Пароконденсатный контур

Как вырабатывается, распределяется, регулируется и используется пар? Как возвращается конденсат? Ниже приведён базовый обзор паровой системы.

Этот модуль, посвящённый пароконденсатному контуру, предназначен для краткого нетехнического обзора паровой установки. В нём объясняется, как различные части паровой системы связаны друг с другом, и он будет полезен всем, кто ещё не знаком с темой, прежде чем переходить к следующему блоку или приступать к подробному изучению теории пара и оборудования паровых систем.

#Котельная

Котёл Котёл — это сердце паровой системы. Типичный современный комплектный котёл оснащается горелкой, которая передаёт тепло в трубный пучок котла. Горячие газы от горелки проходят вперёд и назад по трубам до 3 раз, чтобы обеспечить максимальную передачу тепла через поверхности труб окружающей котловой воде. Как только вода достигает температуры насыщения (температуры, при которой она закипает при данном давлении), образуются пузырьки пара, поднимающиеся к поверхности воды и лопающиеся. Пар высвобождается в пространство над водой и готов поступить в паровую систему. Стопорный, или главный, клапан изолирует котёл и его давление пара от процесса или установки. Если пар находится под давлением, он занимает меньше места. Паровые котлы обычно работают под давлением, чтобы большее количество пара могло производиться котлом меньшего размера и передаваться к месту потребления по трубопроводам малого диаметра. При необходимости давление пара снижается в точке использования. Пока количество пара, вырабатываемого котлом, не меньше количества пара, выходящего из него, котёл будет оставаться под давлением. Горелка работает так, чтобы поддерживать нужное давление. Это одновременно поддерживает правильную температуру пара, поскольку давление и температура насыщенного пара напрямую связаны. Котёл оснащён рядом арматуры и систем управления, обеспечивающих его безопасную, экономичную, эффективную работу и стабильное давление. Питательная вода Качество воды, подаваемой в котёл, имеет большое значение. Она должна иметь правильную температуру, обычно около 80°C, чтобы избежать термического удара по котлу и поддерживать его эффективную работу. Вода также должна иметь надлежащее качество, чтобы не повредить котёл. Обычная необработанная питьевая вода не вполне пригодна для котлов и может быстро вызвать вспенивание и образование накипи. Котёл станет менее эффективным, а пар — грязным и влажным. Срок службы котла также сократится. Поэтому вода должна обрабатываться химическими реагентами для уменьшения содержащихся в ней примесей. И водоподготовка, и подогрев питательной воды происходят в питательном баке, который обычно расположен выше котла. Питательный насос будет подавать воду в котёл по мере необходимости. Подогрев воды в питательном баке также снижает содержание растворённого в ней кислорода. Это важно, поскольку насыщенная кислородом вода вызывает коррозию. Продувка Дозирование химических реагентов в питательную воду котла приводит к появлению взвешенных твёрдых веществ в котле. Они неизбежно скапливаются внизу котла в виде шлама и удаляются процессом, известным как нижняя продувка. Это можно делать вручную: оператор котла открывает продувочный клапан ключом на заданный промежуток времени, обычно два раза в день. Другие примеси после обработки остаются в котловой воде в виде растворённых веществ. По мере выработки пара их концентрация повышается, поэтому котёл необходимо регулярно освобождать от части содержимого, чтобы снизить концентрацию. Это называется контролем общего содержания растворённых веществ (TDS control). Процесс может выполняться автоматической системой, которая использует либо зонд внутри котла, либо небольшую измерительную камеру с пробой котловой воды для измерения уровня TDS. Когда уровень TDS достигает заданного значения, контроллер подаёт сигнал на продувочный клапан, который открывается на определённое время. Потерянная вода заменяется питательной водой с более низкой концентрацией TDS, поэтому общий уровень TDS в котле уменьшается. Контроль уровня Если уровень воды внутри котла не контролировать тщательно, последствия могут быть катастрофическими. Если уровень воды опустится слишком низко и трубы котла оголятся, они могут перегреться и разрушиться, вызвав взрыв. Если уровень воды станет слишком высоким, вода может попасть в паровую систему и нарушить ход процесса. Поэтому применяются автоматические системы контроля уровня. Для соблюдения требований законодательства системы контроля уровня также включают аварийные функции, которые отключают котёл и подают сигнал тревоги при возникновении проблемы с уровнем воды. Распространённый метод контроля уровня — использование зондов, измеряющих уровень воды в котле. При достижении определённого уровня контроллер подаёт сигнал питательному насосу, который восстанавливает уровень воды и выключается при достижении заранее заданного значения. В зонд встроены уровни включения и отключения насоса, а также уровни срабатывания сигнализации по низкому и высокому уровню. Альтернативные системы используют поплавки.

#Подача пара к оборудованию

Когда пар конденсируется, его объём резко уменьшается, что приводит к локальному снижению давления. Это падение давления в системе создаёт поток пара по трубопроводам. Пар, выработанный в котле, должен быть доставлен по трубопроводам туда, где требуется его тепловая энергия. Сначала это один или несколько магистральных паропроводов, по которым пар направляется от котла в сторону оборудования-потребителя. Затем меньшие ответвления распределяют пар к отдельным единицам оборудования. Пар под высоким давлением занимает меньший объём, чем при атмосферном давлении. Чем выше давление, тем меньший диаметр трубопровода требуется для транспортировки заданной массы пара. Качество пара Важно обеспечить, чтобы пар, выходящий из котла, поступал в процесс в правильном состоянии. Для этого трубопроводы, по которым пар распределяется по предприятию, обычно оснащаются фильтрами, сепараторами и конденсатоотводчиками. Фильтр — это разновидность сита в трубопроводе. Он содержит сетку, через которую должен проходить пар. Любой мусор задерживается этой сеткой. Фильтр необходимо регулярно очищать, чтобы избежать засорения. Механические примеси нужно удалять из потока пара, потому что они могут серьёзно повредить оборудование и загрязнить конечный продукт. Пар должен быть как можно более сухим, чтобы эффективно переносить тепло. Сепаратор представляет собой корпус в трубопроводе, содержащий ряд пластин или перегородок, которые изменяют траекторию движения пара. Пар ударяется о пластины, и содержащиеся в нём капли влаги оседают на них, после чего удаляются через дренаж внизу сепаратора. Пар поступает из котла в паровые магистрали. Изначально трубопровод холодный, и пар передаёт ему тепло. Воздух вокруг труб также холоднее пара, поэтому трубопровод начинает отдавать тепло в окружающую среду. Изоляция, установленная вокруг трубы, значительно уменьшает эти потери. Когда пар из распределительной системы поступает в паропотребляющее оборудование, он снова отдаёт энергию: a) на прогрев оборудования и b) на дальнейшую передачу тепла процессу. Теряя тепло, пар снова превращается в воду. Неизбежно пар начинает делать это сразу после выхода из

котла. Образующаяся вода называется конденсатом; он обычно стекает в нижнюю часть трубы и увлекается потоком пара. Его необходимо удалять из нижних точек распределительного трубопровода по нескольким причинам:

• Конденсат плохо передаёт тепло. Плёнка конденсата внутри оборудования снижает эффективность теплопередачи.
• Когда воздух растворяется в конденсате, тот становится коррозионно-активным.
• Скопившийся конденсат может вызвать шумный и разрушительный гидроудар.
• Недостаточный дренаж приводит к протечкам в соединениях. Для отвода конденсата из трубопровода при одновременном предотвращении утечки пара из системы используется устройство, называемое конденсатоотводчиком. Он может делать это несколькими способами:
• Поплавковый конденсатоотводчик использует разницу в плотности между паром и конденсатом для управления клапаном. Когда конденсат поступает в конденсатоотводчик, поплавок поднимается, а рычажный механизм открывает основной клапан, позволяя конденсату стекать. Когда расход конденсата уменьшается, поплавок опускается и закрывает основной клапан, предотвращая утечку пара.
• Термодинамические конденсатоотводчики содержат диск, который открывается для конденсата и закрывается для пара.
• В биметаллических термостатических конденсатоотводчиках биметаллический элемент использует разницу температур между паром и конденсатом для управления основным клапаном.
• В термостатических конденсатоотводчиках уравновешенного давления клапаном управляет небольшая заполненная жидкостью капсула, чувствительная к теплу. После использования пара в процессе образовавшийся конденсат необходимо отвести из оборудования и вернуть в котельную. Этот процесс будет рассмотрен далее в данном модуле. Редуцирование давления Как упоминалось ранее, пар обычно вырабатывается при высоком давлении, и в точке потребления его давление может потребоваться снизить либо из-за ограничений оборудования по давлению, либо из-за температурных ограничений процесса. Это достигается с помощью редукционного клапана.

#Пар в точке потребления

Существует большое разнообразие паропотребляющего оборудования. Ниже приведено несколько примеров:

• Реактор с рубашкой — большие стальные или медные чаны, используемые в пищевой и других отраслях для варки различных продуктов, от креветок до джема. Эти большие ёмкости окружены рубашкой, заполненной паром, который нагревает содержимое.
• Автоклав — камера, заполненная паром, используемая для стерилизации, например медицинского оборудования, или для проведения химических реакций при высоких температурах и давлениях, например при вулканизации резины.
• Калорифер — для отопления помещений пар подаётся в змеевики калорифера. Нагреваемый воздух проходит через змеевики.
• Нагрев технологической ёмкости — заполненный паром змеевик в баке с жидкостью, используемый для нагрева содержимого до требуемой температуры.
• Вулканизатор — большая ёмкость, заполненная паром и используемая для вулканизации резины.
• Гофроагрегат — ряд нагреваемых паром валков, применяемых в процессе изготовления гофрокартона.
• Теплообменник — для нагрева жидкостей бытового или промышленного назначения. Управление процессом Любое паропотребляющее оборудование требует способа регулирования расхода пара. Постоянный расход пара при одинаковом давлении и температуре часто не соответствует потребности процесса: при пуске обычно требуется постепенно увеличивать расход, чтобы мягко прогреть оборудование, а когда процесс достигает нужной температуры, расход должен быть уменьшен. Для управления расходом пара используются регулирующие клапаны. Привод, см. рисунок 1.3.6, — это устройство, которое создаёт усилие для открытия или закрытия клапана. Датчик контролирует условия процесса и передаёт информацию контроллеру. Контроллер сравнивает состояние процесса с заданным значением и посылает корректирующий сигнал приводу, который изменяет положение клапана.

Существует несколько типов управления:

• Клапаны с пневматическим приводом — в мембрану привода подаётся сжатый воздух для открытия или закрытия клапана.
• Клапаны с электрическим приводом — клапан перемещает электродвигатель.
• Самодействующие — отдельного контроллера как такового нет; датчик имеет жидкостное заполнение, которое расширяется и сжимается в ответ на изменение температуры процесса. Это создаёт усилие для открытия или закрытия клапана.

#Удаление конденсата из оборудования

Часто образующийся конденсат легко удаляется из оборудования через конденсатоотводчик. Далее конденсат поступает в систему отвода конденсата. Если он загрязнён, скорее всего, его направят в дренаж. Если нет, содержащуюся в нём ценную тепловую энергию можно сохранить, возвращая конденсат в питательный бак котла. Это также снижает затраты на воду и водоподготовку. Иногда внутри паропотребляющего оборудования может образоваться вакуум. Это затрудняет отвод конденсата, однако правильный дренаж из парового пространства поддерживает эффективность оборудования. В таком случае конденсат может потребоваться откачивать насосом. Для этой цели используются механические (паровые) насосы. Эти или электрические насосы применяются для подъёма конденсата обратно в питательный бак котла.

На рисунке 1.3.7 показан механический насос, отводящий конденсат от единицы оборудования. Как видно, система пара и конденсата представляет собой замкнутый контур.

Когда конденсат достигает питательного бака, он снова становится доступным котлу для повторного использования. Мониторинг энергии ****В современной среде, ориентированной на энергоэффективность, заказчики обычно контролируют энергопотребление своего оборудования. Расходомеры пара используются для мониторинга потребления пара и для распределения затрат между отдельными подразделениями или единицами оборудования.