Технологии утилизации продувочной воды паровых котлов

Непрерывная продувка, являясь важным компонентом водно-химического режима паровых котлов, сопровождается ощутимыми потерями теплоты и массы продувочной воды.

Энтальпия продувочной воды i_np барабанных котлов в зависимости от рабочего давления составляет 742 – 1620 кДж/кг, т. е. продувочная вода является весьма ценным теплоносителем, обладающим высоким энергетическим потенциалом. По этой причине при проектировании и эксплуатации котельных наряду с уменьшением величины продувки G_np ставится задача максимального использования теплоты и массы продувочной воды в рабочем цикле установки.

Типовая схема утилизации продувочной воды предусматривает одноразовое или ступенчатое расширение продувочной воды в сепараторах непрерывной продувки. Выделившийся из продувочной воды пар используется в цикле котельной, а неиспарившаяся в сепараторе вода частично отдает свою теплоту в охладителе непрерывной продувки и сбрасывается в канализацию.

Принципиальная схема продувки показана на рис. 5.3, а. Котловая вода из барабана 1 направляется в расширитель продувки 2; количество воды регулируется дроссельным вентилем 3, набором диафрагм или системой вентилей по показаниям манометра. Образовавшееся при расширении воды количество пара, как правило, отводится в деаэратор по линии 4. Отделившаяся вода по линии 5 направляется в теплообменник 6 поверхностного типа для подогрева исходной воды перед водоподготовкой. Отдав теплоту, котловая вода сбрасывается в колодец 7, в который иногда для охлаждения подводится техническая вода по трубопроводу 8.

Для получения пара требуемого качества постоянный уровень воды в расширителе поддерживают автоматом – поплавковым регулятором; кроме того, имеется линия 9 из парового пространства, на которой установлены обратные клапаны. При наличии в котельной паровых котлов с разным давлением продувка из агрегатов с более высоким давлением направляется в котлы с низким давлением, из которых для сокращения потерь осуществляется продувка.

Иногда в котельной малой производительности вместо предохранительного клапана и автоматов поддержания уровня в расширителе устанавливаются обычный гидрозатвор 2 с высотой замыкающей петли 6 м, переливная труба 2 с высотой 7 м, а сам расширитель располагается на отметке, обеспечивающей размещение гидрозатвора и переливной трубы (рис. 5.3, б).

Рис. 5.3. Схема продувки парового котла с использованием теплоты: а – общая компоновка;
б – гидрозатворы

В котельных установках высокого давления на электростанциях устанавливают две ступени сепараторов непрерывной продувки.

С термодинамической точки зрения описанный процесс утилизации теплоты непрерывной продувки нельзя признать эффективным, так как при редуцировании давления продувочной воды в сепараторах не совершается полезная работа. К недостаткам типовой схемы следует отнести потерю неиспарившейся продувочной воды, загрязнение поверхностных водоемов минерализованными стоками и необходимость установки специального оборудования - сепараторов и охладителя.

Исследованиями и разработками кафедры ТГВ УлГТУ доказано, что существенно повысить эффективность утилизации теплоты и массы продувочной воды можно путем использования высокого энергетического потенциала этой воды в отдельных технологических процессах котельных установок. При этом следует стремиться к использованию продувочной воды в качестве рабочей среды непосредственно в аппаратах, где происходят эти технологические процессы, с тем, чтобы частично или полностью исключить из схемы котельной специальное утилизационное оборудование. Естественно, что при применении новых способов утилизации продувочной воды должны строго соблюдаться предусмотренные руководящими материалами по котлонадзору правила устройства и безопасной эксплуатации котлов и трубопроводов.

Одним из возможных путей реализации сформулированной выше идеи является применение продувочной воды в качестве греющего агента для струйно-барботажных вакуумных деаэраторов. Такой способ позволяет полностью использовать энергетический потенциал продувочной воды в процессе десорбции растворенных газов из питательной воды котлов или подпиточной воды теплосети. При использовании этого решения снижается или исключается потребность в паре или прямой сетевой воде, обычно применяемых в качестве греющего агента в вакуумных деаэраторах.

В котельных низкого давления с закрытыми системами теплоснабжения продувочную воду можно подавать непосредственно в испарительный отсек вакуумного деаэратора.
В котельных высокого давления в качестве греющего агента в вакуумном деаэраторе целесообразно использовать неиспарившуюся воду после сепаратора непрерывной продувки 1-й ступени, исключив из схемы котельной сепаратор 2-й ступени.

Использование продувочной воды в качестве греющего агента для вакуумной деаэрации подпиточной воды теплосети способствует также стабилизации температурного режима работы вакуумных деаэраторов. Для обеспечения нормальной деаэрации температура греющего агента t_гa не должна быть менее 90 – 100 °С в установках с вакуумными деаэраторами горизонтального типа и 120 – 150 °С – с вертикальными вакуумными деаэраторами. Обычно в вакуумных деаэраторах подпитки теплосети греющим агентом служит прямая сетевая вода, температура которой имеет значительные сезонные колебания и в теплое время года не достигает указанных выше минимальных значений t_гa. Поскольку температура продувочной воды постоянна, применение этой воды взамен сетевой позволяет стабилизировать температурный режим и улучшить качество вакуумной деаэрации подпиточной воды.

Следует отметить, что при использовании продувочной воды для технологических нужд котельной взамен других, более ценных теплоносителей и при высокой степени утилизации теплоты и массы продувочной воды необязательно стремиться к минимальному ходу непрерывной продувки котлов. Расход продувки может несколько превышать нормы и определяться энергетической потребностью процесса, осуществляемого с помощью продувочной воды.

Это соображение справедливо и при реализации другого технического решения, в соответствии с которым продувочная вода используется для регулирования подачи мазута в топку котла. Этот способ осуществим в паромеханических форсунках, где вместо пара применяется продувочная вода, отобранная из барабана котла.

Использование продувочной воды в качестве рабочей среды в паромеханических форсунках оправдано достаточным энергетическим потенциалом, и в большинстве случаев возможностью ее полнoгo использования в процессе распыливания мазута. В самом деле, расход пара на форсунки составляет около 2 % паропроизводительности котла, то есть величину, близкую к G_пр. Кроме экономии значительного количества замещаемого пара, упрощения схемы котельной установки, обеспечения высоких регулировочных свойств форсунок, применение продувочной воды, обладающей щелочной реакцией, способствует снижению коррозионной активности продуктов сгорания, содержащих оксиды серы. Экологический эффект от применения решения достигается за счет частичного связывания оксидов серы и подавления образования оксидов азота при горении топлива в среде, содержащей водяные пары.

На ряде котельных в различных регионах страны успешно используется технология утилизации продувочной воды, по которой этой водой производится подогрев мазута, подавае-
мого в котлы. Мазутоподогреватель может быть как поверхностного, так и контактного типа. Смешивающие подо-
греватели, выполненные в форме перфорированных колец, могут уста-
навливаться в мазутных резервуарах в зоне подключения к ним всасывающих патрубков топливных насосов (рис. 5.4). Расчеты и накопленный эксплуатационный опыт показывают, что при правильном применении рассматриваемой технологии исключена возможность излишнего обводнения мазута или скопления воды в мазутных емкостях. Это решение значительно проще реализуется в котельных установках, однако экономический и экологический эффект от его применения практически такой же, как и при использовании предыдущего способа.

Наиболее эффективна технология, предусматривающая использование продувочной воды одновременно для подогрева и транспорта мазута из мазутного хозяйства к котлу с помощью струйных насосов – инжекторов.

При пароснабжении некоторых промышленных производств, не требующих высокой чистоты технологического пара, рекомендуется разработанный на кафедре ТГВ УлГТУ и используемый на ряде предприятий стран СНГ способ применения продувочной воды, обеспечивающий полную утилизацию ее теплоты и массы. Это изобретение предусматривает полное смешение продувочной воды с паром, используемым в производственных процессах, к которым относятся пропарка железобетонных изделий, контактный разогрев сырья, топлива, то есть процессы, для которых наличие в паре некоторого количества минеральных солей не имеет существенного значения.

В котельных низкого давления с перегревом пара продувочная вода может подаваться в трубопровод острого пара, отпускаемого потребителю. В котельных среднего и высокого давления продувочную воду целесообразно вводить в трубопровод отборного пара турбин или использовать в качестве охлаждающей среды в редукционно-охладительных установках (рис. 5.5).

При смешении продувочной воды с технологическим паром увеличивается количество этого пара, но в то же время несколько снижается его температура, поэтому перед использованием этой технологии следует оценить, насколько существенно изменятся потребительские и транспортные свойства пара. Требования к этим свойствам зависят от характера конкретного производства и удаленности потребителя от котельной.
О потребительских и транспортных качествах пара можно судить по величине остаточного перегрева пара, которая устанавливается после ввода продувочной воды в паропровод.

Расчеты, выполненные для РОУ, в которой давление пара снижается с 4,0 до 1,2 МПа (схема включения РОУ соответствует рис. 5.5) и для случая смешения продувочной воды с паром производственного отбора турбины ПТ-60-130/13 или ПТ-80-130/13 показали, что уровень значений остаточного перегрева, обеспечивающий достаточные потребительские и транспортные качества технологического пара, сохраняется в весьма широком диапазоне возможных соотношений расходов пара и продувочной воды.

Таким образом, применение продувочной воды непосредственно в технологических процессах теплоэнергетических установок, а также для пароснабжения потребителей, не требующих высокой чистоты пара, позволяет более полно использовать ее массу и высокопотенциальную теплоту, высвободить из этих процессов более ценные теплоносители, упростить схему установок и получить существенный экономический и экологический эффект.

Деаэрация воды

Заключительной стадией технологического процесса приготовления питательной воды является удаление из воды растворенных в ней газов. Исходная вода, поступающая после фильтров или других видов очистки в деаэратор на обработку, и возвращаемый потребителями конденсат могут содержать растворенные в них газы: кислород, диоксид углерода, аммиак, азот. Эти газы вызывают коррозию питательных трубопроводов, поверхностей нагрева котла, что снижает надежность его работы. Кроме того, продукты коррозии, попадая с питательной водой в котлы, способствуют нарушению циркуляции, что приводит к пережогу труб котельного агрегата. Скорость коррозии обычно пропорциональна концентрации газов в воде. Например, для кислорода эта зависимость имеет вид

, (5.8)

где К – скорость коррозии, г/м²ч; С – концентрация кислорода в воде, м³/кг.

На скорость коррозии сильно влияет температура воды. В закрытой системе скорость коррозии растет с повышением температуры, а в открытой – максимум скорости коррозии наступает при температурах 70 – 75 °С. Большой ущерб причиняет коррозия тепловым сетям.

Наиболее распространенным в настоящее время способом борьбы с агрессивными газами является деаэрация, основанная на удалении их из воды вследствие уменьшения коэффициента растворимости газов при уменьшении давления воды (вакуумная деаэрация) или при увеличении ее температуры (термическая деаэрация).

Поведение смеси газов над жидкостью описывается законом Дальтона. Закон Дальтона гласит, что общее давление газовой или парогазовой смеси Р₀ равно сумме парциальных давлений газов и паров, составляющих смесь р₁, р₂, р₃ и т.д.

Р₀ = р₁ + р₂ +р₃+…+ р_n. (5.9)

Парциальное давление – давление, которое имел бы газ, если бы он занимал весь объем газовой смеси.

Кислород и диоксид углерода относятся к малорастворимым газам, поэтому их растворы в воде близки к идеальным, бесконечно разбавленным. Для таких растворов при невысоких давлениях газа равновесие в системе газ - жидкость описывается законом Генри, согласно которому концентрация растворенного в жидкости газа пропорциональна парциальному давлению этого газа над жидкостью:

p_i = K_гX_i, (5.10)

где p_i – парциальное давление газа над раствором, Па; X_i – мольная доля этого газа в растворе; K_г – коэффициент Генри (константа фазового равновесия), Па.

При повышении температуры воды до температуры насыщения, соответствующей давлению в деаэраторе, парциальное давление газа над кипящей водой снижается до нуля, что снижает до нуля его растворимость. При достижении кипения происходит выделение образующихся в объеме жидкости газовых пузырьков.

Доведение неподвижной воды до состояния кипения еще не обеспечивает полного удаления растворенных в ней газов. Эффективность процесса термической деаэрации во многом зависит от времени и площади контакта фаз, увеличение которых ведет к интенсификации процесса. Увеличение поверхности контакта фаз достигается путем тонкого дробления воды на струи, пленки и капли или пропускания пара в виде мелких пузырьков через слой деаэрируемой воды (барботаж).

Термические деаэраторы классифицируются по ряду признаков. В зависимости от давления в корпусе выделяют следующие типы деаэраторов:

· деаэраторы повышенного давления (ДП) с абсолютным рабочим давлением
0,6 – 1,0 МПа (6 – 10 кгс/см²);

· деаэраторы атмосферного давления (ДА) с абсолютным рабочим давлением
0,11 – 0,13 МПа (1,1 – 1,3 кгс/см²);

· деаэраторы вакуумные (ДВ) с абсолютным рабочим давлением 0,015 – 0,08 МПа
(0,15 – 0,8 кгс/см²).

Особенностью вакуумных деаэраторов является возможность использования в качестве греющей среды вместо пара перегретой относительно давления в аппарате воды.

Кроме того, деаэраторы могут классифицироваться по применяемому в них способу распределения воды в паре: пленочные, струйные, капельные; и пара в воде – барботажные. При применении одного из видов распределения деаэратор относится к одноступенчатым, при применении одновременно двух видов – к двухступенчатым.

Деаэраторы должны удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать быстрый нагрев воды до температуры насыщения; по возможности обеспечивать тонкое дробление воды на тонкие струи, пленки, капли, быстрее нагревающиеся от вводимого пара; иметь противоточно-перекрестное движение воды и пара для лучшего перемешивания и теплообмена, а также полный и быстрый отвод газов, обеспечиваемый необходимым количеством выпара, достаточной производительностью газоотсасывающих устройств при вакуумной деаэрации и охладителя выпара и соответствующим количеством и температурой охлаждающей воды, поступающей в охладитель выпара. Процесс деаэрации должен быть автоматизирован для поддержания необходимой температуры и уровня воды в деаэраторном баке при переменном режиме работы.

Наибольшая эффективность деаэрации достигается при автоматическом регулировании параметров деаэрации исходя из остаточного содержания газов в деаэрированной воде. Этот принцип реализуется в серии изобретений, созданных на кафедре ТГВ УлГТУ и отмеченных золотой медалью Всемирного салона изобретений в Брюсселе.

Принципиальная схема деаэрационной установки показана на рис. 5.6. Как видно из схемы, деаэратор состоит из двух основных частей: деаэраторного бака 9 и деаэрационной колонки 6. Питательная вода или конденсат от насосов поступает по трубе 2 через регулятор в верхнюю часть деаэратора на распределительную тарелку, с которой отдельными и равномерными струйками распределяется по всему сечению деаэраторной колонки и стекает вниз последовательно через ряд расположенных одна под другой промежуточных тарелок с мелкими отверстиями. Пар для подогрева воды вводится в деаэратор поднимается вверх навстречу питательной воде, нагревая ее до температуры кипения 104 °С, что соответствует избыточному давлению в деаэраторе 0,12 МПа. При этой температуре воздух выделяется из воды и вместе с остатком несконденсировавшегося пара уходит через вестовую трубу 5, расположенную в верхней части головки деаэратора, непосредственно в атмосферу или в охладитель выпара 2, а из него – в атмосферу 3. Освобожденная от газов и подогретая вода стекает в бак деаэратора 9, откуда подается в парогенераторы.

Рис. 5.6. Принципиальная схема деаэрационной установки атмосферного давления: 1 – подвод химически очищенной воды; 2 – охладитель выпара; 3, 5 – выхлоп в атмосферу; 4 – клапан регулировки уровня; 6 – деаэрационная колонка; 7 – подвод конденсата; 8 – предохранительные устройства; 9 – деаэрационный бак; 10 – подвод горячих конденсатов; 11 – манометр; 12 – клапан регулировки давления; 13 – подвод греющего пара; 14 – отвод деаэрированной воды; 15 – охладитель пробы; 16 – указатель уровня; 17 – дренаж; 18 – мановакууметр

Во избежание значительного повышения давления или образования разрежения в деаэраторе на нем устанавливают гидравлический затвор 8. При превышении давления может произойти разрыв деаэратора, а при большом разрежении атмосферное давление может деформировать его. Гидравлический затвор устанавливают высотой 3,5 – 4 м и диаметром 70 мм. В случае резкого повышения уровня воды в деаэраторе (перепитке) осуществляется сброс лишней воды из гидрозатвора. Деаэратор снабжен водоуказательным стеклом с тремя кранами (паровым, водяным и продувочным), регулятором уровня воды в баке, регулятором давления и необходимой измерительной аппаратурой. Для предотвращения вспенивания воды вследствие понижения давления на входе воды в питательные насосы деаэратор атмосферного давления устанавливают на высоте не менее
7 м над насосом.

Баки и емкости

Для приема производственного конденсата, создания резерва емкостей для питательной воды котлов и подпиточной воды тепловых сетей, a также для других целей в котельных устанавливают конденсатные баки, баки питательной воды, баки-аккумуляторы подпиточной воды, баки технической воды. Все баки-емкости должны изготавливаться по межведомственным нормам (МВН).

Все поверхности теплообменников и баков с температурой выше 45 ^оC изолируют снаружи теплоизоляционными материалами для уменьшения потерь теплоты и создания безопасных условий работы обслуживающему персоналу. Для защиты внутренней металлической поверхности аккумуляторных и других баков от коррозионного разрушения применяется герметик АГ-4 толщиной 3 – 5 см. Поверхность изоляции оборудования покрывают масляной краской в два слоя. В нижней части бака устанавливают контрольное устройство, устраняющее попадание герметика в трубопроводы.

1. Деаэратор атмосферного давления ДА подбирают по расходу воды из деаэратора G (т/ч) с коэффициентом запаса 1,3. Емкость бака должна обеспечивать запас воды на 0,5 – 1 ч для питания котлов. Высоту установки деаэраторов, насосов, баков следует принимать исходя из условия создания подпора у центробежных насосов, исключающего возможность вскипания воды в насосах.

2. Вакуумный деаэратор (ДВ) подбирают по расходу воды на подпитку G_подп, т/ч, с коэффициентом запаса 1,5. Бак деаэрированной воды размещают на нулевой отметке, а колонку вакуумного деаэратора устанавливают на отметке 15 – 25 м, обеспечивающей самотечный слив в бак деаэрированной воды. Для водоструйных эжекторов предусматривают насосы и баки рабочей воды. Напор воды, эжектирующей смесь, составляет 0,4 – 0,5 МПа. Расход рабочей воды через эжектор зависит от параметров парогазовой смеси, температуры и давления эжектирующей воды. Температура рабочей воды не должна превышать 30 °С. Обязательным условием нормальной работы вакуумного деаэратора является его хорошая воздушная плотность и герметичность всей системы трубопроводов, находящихся под разрежением.

Суммарная емкость баков деаэрированной подпиточной воды теплосетей выбирается:

· для закрытых систем теплоснабжения – из расчета 20-минутной производительности деаэратора;

· для открытых систем – равной 9-кратному среднечасовому за сутки расходу воды на горячее водоснабжение. Рекомендуется не менее двух, желательно равной емкости, баков-аккумуляторов, которые устанавливаются в здании котельной на нулевой отметке или на площадках под деаэрационной колонкой (для закрытых систем теплоснабжения) или за пределами котельной (для открытых систем).

3. Объем расширителя (сепаратора) непрерывной продувки (СНП) определяют исходя из допустимого напряжения – 1000 м³ образующегося пара в 1 ч на 1 м³ полезного объема.

Полезный объем СНП в этом случае должен быть не менее К_снп = 0,144 м³. Обычно для всех паровых котлов устанавливают один расширитель.

4. Конденсатные баки служат для сбора конденсата, дренажной воды паропроводов и перепуска воды из деаэраторов. Желательно устанавливать два бака, емкость каждого конденсатного бака выбирать из расчета обеспечения приема получасового количества возвращаемого конденсата.

5. Для охлаждения подшипников механизмов котельной (вентилятора, дымосoca и др.) на отметке 10 – 12 м устанавливают бак технической воды, емкость которого выбирают из расчета покрытия получасового расхода воды.

6. При доставке реагентов (соли, кислоты, коагулянта) по железной дороге должны использоваться цистерны емкостью 50 – 60 т. Объемы баков для мокрого хранения соли и коагулянтов следует принимать из расчета 1,5 м³ на 1 т соли. Баки-резервуары для хранения реагентов рекомендуется размещать за пределами котельной, около железнодорожных путей.

7. Для охлаждения продувочных и всех сточных вод от котлов сооружают продувочный колодец (барботер), который размещают вне здания котельной. Емкость такого подземного железобетонного резервуара определяют из расчета охлаждения продувочных вод до температуры 50 – 60 °С.

Насосы

Насосы – машины, предназначенные для нагнетания, перемещения жидкостей и сообщения им энергии. В котельных применяют лопастные (центробежные, вихревые, осевые) и струйные насосы (эжекторы, инжекторы). Приводным двигателем к насосу служат электродвигатели, которые обычно соединяются с помощью муфты.

В котельных устанавливают питательные, подпиточные, сетевые, конденсатные, циркуляционные и другие насосы. Их подбирают по производительности и напору. Количество насосов должно быть не менее двух, один из которых резервный. В котельных рекомендуется предусматривать установку однотипных насосов (по назначению), что улучшает условия их эксплуатации и выполнение ремонтных работ, вследствие взаимозаменяемости отдельных частей насосов. Производительность одного насоса G_н с электроприводом должна составлять не менее 110 % номинальной, т. е. с коэффициентом запаса К = 1,1. Напор Н_н, создаваемый насосом, должен преодолеть гидравлическое сопротивление сети трубопроводов или оборудования (котлов, бойлеров, арматуры) при расчетном максимальном расходе воды с коэффициентом запаса К_н = 1,15.

Диаметры подсоединяемых к насосу трубопроводов не должны быть меньше диаметров патрубков. На подающей линии насоса устанавливают манометр, обратный клапан, вентиль (или задвижку), а на всасывающей линии отключающее устройство (вентиль или задвижку). Регулирование подачи воды осуществляется задвижкой на напорной стороне насоса.

1. Питательные насосы.В котельных с паровыми котлами устанавливаются питательные насосы, которые могут быть центробежными и поршневыми с электрическим или паровым приводом. Число их должно быть не менее двух с независимыми приводами, а один насос (или более) должен быть с паровым приводом.

Таблица 5.1