Питательный бак и подготовка питательной воды

Все основные аспекты проектирования, конструкции и эксплуатации питательных баков и полу-деаэраторов, включая расчёты.

Значение питательного бака котла, в котором хранятся котловая питательная вода и подпиточная вода и в который возвращается конденсат, часто недооценивают. Большинство единиц оборудования в котельной дублируется, однако два питательных бака встречаются редко, и этот важнейший элемент нередко рассматривается в последнюю очередь на стадии проектирования. Питательный бак является главным местом смешения холодной подпиточной воды и возвращаемого конденсата. Лучше всего, если оба этих потока, а также вторичный пар из системы продувки, поступают через барботажные трубы, установленные значительно ниже поверхности воды в баке питательной воды. Барботажные трубы должны быть изготовлены из нержавеющей стали и иметь надёжные опоры.

#Рабочая температура

Важно поддерживать воду в питательном баке на достаточно высокой температуре, чтобы минимизировать содержание растворённого кислорода и других газов. Связь между температурой воды и содержанием кислорода в питательном баке показана на Рисунке 3.11.1. Если используется большая доля подпиточной воды, подогрев питательной воды может значительно снизить количество химических реагентов, необходимых для удаления кислорода.

Пример 3.11.1 Экономия затрат, связанная со снижением содержания растворённого кислорода в питательной воде за счёт её подогрева. Исходные данные для расчёта:

• Стандартная дозировка сульфита натрия составляет 8 ppm на 1 ppm растворённого кислорода.
• Обычно дополнительно вводят ещё 4 ppm для поддержания запаса в котле.
• Типичный жидкий каталитический сульфит натрия содержит лишь 45% сульфита натрия.

Для примера Расчёт 1 Расчёт 2 Годовая экономия

Очевидно, подогрев питательного бака связан с некоторыми затратами, однако поскольку внутри котла температура воды увеличилась бы на ту же величину, это не дополнительная энергия, а лишь та же энергия, подведённая в другом месте. Единственная реальная потеря - это дополнительное тепловыделение самого питательного бака. Если бак надлежащим образом изолирован, эта дополнительная потеря тепла будет практически незначительной.

Дополнительная важная экономия достигается за счёт уменьшения количества сульфита натрия, добавляемого в котловую питательную воду. Это снизит объём нижней продувки, и полученная экономия более чем компенсирует небольшие дополнительные теплопотери питательного бака.

Чтобы избежать повреждения самого котла Котёл испытывает термический удар, когда холодная вода попадает на горячие поверхности стенки котла и его труб. Более горячая питательная вода означает меньшую разность температур и меньший риск термического удара.

Чтобы поддерживать расчётную производительность Чем ниже температура питательной воды котла, тем больше тепла требуется в котле для выработки пара. Поэтому важно поддерживать температуру питательного бака как можно более высокой, чтобы сохранять требуемую производительность котла.

#Кавитация питательного насоса котла

Предупреждение: очень высокая доля возврата конденсата (обычно более 80%) может привести к чрезмерной температуре питательной воды и кавитации питательного насоса.

Если вода, близкая к температуре кипения, поступает в насос, она может мгновенно вскипать в зоне низкого давления у входной кромки рабочего колеса. В этом случае при падении давления ниже давления насыщения воды образуются пузырьки пара. Когда давление вновь повышается, эти пузырьки схлопываются, и вода устремляется в образовавшуюся полость с очень высокой скоростью.

Это явление называется «кавитацией»; оно сопровождается шумом и способно серьёзно повредить насос. Чтобы избежать этой проблемы, необходимо обеспечить для насоса как можно более благоприятный положительный подпор на всасывании (NPSH), чтобы статическое давление было максимально высоким. Этому существенно помогает установка питательного бака как можно выше над котлом и щедрый выбор диаметра всасывающего трубопровода к питательному насосу (Рисунок 3.11.2).

#Проектирование питательного бака

Питательный бак (Рисунок 3.11.3) может влиять на работу всей котельной по нескольким направлениям. Благодаря тщательному проектированию бака и связанных с ним систем можно добиться значительной экономии энергии и химических реагентов для водоподготовки, а также повысить надёжность эксплуатации.

Хотя в других частях мира нередки цилиндрические питательные баки, как вертикальные, так и горизонтальные, в Великобритании чаще всего используют прямоугольную форму. Обычно она обеспечивает максимальный запас воды при занимаемой площади пола.

Материалы питательного бака:

• Чугун - Чугунные баки обычно собирают из прямоугольных секций. Проблемы часто возникают из-за течей в стыках секций, кроме того, они подвержены коррозии.
• Углеродистая сталь - Вероятно, самый распространённый конструкционный материал для питательных баков. Без покрытия это сравнительно недорогой материал, но он чрезвычайно подвержен коррозии. Этот недостаток можно уменьшить нанесением подходящих покрытий, однако стоимость покрытия может превысить стоимость самого бака, особенно с учётом того, что покрытие также потребует регулярного обслуживания.
• Пластик - Обычно этот материал не подходит для питательных баков из-за высокой стоимости пластмасс, способных выдерживать соответствующие температуры. Однако пластик подходит для бака холодной подпиточной воды.
• Аустенитная нержавеющая сталь - Более длительный срок службы правильно изготовленного бака из этого материала почти всегда оправдывает более высокие первоначальные затраты. В качестве наиболее подходящей марки обычно выбирают сталь типа 304L.

Ёмкость питательного бака Питательный бак создаёт запас воды на случай перебоя подачи подпиточной воды. Традиционно считалось, что питательный бак должен иметь ёмкость, достаточную для одного часа парообразования при максимальном испарении котла. Для крупных установок это может быть непрактично, и альтернативой может стать меньший «горячий» питательный бак с дополнительным запасом холодной подготовленной воды. Бак также должен иметь достаточный объём выше нормального рабочего уровня, чтобы воспринимать любые всплески расхода возвращаемого конденсата. Этот запас объёма называется свободным объёмом.

Высокий расход возврата конденсата может возникать при пуске, когда конденсат, скопившийся в оборудовании и трубопроводах, внезапно возвращается в бак и может уйти в дренаж через перелив. Если это происходит, имеет смысл пересмотреть систему возврата конденсата, чтобы ограничить скорость возврата и избежать потерь.

#Конструкция питательного бака

Следующие замечания могут быть полезны при проектировании питательного бака:

• Рёбра жёсткости - Бак должен быть полностью сварным, и очень важно предусмотреть достаточные рёбра жёсткости для усиления стенок и крышки, а также надлежащую опору для днища. Если этого не сделать, возникнут чрезмерные деформации и преждевременный выход из строя.
• Трубные присоединения - Все фланцевые трубные присоединения должны выступать минимум на 150 mm для удобства теплоизоляции. Все резьбовые соединения должны выступать минимум на 20 mm.
• Проушины для подъёма - Необходимо предусмотреть подъёмные проушины, обеспечивающие безопасный и удобный монтаж.

#Трубопроводы питательного бака

Возврат конденсата По мере выработки пара вода в котле испаряется и заменяется подачей питательной воды насосом. Проходя по системе к различным потребителям пара, пар конденсируется, превращаясь, по сути, в горячую воду очень хорошего качества.

Если не ожидается загрязнение (например, в результате технологического процесса), такой конденсат является идеальной котловой питательной водой. Поэтому с экономической точки зрения имеет смысл возвращать для повторного использования как можно больше конденсата. На практике вернуть весь конденсат почти невозможно: часть пара может впрыскиваться непосредственно в процесс, например для увлажнения или парового впрыска, а также неизбежны потери воды из самого котла, например через продувку. Следовательно, для поддержания правильных рабочих уровней в систему необходимо вводить подпиточную (химически обработанную) воду.

Возврат конденсата представляет огромный потенциал экономии энергии в котельной. Конденсат содержит большое количество тепла, и приблизительно на каждый рост температуры в питательном баке на 6 °C требуется на 1% меньше топлива.

На Рисунке 3.11.5(a) показано образование пара при 10 bar g, когда в котёл подаётся холодная питательная вода температурой 10 °C. Нижняя часть диаграммы представляет энтальпию (42 kJ / kg), содержащуюся в питательной воде. Далее в котле необходимо дополнительно подвести 740 kJ / kg тепловой энергии, чтобы довести воду до температуры насыщения при 10 bar g.

На Рисунке 3.11.5(b) снова показано образование пара при 10 bar g, но теперь котёл питается водой, нагретой до 70 °C за счёт возврата большего количества конденсата. Повышенная энтальпия питательной воды означает, что теперь котлу нужно подвести только 489 kJ/kg, чтобы довести её до температуры насыщения при 10 bar g. Это соответствует экономии 9.2% энергии, необходимой для получения пара при том же давлении.

Возвращаемый конденсат - это практически чистая вода, что даёт экономию не только воды, но и химических реагентов для водоподготовки, а также снижает потери, связанные с продувкой.

Если возвращается конденсат под давлением, в питательном баке выделяется вторичный пар. Этот вторичный пар необходимо конденсировать, чтобы вернуть и тепло, и воду. Традиционно для этого его вводили в питательный бак через барботажные трубы, однако более современный и эффективный способ - использовать деаэраторную головку конденсации вторичного пара, где смешиваются холодная подпиточная вода, возврат конденсата и вторичный пар (см. Рисунок 3.11.6).

Вторичный пар от систем утилизации тепла Система утилизации тепла может, например, возвращать вторичный пар от продувки котла. Это ещё одна возможность использовать рекуперированное тепло для повышения температуры в питательном баке и тем самым экономить топливо.

Как и в случае с конденсатом под давлением, вторичный пар нужно конденсировать. Традиционно это делалось с помощью барботажных труб, но современным и гораздо более эффективным решением является деаэраторная головка конденсации вторичного пара.

Подпиточная вода Это холодная вода из установки водоподготовки, компенсирующая любые потери в системе.

Многим установкам водоподготовки для оптимальной работы требуется достаточно большой расход через них. Например, «тонкая струйка» при модулирующем регулировании подачи в питательный бак может отрицательно повлиять на работу умягчителя. По этой причине часто устанавливают небольшой пластиковый или оцинкованный стальной бак холодной подпиточной воды. Подача от умягчителя в этот бак управляется по принципу вкл./выкл. Оттуда модулирующий клапан регулирует подачу воды в питательный бак.

Такая схема обеспечивает более «ровную» работу котельной установки. Чтобы относительно холодная подпиточная вода не опускалась прямо на дно бака, откуда она могла бы сразу попасть в линию подачи питательной воды в котёл, и чтобы обеспечить равномерное распределение температуры, подпиточную воду обычно вводят в бак через барботаж на более высоком уровне.

Паровой впрыск Как уже отмечалось, поддержание содержимого питательного бака на высокой температуре имеет значительные преимущества. Один из наиболее удобных способов добиться этого - впрыскивать пар в питательный бак.

Вент Питательный бак должен иметь вентиляцию, чтобы исключить рост давления. В качестве ориентира диаметр вентиляционного патрубка может составлять от DN80 для бака объёмом 2 000 л до DN250 для бака 30 000 л. На венте следует устанавливать вентиляционную головку с внутренней перегородкой для отделения уносимой воды от пара и отвода её через дренажное соединение.

Перелив Он должен быть оборудован водяным затвором в виде U-образной трубы, чтобы предотвратить потери вторичного пара.

Отбор на питательный насос Если отбор выполняется из нижней части питательного бака, следует предусмотреть внутренний патрубок высотой 50 mm, чтобы предотвратить попадание в трубопровод загрязнений со дна бака. Отвод должен иметь достаточный размер, чтобы свести к минимуму гидравлические потери и обеспечить максимально возможный положительный подпор на всасывании (NPSH) для питательного насоса.

Дренаж В нижней части питательного бака следует предусмотреть дренажное соединение для его опорожнения при осмотре.

Теплоизоляция Питательный бак должен быть надлежащим образом изолирован для уменьшения тепловых потерь. При выборе правильного материала и экономически оправданной толщины следует обратиться за рекомендациями к квалифицированному специалисту по теплоизоляции.

Люк для осмотра Необходимо предусмотреть достаточно большой люк, позволяющий проводить внутренний осмотр и при необходимости устанавливать вспомогательное оборудование.

Регулирование уровня воды Традиционно для этой задачи использовались поплавковые регуляторы. Современные системы применяют зонды уровня, которые формируют выходной сигнал для модуляции регулирующего клапана. Такая система не только требует меньшего объёма обслуживания, но и при использовании подходящего контроллера один зонд может одновременно обеспечивать сигнализацию уровня и работу удалённых индикаторов.

Зонды уровня могут быть настроены на сигнал высокого уровня воды, нормального рабочего (или регулируемого) уровня и низкого уровня воды. Сигналы от зонда можно связать с регулирующим клапаном на линии подпиточной воды. Внутри питательного бака зонд размещают в защитной трубе, предохраняющей его от турбулентности, которая могла бы вызывать ложные показания.

Рекомендуется предусматривать местный указатель уровня или водоуказательное стекло на питательном баке, чтобы визуально контролировать содержимое и облегчать наладку зондов уровня.

Термометр Это может быть местный или дистанционный прибор индикации.

#Деаэраторы

Атмосферная деаэраторная головка Смесительный узел деаэраторной головки объединяет все входящие потоки. В нём смешиваются холодная подпиточная вода с высоким содержанием кислорода, вторичный пар от конденсата и вторичный пар от системы утилизации тепла продувки. Кислород и другие газы высвобождаются из холодной воды и могут автоматически удаляться через вентиляционный патрубок до поступления воды в основной питательный бак.

Деаэраторная головка значительно уменьшает количество пара, которое в обычных условиях ожидалось бы над баком. Поэтому правильно спроектированные атмосферные деаэраторные баки с деаэраторными головками требуют меньшей вентиляционной способности, чем обычный бак с вентилируемой крышкой. Обычно размеры вентиляционных патрубков атмосферного деаэраторного бака варьируются от DN80 для бака 2000 L до DN250 для бака 30 000 L.

Деаэратор под давлением На более крупных котельных установках иногда устанавливают деаэраторы под давлением, где для нагрева питательной воды примерно до 105 °C и удаления кислорода используется острый пар. Деаэраторы под давлением обычно термически эффективны и позволяют снизить содержание растворённого кислорода до очень низкого уровня.

Деаэраторы под давлением:

• Должны быть оснащены средствами управления и предохранительными устройствами.
• Классифицируются как сосуды под давлением и требуют периодических официальных осмотров.

Это означает, что деаэраторы под давлением дороги и оправданы только в очень крупных котельных. Если рассматривается установка деаэратора под давлением, необходимо изучить его работу на частичных нагрузках, то есть фактический диапазон регулирования. Подробный обзор деаэраторов под давлением приведён в Модуле 21 данного блока.

Коррекционная обработка Это дополнительная обработка, дополняющая внешнюю водоподготовку (например, ионообменную систему), и обычно выполняется путём дозированного ввода химикатов либо в бак питательной воды, либо в трубопровод питательной воды перед её входом в котёл.

Требуемая химическая обработка зависит от многих факторов, таких как:

• Примеси, содержащиеся в подпиточной воде, и её жёсткость.
• Объём конденсата, возвращаемого для повторного использования, и его качество с точки зрения pH, содержания TDS и жёсткости.
• Конструкция котла и условия его эксплуатации.

Выбор химического режима и системы водоподготовки - задача квалифицированного специалиста по водоподготовке, с которым всегда следует консультироваться.

Цель коррекционной обработки - усилить очистку исходной воды после того, как она в максимально возможной степени уже была обработана основной установкой водоподготовки. Это необходимо, потому что некоторые примеси неизбежно проходят через основную систему. Задачи водоподготовки состоят в следующем:

• Предотвращать образование накипи из-за оставшихся низких концентраций жёсткости, которые могли пройти через систему подготовки. Обычно для этого используют фосфат натрия, который вызывает выпадение солей жёсткости в осадок на дно котла, откуда они удаляются продувкой.
• Устранять другие специфические примеси. Это будут конкретные вещества для конкретных применений.
• Поддерживать правильный химический баланс котловой воды - для предотвращения коррозии она должна быть умеренно щелочной, а не кислой. Обычно для этого используют 1% раствор каустической соды, обеспечивающий целевой pH от 9 до 11. Британский стандарт BS 2486 рекомендует pH 10.5 - 12.0 для жаротрубных котлов при 10 bar; значение pH 9 может применяться только на котлах более высокого давления.
• Кондиционировать взвешенные вещества. Для этого применяют флокулянт или коагулянт, вызывающий укрупнение взвешенных частиц и их осаждение на дно котла, откуда они удаляются продувкой.
• Обеспечивать защиту от вспенивания.
• Удалять следы растворённых газов. Прежде всего это кислород и углекислый газ, присутствие которых в котельной установке и системе вызывает коррозию. Поэтому для предотвращения повреждений эти газы необходимо удалять и/или нейтрализовать.

Углекислый газ Растворённый углекислый газ часто присутствует в питательной воде в виде угольной кислоты и снижает уровень pH. Правильное регулирование pH исправляет это, однако углекислый газ также выделяется в котлах при нагреве карбонатов и бикарбонатов. Они разлагаются с образованием каустической соды и выделением углекислого газа. Для решения этой проблемы может потребоваться ингибитор коррозии конденсата, предотвращающий коррозионное разрушение конденсатной системы.

Кислород Наиболее вредным из растворённых газов является кислород, который может вызывать точечную коррозию металла. Даже очень небольшие количества кислорода способны причинить серьёзный ущерб. Его можно удалять как механическим, так и химическим способом. Количество растворённого кислорода зависит от температуры питательной воды: чем ниже температура, тем больше объём растворённого кислорода.

Оставшийся кислород затем удаляется добавлением химического поглотителя кислорода, например каталитического сульфита натрия. Для связывания 1 ppm растворённого кислорода достаточно 8 ppm сульфита натрия. Однако обычно дополнительно вводят ещё 4 ppm сульфита натрия в качестве «запаса», потому что:

• Риск коррозионных повреждений весьма велик.
• Система дозирования химикатов обычно работает по разомкнутому контуру: пробы воды берутся периодически, а расход дозирования корректируется по результатам.
• Имеются опасения, что химикат может распределяться не полностью - из-за способа впрыска, циркуляционных потоков или расслоения внутри питательного бака.

Следовательно, суммарная дозировка составляет 8 ppm сульфита натрия на 1 ppm растворённого кислорода плюс 4 ppm. Другими поглотителями кислорода служат органические соединения или гидразин. Последний, однако, считается канцерогенным и обычно не применяется на установках низкого и среднего давления.

К другим средствам «внутренней обработки», защищающим котёл и конденсатную систему, относятся:

• Нейтрализующие амины - Они нейтрализуют кислоту, образующуюся при растворении углекислого газа в конденсате.
• Плёночнообразующие амины - Они создают на металлических поверхностях водоотталкивающую плёнку, притягивающую масло и устойчивую к воздействию как углекислого газа, так и кислорода.

Более подробные сведения по этой сложной теме можно найти в руководствах по водоподготовке и у специалистов по водоподготовке; здесь действительно требуется профессиональный анализ и экспертные рекомендации. Тем не менее есть ещё один-два вопроса, которые требуют дополнительных пояснений:

• Основная программа обработки котловой воды направлена на перевод солей, образующих накипь, в мягкие или подвижные шламы. Кондиционеры шлама, используемые при химическом дозировании, предотвращают осаждение этих твёрдых веществ на металлических поверхностях и удерживают их во взвешенном состоянии.
• При высоких давлениях и температурах кремнезём может создавать серьёзные проблемы, поскольку он способен взаимодействовать с нагревательными поверхностями металла и вызывать локальные перегревы. Специальные синтетические полимеры позволяют предотвратить это.
• Особенно важны уровни щёлочности в котле, которые регулируются добавлением гидроксида натрия. Поддержание уровня pH в пределах 10.5 - 12 позволяет избежать коррозии, создавая стабильные условия для образования на металлических поверхностях тонкой плотной плёнки магнетита (Fe3O4), защищающей металл от коррозионного воздействия.

Химикаты, добавляемые при коррекционной обработке, увеличивают уровень TDS в котловой воде, поэтому потребуется более высокий расход продувки.