Размещено на http://www.allbest.ru

Новое решение старых проблем теплоснабжения и водоподготовки

К.т.н. А.Ф. Недугов, директор,

М.А. Куркулов, заместитель директора,

ООО «Прессмаш», г. Миасс Челябинской области

В статье предложен новый способ подачи пара в воду для ее нагревания, апробированный в промышленных условиях эксплуатации в тепловых системах различного назначения в течение нескольких лет на диаметрах трубопроводов от 50 мм до 400 мм и максимальной производительностью до 1200 т/ч. Описана схема струйного пароводяного подогревателя воды с камерой предварительного смешения пара и воды и гасителем пульсаций давления, обеспечивающая бесшумный ввод пара в поток воды без образования накипи на поверхностях теплообменника. Приведены примеры применения данного подогревателя.

Введение

пар вода нагревание подогреватель

В настоящее время для подогрева воды в системах водоподготовки, теплоснабжения и горячего водоснабжения (ГВС) широко используются водогрейные котлы, пароводяные кожухо-трубные подогреватели, пластинчатые теплообменники. Передача тепла в них осуществляется непрерывно от греющего рабочего тела нагреваемому телу, при этом рабочие тела разделяет перегородка, называемая поверхностью нагрева. Эффективность использования теплоты греющего рабочего тела в таких аппаратах в значительной степени зависит от качества нагреваемой воды. Наличие в природной воде растворенных минеральных солей кальция и магния приводит к образованию на поверхностях нагрева теплообменника трудноудаляемого твердого слоя (накипи). Накипь, имея малую теплопроводность, ухудшает передачу тепла нагреваемой воде. Это приводит к значительному увеличению расхода пара на нагрев, перерасходу топлива, ухудшению гидравлических характеристик теплообменника. Например, в литературе приводятся данные, что слой накипи толщиной в 3 мм поглощает 25% тепловой энергии, а если на стенках котла или бойлера наросло 13 мм, то теряется уже 70% тепла, при этом отложения толщиной 10 мм нарастают менее чем за год [1]. Для водогрейных котлов отложение солей на поверхности нагрева со стороны воды повышает температуру стенки водогрейных труб, что снижает прочностные свойства материала стенки и, соответственно, ресурс котла.

Очистка внутренних каналов теплообменника от накипи - дорогостоящий и трудоемкий процесс. Наиболее остро эта проблема стоит в системах химической очистки воды (подогрев воды перед осветлителями, катионитными фильтрами, декарбонизаторами и т.д.). Актуальность решения этой задачи привела даже к созданию в России и за рубежом целой индустрии по изготовлению специальных аппаратов для удаления твердых отложений накипи. Указанные недостатки создают интерес для изучения альтернативных методов борьбы с образованием накипи, например, применением новых технологий подогрева воды паром, исключающих образование накипи в теплообменнике.

В настоящее время в системах теплофикации промышленных предприятий и коммунальной сферы все в большей степени находят применение смесительные теплообменники. В смесительных теплообменниках теплота передается в процессе смешения греющего и нагреваемого рабочих тел - это различного рода пароводяные струйные аппараты. В отличие от теплообменников рекуперативного типа, в которых теплообмен между теплоносителем и нагреваемой водой происходит через стенку, в пароводяных струйных аппаратах передача тепла от пара к воде происходит при смешении пара и воды, т.е. при конденсации пара вся его внутренняя энергия передается воде практически без потерь. Рабочим телом в пароводяных струйных аппаратах (ПСА) является пар, а инжектируемым - вода [2, 3]. В связи с компактностью, при высокой тепловой мощности и отсутствии потерь при передаче тепла от пара к воде, такие аппараты в последнее время получают широкое распространение. По сравнению с бойлерами и пластинчатыми теплообменниками происходящие внутри ПСА кавитационные процессы уменьшают накипеобразование, при этом в них нет поверхностей теплообмена в виде тонкостенных трубок и пластин. К факторам, ограничивающим их использование, можно отнести ограниченный диапазон диаметров трубопроводов - от 25 до 150 мм, при максимальной производительности по воде до 300 т/ч. В случае большой производительности систем водоподготовки это приводит к необходимости устанавливать несколько параллельно работающих аппаратов и увеличивает затраты на обвязку.

Новое решение

В 1999 г. специалистами ООО «Прессмаш» и Магнитогорского металлургического комбината был разработан струйный пароводяной подогреватель воды смешивающего типа с камерой предварительного смешения [4], получивший обозначение УМПЭУ, позволяющий обеспечить бесшумный ввод пара в поток воды и его конденсацию без вибраций и гидравлических ударов с одновременным расширением диапазона диаметров используемых трубопроводных систем до 400 мм и производительностью по нагреваемой воде до 1200 т/ч. В отличие от вышеуказанных пароводяных струйных аппаратов, рабочим телом в УМПЭУ является нагреваемая вода, а инжектируемым - пар. Другим отличием УМПЭУ от классической гидродинамической схемы струйного аппарата [2] является то, что приемная камера в нем выполнена в виде диффузора и образует канал с внезапным расширением, в котором роль входной зоны канала играет выходная часть рабочего водяного сопла. На подводе пара установлена камера предварительного смешения пара и воды, а на выходе из приемной камеры - гаситель пульсаций давления.

Принцип работы разработанного струйного подогревателя УМПЭУ (рис. 1) состоит из конфузора 1, водяного сопла 2, приемной камеры 3, камеры предварительного смешения пара с водой 5, установленной на подводе пара в приемную камеру, гасителя пульсаций давления 6, трубопровода с задвижкой 7 для перепуска части нагреваемой воды из широкой части конфузора в камеру предварительного смешения.

Работает рассматриваемый струйный пароводяной подогреватель следующим образом. Нагреваемая вода, поступающая на вход в кон-фузор 1, разгоняется в водяном коническом сопле 2 до скоростей 5-25 м/с, что сопровождается понижением статического давления в приемной камере. В камере предварительного смешения 5 подготавливается двухфазная смесь, получаемая путем диспергирования в форсунках 9 и 10 части нагреваемой воды (в объеме до 10%), отбираемой трубопроводом 7. Распыл воды производится под разными углами к потоку пара, подводимого по паропроводу 8. Выходя из паропровода, имеющего диаметр меньший диаметра камеры 5, реализуется внезапное расширение пара, сопровождаемое редуцированием пара и понижением его температуры (дроссель-эффект). В процессе взаимодействия пара и воды происходит снижение ее жесткости с выпадением солей в виде взвешенного шлама. Для лучшего перемешивания пара с водой и увеличения времени взаимодействия сред, в камере предварительного смешения предусмотрено формирование интенсивных вихревых течений 13, образуемых с помощью генераторов вихря 11 в результате отрыва потока при их обтекании. Подготовленная двухфазная смесь, имеющая вихревую структуру, поступает в зону разрежения, созданную соплом в приемной камере 3, и конденсируется на водяной турбулентной струе, нагревая поток воды за счет внутренней энергии пара. При перетекании умягченной смеси из камеры смешения 5 в приемную камеру 3, часть потока двухфазной смеси, обтекая наружную поверхность сопла 2 и внутреннюю поверхность входной горловины приемной камеры, образует на этих поверхностях водяную пленку умягченной воды, сносимую турбулентным потоком инжектируемой двухфазной смеси (количество воды, подаваемой в камеру смешения, превышает количество, необходимое для охлаждения пара до температуры воды). В гасителе пульсаций 6 происходит завершение процесса конденсации и рост давления нагретого потока воды. Пульсации давления нагретого потока, которые может вызвать несконденсировавшаяся часть пара и пристеночные обратные токи 4, демпфируются в гасителе пульсаций 6. Эффект демпфирования достигается за счет упругости газов над свободной поверхностью воды в емкости гасителя, отделенной от основного потока проницаемой стенкой, и созданием возвратных течений 12 за счет положительного градиента давления по длине гасителя пульсаций.

Исследование внутренней структуры течений в УМПЭУ производилось на плоских прозрачных моделях при расходах воды 1 -3 т/ч, а полноразмерные испытания его проводились на промышленных установках с условным диаметром магистралей от 50 до 400 мм в составе тепловых сетей потребителей при расходах воды от 4 до 1200 т/ч и давлениях воды и пара применительно к IV категории трубопроводов в соответствии с [5]. На основании положительных результатов эксплуатации в промышленности и коммунальном хозяйстве более 30 головных образцов разного назначения в течение нескольких лет в различных климатических условиях, Ростехнадзор России выдал разрешение на серийное изготовление и применение УМПЭУ на опасных производственных объектах для подогрева воды. На рис. 2 представлена фотография УМПЭУ, а на рис. 3 приведена типовая схема включения и показано расположение контрольно-измерительных приборов.

В отличие от трансзвуковых струйных аппаратов принцип действия УМПЭУ исключает ка-витационные течения внутри его проточных трактов, поэтому в них отсутствует кавитацион-ная эрозия и изготовление таких устройств производится из штампованных деталей трубопроводов и бесшовных труб с применением углеродистых и низколегированных сталей, что обеспечивает их высокую надежность и долговечность.

Опыт применения новых струйных подогревателей

Испытанные УМПЭУ использовались для нагревания воды в системах химической очистки воды, деаэрации, отопления, ГВС, вентиляции, утилизации отработавшего пара, технологических процессах подогрева перегретой воды на резинотехнических производствах.

Подогрев исходной воды в системе химической очистки. Возможность работы без накипи делает УМПЭУ незаменимым устройством для подогрева исходной сырой воды, идущей на химводоочистку. Опыт эксплуатации двух УМПЭУ Ду 200 мм в теплосиловом цехе ХВО № 1 Саткинского комбината «Магнезит» с мая 2000 г. показал, что ни разу с начала непрерывной эксплуатации не потребовалась их остановка для чистки. По результатам работы этих установок позднее были заменены бойлеры в ХВО № 2 на два УМПЭУ Ду 100 мм, а один подогреватель Ду 50 мм был установлен для отопления административного здания комбината.

Подогрев перегретой воды. Взамен пароводяных подогревателей в автоклавном производстве на резинотехническом заводе РТИ-1 ОАО «Балаковорезинотехника» установлен подогреватель УМПЭУ Ду 150 мм, обеспечивающий подогрев перегретой воды в закрытой системе: температура воды 160-170 ОС; давление 1,6 Мпа; расход воды 100-110 т/ч; подогрев воды на 1 -5 ОС. Отклонение температуры воды в контуре составляет ±0,5 ОС. Фактический расход пара 160-200 кг/ч. Несмотря на периодические резкие падения давления перегретой воды в контуре на 0,2-0,4 МПа (период заполнения автоклава) УМПЭУ работает устойчиво. Срок окупаемости составил 4 месяца.

ГВС. Для обеспечения ГВС населения южной части г. Миасс Челябинской области была спроектирована и изготовлена установка УМПЭУ Ду 80 мм с двухступенчатым вводом пара в питьевую воду с целью ее нагревания с 5-10 ОС до 65-70 ОС. Каждая ступень обеспечивает непрерывный подогрев текущего расхода воды 45-55 т/ч на 30 ОС. УМПЭУ была установлена в 2001 г. взамен пароводяного теплообменника, стоимость ремонта которого превышала цену приобретения и монтажа установки. УМПЭУ подключено к паровой гребенке через задвижку Ду 150 мм и обратный клапан. Каждая из ступеней подключена к паропроводу, давление в котором 0,25-0,35 МПа, через вентили Ду 100 мм, служащие для регулирования подачи пара и соответственно температуры нагретой воды в каждой ступени. Вода из хозпитьевого водопровода, смешанная с обратной водой из городской системы ГВС, подается на вход в УМПЭУ под давлением 0,3-0,4 МПа. Подогретая вода выходит из УМПЭУ в аккумуляторный бак.

Теплоснабжение. УМПЭУ Ду 400 мм был установлен на ОАО «Балаковорезинотехника» в дополнение к существующей системе отопления бойлерами в ноябре 2004 г. В процессе эксплуатации УМПЭУ в течение двух отопительных сезонов выяснилось, что при давлении воды 0,62-0,63 МПа, расходе нагреваемой воды 700-725 т/ч, давлении пара 0,6-0,61 МПа, расход пара составил 29-32 т/ч, а подогрев воды - 28-30 ОС. Это позволило поднимать температуру воды на выходе из установки до 98ОС (в обычном режиме 48-85 ОС) и обеспечить требуемый режим теплоснабжения предприятия при понижении температуры наружного воздуха до -30 ОС, что особенно было актуально холодной зимой 2006 г. Данная установка окупилась за один отопительный сезон. Экономический эффект от внедрения составляет 2,5-3,0 млн руб. в год в зависимости от среднезимней температуры наружного воздуха. Причем, чем ниже температура, тем выше экономический эффект. Несмотря на то, что система отопления завода является закрытой, существуют потери и несанкционированный водоразбор в количестве 8-12 т/ч. Совместная работа УМПЭУ и бойлеров позволила свести к минимуму потери конденсата и поддерживать качество воды в системе отопления в пределах нормы.

В ЗАО «Нефтехимия» г. Новокуйбышевск УМПЭУ Ду 400 мм была установлена в октябре 2003 г. для нужд теплоснабжения. Предварительно были проведены расчеты, которые показали хорошие результаты автономного теплоснабжения по сравнению с теплоснабжением от ТЭЦ (расчетная экономия 2,2 млн руб. за отопительный сезон), при этом дополнительно исключаются потери тепла при транспортировке. В процессе эксплуатации выявлено, что расход нагреваемой воды составляет 1000-1200 т/ч, температура сетевой воды (от 45 до 95 ОС) задается в зависимости от температуры окружающей среды и регулируется подачей пара. Подогрев воды составлял 5-11 ОС, что соответствует теплопотреблению отопительной системы завода, при этом еще оставался двукратный запас. Давление сетевой воды изменялось от 0,4 до 0,9 МПа (по проекту 0,6-0,7 МПа) и, несмотря на отклонения от регламента, работа УМПЭУ была устойчивой. Несмотря на то, что система завода является закрытой, существует нелегальный водоразбор. При малых тепловых нагрузках дисбаланс устраняется подпиткой хи-мочищенной водой, а при средних и выше появляется избыток, который направляется в технологический цех для приготовления питательной воды для котлов-утилизаторов.

Утилизация низкопотенциального пара. В ряде технологических процессов имеются сопутствующие источники пара переменных параметров, например системы испарительного охлаждения мартеновских печей, отработавший пар силовых установок и т.д. В энергетическом плане эти источники обладают значительными запасами тепловой энергии, которую целесообразно использовать для нужд теплоснабжения или просто утилизировать пар для улучшения экологической обстановки. Характерным примером к сказанному является утилизация конвертерного пара на Нижнетагильском металлургическом комбинате. В связи с цикличностью конвертерной плавки и низким давлением пара, вырабатываемого охладителями конвертерных газов, давление конвертерного пара изменяется в широких пределах (от 0,4 до 0,9 МПа). Пар с такими нестабильными параметрами имеет ограниченное применение на комбинате и полностью не используется. В целях безопасности паропроводов на них установлены свечи, через которые осуществлялся сброс излишнего пара в атмосферу, при этом комбинат нес прямые потери тепла и котловой воды. Традиционные схемы использования нестабильного конвертерного пара (строительство пароперегревательных, бойлерных, воздушных охладителей пара) требуют относительно крупных капитальных и эксплуатационных затрат, а также соответствующих площадей для строительства. Было предложено применить струйные подогреватели воды УМПЭУ для конденсации сбрасываемого конвертерного пара для целей нагревания воды и подпитки в системе теплоснабжения комбината и города. По параметрам паропровода и теплофикации выбрано УМПЭУ с условным диаметром 300 мм на расход нагреваемой воды 320-740 т/ч, давление воды 0,45-0,6 МПа, рабочее давление пара 0,4-0,7 МПа, расход конвертерного пара 30 т/ч, интервал подогрева воды 30 ОС. УМПЭУ был смонтирован на трубопроводах, проложенных снаружи, вдоль стены котельной, согласно типовой схемы подключения УМПЭУ к теплосети. УМПЭУ был запущен в работу в 2000 г. силами ОГЭ комбината и «Центром энергосбережения» города Нижний Тагил, при этом контрольно-измерительными приборами были зафиксированы следующие параметры при работе УМПЭУ с расходом воды 330 т/ч. При температуре воды на входе 118-119 ОС, давлении воды 0,44-0,45 МПа, давлении конвертерного пара 0,5-0,6 МПа, температура воды на выходе составила 130-131 ОС, расход пара- 8-1 0т/ч. При работе УМПЭУ гидроударов, вибраций и шума не наблюдалось. При работе подогревателя по температурному графику 115/80 ОС годовое количество сэкономленного тепла составляет 93416 Гкал, годовая экономическая эффективность составляет 6 рублей на каждый рубль, затраченный на внедрение УМПЭУ.

Наибольший эффект от применения УМПЭУ может быть получен при реализации его двойного назначения: например подогрев речной воды перед осветлителем отработавшим паром (ОАО «ПОЛИЭФ» г. Благовещенск, республика Башкортостан). Срок окупаемости УМПЭУ Ду 300 мм составил 4 месяца. Другим примером может служить отопление производственного цеха по производству лапши быстрого приготовления утилизируемым отработавшим паром (г. Хабаровск).

В ряде случаев экономически оправданным оказалось применение УМПЭУ на предприятиях, получающих горячую воду и пар от ТЭЦ, когда цена горячей воды была выше цены пара.

Оптимальный подогрев воды одним УМПЭУ, обеспечивающий его бесшумную работу, составлял в среднем 30 ОС (коэффициент инжек-ции около 0,06). Для подогрева воды на интервал более 30 ОС использовалась двухступенчатая схема ввода пара с последовательной установкой УМПЭУ в линию или калачом (подогрев достигал 60-65 ОС).

Особенности включения УМПЭУ, обеспечивающие его безопасную эксплуатацию, состоят в следующем. Для поддержания указанных параметров в заданных пределах УМПЭУ должен оснащаться системой автоматики. Для регулирования тепловой мощности изменяют расход пара, например регулирующим клапаном. На подводе пара должен быть установлен обратный клапан. Для отсечки пара при прекращении подачи воды (авария теплосети, отключение насоса или электроснабжения и т.п.) на подводе также устанавливают быстродействующий отсечной клапан со временем срабатывания 1 -3 с. На выходе УМПЭУ создают прямолинейный участок трубы, длина которого определяется на основании известных закономерностей для турбулентной затопленной струи [6] и обычно составляет несколько десятков калибров. Для закрытой системы теплоснабжения предусматривают также систему поддержания постоянного давления воды на входе в УМПЭУ.

Применение УМПЭУ позволяет:

· заменять существующие теплообменники и повысить надежность работы тепловых систем;

· экономить пар (топливо) за счет максимального коэффициента теплопередачи от пара к воде;

· исключать образование накипи при нагревании неочищенной воды;

· исключить шум и пульсации давления при смешении пара с водой;

· снизить вредные выбросы в атмосферу;

· расширить диапазон применения струйных подогревателей воды в тепловых сетях и системах водоподготовки до диаметров 400 мм.

Литература

1. Банников В. В. Проблемы накипи и энергосбережение // Энергосбережение. 2005. № 2. С. 34-36.

2. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - 2-е изд. - М.: Энергия, 1970. - 280 с.

3. Цегельский В. Г. Двухфазные струйные аппараты. - М.: Изд-во МГТУим. Н.Э. Баумана, 2003. - 408 с.

4. КуркуловМ.А., НедуговА.Ф., Никифоров Г.В., Седельников С.В., Шевченко Г.В. Способ непрерывной подачи пара в водяную магистраль и устройство для его осуществления: Патент № 2198323 РФ; Б. И. № 02, февраль 2003 г.

5. Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды ПБ 10-573-03. - М.: ФГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортех-надзора России». Выпуск 28. 2004. -125 с.

6. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. - М.: Физ-матгиз, 1960. - 715 с.

Размещено на Allbest.ru