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 паротурбинных электростанциях применяют в основном термическую деаэрацию. Термические деаэраторы позволяют удалять из воды любые растворенные в воде газы и не вносят никаких дополнительных примесей в воду.

В соответствии с законом Генри количество растворенного в воде газа, например кислорода - Go2, пропорционально парциальному давлению этого газа над жидкостью.

Нагревом воды можно уменьшать содержания кислорода, поскольку коэффициент растворимости (ko2) 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.

Это условие выполняется при повышении температуры воды до температуры насыщения, т.е. до кипения. При температуре кипения давление над водой определяется давлением насыщенных паров воды, а количество растворенного в воде кислорода равно нулю. Устройство, где происходит прогрев воды до температуры кипения с целью удаления газов, называется деаэратором. Подогрев воды в деаэраторе осуществляется за счет отборного пара из турбины.

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.

Для выполнения условия необходимо постоянно удалять выделившиеся из воды газы. Отводимая из деаэратора парогазовая смесь называется выпаром. Чем больше выпар, тем эффективнее будет работать деаэратор.

Наибольшее значение для работы электростанции имеют деаэраторы питательной воды паровых котлов (ДПВ).

Деаэраторы могут быть смешивающие, поверхностные и перегретой воды. Наибольшее распространение получили смешивающие деаэраторы. В контуре реакторной установки РБМК используются смешивающие деаэраторы. Поверхностные деаэраторы используются в том случае, если греющий пар изменяет материальный баланс установки. Так, например поверхностные деаэраторы устанавливаются на линии подпитки первого контура АЭС с ВВЭР-1000. 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 (работающие при давлении ниже атмосферного7,5-50кПа), атмосферные (работающие при давлении0, 12МПа), повышенного давления (работающие при давлении 0, 6-0, 8МПа, а на АЭС-до1, 25МПа). Вакуумные деаэраторы устанавливаются на подпитке теплосети, атмосферные - на линии подачи добавочной воды и деаэраторы повышенного давления - на основном потоке конденсата.

Само деаэраторная установка представляет из себя деаэрационную колонку, в которой подогреваемая вода стекает сверху вниз, а навстречу ей снизу подается греющий пар. Деаэрационная колонка устанавливается на бак-аккумулятор питательной воды, куда стекает продеаэрированная вода. В эксплуатации под деаэратором понимают совокупность деаэрационных колонн и деаэраторного 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. 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.

Конструкция деаэрационной колонки

Применяемые на ТЭС деаэраторы различают по рабочему давлению, при котором происходит выделение газов из воды: деаэраторы повышенного давления (0,6 ч 1,2 МПа) типов ДСП-1600, ДСП-1000 и других с подогревом воды на 10 ч 40°С; деаэраторы атмосферные (с давлением 0,12 МПа) типов ДА-300, ДА-150 и других с подогревом воды на 10 ч 50°С и деаэраторы вакуумные (с давлением 0,0075 ч 0,05 МПа) типов ДВ-2400, ДВ-2000 и других с подогревом воды на 15 ч 25°С (числа в типоразмерах указывают производительность, т/ч).

Под номинальной производительностью деаэратора понимается расход всех потоков воды, подлежащих деаэрации и количество сконденсировавшегося в деаэраторе пара.

Деаэраторы различают также по способу контакта воды с паром: пленочные, струйные, капельные, барботажные. При этом часто используются комбинированные схемы контакта (например, струйно-барботажные).

Большинство деаэраторов выполняется в виде вертикальной цилиндрической колонки, которая размещается над баком-аккумулятором. Бак-аккумулятор предназначен в основном для аккумулирования запаса питательной (подпиточной) воды. Кроме того, в нем заканчивается процесс дегазации воды (выделение дисперсных газов и разложение бикарбонатов).

Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей (ПТЭ) содержание в воде растворенного кислорода нормируется: для питательной воды котлов с давлением выше 10 МПа не более 10 мкг/кг, для подпиточной воды тепловых сетей не более 50 мкг/кг. Свободная углекислота в воде после деаэратора должна отсутствовать.

На рисунке 2.1 приведена колонка струйного атмосферного деаэратора. Деаэраторы такого типа широко распространены на отечественных электростанциях в комбинированных вариантах. Они просты по конструкции и имеют малое сопротивление при прохождении пара.

Деаэрируемая вода подводится в верхнюю часть колонки. Дробление воды на струи осуществляется с помощью дырчатых тарелок, расположенных по высоте колонки на расстоянии 300 ч 400 мм друг от друга. Тарелки имеют отверстия диаметром 5 ч 7 мм, площадь которых составляет около 8% общей площади тарелки.

В колонке устанавливаются тарелки двух типов с проходом пара через центральное отверстие, а также по периферии. Чередуясь между собой, тарелки обеспечивают многократное пересечение потоком пара струй деаэрируемой воды. Число устанавливаемых тарелок определяется начальным и конечным содержанием кислорода в деаэрируемой воде (обычно пять и более).

Рисунок 2.1 - Принципиальная схема конструкции атмосферного деаэратора струйного типа: 1 - подвод деаэрируемой воды; 2 - отвод выпара; 3 - тарелки; 4 - подвод греющего пара

Струйное движение деаэрируемой воды обуславливает обязательную неравномерность интенсивности ее деаэрации, отнесенную к единице длины струи, что является существенным недостатком деаэраторов данного типа. Для его устранения колонки струйного типа выполняют большой высоты (3,5 ч 4 м и более).

Важной характеристикой всех типов деаэраторов является приведенная плотность орошения (отношение расхода воды к площади поперечного сечения колонки). Для колонок струйного типа эта величина составляет 60 ч 100 т/ (м2·ч).

В настоящее время деаэрирующие устройства струйного типа с дырчатыми тарелками широко используются в качестве первой ступени обработки воды в деаэраторах струйно-барботажного типа.

В деаэраторных колонках пленочного типа деаэрируемая вода разбивается на тонкие пленки, стекая вниз по поверхности насадки. Используется упорядоченная или неупорядоченная насадка. Упорядоченная насадка выполняется из вертикальных, наклонных или зигзагообразных листов, концентрических цилиндров, укладываемых правильными рядами колец или других элементов, обеспечивающих непрерывное направленное движение воды.

Колонка с упорядоченной насадкой позволяет работать с плотностью орошения до 300 т/ (м2·ч) при подогреве воды на 20 ч 30°С. Они могут использоваться для дегазации неумягченной воды, а также воды загрязненной шламом или накипью. В то же время в них практически нельзя обеспечить равномерность распределения потока воды по насадке.

Неупорядоченная насадка выполняется из отдельных элементов определенной формы, которые заполняют объем колонки. Это могут быть шары, кольца, Щ-образные элементы и т.п.

Деаэрационная колонка с неупорядоченной насадкой допускает плотность орошения 90 ч 110 т/ (м2·ч) при подогреве воды на 40°С, обеспечивает более высокий коэффициент массоотдачи и соответственно меньшее остаточное содержание газа в воде. В то же время предельная гидравлическая нагрузка в этих колонках существенно ниже чем в вышерассмотренных. Конструкция деаэрационной колонки пленочного типа с неупорядоченной насадкой приведена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Конструкция деаэрационной колонки пленочного типа с неупорядоченной насадкой: 1 - корпус; 2 - подвод воды; 3 - крышка; 4 - отвод выпара; 5 - отверстия для слива воды; 6 - патрубки для выпара; 7,8 - нижний и верхний листы водораспределительной камеры; 9 - орошаемая насадка; 10 - подвод пара; 11 - подвод дренажа

В основном, пленочные деаэраторы применяются для дегазации подпиточной воды тепловых сетей. Им присущи: большая чувствительность к перегрузкам, которые могут привести к обращенному движению воды и к гидроударам; как правило, недостаточная удельная пропускная способность на единицу площади поперечного сечения колонки, что вызывает необходимость наличия нескольких параллельно работающих колонок; гидравлические и тепловые переносы за счет смещения слоя насадки, уменьшения ее удельной площади поверхности под действием потоков воды и пара.

Наилучший эффект деаэрации достигается при использовании деаэраторов, сочетающих струйный, пленочный или капельный принцип распределения воды с барботажем.

В барботажных устройствах контакт пара с водой происходит при дроблении ее. При этом обеспечивается интенсивная турбулизация и удельная площадь поверхности контакта фаз может достигать 1500 м2/м3. При проходе пара через слой воды происходит ее перегрев относительно температуры насыщения, соответствующей давлению в паровом пространстве над поверхностью воды. При этом пузырьки пара увлекают за собой слой воды, которая вскипает при движении вверх. Это способствует лучшему выделению из воды растворенных газов. В процессе барботажа интенсивно выделяется не только кислород, но и углекислота, которая в деаэраторах других типов полностью не удаляется из воды.

Барботажные деаэрирующие устройства компактны и хорошо сочетаются с устройствами струйного типа. Струйный отсек при этом служит лишь для нагрева воды до температуры, близкой к температуре насыщения, и для предварительной грубой ее деаэрации.

На рисунке 2.3 показана конструктивная схема деаэрационной колонки струйно-барботажного типа. Предназначенная для деаэрации вода поступает в смесительное устройство 2 и через переливное устройство 3 сливается на дырчатую тарелку 4. Через отверстия дырчатой тарелки вода сливается на перепускную тарелку 5, откуда через сегментное отверстие 6 поступает на барботажную тарелку 7. На тарелке 7 вода барботируется паром, проходящим через отверстия. С этой тарелки вода переливается через порог 8 и поступает в гидрозатвор, после которого она сливается в бак-аккумулятор 12.

Рисунок 2.3 - Конструктивная схема деаэрационной колонки струйно-барботажного типа: 1 - подвод воды; 2 - смесительное устройство; 3 - переливное устройство; 4 - дырчатая тарелка; 5 - пароперепускная тарелка; 6 - сливной канал; 7 - барботажная тарелка; 8 - переливной порог; 9 - гидрозатвор; 10 - корпус; 11 - водослив; 12 - бак-аккумулятор; 13 - подвод пара; 14 - пароперепускная труба; 15 - гидрозатвор; 16 - барботажный слой; 17 - выпар из коллектора 13 подводится под барботажный лист.

Степень перфорации барботажного листа принимается такой, чтобы под ним даже при минимальной нагрузке существовала устойчивая паровая подушка, препятствующая проходу воды через отверстия. При значительном повышении давления в паровой подушке при увеличении нагрузки (до 130 мм вод. ст.) часть пара из нее перепускается по трубе 14 в обвод барботажного листа. Это исключает нежелательное повышение уноса воды из слоя над листом. Постоянному проходу пара через трубу 14 препятствует гидрозатвор 15, который заполняется водой. Пройдя через слой воды над листом 7, пар выходит через горловину перепускной тарелки 5, омывает струи воды и подогревает ее до температуры, близкой к температуре насыщения при давлении в колонке. Здесь же происходит первичная дегазация воды. Через штуцер 17 пар и выделившиеся газы удаляются из колонки.

Эффективность работы таких деаэраторов весьма высока и они получили широкое распространение для блоков мощностью 300 МВт.

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.

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 1.1.

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.1.2), и установлены деаэраторы следующих размеров по высоте слоя насадки (табл.1.3 и табл.1.4) [49].

Таблица 1.1 Характеристики работы деаэратора

Таблица 1.2 Данные полученные при расчетах деаэратора

Таблица 1.3 Конструктивные характеристики деаэратора при минимальных расходах

Таблица 1.4 Конструктивные характеристики деаэратора при максимальных расходах

На основе моделирования и проведенных расчетов массообменных процессов, была предложена следующая схема модернизации деаэратора ДСА-300 (рис.1.2).

Рис.1.2 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.1.5 Испытания проводились при следующих расходах (нагрузках деаэратора): 190 - 285 т/ч.

Таблица 1.5 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.

Определение расхода пара на деаэратор

Расход пара на термический деаэратор

, (63)

где

Д-количество дегазируемой воды, кг;

h=2683 кДж/кг - энтальпия греющего пара при Рабс=0,12 МПа,

h|g=439,4 кДж/кг-энтальпия воды на выходе из головки дегазатора при Рабс=0,12 МПа,

h IСР - средняя энтальпия дегазируемой воды, равная энтальпии конденсата и исходной воды, кДж/кг;

hIСР=, (64)

где

hкон=376,94 кДж/кг-энтальпия конденсата при температуре конденсата, равной 90 0С,

hп. в =104,77кДж/кг - энтальпия питательной воды по температуре исходной воды 250С

hIСР=

g= 0,98 - коэффициент учитывающий потерю тепла в окружающую среду. Величина выпара в атмосферу, кг

Двып. =, [кг/ч] (65)

где

х=1-2 кг пара/т воды при наличии охладителя

Д=0-55 кг/т - расход пара на барботаж, если деаэратор барботажного типа

Двып. = (26000/1000) 1,5=39

Дтд =

Расчет дегазации