Проблемы деаэрации воды в энергетике и способ их решения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблемы деаэрации воды в энергетике и способ их решения

Б.А. Зимин

Введение

В настоящее время в системе ЖКХ страны эксплуатируется порядка 200 тыс. коммунальных отопительных котельных. Из них 60% не оснащены водоподготовкой, а в 40% котельных подготовка воды производится неудовлетворительно. Статистика показывает, что до 50% объектов коммунального теплоснабжения требуют капитального ремонта. На каждые 100 км тепловых сетей (ТС) ежегодно регистрируется в среднем 70 повреждений, потери в тепловых сетях коммунального теплоснабжения достигают 30%.

В системах централизованного теплоснабжения многих городов России используется открытая система теплоснабжения (двухтрубная), когда отопление и горячее теплоснабжение (ГВС) жилых районов совмещено. Водоподготовка в таких котельных обязательна, однако, система деаэрации воды неудовлетворительная. В этих системах приходится деаэрировать огромное количество подпиточной воды. Например, подпитка теплосети одного микрорайона г. Коломна достигает 290 м³/ч, в котельной микрорайона Заречный г. Тулы - 450 м³/ч, на ТЭЦ-1 г. Красноярска - 1200 м³/ч и т.д.

В недеаэрированной воде содержится растворенный кислород, в среднем 10 г на 1 м³ воды. Кислород очень агрессивен. Попавший в ТС кислород соединяется с железом и разрушает сетевые трубопроводы изнутри. Если подпитка теплосети составляет 100 м³/ч, то в ТС ежечасно поступает 1 кг кислорода. 1 кг кислорода, соединяясь с 2,42 кг железа, образует 3,32 кг окислов железа. За месяц может быть разрушено 1,7 т металла трубопроводов.

Еще более агрессивен кислород при наличии в воде свободной углекислоты. Особенно много углекислоты в подпиточной воде, когда в системе химводоподготовки установлены водород-катионитовые фильтры.

Кислородная коррозия (как правило, не равномерная, а точечная - прим. авт.) приводит к быстрому выходу из строя магистральных трубопроводов и большим утечками горячей воды, и потерям тепла, а водогрейные котлы заносятся окислами железа, что наносит огромный экономический ущерб.

При плохой деаэрации магистральные сетевые трубопроводы выходят из строя за 5 лет, вместо 30. Примером может служить система теплоснабжения пос. Запрудня Талдомского района Московской обл. В котельной установлены водогрейные котлы ПТВМ-30. При наличии Н-катионитовых фильтров и плохо работающей системы декарбонизации воды еще и отсутствует деаэрация воды (установленные деаэраторы атмосферного типа не работают из-за отсутствия паровых котлов, которые были демонтированы - прим. авт.). Теплосети нуждаются в полной замене. Утечки воды - больше чем потребление. Постоянные жалобы населения.

Особенно наглядно наблюдать за состоянием магистральных трубопроводов теплосети зимой. Например, в г. Красноярске интенсивно парят колодцы теплотрассы вдоль многокилометровой улицы, идущей от ТЭЦ-1 на правобережье Енисея. ТС нуждаются в замене (в многомиллионных капиталовложениях - прим. авт.). Причина - недостаточная деаэрация подпиточной воды теплосети.

деаэрация вода центробежный энергетика

1. О существующих проблемах деаэрации воды и способ их решения

1. Более 90% деаэрационных установок в системе ЖКХ и в промэнергетике не обеспечивают расчетного качества деаэрирования воды. Многие имеющиеся деаэрационные установки используются как промежуточные баки без осуществления процесса деаэрации.

Выпускаемые деаэраторы используют способ экстенсивного тепломассообмена между деаэрирующей и деаэрируемой средами. Для эффективной деаэрации необходим способ интенсивного тепломассообмена.

Если подпитка теплосети составляет 100 м3/ч, то в тепловые сети ежечасно поступает 1 кг кислорода, который, соединяясь с 2,42 кг железа, образует 3,32 кг окислов железа. За месяц может быть разрушено 1,7 т металла трубопроводов.

Например, атмосферные деаэрационные колонки струйно-барботажного типа ДА не приспособлены работать на номинальной нагрузке, если предварительный нагрев деаэрируемой воды составляет менее 94 ОС. Теплообменники подавляющего большинства котельных не могут нагреть деаэрируемую воду выше 40-70 ОС. Барботажное устройство этой колонки способно пропустить столько пара, чтобы нагреть на 10 ОС 120% воды от номинальной нагрузки. Если предварительный недогрев воды до 104 ОС составляет 20 ОС, то нагрузка не может быть более 60% от номинала. Если в колонку подать больше пара, то внутри деаэрационной колонки срабатывает внутренний гидрозатвор и пар, предназначенный для нагрева воды, выбрасывается в атмосферу.

Котельные, имеющие квалифицированные кадры, устанавливают внутри деаэрационных баков самодельные устройства для барботажа пара и добиваются расчетного качества деаэрации воды при нагрузках меньше номинальной. Барботажная деаэрация воды приводит к интенсивной коррозии стенок бака. При температуре деаэрируемой воды ниже 78 ОС наблюдаются сильные гидроудары при барботировании пара через воду.

Производительность струйных деаэраторов, имеющих барботажные устройства, ограничена. Например, на ТЭЦ-1 г. Йошкар-Ола атмосферные деаэраторы с двумя колонками ДА-100, барботажными устройствами и баком объемом 50 м³ обеспечивали производительность до 90 т/ч вместо 200 т/ч. После реконструкции с применением изобретений автора стали обеспечивать производительность до 300 т/ч.

В промышленных котельных в деаэраторы подают возвратный конденсат от технологических агрегатов или от пароводяных бойлеров. Этот конденсат, направляемый в деаэрационный бак, как правило, имеет большое количество пролетного пара. Этот пар не работает на нагрев воды. Деаэраторы типа ДА, ДСА и барботажные деаэраторы конструкции Уралэнергометаллургпрома не приспособлены использовать пролетный пар, возвращаемый вместе с конденсатом. Этот пар травится в атмосферу через деаэратор, не нагревая деаэрируемую воду до расчетной температуры. В то же время нельзя подать в барботажные устройства деаэратора нужного количества пара от котлов, т.к. в деаэрационном баке повышенное давление за счет пролетного пара и поэтому срабатывает гидрозатвор.

В котельной объединения «Молоко» г. Шахунья Нижегородской обл. потери пролетного пара в атмосферу через деаэратор ДА-50 составляли около 1,5 т/ч (это 0,96 Гкал/ч тепла - прим. авт.) при плохом качестве деаэрирования воды. Внедрение двух изобретений автора (Патент РФ № 2131555, патент РФ № 1454781) позволило полностью исключить потери пара в атмосферу (пролетный пар стал работать в качестве греющей деаэрирующей среды) и добиться высокого качества деаэрации воды - выше установленных нормативов.

Аналогичный результат с экономией 1,2-1,5 т/ч пара был получен в отопительной котельной пос. Смирново г. Ижевска.

2. Хорошие результаты дает применение комплексонатов в процессе водоподготовки. Если котельная не имеет паровых котлов, то полностью отказываются от использования катионитовых фильтров. Это упрощает эксплуатацию, экономит силы и средства. Однако комплексонат не нейтрализует полностью агрессивные свойства растворенного в воде кислорода. Поэтому, даже при использовании комплексонатов, необходима деаэрация воды, подаваемой в теплосеть. Большинство старых отопительных котельных, имеющих водогрейные котлы, располагают так же и паровыми котлами. Паровые котлы используются только для обеспечения деаэрации воды, т.к. в котельных установлены атмосферные деаэраторы, не способные работать без пара. Паровые котлы требуют обязательного умягчения воды в Na-катионитовых фильтрах. Паровые котлы работают, как правило, на малых нагрузках (только для выработки пара для деаэраторов) и при низком КПД (наблюдается перерасход топлива).

В котельной МУП «Энергия» г. Нововоронежа Воронежской обл. установлены водогрейные котлы ПТВМ-30 и паровые ДЕ-25. Для обработки подпиточной воды теплосети в последнее время стали эффективно использоваться ком-плексонаты, что позволило отказаться от использования катионитовых фильтров. Деаэра-ционная установка ДСА-200 атмосферного типа была реконструирована с переводом ее в вакуумный режим работы. Это позволило отказаться от использования паровых котлов и перевести их в водогрейный режим, отказаться от Na-катионитовых фильтров, применявшихся ранее для паровых котлов. Получена значительная экономия топлива и соли. Паровые котлы в водогрейном режиме стали работать с более высоким КПД. Ликвидированы потери конденсата и перерасход соли на регенерацию фильтров (ранее в деаэратор подавался пар на барботаж для нагрева воды до 104 ОС, а образовавшийся конденсат уходил в теплосеть). В настоящее время деаэрационная установка работает в вакуумном режиме на «начальном эффекте», т.е. без подачи деаэрирующей среды в деаэратор. Деаэрируемую воду нагревают в водоводяном теплообменнике до 70-75 ОС и подают в деаэратор.

Аналогичная реконструкция деаэрационной установки была произведена 10 лет назад в котельной микрорайона «Красная Поляна» Лобненской теплосети (г. Лобня Московской обл., котлы ПТВМ-30 и паровые котлы ДКВР-10). Был реконструирован атмосферный деаэратор с переводом в вакуумный режим работы (успешно эксплуатируется до сих пор). Остановлен паровой котел, работавший на малой нагрузке для обеспечения паром атмосферного деаэратора.

3. Большой проблемой в промышленной энергетике, а особенно в энергетике коммунального хозяйства, является изношенность паровых котлов. Органы котлонадзора запрещают эксплуатацию изношенных паровых котлов из-за уменьшения толщины стенок барабанов от точечной кислородной коррозии. Однако котлы, снятые с регистрации в органах котлонадзора, вполне пригодны для эксплуатации в водогрейном режиме при температуре нагрева воды до 115 ОС.

Проектными организациями разработаны технологии перевода этих котлов в водогрейный режим с температурой нагрева воды до 115 ОС. Такие котлы не подведомственны органам Котлонадзора и могут еще долго эксплуатироваться. Однако возникает проблема деаэрации под-питочной воды, подаваемой в теплосеть.

При переводе котельной с парового на водогрейный режим работы она остается без деаэрации, т.к. установленные в паровых котельных деаэраторы атмосферного типа не могут работать при отсутствии пара. И эту проблему удалось решить при помощи изобретений автора. Деаэратор атмосферного типа реконструируется с использованием вышеуказанных изобретений и переводится в вакуумный режим эксплуатации на «начальном эффекте» без подачи деаэрирующей среды (более полную информацию о переводе деаэраторов в вакуумный режим см. в статье Б.А. Зимина в журнале «НТ» № 1, 2001 -прим. ред.).

Атмосферные деаэраторы устанавливаются обычно на высоте 3-7 м от нулевой отметки, а вакуумные на высоте 14-17 м. В котельных, имеющих недостаточную высоту, вакуумные деаэраторы устанавливают на эстакадах рядом с котельной или на крышах котельных, что создает множество неудобств при эксплуатации. И эту проблему удалось решить.

Всасывающий патрубок насоса, откачивающего воду из вакуумного деаэратора, работает под вакуумом. Любые подсосы воздуха приводят к срыву потока воды из деаэратора. Подсос воздуха происходит через резервные насосы, установленные параллельно с действующими и имеют неплотную арматуру. Чтобы этого не происходило, подводится отдельная труба от деаэратора на каждый насос вместо одной общей. Если работающий насос старой конструкции сам подсасывает воздух через сальники, то делается линия рециркуляции диаметром 1/2 дюйма с шаровым краном от нагнетательного патрубка к всасывающему и устанавливать сопло диаметром 6 мм по центру всасывающего патрубка насоса. Это позволяет держать вакуум в деаэраторе до 0,9 кгс/см².

Переведенные в вакуумный режим деаэраторы, установленные на отметках 3-7 м, успешно работают.

В котельной по ул. Пионерская г. Коломны Московской обл. вакуумный деаэратор конструкции Б.А. Зимина установлен на нулевой отметке (деаэрационный бак, выполненный из трубы диаметром 1200 мм, установлен вертикально). Деаэратор успешно работает много лет. Старый деаэратор был установлен на эстакаде высотой 17 м и работал неудовлетворительно.

В котельной дома отдыха Управления Делами Президента РФ (Московская обл.) деаэратор установлен на отметке 5 м. Остаточное содержание кислорода в деаэрированной воде не превышает 5 мкг/л при норме 30 мкг/л.

В котельной № 15 г. Железнодорожный деаэратор расположен на отметке 3 м и успешно работает при вакууме до 0,9 кгс/см².

В котельной Теплосети г. Калуги был реконструирован атмосферный деаэратор с объемом бака 25 м³, с колонкой ДА-50. Над баком была установлена центробежно-вихревая колонка ЦВД- 200, в баке установлены диспергирующие устройства (капельные деаэраторы), установлен контактный охладитель выпара (патент РФ № 2131555), установлен эжектор ЭВ-60, разработанный ЦКТИ, модернизированный автором. Деаэратор стал работать в вакуумном режиме на нагрузках до 200 т/ч при нормативном качестве деаэрации.

В котельной текстильного комбината г. Чайковский Пермской обл. неудовлетворительно работал вакуумный деаэратор ДСВ-400 горизонтального типа. При реконструкции все внутренние устройства деаэратора были демонтированы. Установлена колонка ЦВД-300 (патент РФ № 2131555), капельные деаэраторы КД, контактный охладитель выпара ОВК, эжектор ЭВ-60. Деаэратор успешно работает при средней нагрузке 200 т/ч с качеством деаэрации выше нормы.

В 2004-2005 гг. успешно переведены в вакуумный режим работы атмосферные деаэраторы в трех котельных Одинцовской теплосети и в двух котельных г. Йошкар-Ола республики Марий-Эл.

2. Какие же трудности встречаются при переводе атмосферных деаэраторов в вакуумный режим работы

Подсосы воздуха. Воздух подсасывается через водоуказательные стекла, через фланцы и люки. Перед пуском деаэратора требуется опрессовка и тщательное устранение неплотных соединений.

Отсутствие плавного регулирования расхода воды по уровню в деаэрационном баке. Часто специалисты по автоматике устанавливают регуляторы уровня, первичными приборами которых являются электроды верхнего и нижнего уровней. Получается двухпозиционное регулирование расхода (регулирующий клапан «открыт - закрыт»). Это нарушает нормальную работу деаэратора. При закрытом клапане вода в поверхностном теплообменнике перегревается выше температуры насыщения. При открытом клапане расход воды выше среднего и в деаэратор поступает недо-гретая вода. Требуется регулятор с обратной связью и дифференциальный датчик. 3. Центробежно-вихревые деаэраторы конструкции автора успешно работают как в вакуумном, так и в атмосферном режимах. Если деаэратор сетевой (для подпитки ТС), то выгоднее осуществлять предварительный нагрев воды в поверхностных теплообменниках и как можно выше, и даже выше 100 ОС, что дает возможность работать на «начальном эффекте», т.е. не подавать в деаэратор пар и не терять образовавшийся конденсат, поступающий в теплосеть (конденсат нужен для паровых котлов).

Например, на ТЭЦ-9 «Иркутскэнерго» (г. Ангарск) были реконструированы два сетевых атмосферных деаэратора, каждый с двумя колонками ДСА-200. На каждом деаэраторе установили колонки ЦВД-500 и капельные деаэраторы. Деаэрируемую воду нагревали в поверхностных теплообменниках выше 100 ОС. Деаэраторы стали работать на «начальном эффекте» (без подачи деаэрирующей среды) с нагрузками до 500 т/ч. Кроме этих деаэраторов был установлен деаэра-ционный бак объемом 75 м³ и на нем - центробежно-вихревой деаэратор ЦВД-1200. Деаэратор работает в режиме сетевого атмосферного деаэратора на «начальном эффекте» с нагрузкой до 1100 т/ч. Он берет на себя всю нагрузку ТЭЦ по подпиточной воде теплосети. Качество деаэрации у всех деаэраторов в пределах установленных норм.

Для котловых деаэраторов (деаэрация питательной воды паровых котлов) более выгодными являются другие условия деаэрации. Здесь выгоднее нагревать воду не в поверхностных теплообменниках, а непосредственно в центробежно-вихревой колонке, потому что весь конденсат, образовавшийся при конденсации пара, подаваемого в деаэратор, используется в котле и не попадает в теплосеть. Исключается из работы дорогостоящий и требующий ремонта пароводяной теплообменник. На той же ТЭЦ-9 «Иркутскэнерго» был реконструирован котловой деаэратор с установкой колонки ЦВД-400. Вода нагревается в ЦВД от 40 до 107 ОС за счет подачи в деаэратор пара из отбора турбины. Нагрев воды в ЦВД происходит без гидроударов от любой температуры. Минимальное давление пара - 0,7 кгс/см².

4. Важным фактором обеспечения качественной деаэрации является выпар. В деаэраторе любого типа качество деаэрации прямо пропорционально расходу выпара. Лучшим является тот деаэратор, который обеспечивает расчетное качество деаэрирования воды при меньшем выпаре. Отечественные деаэраторы производительностью до 300 т/ч выпускаются с поверхностными охладителями выпара, а деаэраторы выше 300 т/ч со смешивающими (контактными) охладителями выпара, в которых охлаждающая вода, насыщенная агрессивными газами, смешивается с деаэрируемой водой, что нарушает нормальный процесс деаэрации.

Согласно ГОСТу расчетная остаточная концентрация газов в деаэрированной воде для атмосферных деаэраторов должна обеспечиваться при расходе выпара перед охладителем вы-пара не более 2 кг/т деаэрированной воды, для вакуумных - не более 5 кг/т. Качество деаэрации воды в любом типе деаэраторов зависит от количества выпара.

Исследования различных типов деаэраторов показывают, что минимальный выпар для струй-но-барботажных атмосферных деаэраторов составляет 12-15 кг на 1 т деаэрированной воды, а для струйных вакуумных деаэраторов 35 кг/т. Обычно закладываются в проекты диаметры выпарных труб значительно меньших диаметров, чем необходимо, исходя из ГОСТов. Эти трубы не могут пропустить необходимое для надежной деаэрации количество выпара.

Например, в котельной Теплосети г. Химки (Нагорное шоссе) установлен вакуумный деаэратор с баком 50 м³ со струйной колонкой ДСА-50, при диаметре выпарной трубы 50 мм. При вакууме 0,3 кгс/см², удельном объеме выпара 5,3 м³/кг и максимальной скорости выпара в трубе - 75 м/с расход выпара составит 530 м³/ч (99,5 кг/ч). При нагрузке деаэратора 50 т/ч максимальный выпар может составить всего 1,99 кг/т деаэрированной воды, что явно недостаточно. Со дня пуска в эксплуатацию деаэратор работает неудовлетворительно. ТС нуждаются в замене, т.к. имеются большие утечки горячей воды.

Для конденсации паровой части выпара необходимо более эффективно использовать контактные охладители выпара с отводом охлаждающей воды (без смешения охлаждающей воды с деаэрируемой) вместо поверхностных, т.к. в них коэффициент теплопередачи от пара к воде в 2000 раз выше, чем при передаче тепла через стенки поверхностей нагрева. Кроме того, латунные трубки охладителей выпара выходят из строя за счет коррозии, и тогда деаэраторы работают на выброс всего выпара в атмосферу.

Выводы

Автору удалось решить комплексно проблему деаэрации воды в малой и большой энергетике. Разработав несколько типов центробежно-вихревых деаэраторов и схему двухступенчатой деаэрации (патент РФ № 1454781) (рис. 2). В этих деаэраторах используется способ интенсивного тепломассообмена за счет турбулизации потоков и за счет увеличения поверхности контакта фаз. Разработаны центро-бежно-вихревые деаэраторы (первая ступень деаэрации) (рис 1.), капельные деаэраторы (вторая ступень деаэрации), система обеспечения вакуума, контактные охладители выпара (без поверхностей нагрева). Для малых водогрейных котельных разработаны вакуумные де-аэрационные установки производительностью 1-15 т/ч, которые можно разместить внутри котельной. Эти деаэраторы не нуждаются в охладителях выпара (охладителем выпара является эжектор). Деаэраторы работают на «начальном эффекте» (без подачи деаэрирующей среды). Для водогрейных котельных средней мощности разработаны деаэрационные вакуумные установки производительностью 25-200 т/ч с контактным охладителем выпара. Для крупных котельных и ТЭЦ разработаны вакуумные деаэрационные установки 300-800 т/ч с контактным охладителем выпара. Разработаны так же и атмосферные деаэраторы на различные нагрузки (от3до 1200 т/ч).

Размещено на Allbest.ru