Деаэраторы под давлением

Необходимость удаления газов из питательной воды котла, принцип работы деаэратора под давлением и связанные с ним расчёты.

#Почему из питательной воды котла необходимо удалять газы

Кислород является основной причиной коррозии в питательных баках, питательных линиях, питательных насосах и котлах. Если при этом присутствует и углекислый газ, pH будет низким, вода станет более кислой, а скорость коррозии увеличится. Обычно такая коррозия носит язвенный характер: хотя суммарная потеря металла может быть невелика, глубокое проникновение и сквозная перфорация могут возникнуть за короткое время.

Удаление растворённого кислорода может выполняться химическими или физическими методами, но чаще всего используется их сочетание.

Для снижения коррозии необходимо поддерживать pH питательной воды не ниже 8.5–9, то есть на минимальном уровне, при котором углекислый газ отсутствует, и удалять все следы кислорода. Возврат конденсата с установки существенно влияет на обработку питательной воды котла: конденсат горячий и уже химически обработан, поэтому чем больше конденсата возвращается, тем меньше требуется обработки подпиточной воды.

Вода, контактирующая с воздухом, может насыщаться кислородом, причём концентрация зависит от температуры: чем выше температура, тем ниже содержание кислорода.

Первым этапом обработки питательной воды является её нагрев для удаления кислорода. Обычно питательный бак котла эксплуатируют при 85 °C - 90 °C. В этом случае содержание кислорода составляет около 2 mg/litre (ppm). Работа при более высоких температурах при атмосферном давлении затруднительна из-за близости температуры насыщения и вероятности кавитации в питательном насосе, если только питательный бак не установлен значительно выше насоса.

Добавление химического реагента, связывающего кислород (сульфит натрия, гидразин или таннин), удаляет остаточный кислород и предотвращает коррозию.

Это стандартный способ обработки для промышленной котельной в Великобритании. Однако существуют установки, для которых из-за размеров, специального применения или местных стандартов требуется либо уменьшить, либо увеличить количество применяемых химикатов. Для установок, где требуется сократить химическую обработку, обычно используют деаэратор под давлением.

#Принцип работы деаэратора под давлением

Если жидкость находится при температуре насыщения, растворимость газа в ней равна нулю, хотя для полной деаэрации жидкость необходимо интенсивно перемешивать или кипятить.

В головной части деаэратора это достигается дроблением воды на как можно большее количество мелких капель и окружением этих капель атмосферой пара. Это даёт высокое отношение площади поверхности к массе и обеспечивает быстрый теплообмен от пара к воде, которая быстро достигает температуры насыщения. Растворённые газы высвобождаются и затем вместе с избыточным паром отводятся в атмосферу через вент (эта смесь газов и пара имеет температуру ниже температуры насыщения, поэтому вент работает термостатически). После деаэрации вода падает в накопительную часть сосуда.

Над запасом воды поддерживается паровая подушка, предотвращающая повторное поглощение газов.

#Распределение воды

Входящую воду необходимо разбить на мелкие капли, чтобы максимально увеличить отношение площади поверхности воды к её массе. Это важно и для повышения температуры воды, и для удаления газов в течение очень короткого времени пребывания воды в куполе (или головной части) деаэратора.

Разбить воду на мелкие капли можно одним из способов, применяемых внутри паровой среды купола. Разумеется, каждый тип распределения воды имеет свои преимущества, недостатки и стоимость. В Таблице 3.21.1 сравниваются и обобщаются некоторые важнейшие факторы:

#Системы управления

Управление водой

Для поддержания уровня воды в накопительной части сосуда используется модулирующий регулирующий клапан. Модулирующее регулирование необходимо для стабильной работы, поскольку резкое поступление сравнительно холодной воды при системе управления по принципу on/off могло бы сильно повлиять на регулирование давления, а также на способность деаэратора быстро реагировать на изменения нагрузки.

Поскольку требуется модулирующее регулирование, зонд уровня ёмкостного типа может формировать необходимый аналоговый сигнал уровня воды.

Управление паром

Модулирующий регулирующий клапан регулирует подачу пара. Этот клапан управляется по сигналу регулятора давления для поддержания давления внутри сосуда. Точное регулирование давления крайне важно, так как именно оно лежит в основе температурного режима деаэратора; поэтому обычно применяется быстродействующий регулирующий клапан с пневмоприводом. Примечание: на небольших установках может использоваться пилотный клапан регулирования давления, а при гарантированно почти постоянной нагрузке может применяться самодействующий мембранный клапан.

Подача пара может осуществляться в нижней части головной секции, причём пар движется навстречу воде (counter flow), либо с боков, пересекая поток воды (cross flow). Независимо от направления подачи пара цель состоит в обеспечении максимального перемешивания и контакта потоков пара и воды для нагрева воды до требуемой температуры.

Пар подаётся через диффузор, обеспечивающий хорошее распределение пара в куполе деаэратора.

Поступающий пар также обеспечивает:

• перенос газов к воздушному венту;
• паровую подушку, необходимую над запасом деаэрированной воды.

Пропускная способность воздушного вента деаэратора

В предыдущих модулях типичная температура питательной воды указывалась на уровне около 85 °C, что является практическим максимумом для вентилируемого питательного бака котла, работающего при атмосферном давлении. Известно также, что вода при 85 °C содержит около 2.3 г кислорода на 1 000 kg воды, и именно кислород вызывает основной ущерб в паровых системах по двум главным причинам. Во-первых, он присоединяется к внутренним поверхностям труб и аппаратов, образуя оксиды, ржавчину и накипь; во-вторых, он соединяется с углекислым газом и образует угольную кислоту, которая естественным образом вызывает коррозию металла и растворяет железо. Поэтому полезно удалять кислород из питательной воды ещё до её поступления в котёл. Установки низкого и среднего давления, питаемые насыщенным паром от жаротрубного котла, могут вполне надёжно работать с тщательно спроектированным питательным баком, включающим атмосферный деаэратор (так называемый полу-деаэратор). Остаточные следы кислорода удаляются химическими методами, и для такого типа паровых установок это обычно экономично. Однако для водотрубных котлов высокого давления и паровых систем с перегретым паром жизненно важно поддерживать уровень кислорода в котловой воде значительно ниже (обычно менее семи частей на миллиард - 7 ppb), потому что скорость разрушения от растворённых газов быстро возрастает с повышением температуры. Для достижения столь низких концентраций кислорода применяют деаэраторы под давлением.

Если бы питательная вода в атмосферном баке нагревалась до температуры насыщения 100 °C, теоретически содержание кислорода в ней было бы равно нулю, хотя на практике небольшие количества кислорода, скорее всего, всё же останутся. При этом потери пара из вентилируемого бака были бы слишком велики и экономически неприемлемы, что и является основной причиной применения деаэраторов под давлением на установках более высокого давления, обычно работающих выше 20 bar g.

Деаэратор под давлением часто проектируют на работу при 0.2 bar g, что соответствует температуре насыщения 105 °C. Хотя часть пара всё же будет теряться в атмосферу через дросселируемый вент, эти потери будут гораздо меньше, чем в случае вентилируемого питательного бака.

Не только кислород должен быть удалён через вент; одновременно удаляются и другие неконденсируемые газы. Следовательно, деаэратор будет отводить и другие компоненты воздуха, главным образом азот, вместе с определённым количеством пара. Отсюда следует, что скорость удаления воздуха из воды должна быть несколько выше, чем 2.3 г кислорода на 1 000 kg воды. Фактически содержание воздуха в воде при 80 °C в атмосферных условиях составляет 5.9 г на 1 000 kg воды. Следовательно, для гарантированного удаления требуемых 2.3 г кислорода необходимо удалять 5.9 г воздуха на 1 000 kg воды. Поскольку этот воздух смешивается с паром в пространстве над водной поверхностью, единственный способ удалить его из деаэратора — одновременно выпускать пар.

Количество смеси пар/воздух, которое необходимо выпускать, можно оценить с учётом закона Дальтона о парциальных давлениях и закона Генри.

Рассмотрим целесообразность установки деаэратора. До его установки котельная получает питательную воду из вентилируемого питательного бака, работающего при 80 °C. Это означает, что каждые 1 000 kg питательной воды содержат 5.9 gram воздуха. Предполагаемый деаэратор будет работать при давлении 0.2 bar g, что соответствует температуре насыщения 105 °C.

Предположим, что весь воздух будет вытеснен из воды в деаэраторе. Следовательно, вент должен отводить 5.9 gram воздуха на каждую 1 000 kg производительности по питательной воде.

Рассмотрим, что выделяющийся из воды воздух смешивается с паром над поверхностью воды. Хотя рабочее давление деаэратора составляет 0.2 bar g (1.2 bar a), температура смеси пар/воздух может быть только 100 °C. Следовательно, согласно закону Дальтона:

Если бы паровое пространство в деаэраторе было заполнено чистым паром, давление пара было бы 1.2 bar a. Но поскольку фактическая температура смеси в паровом пространстве составляет 100 °C, парциальное давление пара равно только 1.013 25 bar a.

Следовательно, парциальное давление, создаваемое неконденсируемыми газами (воздухом), равно разности между этими значениями = 1.2 – 1.013 25 = 0.186 75 bar a. Однако:

• нет простого способа точно измерить температуру сброса;
• перепад давления между деаэратором и атмосферой очень мал;
• расход через вент очень небольшой.

Поэтому автоматические устройства вентиляции на трубопроводах деаэратора встречаются редко; обычно задача решается вручную настраиваемым шаровым клапаном, игольчатым клапаном или диафрагмой. Важно также помнить, что основная задача деаэратора — удаление газов. Следовательно, после отделения эти газы должны удаляться как можно быстрее, прежде чем возникнет шанс их повторного захвата водой.

Хотя теория показывает, что требуется 22.4 г смеси пар/воздух на тонну производительности деаэратора, на практике надёжно контролировать или регулировать такую величину невозможно.

Поэтому на основе практического опыта производители деаэраторов обычно рекомендуют для надёжности расход вента от 0.5 до 2 kg смеси пар/воздух на каждые 1 000 kg/h производительности деаэратора. По этому вопросу следует руководствоваться рекомендациями производителя деаэратора.

Типичным способом регулирования расхода через вент является применение шарового клапана DN20 для пара с подходящим классом давления, который фиксируется в частично открытом положении.

Типовые рабочие параметры деаэратора под давлением

Следующая информация носит типовой характер; любая конкретная установка может отличаться в зависимости от требований данного предприятия:

• рабочее давление обычно составляет примерно 0.2 bar (3 psi), что соответствует температуре насыщения 105 °C (221 °F);
• сосуд обычно содержит запас воды на 10–20 минут работы котла при полной нагрузке;
• давление подачи воды в деаэратор должно быть не менее 2 bar для хорошего распыла на сопле;
• это подразумевает либо наличие противодавления на конденсатоотводчиках установки, либо необходимость возврата конденсата насосом;
• давление пара перед клапаном регулирования давления обычно находится в диапазоне 5–10 bar;
• максимальный диапазон регулирования деаэратора будет примерно 5:1;
• при меньших расходах со стороны процесса давление может оказаться недостаточным для качественного распыла при сопловых или форсуночных распределителях воды;
• это можно компенсировать установкой более чем одного купола на агрегате. Суммарная производительность куполов будет равна производительности котла, но при малой нагрузке один или несколько куполов могут быть выведены из работы;
• в накопительной части сосуда для пусковых режимов может потребоваться дополнительный подогрев — змеевиком или прямой инжекцией;
• однако тип установки, на которой вероятнее всего применяют деаэратор под давлением, обычно работает непрерывно, и оператор может считать допустимой пониженную эффективность при редком холодном пуске.

Конструкция сосуда, материалы, изготовление, сборка и сертификация должны соответствовать признанному стандарту; например, в Великобритании это PD 5500.

Тепловой баланс деаэратора обычно (но не всегда) рассчитывается, исходя из повышения температуры поступающей воды на 20 °C.

Обычно на деаэратор подают воду с температурой 85 °C. Если температура входящей воды значительно выше, количество пара, необходимое для достижения заданного давления, будет меньше. Это, в свою очередь, означает, что паровой клапан прикроется, а расход пара может оказаться слишком низким для правильного распределения через паровое сопло.

Это может указывать на то, что при очень высокой доле возврата конденсата для правильной деаэрации могут потребоваться другие меры.

В таком случае тепловой баланс деаэратора можно пересчитать по другим параметрам, либо деаэратор может работать при более высоком давлении.

#Стоимость и обоснование

Стоимость

Дополнительных энергетических затрат, связанных именно с работой деаэратора, нет, и максимальное количество пара, отпускаемого на установку, одинаково как с деаэратором, так и без него, поскольку пар, используемый для повышения температуры питательной воды, берётся из большей выработки котла.

Однако:

• у деаэратора будут некоторые теплопотери (их минимизируют хорошей теплоизоляцией);
• возникают дополнительные затраты на работу перекачивающего насоса между питательным баком и деаэратором;
• часть пара теряется вместе с удаляемыми неконденсируемыми газами.

Обоснование

Основные причины выбора деаэратора под давлением:

• снижение содержания кислорода до минимума (< 20 частей на миллиард) без применения химикатов. Это устраняет коррозию в системе питания котла;
• экономия на химикатах. Этот аргумент становится всё более весомым на крупных водотрубных котлах, где расходы воды высоки и в питательной воде котла требуется поддерживать низкий уровень TDS (< 1 000 ppm);
• химикаты, добавляемые для контроля содержания кислорода в котловой воде, сами по себе требуют продувки. Следовательно, за счёт сокращения или исключения добавления химикатов можно уменьшить продувку и связанные с ней затраты;
• предотвращение загрязнения там, где пар непосредственно контактирует с продуктом, например с пищевыми продуктами или при стерилизации.

#Тепловой баланс деаэратора

Для правильного проектирования системы и подбора клапана подачи пара важно знать, сколько пара требуется для нагрева деаэратора. Этот пар используется для нагрева питательной воды от обычной температуры, наблюдавшейся до установки деаэратора, до температуры, необходимой для снижения содержания растворённого кислорода до требуемого уровня.

Требуемый расход пара определяется с помощью материально-теплового баланса. Материально-тепловой баланс основан на принципе, что начальное количество теплоты в питательной воде плюс теплота, подведённая массой впрыскиваемого пара, должны быть равны конечному количеству теплоты в питательной воде плюс массе пара, сконденсировавшегося в процессе.

Уравнение 2.11.3 — это уравнение материально-теплового баланса, используемое для данной цели.