Общие замечания о расчете деаэратора.

Деаэрация - удаление кислорода, агрессивных анионов из жидкости (обычно воды), используемой в электростанциях и системах отопления.

Кислород является главной причиной коррозии трубопроводов, повышением температуры его агрессивность только увеличивается. Поэтому деаэрация подпиточной воды тепловых сетей необходима для продления срока службы трубопроводов и котельного оборудования. Срок службы трубопроводов составляет всего 5-7 лет, при использовании недеаэрированной воды, что в 3 раза меньше, чем при использовании воды, не содержащей растворенного кислорода. Затраты на деаэрационную установку во много раз меньше, чем на замену трубопровода.

В воде, подаваемой в деаэратор, могут присутствовать различные примеси: газообразные (кислород, углекислота, азот, аммиак), твердые (продукты коррозии конструкционных материалов), естественные (хлориды, кремнекислоты и другие).

Рассмотрим пути поступления примесей при работе котельной. Газообразные примеси поступают в основном за счет присосов воздуха по тракту, а также в аппаратах, работающих при давлении ниже атмосферного. Продукты коррозии поступают в воду в результате взаимодействия конструкционных материалов с водной средой, образования окислов металлов и перехода их в воду. Поступление естественных примесей происходит в основном в конденсаторе паровой турбины за счет присосов охлаждающей воды в неплотностях теплообменной поверхности. Давление охлаждающей воды всегда выше давления конденсирующего пара в конденсаторе, и при наличии неплотностей происходит переток охлаждающей воды в конденсат. Практически присосы охлаждающей воды всегда имеют место, если даже с завода конденсатор поставлен достаточно плотным. В процессе эксплуатации в результате протекания коррозионных, эрозионных и других процессов происходит нарушение плотности, и присосы охлаждающей воды увеличиваются. Охлаждающая вода расходуется в больших количествах (для этой цели и создано водохранилище) и никакой предварительной обработке не подвергается. Поэтому даже незначительные присосы охлаждающей воды привносят значительные количества примесей.

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, ТЭС или АЭС.

Из газовых примесей наибольшую опасность представляют кислород и углекислота.

Поступление углекислоты с присосами воздуха незначительно. Она образуется в конденсатно-питательном тракте за счет термического разложения бикарбонатов, поступающих с присосами технической воды, и последующего гидролиза карбонатов.

Кислород и углекислота являются коррозионно-агрессивными агентами.

Для уменьшения коррозионных процессов, поверхности нагрева полиэтилена низкого давления (ПНД) часто приходится выполняются из коррозионно-стойких материалов — латунных сплавов, нержавеющих аустенитных сталей и высоконикелевых сплавов.

Для того чтобы иметь возможность выполнять ПНД 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.

Способы деаэрации воды и конструктивное выполнение деаэраторов.

Для удаления газов из воды могут быть использованы химические и термические методы. Химические методы основаны на избирательном взаимодействии удаляемых газов с дозируемыми реагентами. Практически химический метод применим только для удаления кислорода. Для этого используют гидразин, и то не как самостоятельный метод, а для удаления микро количеств кислорода. Вместе с гидразином в воду могут поступать другие примеси. Кроме того, гидразин является токсичным веществом. На ТЭЦ и АЭС применяют в основном термическую деаэрацию. Термические деаэраторы позволяют удалять из воды любые растворенные в воде газы и не вносят никаких дополнительных примесей в воду.

Нагревом воды можно уменьшать содержания кислорода поскольку коэффициент растворимости уменьшается с ростом температуры. Несмотря на уменьшение количества кислорода в воде с повышением температуры оставшаяся его часть значительна. Так, при изменении температуры воды от 20 до 50°С количество растворенного в воде кислорода уменьшается с 9 до 5 мг/кг. Оставшаяся часть кислорода (5 мг/кг) в сотни раз превышает допустимые уровни.

При температуре кипения давление над водой определяется давлением насыщенных паров воды, а количество растворенного в воде кислорода равно нулю.

Для надежного удаления из воды газов необходимо прогревать всю массу воды до температуры насыщения. Недогрев воды на 1—3°С увеличивает остаточное содержание газов в воде.

Отводимая из деаэратора парогазовая смесь называется выпаром. Чем больше выпар, тем эффективнее будет работать деаэратор.

Для термической деаэрации, независимо от типа деаэратора, необходимо выполнение следующих условий:

· Обеспечение температуры и давления, при которых вода будет вскипать (при температурах меньше 100ºС деаэрация происходит в вакууме).

· Удаление выделяющегося кислорода - производится за счет увеличения поверхности соприкосновения фаз, а также интенсификацией процессов массообмена.

Деаэраторы могут быть смешивающие, поверхностные и перегретой воды. Наибольшее распространение получили смешивающие деаэраторы. Поверхностные деаэраторы используются в том случае, если греющий пар изменяет материальный баланс установки. В деаэраторах перегретой воды подаваемая на деаэрацию вода подогревается в теплообменнике до температуры, превышающей температуру насыщения в деаэраторе. Избыточная теплота этой воды расходуется на парообразование. Недостатком деаэратора перегретой воды является сложность осуществления одновременной деаэрации потоков воды с разными энтальпиями, поэтому они не получили практического применения.

Деаэраторы подразделяются по давлению на вакуумные, атмосферные, повышенного давления. Вакуумные деаэраторы устанавливаются на подпитке теплосети, атмосферные — на линии подачи добавочной воды и деаэраторы, повышенного давления — на основном потоке конденсата.

Само деаэрационное устройство представляет из себя деаэрационную колонну, в которой подогреваемая вода стекает сверху вниз, а навстречу ей снизу подается греющий пар. Деаэрационная колонна устанавливается на бак аккумулятор питательной воды, куда стекает продеаэрированная вода. В эксплуатации под деаэратором понимают совокупность деаэрационных колонн и деаэрационного бака, на который они устанавливаются. Для улучшения процесса деаэрации в деаэраторах смешивающего типа необходимо обеспечить большую поверхность контакта подогреваемой среды с паром. Поэтому конструкции термических деаэраторов подразделяются, в первую очередь, по способу дробления воды. Различают деаэраторы: сопловые, с насадками, пленочные, струйные и барботажные. В сопловых деаэраторах распыление воды идет с помощью сопел. Сопловые, с насадками и пленочные деаэраторы широкого распространения не получили, так как сопловые малоэффективны, а с насадками (установка большого количества металлических насадок) и пленочные (вода стекает в виде пленки по концентрическим стальным кольцам) дают дополнительное количество продуктов коррозии в воду. На АЭС, например, широкое распространение получили струйные деаэраторы. Для увеличения времени контакта пара с водой и глубины разложения бикарбонатов струйную деаэрацию можно дополнить барботажной, подавая часть пара под уровень воды в деаэраторном баке. Пар, барботируя через воду, способствует более полному удалению газов.

Рисунок 13 - Деаэратор атмосферный 15/4

Рассмотрим работу атмосферного деаэратора.Деаэраторы ДА5/8, ДА10/8, ДА15/4, ДА25/8 предназначены для удаления коррозионно-агрессивных газов (кислорода и свободной углекислоты) из питательной воды паровых котлов и подпиточной воды системы теплоснабжения и горячего водоснабжения при одновременном ее нагреве. Первое число после наименования котла обозначает паропроизводительность, т/ч.Второе число - Полезная вместимость бака, м³. Давление пара в барабане котла, 0,12 кгс/см² (МПа). Деаэратор состоит из деаэраторного бака, деаэрационной колонки и гидрозатвора. Деаэраторный бак представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд с эллиптическими днищами и патрубками входа и выхода рабочей среды, трубопроводов для подключения и арматуры. Деаэратор установлен на опорах, одна из которых неподвижная.

Рисунок 14 - Схема атмосферного деаэратора смешивающего типа

На схеме обозначены: 1 - Бак-аккумулятор деаэрированной воды; 2 - Стекло водоуказательное; 3 – Манометр; 4,5 – Тарелка; 6 - Конденсат из охладителя; 7 - Клапан регулирующий; 8 - Охладитель выпара; 9 - Устройство распределительное кольцеобразное; 10 - Колонка деаэраторная; 11 - Распределитель пара; 12 – Клапан;13 - Затвор гидравлический

На баке размещены деаэрационная колонка, которая представляет собой цилиндрическую обечайку с эллиптическим днищем, патрубками для подвода и отвода рабочей среды. Для обеспечения безопасной эксплуатации деаэратора предусмотрено предохранительное устройство - гидрозатвор, защищающий его от опасного превышения давления и уровня воды в баке.В деаэраторах применена двухступенчатая схема дегазации: первая - струйная, вторая - барботажная. В деаэраторах ДА-5/8, ДА-10/8 первая ступень дегазации находится в деаэрационной колонке, вторая - в деаэраторном баке. В деаэраторах ДА-15/4, ДА-25/8 обе ступени дегазации размещены в деаэрационной колонке.

Принцип работы деаэратора. Пар давлением до 6 кг/см², от существующего узла регулирования, входящего в комплект поставки деаэратора, паропроводом (диаметр определяется в зависимости от расхода деаэрированной воды) подается к задвижке, установленной на подводящей трубе. После задвижки пар поступает в перфорированную трубу и через 530 отверстий d=6 мм (количество и диаметр отверстий рассчитывается индивидуально для каждого деаэратора) контактирует с водой. На начальном участке барботажного устройства происходит интенсивный подогрев воды до температуры насыщения, соответствующий давлению в деаэраторе. Основной процесс дегазации происходит на остальном участке барботажного устройства при температуре насыщения, соответствующей давлению в этой части деаэратора.
Предварительная деаэрация происходит в деаэрационной колонке за счет избыточного количества пара, идущего в перфорированную трубу. Непосредственный подвод пара в головку оглушен для предотвращения противодавления пара, и возможности контактирования (растворения) выпара в воде. Для деаэраторов с объёмом аккумуляторного бака менее 5 м² допускается монтировать барботажное устройство без установки деаэрационной колонки. Перегородка разделяет деаэраторный бак на два отсека. В первом отсеке собирается вода, прошедшая барботажные тарелки деаэраторной колонки. Из этого отсека деаэрированная вода, прошедшая барботаж, отбирается на котлы. Вследствие разницы уровней между отсеками, вода проходит только через внешний кожух барботажного устройства. Наклон кожуха исключает возможность контактирования пара с водой под прямым углом, что уменьшает возможность возникновения гидравлических ударов при нарушении работы деаэратора.

Рисунок 15 – Принципиальная схема деаэратора

На схеме обозначены: 1 - подвод химически очищенной воды; 2 - охладитель выпара; 3,5 - выхлоп в атмосферу; 4 - клапан, регулирующий уровень; 6 - колонка; 7 - подвод основного конденсата; 8 - предохранительное устройство; 9 - деаэрационный бак; 10 - подвод неохлажденного конденсата; 11 - манометр; 12 - клапан, регулирующий давление; 13 - подвод греющего пара; 14 - отвод деаэрированной воды; 15 - указатель уровня; 16 - дренаж.

Конструкция деаэрационой колонны.

Деаэрационная колонна (смотри схему, рисунок 16) состоит из корпуса, кольцевого приемного короба, смесительного устройства, верхнего и нижнего блоков, коллекторов подвода греющего пара и горячих потоков дренажей.

Корпус представляет собой стальной цилиндр сварной конструкции с внутренним диаметром 2408 мм, изготовленный из листовой стали толщиной 12 мм, к которому приварена сферическая крышка. Корпус колонки приварен к деаэраторному баку (14).

В верхней части корпуса расположен кольцевой приемный короб (2) для приема холодных потоков конденсата. Внутренняя обечайка короба в нижней части имеет прямоугольные окна, через которые конденсат поступает в смесительное устройство.

Смесительное устройство (3) предназначено для смешения холодных потоков конденсата, равномерного распределения их по периметру колонки и представляет собой короб, образованный внутренней обечайкой приемного короба и обечайкой смесительного устройства в верхней части, которой имеются прямоугольные вырезы расположенные по всему периметру.

Верхний блок состоит из внутренней и наружных обечаек и перфорированного днища (4) (дырчатый щит), приваренного с низу. Для обеспечения жесткости конструкции равномерного распределения конденсата по всей поверхности дырчатого щита между обечайками приварены шесть перегородок с тремя полу отверстиями в нижней части каждой перегородки. В центральной части верхнего блока имеется съемный люк, который крепится болтами к кольцевому выступу дырчатого щита. Верхний блок прикреплен к корпусу колоны шестью косынками расположенными таким образом что имеется возможность для свободного прохода пара по периферии.

Нижний блок состоит из переливного листа (5) и барботажного устройства. С одной стороны переливной лист имеет вырез для слива воды в барботажное устройство, а в центре горловину (6) для прохода пара. В колонне переливной лист закреплен с помощью удерживающего каркаса.

Барботажное устройство состоит из перфорированного листа (7), четырех сливных труб (8) приваренных со стороны противоположной сегментному вырезу переливного листа, выступающего над ним на 100 мм паро-перепускного патрубка (9), поддона (10) и двух водо-перепускных труб (11) соединяющих барботажный лист и поддон. Нижний конец паро-перепускного патрубка опущен в поддон и при заполнение водой последнего образуется гидрозатвор. Заполнение гидрозатвора обеспечивается автоматически, при изменении расхода, подачей воды через водо-перепускные трубки с барботажного листа в поддон.

Под нижним блоком расположены коллектор подвода греющего пара (13) и коллекторы горячих потоков дренажей.

Коллектор греющего пара представляет собой перфорированную трубу 325х10 мм. Отверстия расположены семью рядами на нижней части коллектора, что обеспечивает равномерное распределение пара по всему пространству колонки.

Коллекторы подвода дренажей представляют собой перфорированные трубы 108х6мм, вводы которых в колонку выполнены на одном уровне с коллектором греющего пара.

Рисунок 16 -Схема деаэрационной колоны

Описание процесса деаэрации в колонне.

Холодные потоки конденсата через штуцера ввода (1) поступают в кольцевой приемный короб (2) и далее через прямоугольные окна на внутренней обечайке в смесительное устройство (3).

Из смесительного устройства при достижении определенного уровня, конденсат равномерным потоком по всему периметру поступает на перфорированное днище (4) верхнего блока.

Из верхнего блока конденсат пройдя через отверстия перфорированного днища, дробится на тонкие струи. Проходит через струйный отсек конденсат нагревается до температуры близкой к температуре насыщения и попадает на нижний блок. Сначала на переливной лист (5), затем через сегментный вырез переливного листа поступает на перфорированный лист (7) барботажного устройства. По барботажному листу вода движется слева на право и обрабатывается паром, проходящим через отверстия щита. Происходит нагрев до температуры насыщения и окончательное удаление растворенных газов.

В конце барботажного листа вода через четыре сливные трубки (8), верхние концы которых, для обеспечения постоянного слоя воды, выступают на 100 мм над листом, поступает в нижнею часть колонны и далее через сливную горловину (15) сливаются в деаэраторный бак (14).

Сливная горловина обеспечивает постоянный уровень воды в нижней части колонны перед поступлением ее в деаэраторный бак. Слив воды из сливных трубок происходит под этот уровень, что препятствует прохождению пара через сливные трубы в обход барботажного устройства.

Греющий пар из перфорированного коллектора (12) подается под барботажный лист. Степень перфорации листа выбрана такой, что при минимальной нагрузке под листом создается устойчивая паровая подушка, исключающая провал воды через отверстия листа. На барботажном листе происходит интенсивная паровая обработка слоя воды, движущейся в сторону сливных труб и глубокая и стабильная дегазация.

Не сконденсировавшийся пар и выделившиеся из воды газы поднимаются вверх и через горловину (6) переливного листа поступают в струйный отсек.

С увеличением производительности и расхода пара давление в паровой подушке возрастает, и пар в обход барботажного листа через паро-перепускной патрубок (9) гидрозатвора поступает в струйный отсек.

В струйном отсеке пар, двигаясь в верх, пересекает и омывает падающие вниз, с перфорированного днища струи воды. При этом происходит перемешивание воды с паром, подогрев ее до температуры, близкой к температуре насыщения при данном давлении в колонки и предварительная дегазация воды. Конденсат греющего пара присоединяется к струям воды, а несконденсированный греющий пар и выделившейся из воды газ по периферии, через кольцевой зазор между корпусом и верхним блоком, проходят в верхнюю часть колонки, обеспечивая ее вентиляцию и подогрев встречных потоков воды, поступающих из смесительного устройства (3), и далее через штуцер выпара отводятся из колонки.

В курсовом проекте применен смешивающий термический деаэратор атмосферного типа ( МПа). Подогрев воды, поступающей в деаэратор, до температуры насыщения осуществляется редуцированным паром ( ).

Газы, выделяемые деаэрированной водой, переходят в паровой поток и остатком неконденсированного избыточного пара (выпара) удаляются из деаэрационной колонки через штуцер, а затем сбрасываются в барботер (иногда через охладитель выпара). Расход избыточного пара ( ) по имеющимся опытным данным ЦКТИ составляет 2 – 4 кг на 1 тонну деаэрированной воды. В курсовом проекте следует принять: , где - суммарный расход деаэрируемой воды.

Энтальпия пара (выпара) принимается равной энтальпии пара при данном давлении (принимаем равным ). Деаэрированная вода ( ) из бака деаэратора подается питательным насосом (ПН) в котельный агрегат.

При расчете деаэратора неизвестными являются расход пара на деаэратор ( ) и расход деаэрированной воды ( ). Эти величины определяются при совместном решении уравнений массового и теплового балансов деаэратора.

Рисунок 17 - Узел деаэратора

Произведем уточнение ране принятого расхода . Суммарный расход деаэрируемой воды:

. (25)

Принимаем значение возврата конденсата после подогревателя сырой воды, , согласно рассчитываемой схеме, равным расходу редуцированного пара в подогревателе сырой воды, ; а возврат конденсата после сетевого подогревателя (бойлера), , равным расходу пара в подогревателе сетевой воды, :

кг/с,

, (26)

кг/с.

Запишем уравнение теплового и массового балансов (предположим для деаэратора ):

, (27)

где –энтальпия воды в деаэраторе (принимаем равной энтальпии кипящей воды в расширителе), кДж/кг.

. (28)

Из уравнения (28) находим:

,

Подставляем полученное значение в уравнение (27) и решаем его относительно :

кг/с,

кг/с.

Рисунок 18 - Расчетная схема деаэратора

где - давление в атмосферном деаэраторе, МПа;

- количество редуцированного пара, кг/с;

- количество выпара из деаэратора, кг/с;

- суммарный расход деаэрируемой воды, кг/с;

- расход деаэрированной воды на выходе из деаэратора, кг/с;

- возврат конденсата после сетевого подогревателя (бойлера), кг/с;

- энтальпия конденсата после подогревателя сетевой воды (бойлера), кДж/кг;

- расход пара в подогревателе сетевой воды, кг/с;

- возврата конденсата после подогревателя сырой воды, кг/с;

- расход редуцированного пара в подогревателе сырой воды, кг/с;

- энтальпия конденсата, кДж/кг;

- расход воды через химводоочистку, кг/с;

– энтальпия воды на выходе из химводоочистки, кДж/кг;

- количество пара, выделяющегося в расширителе из продувочной воды, кг/с;

- энтальпия влажного пара в расширителе непрерывной продувки, кДж/кг;

- расход деаэрированной воды на выходе из деаэратора, кг/с;

- расход воды на питание котельных агрегатов, кг/с;

- энтальпия воды в деаэраторе, кДж/кг;

- расход воды на подпитку тепловой сети, кг/с;

- расход пара на деаэрацию, кг/с;

- энтальпия влажного пара после РОУ при давлении ,кДж/кг;