Рекомендации по проектированию термических деаэраторов
Результаты испытаний термических деаэраторов показывают, что требуемая нормами остаточная концентрация кислорода и особенно свободной углекислоты в деаэрированной воде и широком диапазоне изменения гидравлических нагрузок, температур исходной воды и начальных концентраций коррозионноактивных газов может быть обеспечена только при двухступенчатой схеме дегазации воды с использованием в качестве второй ступени парового барботажа.
Предварительный подогрев воды, поступающей на барботажное устройство, можно наиболее просто осуществить в струйной части небольшого размера. Первая ступень может быть также пленочного или насадочного типа. В этом случае распределение функций между ступенями деаэратора происходит следующим образом: основной подогрев и частичная дегазация воды в небольшой струйной, пленочной или насадочной части, а затем окончательный подогрев и глубокая дегазация воды - в барботажном устройстве. Число тарелок в струйных ступенях или колонках двухступенчатых деаэраторов принимается не более двух. В этом случае температура воды за колонкой может отличаться от температуры насыщения, соответствующей давлению в деаэраторе, на 4 - 5°С. Расстояние между дырчатыми тарелками рекомендуется принимать равным 450 - 600 мм, а в случае высокой тепловой нагрузки колонки с целью снижения скоростей пара и повышения характеристики предельных режимов деаэрации расстояние между тарелками увеличивают до 900-1000 мм.
При конструировании вакуумных деаэраторов целесообразно отказаться от традиционного расположения бака-аккумулятора под деаэрационной колонкой. В связи, с этим вторую барботажную ступень следует размещать вместе с первой ступенью в самой деаэрационной колонке. С учетом изложенных соображении, ЦКТИ разработал двухступенчатые вакуумные деаэраторы струйно-барботажного типа для питательной и подпиточной воды.
Высота струйной колонки одноступенчатого деаэратора определяется по расчету числом дырчатых тарелок, необходимых для обеспечения остаточных концентрации кислорода и свободной углекислоты в деаэрированной воде, не превышающих нормируемые.
Для обеспечения достаточно развитой поверхности контакта фаз целесообразно в дырчатой тарелке принимать небольшие диаметры отверстий дли истечении струй. С другой стороны, уменьшение диаметра отверстий ускоряет их зарастание окислами железа и приводит к уменьшению производительности деаэратора. С учетом приведенных соображений рекомендуется диаметр отверстий на тарелках 5-8 мм, причем меньшие значения принимаются в случае изготовлении тарелок па коррозионностойких материалов.
Отверстия на тарелках следует располагать в вершинах равностороннего треугольника со стороной не менее 18 - 20 мм. Дырчатые тарелки деаэрациониых колонок должны изготавливаться из антикоррозионного материала, например, из стали Х18Н10Т или в крайнем случае из стали 1X13, толщина тарелок должна составлять 4-6 мм.
Обычно число отверстий на дырчатой тарелке принимают с таким расчетом, чтобы при номинальной гидравлический нагрузке высота гидростатического уровня воды на тарелке составляла 60-80 мм, а при минимальной гидравлической нагрузке - 5-10 мм. В этом случае для обеспечения равномерного распределения воды по всем отверстиям тарелки и исключения гидравлических перекосов по сечению колонки должна обеспечиваться строгая горизонтальность поверхности тарелки, чего добиться практически невозможно, особенно при больших диаметрах колонок Указанное обстоятельство является одним из существенных недостатков струйных деаэрациониых колонок.
Для исправления этого недостатка может быть рекомендовано секционирование дырчатой тарелки, позволяющее поддерживать на ней гидростатический уровень, не менее 30 - 40 мм при всех режимах работы деаэратора. Это мероприятие хорошо зарекомендовало себя в вакуумных деаэраторах струйно-барботажного типа.
При проектировании струйных деаэраторов особое внимание следует уделять хорошему смешению исходных потоков воды в водораспределительном устройстве. Во избежание тепловых перекосов из водораспределительного устройства на первую дырчатую тарелку по всему поперечному сечению колонки должна поступать вода одинаковой температуры. Для смешения исходных потоков воды наиболее широкое распространение получило водораспределительное устройство со свободным сливом как наиболее простое в изготовлении и эксплуатации. Смешение воды здесь происходит при движении потоков в лабиринте, образованном двумя кольцевыми каналами. Скорость подвода исходных потоков в водораспределительное устройство следует принимать 1,5 - 2,5 м/сек.
«Кипящие» потоки должны вводиться в нижнюю часть деаэрационной колонки и равномерно распределяться с помощью перфорированных коллекторов по всей поверхности дырчатой тарелки. Наиболее целесообразно вводить эти потоки в паровое пространство бака-аккумулятора, особенно при наличии в последнем барботажного устройства.
При температуре греющего пара до 250° С его следует вводить в паровое пространство бака-аккумулятора. При этом для улучшения вентиляции всего объема бака целесообразно деаэрационную колонку и штуцер подвода пара располагать у противоположных его торнов.
Для предотвращения образовании трещин на стенках бака при температуре греющего пара более 250° С его следует подавать в нижнюю часть колонки через перфорированный коллектор с помощью штуцера с двойными стенками. Скорость пара в паровых штуцерах следует принимать для деаэраторов атмосферного давления 40 - 70 м/сек, а для вакуумных деаэраторов принимать с учетом располагаемого давления.
Пленочная ступень, отличающаяся простотой изготовления и малой чувствительностью к загрязнениям накипью и шламом, может применяться для деаэрации неумягченной или частично умягченной подпиточной воды тепловых сетей. Возможно также ее применение для деаэрации питательной воды котлов низкого давления Применение вертикальных поверхностей для образования пленки позволяет сравнительно легко производить их очистку от шлама и накипи, а при необходимости и полную замену.
Основным преимуществом пленочной ступени» является возможность ее работы с более высокими плотностями орошения и с меньшим гидравлическим сопротивлением по сравнению с насадочными и струйными деаэраторами. Вместе с тем следует отметить невысокую интенсивность процесса дегазации воды в пленочной ступени, особенно по удалению свободной углекислоты. В связи с этим для обеспечения требуемого остаточного содержания кислорода в деаэрированной воде необходима большая высота этой ступени, достигающая 2 - 3 м.
При проектировании пленочной ступени особое внимание следует обращать на равномерное распределение жидкости по всей поверхности насадки, в противном случае будет иметь место гидравлический перекос по пару и воде в колонке и резкое снижение эффективности процесса дегазации. Даже при выполнении указанного требования при низках гидравлических нагрузках пленочных аппаратов все же не удается избежать гидравлических перекосов.
Первая ступень термических деаэраторов может быть и насадочного типа. В качестве элементов насадки применяют: кольца в виде полых цилиндров, высота которых равна нужному диаметру (кольца Рашига), кольца с продольными перегородками (кольца Лессинга), кольца с крестообразными и спиральными перегородками, кольца с прободении у и стенками (кольца Палля), седла Берля, седла Ингаллокс. Насадки могут иметь также форму греческой буквы омега, пропеллера, шара и т. д.
При дегазации труднорастворимых газов, к которым относятся кислород и свободная углекислота, рекомендуется применять мелкую наездку, учитывая при этом допустимую потерю давления. Для полного смачивания насадки необходимо обеспечить равномерное распределение жидкости по поперечному сечению аппарата.
Положение насадки в колонке рекомендуется фиксировать с помощью секционирующего каркаса и закреплять ее двумя сетками. Следует применять жесткое крепление верхней и нижней сеток к решеткам. Площадь живого сечения решеток должна быть при этом не менее 80%. Рекомендуется применять также сетки с фиксированной ячейкой.
Применение насадки из листовой углеродистой стали ведет к повышению содержания железа в питательной и подпиточной воде. Поэтому насадку следует изготавливать из нержавеющей стали, что, однако, существенно повышает стоимость деаэрационных колонок.
При проектировании затопленного барботажного устройства системы ЦКТИ рекомендуется скорость воды во входном сечении барботажного канала принимать 0,10 - 0,25 м/сек, а высоту канала 0,15 - 0,30 м. Исходя из указанных данных, определяется ширина канала и барботажного листа. Степень перфорации барботажного листа определяется из условия отсутствия провала жидкости при минимальной паровой нагрузке с помощью формулы, которой можно пользоваться при длине барботажного листа до 1500 мм.
Диаметр отверстий на барботажном листе следует принимать 5-7 мм, ширину щелей 3-7 мм. Отверстия и щели располагают рядами перпендикулярно движению воды. При этом отверстия рекомендуется располагать строенными рядами (3 ряда вместе) с разбивкой в шахматном порядке по правильному треугольнику. Расстояние между рядами или щелями принимается 50 - 100 мм.
Расстояние от нижней образующей бака-аккумулятора до плоскости дырчатого листа во избежание сильного сокращения полезной емкости бака рекомендуется принимать не более 200 мм. Расстояние между перегородками 1 и 6 целесообразно выбирать в пределах 250 - 400 мм, шаг между секционирующими перегородками 9-50-100 мм. Вертикальная перегородка должна быть на 100 - 150 мм выше наивысшего уровня воды в баке, а циркуляционная перегородка 6 - на 100 - 150 мм ниже наинизшего уровня воды в баке.
При применении барботажных деаэраторов атмосферного давления системы ЦКТИ у проектных организаций, а также непосредственно на объектах возникает ряд вопросов, рекомендации по которым приводятся ниже.
а) На объектах, где отсутствует возможность заброса воды из бака-аккумулятора в турбину при мгновенном сбросе на ней нагрузки и где дросселирование пара не связано с энергетическими потерями, следует весь пар давлением 1,6 - 1,7 кгс/см подводить к деаэратору через барботажное устройство и глушить штуцер подвода греющего пара. Для исключения в этом случае гидроударов на деаэраторах типа ДСА производительностью 50 300 т/ч необходимо уменьшить высоту пароперепускной перегородки под барботажным листом до 100 мм.
Если указанные выше условия отсутствуют, то к деаэратору следует подводить пар от двух источников на барботаж давлением 1,6 - 1,7 кгс/см из расчета 20 - 25 кг на 1 деаэрированной воды, а остальной пар давлением 1,2 кгс/см направлять о паровое пространство бака-аккумулятора.
При установке двухступенчатых деаэраторов на ТЭЦ последняя схема подачи пара является типовой и не следует при этом стремиться к увеличению расхода пара на барботаж выше 30 кг/т д. в., так как это существенного повышения эффективности деаэрации не дает. Следует иметь в виду что указанный удельный расход пара на барботаж, кроме деаэрации, обеспечивает подогрев воды от температуры ее на входе в барботажное устройство до температуры насыщения, соответствующей давлению в канале чад барботажным листом.
В том случае, если расход химически умягченной воды поступающей в деаэратор, незначителен и основным потоком является конденсат, следует весь пар к деаэратору подводить через барботажное устройство. Для обеспечения глубокой деаэрации подогрев конденсата в деаэраторе должен при этом составлять не менее 10° С.
При подаче на барботаж пара из отбора турбин необходимо на линии подвода его к деаэраторам типа ДСА устанавливать барометрическую трубу высотой 10,5 м над уровнем воды в баке. Это исключает возможность заброса воды из бака-аккумулятора в турбину при внезапном сбросе на ней нагрузки.
Для упрощения схемы деаэрационной установки предпочтительнее для питания барботажного устройства использовать пар не из отбора турбины, а из другого источника. На ТЭЦ. например, в качестве барботажного пара деаэраторов атмосферного давления целесообразно использовать выпар деаэраторов повышенного давления. В этом случае из схемы исключается групповой охладитель выпара деаэраторе типа ДСП. В линию барботажного пара целесообразно также подавать пар из расширителя непрерывной продувки котлов. Опыт эксплуатации такой схемы на ТЭЦ подтвердил их хорошую работу. При этом содержание значительных количеств кислорода и углекислоты в выпаре не оказывает заметного влияния на конечную концентрацию этих газов в деаэрированной воде.
б) При параллельной работе группы барботажных деаэраторов следует соединять их паровыми и водяными уравнительными линиями в соответствии с табл. 11 раздела 4.1 и предусматривать групповое регулирование уровня и давления в деаэраторах.
в) При подаче в деаэрационную установку конденсатов с температурой выше температуры насыщения, отвечающей давлению в деаэраторе, их следует вводить в паровое пространство бака-аккумулятора до барботажного устройства, в этом случае выделившийся из конденсата пар будет через паровое пространство бака двигаться в деаэрационную колонку, а конденсат пройдет обработку в барботажном устройстве.
г) Основные элементы барботажного устройства необходимо изготавливать из коррозионностойкого материала. Соединение всех элементов барботажного устройства и крепление его к баку должно выполняться сплошными сварными швами повышенной прочности. Элементы барботажного устройства, изготовленные из нержавеющей стали, должны привариваться электродами марки ЭА-2, что значительно повышает его долговечность.
д) Двухступенчатые деаэраторы могут оборудоваться комбинированными гидрозатворами, например, системы Уралэнергочермета, обеспечивающими защиту деаэратора от повышения давления н уровня в баке-аккумуляторе.
е) При открытой установке двухступенчатых деаэраторов необходимо регулирующую и запорную арматуру, а так же защитные устройства устанавливать в помещении.
ж) Барботажное устройство является неотъемлемым элементом деаэраторов типа ДСА. Деаэрационная колонка без барботажного устройства не обеспечивает требуемого качества воды.
з) Удельный расход выпара из деаэраторов ДСА должен приниматься 2 кг на 1 т деаэрированной воды.
В качестве второй ступени вакуумных деаэраторов наиболее целесообразно применение непровальных барботажных тарелок. Площадь отверстий щелей на барботажном листе определяется при минимальной паровой нагрузке деаэратора с тем, чтобы в этом случае обеспечить устойчивую паровую подушку под тарелкой. Величину минимально необходимой скорости рекомендуется определять по уравнению. С ростом гидравлической и паровой нагрузок деаэратора будет увеличиваться высота паровой подушки и скорость пара в отверстиях листа, а так же приведенная скорость пара в рабочем сечении барботажной тарелки.
Когда удельный расход пара через лист достигает указанных выше оптимальных значений, необходимо осуществить перепуск избыточного пара через специальные пароперепускные окна иди перепускные трубы в обвод барботажного листа. При такой методике расчета барботажного листа обеспечивается его устойчивая работа в широком диапазоне изменений гидравлической и паровой нагрузок.
Расположение отверстия на барботажной тарелке следует производить в соответствии с рекомендациями, приведёнными выше для затопленного барботажного устройства. Высоту водосливного порога рекомендуется принимать 50 - 100 мм. При расчете барботажных тарелок предварительное значение ширины водосливного порога в вакуумных деаэраторах вертикального типа рекомендуется принимать по графику, построенному на основании многочисленных расчетов этих аппаратов. Окончательное значение ширины порога уточняется при конструировании деаэратора.
Барботажные тарелки следует изготавливать из коррозионностойкого материала толщиной 4-6 мм и приваривать сплошным прочноплотным швом к корпусу аппарата, а в случае применения для крепления тарелки болтов - устанавливать шайбы Гровера. При диаметре тарелки более 1000 мм ее необходимо укреплять ребрами жесткости, ориентированными по направлению движения жидкости.
Расстояние между барботажным листом и вышележаще струйной или перепускной тарелкой при указанных высота водосливного порога рекомендуется принимать 500 - 800 мм. В двухступенчатых термических деаэраторах в обычных условиях эксплуатации достаточно установки одной непровальной тарелки. При необходимости удаления значительны количеств свободной углекислоты возможна установка нескольких барботажных тарелок.
При проектировании вакуум-деаэрационных установок особое внимание следует уделять предотвращению возможности вторичного заражения деаэрированной воды. Деаэрационную колонку рекомендуется изготавливать цельносварной, без фланцевых соединений и устанавливать се на высоте, обеспечивающей слив деаэрированной воды самотеком. Бак-аккумулятор следует располагать па нулевой отметке. В этом случае расстояние от верхнего уровня воды в баке до отметки установки вакуумной колонки должно соответствовать вакууму в ней, суммированному с высотой, необходимой для преодоления гидравлических сопротивлений в сливном трубопроводе.
Всю арматуру и фланцевые соединения следует располагать ниже наинизшего уровня воды в аккумуляторном баке. Выше этого уровня все элементы установки изготавливаются сварными. При такой схеме, как показал положительный опыт эксплуатации, исключаются все присосы и вторичное заражение воды воздухом.
При отсутствии достаточной высоты котельной возможна установка вакуумной колонки на открытом воздухе. При этом колонка, охладитель выпара и трубопроводы, расположенные вне помещения, должны иметь тепловую изоляцию, а также должно быть обеспечено дренирование колонки, необходимое в случае остановки вакуум-деаэрационной установки. Имеется положительный опыт эксплуатации вакуумных колонок, установленных на открытом воздухе.
При проектировании вакуум-деаэрационных установок не рекомендуется включать их в параллельную работу и устанавливать отключающую арматуру. Опыт эксплуатации таких установок показал, что отключающая арматура наработавшего деаэратора является активным источником присосов воздуха, резко ухудшающих качество деаэрированной воды. Поэтому рекомендуется подводы, отводы и регулирование всех потоков вакуумного деаэратора осуществлять автономно групповое регулирование вакуумных деаэраторов не рекомендуется.
Серийно выпускаемые в настоящее время отечественными заводами двухступенчатые деаэраторы струйно-барботажного типа полностью удовлетворяют техническим требованиям ГОСТ 16860 - 71. Однако в эксплуатации находится большое количество удовлетворительно работающих струйных колонок атмосферного давлении, а также одноступенчатых вакуумных деаэраторов. Поэтому ниже приводится основные рекомендации по реконструкции указанных деаэрационных колонок, обеспечивающие значительное повышение величины подогрева в качества деаэрированной води в широком диапазоне изменения производительности (от 30 до 120% от номинальной нагрузки).
Для обеспечение требуемого качества питательной воды рекомендуется в баке-аккумуляторе у одного из его торцов смонтировать затопленное барботажное устройство системы ЦКТИ, а при центральном расположении колонки на баке в паровой его части установить наклонный лоток (угол наклона к горизонту 5 - 8°) с целью отвода воды после колонки в торец бака, противоположный тому, у которого расположено барботажное устройство.
Для улучшение работы одноступенчатых вакуумных деаэраторов рекомендуется осуществление следующих мероприятий:
1) исключить из схемы «холодную» колонку.
2) холодный поток воды после охлаждения эжектора направить через коллектор в верхнюю часть «горячей» колонки; в этом случае первый отсек деаэратора выполняет роль встроенного охладителя выпара;
3) в нижней части «горячей» колонки установить дополнительно барботажную тарелку для обеспечения глубокой дегазации воды;
4) подвести под барботажную тарелку пар из расчет не менее 10 кг/т д. в.;
5) выполнить отвод неконденсирующихся газов к эжектору из верхней части «горячей» колонки.