволакивающие насадку-заполнитель, по поверхности которой вода стекает вниз. Применяется насадка двух типов: упорядоченная и неупорядоченная. Упорядоченную насадку выполняют из вертикальных, наклонных или зигзагообразных листов, а также из укладываемых правильными рядами колец, концентрических цилиндров или других элементов. Преимущества упорядоченной насадки - возможность работы с высокими плотностями орошения при значительном подогреве воды (20-30 °C) и возможность деаэрации неумягчённой воды. Недостаток - неравномерность распределения потока воды по насадке. Неупорядоченная насадка выполняется из небольших элементов определенной формы, засыпаемых произвольно в выделенную часть колонки (кольца, шары , сёдла , омегаобразные элементы). Она обеспечивает более высокий коэффициент массоотдачи, чем упорядоченная насадка. Пленочные деаэраторы малочувствительны к загрязнению накипью, шламом и окислами железа, но более чувствительны к перегрузке.
В деаэраторах барботажного типа поток пара, который вводится в слой воды, дробится на пузыри . Преимуществом этих деаэраторов является их компактность при высоком качестве деаэрации. В них происходит некоторый перегрев воды относительно температуры насыщения, соответствующей давлению в паровом пространстве над поверхностью. Величина перегрева определяется высотой столба жидкости над барботажным устройством. При движении увлекаемой пузырьками пара воды вверх происходит её вскипание , способствующее лучшему выделению из раствора не только кислорода , но и углекислоты , которая в деаэраторах других типов удаляется из воды не полностью; в том числе разлагаются и бикарбонаты NaHCO 3 , турбулизация жидкости. Эффективность барботажных устройств снижается при значительном уменьшении удельного расхода пара. Для обеспечения глубокой деаэрации вода в деаэраторе должна подогреваться не менее чем на 10 °C, если нет возможности для увеличения расхода выпара. Барботажные устройства могут быть затопленными в баке в виде перфорированных листов (при этом трудно обеспечить беспровальный режим) или устанавливаться в колонке в виде тарелок.
Показатели и обозначения
Производительность деаэратора - расход деаэрированной воды на выходе из деаэратора. В деаэраторах типа ДВ при использовании в качестве греющей среды (теплоносителя) перегретой деаэрированной воды расход последней в производительность не входит.
Полезная вместимость деаэраторного бака - расчетный полезный объём бака, определяемый в размере 85 % его полного объёма.
ГОСТ устанавливает ряды для подбора ёмкости баков (для ДА 1-75 м³, ДП 65-185 м³) и производительности (1-2800 /). Деаэратор обозначается по принципу ДА(ДП,ДВ)-(производительность, т/ч)/(полезная вместимость бака, м³) ; колонки отдельно КДА(КДП)-(производительность) , баки БДА(БДП)-(вместимость) .
Вихревые деаэраторы
Литература
- Рихтер Л. А., Елизаров Д. П., Лавыгин В. М. Глава третья. Деаэраторы // Вспомогательное оборудование тепловых электростанций. - М .: Энергоатомиздат, 1987. - 216 с.
- Кувшинов О. М. Ржа? Долой кислород! . kwark.ru . «Наука и жизнь » № 12 (2006). Архивировано из первоисточника 8 апреля 2012. Проверено 3 сентября 2011.
- Кувшинов О. М. Щелевые деаэраторы КВАРК - эффективное устройство для деаэрации жидкости . kwark.ru . «Промышленная энергетика» № 7 (2007).
Для того чтобы добиться долговечности и качества работы гидравлической системы необходимо использовать деаэратор. Он применяется во всех котельных, так как налаживает стабильную и правильную работу системы. В нашей статье рассмотрим подробнее, что такое деаэратор в котельной.
Что такое деаэратор и для чего он применяется в котельной
Деаэрация - это процесс очищения жидкости от различных примесей. Например, от углекислого газа и кислорода. Для организации системы водоподготовки в котельной обязательно используют деаэратор. Он помогает улучшить качество работы.
Первым способом является химическая деаэрация. В таком случае в воду добавляют реагенты, вследствие чего из воды удаляются лишние газы. Второй способ называется термическая деаэрация. Воду нагревается до кипения до тех пор, пока она не очистится от газообразных веществ, которые в ней растворились.
Деаэраторы разделяют на атмосферные и вакуумные. Первые применяют с водой или паром. А вакуумные только с паром.
Деаэраторы обладают общим двухступенчатым устройством. Таким образом, в бак попадает вода, где она протекает через мембраны, а затем очищается от примесей. Химическая вода, которая находится в баке, не дает образовываться различным естественным примесям в теплоносителе.
Деаэраторы бывают пониженного и повышенного давления. Так как кислород и углекислый газ относятся к агрессивным газам, то они способствуют образованию коррозии в трубопроводах, а также изнашивают их. Для того чтобы этого не происходила необходимо перед подачей воды по трубопроводам ее подготовить. Именно для этого используют деаэрирущие фильтры.
Из-за загазованности воды возникают различные неисправности в системе. Некоторые из них могут привести к утечке воды или газа или вовсе вывести систему из строя. Наличие газовых пузырей в воде приводит к некачественной работе насосов, форсунков и ухудшает функции гидравлической системы. Установить деаэратор в котельной выйдет дешевле, чем часто ремонтировать систему.
Деаэрация воды в паровой котельной
Деаэрация воды в паровой котельной необходима для защиты всей парогенераторной системы и трубопроводов. При наличии вредных примесей система будет изнашиваться и начнет подвергаться коррозии.
Газообразные и естественные примеси могут вызвать кавитацию насоса. А она в свою очередь может привести к гидравлическим ударам и нарушит работу насосного режима. В худшем случае может произойти разрыв гидравлической системы или вовсе насосы перестанут работать.
Деаэратор, который применяется для парового котла, имеет вид бака со специальными мембранами и тарелками. Они устроены вертикально на емкости для воды. Под маленьким давлением вода поступает из подающей линии в бак, затем протекает через мембраны и тарелки и таким образом происходит очищение от примесей.
Иногда в паровых котельных применяют распылительные деаэраторы. В них вода распыляется таким образом, чтобы примеси сразу уходили в выпар.
Система повышенного давления
Систему повышенного давления применяют для котлов с высокой мощностью. Они подают много пара, а также обеспечивают необходимый температурный режим для централизованной отопительной системы под высоким давлением. Для функционирования системы требуется давления свыше 0,6 Мпа.
Такая установка является термической также как и деаэратор пониженного давления. Это означает, что при повышении температурного режима воды и подачи пара происходит освобождение системы от газообразных примесей.
В систему устанавливают гидрозатворы. Они понижают давление в случае его повышения.
Система пониженного давления
Для системы пониженного давления в основном применяют установки атмосферного и вертикального типа, которые оснащены барботажным дополнительным баком. Через него происходит выпар.
В основном баке системы химически подготовленная смесь смешивается с водой, затем она протекает через мембраны и тарелки и затем происходит отделение всех примесей.
Котельные, которые обеспечивают горячим водоснабжением, нуждаются в вакуумной термической системе. Так как для такой котельной лучше всего подходит дегазация вакуумом. Такая система используется для очистки воды в водонагревательных котлах.
В зависимости от того какой необходим режим подачи пара для паровых котлов применяются деаэраторы повышенного или пониженного давления. Для менее мощных котельных, которые обеспечивают невысокий температурный режим, который подходит для центрального отопления, используют установку с пониженным давлением. Оно может быть 0,025-0,2 Мпа.
Правильная эксплуатация
Для качественной работы котла и для предотвращения аварийных ситуаций необходимо правильно использовать деаэратор и всю систему. Для этого необходимо поддерживать воду в баке на определенном уровне при понижении давления, проверять условия требуемого режима, соблюдать все правила использования и проверять работу приборов более 1 раза за смену.
В химической воде необходимо правильно добавлять вещества, а также вести контроль их уровня. Проверять качество химической воды.
Гидрозатворы должны обладать легким ходом. В случае повышения давления ими нужно воспользоваться без каких-либо помех. Все устройства должны быть аттестованы метрологически и проверены. Они должны соответствовать предварительно установленным графикам. За уровнем воды можно следить при помощи специального водоуказательного стекла. Не стоит забывать про контроль показаний манометра.
Все приборы автоматики должны работать исправно для правильно работы деаэратора. Необходимо проверять работу автоматов и приборов. Для этого проводят регулярные осмотры и проверки.
Деаэратор выступает в роли защиты для всей котельной системы. Поэтому каждая котельная оснащена такой установкой.
Так как кавитация приводит к выходу из строя насоса и гидравлической системы, то деаэратор просто необходим в котельной. Такое устройство полностью очищает воду от всех примесей. Таким образом, система работает без каких-либо повреждений.
ВВЕДЕНИЕ
Деаэратор - техническое устройство, реализующее процесс деаэрации некоторой жидкости (обычно воды или жидкого топлива), то есть её очистки от присутствующих в ней нежелательных газовых примесей.
Деаэратор – это устройство для удаления из воды растворенных газов О 2 и СO 2 . В деаэраторах термическая деаэрация воды сочетается с ее подогревом. Деаэраторы устанавливают на ТЭС и в районных котельных для деаэрации питательной воды, подаваемой в парогенераторы, и подпиточной воды, подаваемой в тепловую сеть. Термические деаэраторы подразделяют: 1) по назначению - на деаэраторы питательной воды паровых котлов, деаэраторы добавочной воды и обратного конденсата внешних потребителей, деаэраторы подпиточной воды тепловых сетей; 2) по давлению греющего пара - на деаэраторы повышенного давления, атмосферные деаэраторы, вакуумные деаэраторы; 3) по способу обогрева деаэрированной воды - на деаэраторы смешивающего типа со смешением греющего пара и обогреваемой деаэрированной воды, деаэраторы перегретой воды с внешним предварительным нагревом воды отборным паром; 4) по конструктивному выполнению - на деаэраторы с поверхностью контакта, образующейся в процессе движения пара и воды (струйно-барботажные, струйные и пленочного типа с неупорядоченной насадкой), деаэраторы с фиксированной поверхностью контакта фаз (пленочного типа с упорядоченной насадкой).
ХАРАКТЕРИСТИКА АТМОСФЕРНОГО ДЕАЭРАТОРА
Рис.1. Принципиальная схема деаэрационной колонки атмосферного давления с барботажной ступенью
Термический деаэратор атмосферного давления серии ДА состоит из деаэрационной колонки, установленной на аккумуляторном баке. В деаэраторе применена двухступенчатая схема дегазации 1 ступень - струйная, 2 - барботажная, причем обе ступени размещены в деаэрационной колонке, принципиальная схема которой приведена на рис.1. Потоки воды, подлежащей деаэрации, подаются в колонку 1 через патрубки 2 на верхнюю перфорированную тарелку 3. С последней вода стекает струями на расположенную ниже перепускную тарелку 4, откуда узким пучком струи увеличенного диаметра сливается на начальный участок непровального барботажного листа 5. Затем вода проходит по барботажному листу в слое, обеспечиваемом переливным порогом (выступающая часть сливной трубы), и через сливные трубы 6 сливается в аккумуляторный бак, после выдержки в котором отводится из деаэратора по трубе 14 (см. рис.), весь пар подается в аккумуляторный бак деаэратора по трубе 13 (см. рис.), вентилирует объем бака и попадает под барботажный лист 5. Проходя сквозь отверстия барботажного листа, площадь которых выбрана с таким расчетом, чтобы исключить провал воды при минимальной тепловой нагрузке деаэратора, пар подвергает воду на нем интенсивной обработке. При увеличении тепловой нагрузки давление в камере под листом 5 возрастает, срабатывает гидрозатвор перепускного устройства 9 и избыточный пар перепускается в обвод барботажного листа через пароперепускную трубу 10. Труба 7 обеспечивает залив гидрозатвора перепускного устройства деаэрированной воды при снижении тепловой нагрузки. Из барботажного устройства пар через отверстие 11 направляется в отсек между тарелками 3 и 4. Парогазовая смесь (выпар) отводится из деаэратора через зазор 12 и патрубок 13. В струях происходит подогрев воды до температуры, близкой к температуре насыщения; удаление основной массы газов и конденсация большей части пара, подводимого в деаэратор. Частичное выделение газов из воды в виде мелких пузырьков идет на тарелках 3 и 4. На барботажном листе осуществляется догрев воды до температуры насыщения с незначительной конденсацией пара и удаление микроколичеств газов. Процесс дегазации завершается в аккумуляторном баке где происходит выделение из воды мельчайших пузырьков газа за счет отстоя.
Деаэрационная колонка приваривается непосредственно к аккумуляторному баку, за исключением тех колонок, которые имеют фланцевое соединение с деаэраторным баком. Относительно вертикальной оси колонка может быть ориентирована произвольно, в зависимости от конкретной схемы установки. Корпуса деаэраторов серии ДА изготавливаются из углеродистой стали, внутренние элементы - из нержавеющей стали, крепление элементов к корпусу и между собой осуществляется электрической сваркой.
Схема включения деаэрационной установки
Рис.2. Принципиальная схема включения деаэрационной установки атмосферного давления:
1 - подвод химочищенной воды; 2 - охладитель выпара; 3, 5 - выхлоп в атмосферу; 4 - клапан pегулировки уровня, 6 - колонка; 7 - подвод основного конденсата; 8 - предохранительное устройство; 9 - деаэрационный бак; 10 - подвод деаэрированной воды; 11 - манометр; 12 - клапан регулировки давления; 13 - подвод горячего пара; 14 - отвод деаэрированной воды; 15 - охладитель проб воды; 16 - указатель уровня; 17- дренаж; 18 -мановакууметр.
Схема включения атмосферных деаэраторов определяется проектной организацией в зависимости от условий назначения и возможностей объекта, на котором они устанавливаются. На рис.2. приведена рекомендуемая схема деаэрационной установки серии ДА.
Химически очищенная вода 1 через охладитель выпара 2 и регулирующий клапан 4 подается в деаэрационную колонку 6. Сюда же направляется поток основного конденсата 7 с температурой ниже рабочей температуры деаэратора. Деаэрационная колонка устанавливается у одного из торцов деаэраторного бака 9. Отвод деаэрированной воды 14 осуществляется из противоположного торца бака с целью обеспечения максимального времени выдержки воды в баке. Весь пар подводится по трубе 13 через регулирующий клапан давления 12 в торец бака, противоположный колонке, с целью обеспечения хорошей вентиляции парового объема от выделяющихся из воды газов. Горячие конденсаты (чистые) подаются в деаэраторный бак по трубе 10. Отвод выпара из установки осуществляется через охладитель выпара 2 и трубы 3 или непосредственно в атмосферу по трубе 5.
Для защиты деаэратора от аварийного повышения давления и уровня устанавливается самозаливающее комбинированное предохранительное устройство 8. Периодическая проверка качества деаэрированной воды на содержание кислорода и свободной углекислоты производится с помощью теплообменника для охлаждения проб воды 15.
Охладитель выпара
Для конденсации парогазовой смеси (выпара), используют охладитель выпара поверхностного типа состоящий из горизонтального корпуса, в котором размещена трубная система (материал трубок – латунь либо коррозионно-стойкая сталь).
Охладитель выпара является теплообменником, в трубную систему которого подаётся химочищенная вода или холодный конденсат из постоянного источника, направляющийся в деаэрационную колонку. Парогазовая смесь (выпар) поступает в межтрубное пространство, где пар из нее практически полностью конденсируется. Оставшиеся газы отводятся в атмосферу, конденсат выпара сливается в деаэратор или дренажный бак.
Предохранительное устройство (гидрозатвор) деаэраторов атмосферного давления
Для обеспечения безопасной эксплуатации деаэраторов предусматривается их защита от опасного повышения давления и уровня воды в баке с помощью комбинированного предохранительного устройства (гидрозатвор), которое должно быть установлено в каждой деаэраторной установке.
Рис.3. Принципиальная схема комбинированного предохранительного устройства.
1 - Переливной гидрозатвор; 2 – подвод пара из деаэратора; 3 – расширительный бачок; 4 – слив воды; 5 – выхлоп в атмосферу; 6 – труба для контроля залива; 7 – подвод химически очищенной воды для заливки; 8 - подвод воды из деаэратора; 9 – гидрозатвор от повышения давления; 10 – дренаж.
Гидрозатвор должен подключаться к подводящему паропроводу между регулирующим клапаном и деаэратором или к паровому пространству деаэраторного бака. Устройство состоит из двух гидрозатворов (рис.3), один из которых защищает деаэратор от превышения допустимого давления 9 (более короткий), а другой от опасного повышения уровня 1, объединенных в общую гидравлическую систему, и расширительного бака. Расширительный бак 3, служит для накопления объёма воды (при срабатывании устройства), необходимого для автоматической заливки устройства (после устранения нарушения в работе установки), т.е. делает устройство самозаливающимся. Диаметр переливного гидрозатвора определяется в зависимости от максимально возможного расхода воды в деаэратор в аварийных ситуациях.
Диаметр парового гидрозатвора определён, исходя из наибольшего допустимого давления в деаэраторе при работе устройства 0,07 МПа и максимально возможного в аварийной ситуации расхода пара в деаэратор при полностью открытом регулирующем клапане и максимальном давлении в источнике пара.
Для ограничения расхода пара в деаэратор в любых ситуациях до максимально необходимого (при 120%-ной нагрузке и 40-градусном подогреве) на паропроводе следует дополнительно устанавливать дроссельную ограничительную диафрагму.
В некоторых случаях (для снижения строительной высоты, установки деаэраторов в помещениях), вместо предохранительного устройства устанавливают клапаны предохранительные (для защиты от превышения давления) и конденсатоотводчик к штуцеру перелива.
