3. Лекции_деаэрационные установки_готово

1.3. Деаэрационные установки

Рекомендуемая литература:

- учебная и учебно-научная литература

1.Шарапов В.И., Цюра Д.В. Термические деаэраторы. – Ульян. гос. техн. ун-т., 2003. – 560 с (любое издание; расширенный объем материала по разделу).

2.Оликер И.И., В.А. Пермяков. Термическая деаэрация воды на тепловых элек- тростанциях. – Л.: Изд-во «Энергия», 1971. – 185 с (любое издание; расширенный объем материала по разделу).

3.Теплообменники энергетических установок: Учебник для вузов. К.Э. Арон- сон, С.Н. Блинков, В.И. Брезгин и др. Под ред. профессора, докт. техн. наук Ю.М. Бродова. – Екатеринбург: Изд-во «Сократ», 2002. – 968 с (любое издание; со-

кращенный конспект материала по разделу).

4.Справочник по теплообменным аппаратам паротурбинных установок / Ю.М. Бродов, К.Э. Аронсон, А.Ю. Рябчиков, М.А. Ниренштейн; под. общ. ред. Ю.М. Бродова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 480 с (любое издание; сокра-

щенный конспект материала по разделу).

5. Шарапов В.И. Подготовка подпиточной воды систем теплоснабжения с применением вакуумных деаэраторов. – М.: Энергоатомиздат, 1996. – 176 с (рас-

ширенный объем материала по подразделу «Вакуумные деаэрационные установ- ки»).

6. Капелович Б.Э. Эксплуатация паротурбинных установок / Б.А. Капелович. –

М.: Изд-во «Энергия», 1975. – 288 с. (вопросы эксплуатации)

- нормативно-технические и методические документы:

7.Правила технической эксплуатации тепловых электрических станций и сетей Российской Федерации : офиц. текст : утв. Приказом Минэнерго России № 229 от

19.06.03: ввод. в действие с 30.06.03 : зарег. в Минюсте России 20.06.03 № 4799. – М.: Омега-Л, 2006. – 256 с.

8.Расчет и проектирование термических деаэраторов: РТМ 108.030.21-78 / В.А. Пермяков, А.С. Гиммельберг, Г.М. Виханский, Ю.М. Шубников. – Л.: НПО ЦКТИ, 1979.

9.Руководящие указания по проектированию термических деаэрационных ус- тановок питательной воды котлов. – М.: Изд-во «Энергия», 1968.

10.Деаэраторы термические. Типы, основные параметры, приемка, методы кон- троля: ОСТ 16860-88. Введен в действие с 01.01.90. Переиздание 1999. – 56 с.

11. Методические указания по испытаниям вакуумных деаэраторов: СО 34.40.514 / Красавин А.В., Кукин Н.А., Рязанов С.В., Волынцева Т.М. – « Средаз- техэнерго», 1981.

12.Методические указания по испытаниям деаэраторов повышенного давления: СО 34.40.515 / Соколкина И.В., Мальчиков М.А. – « Уралтехэнерго», 1981.

13.Типовая инструкция по обслуживанию деаэрационных установок энерго- блоков мощностью 150-800 МВт КЭС и 110-250 МВт ТЭС: РД 34.40.502-92 / Смир- нов Ю.Н., Юдина И.М. – М.: «Фирма по наладке, совершенствованию технологии и эксплуатации электростанций и сетей ОРГРЭС», 1993.

1

А. Физико-химические основы технологических процессов термической деаэрации воды

Деаэрация воды представляет собой один из видов абсорбционного процесса, заключающийся в переносе веществ (газов) из жидкой фазы (воды) в газовую (паро- вую) фазу и называемый десорбцией. При этом удаление из раствора газа, не всту- пающего в химические реакции с его компонентами, носит название физической де- сорбции (случай десорбции из воды растворенного в ней кислорода). При наличии химических связей между газом и компонентами раствора процесс удаления этого газа называется хемосорбцией-десорбцией (случай удаления из воды диоксида угле- рода).

Во всех случаях перенос компонента из одной фазы в другую обусловлен раз- ностью химических потенциалов его в обеих фазах. Процессы абсорбции и десорб- ции обратимы. Направление движения массы зависит от того, в какую сторону от состояния равновесия отклоняется состав газа и жидкости.

Различают статику и кинетику десорбции (абсорбции).

А.1. Статика процесса десорбции

Статика десорбции (абсорбции) есть равновесие между жидкой и газовой фаза- ми, которое устанавливается при очень длительном их соприкосновении (при неиз- менных давлении и температуре системы). Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами компонентов и, в конечном итоге, составом одной из фаз, температурой и давлением системы.

Статика процесса десорбции может быть описана константой фазового равно- весия, представляющей собой отношение концентрации газа в газовой фазе к его концентрации в жидкой фазе. В общем случае константа фазового равновесия зави- сит от давления, температуры системы и концентрации компонента в жидкости.

Большинство присутствующих в технологических системах электростанции водных растворов газов являются бесконечно разбавленными. При описании стати- ки десорбции для таких растворов применим закон Генри, выражаемый зависимо- стью вида:

р = mрхх,

где р – парциальное давление газа над раствором; х – молярная доля газа в растворе; mрх – константа фазового равновесия, называемая в этом случае коэффициентом Генри и имеющая размерность давления.

Коэффициент Генри определяется только температурой раствора и не зависит от количественного состава фаз и общего давления системы.

Из закона Генри следует, что для заданного парциального давления газа над раствором существует предельная (максимальная) концентрация этого газа в рас- творе. То есть существует предельная растворимость газа в растворе.

Растворимость газов в воде иногда оценивают по значению коэффициента аб- сорбции, который для данной температуры системы представляет собой объем газа в м3, приведенный к нормальным условиям (760 мм рт. cт. и 0 ° С), который спосо- бен раствориться в 1 м3 воды. Характер изменения коэффициентов абсорбции чис- той водой диоксида углерода и кислорода показан на рис. 3.1.

В рассмотренном виде закон Генри справедлив для идеальных растворов газов. Бесконечно разбавленный раствор газа может считаться идеальным только в случае, если газ не образует химических связей с растворителем (например, случай раство-

2

рения кислорода в воде). Если же газ в растворе находится в химически связанном состоянии (к примеру, случай растворения в воде диоксида углерода), закон Генри описывает состояние системы только приблизительно.

Рис. 2.1. Коэффициен-

коэффициенты абсорб- ции водой соответствен- но кислорода и диоксида углерода, м3/м3; t – тем- пература раствора, ° С

Сложность описания процесса хемосорбции-десорбции диоксида углерода обу- словлена необходимостью учета многообразных форм, в которых углекислота со- держится в водных растворах. При растворении диоксида углерода в дистилляте лишь часть молекул СО2 (на уровне 0,2 – 0,3 %) подвергается гидратации с образо- ванием молекул угольной кислоты:

СО2 + Н2О ↔ Н2СО3.

Молекулы угольной кислоты подвергаются диссоциации по первой и второй ступени:

-по первой ступени:

Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3– ;

-по второй ступени:

НСО3– ↔ Н+ + СО32– .

Приведенные уравнения показывают, что существует жесткая связь между раз- личными формами угольной кислоты и концентраций ионов водорода (следователь- но, и водородным показателем рН раствора). Эта связь наглядно может быть пред- ставлена диаграммой рис. 2.2.

3

Ca(HCO3)2 ↔ CaCO3 + Н2О + CO2,

CaCO3 ↔ CaCO3↓,

Ca(HCO3)2 + Н2О ↔ Ca(OH)2 + H2CO3,

Ca(HCO3)2 ↔ CaHCO3+ + HCО3-,

Ca(HCO3)2 ↔ Ca2+ + 2HCО3-,

Mg(HCO3)2 ↔ MgCO3 + Н2О + CO2,

Mg(HCO3)2 ↔ Mg(OH)2 + 2CO2,

Mg(HCO3)2 ↔ MgHCO3+ + HCО3-,

Mg(HCO3)2 ↔ Mg2+ + 2HCО3-,

MgCO3 ↔ Mg2+ + CО32-.

А.2. Кинетика процесса десорбции

Кинетика десорбции выражается в скорости процесса массопереноса и опреде- ляется степенью отклонения системы от равновесного состояния, свойствами ком- понентов и способом организации соприкосновения фаз.

При отсутствии равновесия между фазами происходит переход вещества из одной фазы в другую, то есть идет процесс массопередачи. Массопередача есть результирующий процесс, включающий процессы переноса вещества в пределах каждой фазы (массоотдача) и перенос вещества через границу раздела фаз (по ана- логии с процессами теплопередачи).

Перенос вещества в пределах фазы может происходить за счет молекулярной, конвективной и турбулентной диффузии. Преобладание того или иного типа диффу- зии определяется гидродинамическими условиями протекания процесса.

Процесс молекулярной диффузии описывает закон Фика, который устанавлива- ет связь между количеством WА компонента А, переносимого в направлении z через поверхность F за единицу времени:

WA = −DАF dCА , dz

где DА – коэффициент молекулярной диффузии, dCA/dz – градиент концентрации компонента А в направлении z.

При наличии конвективного переноса массы выражение для WА можно запи- сать:

где εd – коэффициент турбулентной диффузии.

Иногда сумму (DА + εd ) обозначают как Dэф и называют эффективным коэф-

фициентом диффузии.

5

Как правило, основное сопротивление процессу массопереноса имеет место в жидкой фазе.

Кроме диффузионного удаления из воды газов всегда имеет место их дисперсия (образование и удаление относительно крупных газовых пузырей). Диффузия про- исходит в течение всего процесса деаэрации, дисперсное выделение газа из воды начинается с того момента, когда достигается насыщение ее удаляемым газом. Го- ворят, что раствор пересыщен газом, то есть его концентрация в воде больше, чем равновесная при данных условиях.

Б. Принципы термической деаэрации воды

Из закона Генри следует, что уменьшение парциального давления газа над рас- твором приводит к уменьшению его концентрации в растворе. Согласно закону Дальтона, парциальное давление газа над раствором соответствует разности полного давления над раствором и парциального давления водяных паров. То есть при за- данном полном давлении над раствором уменьшить парциальное давление газа (и, соответственно, его концентрацию в растворе) можно, увеличив парциальное давление водяных паров.

Максимальное парциальное давление водяных паров над раствором имеет ме- сто в том случае, если жидкая фаза находится в состоянии насыщения (кипения). Но при этом газ, содержащийся в паровой фазе, необходимо непрерывно отводить от границы раздела фаз, в противном случае его концентрация в паре возрастает, и раз- ность концентраций газа в воде и паре уменьшается, то есть уменьшается движущая сила десорбции.

При достижении указанных условий (кипение воды и непрерывный отвод газов от границы раздела фаз), согласно закону Фика, количество перенесенного в едини- цу времени газа будет тем больше, чем больше площадь поверхности раздела фаз. Увеличение этой площади достигается разбивкой воды на струи и капли или барбо- тажом пара через слой воды. Увеличение располагаемого времени процесса десорб- ции также приводит к повышению эффективности деаэрации. Для этого требуется выдержка воды в деаэраторном баке, который должен иметь соответствующий объ- ем.

При контакте пара с водой в деаэраторе содержание газов в паре увеличивается в направлении от точки ввода греющего пара в деаэратор до точки отвода выпара (смеси выделившихся из воды газов с оставшейся несконденсированной частью греющего пара). Поэтому некоторое увеличение равновесной концентрации газов в воде в том же направлении неизбежно. Для обеспечения максимальной в данных ус- ловиях разности текущей и равновесной концентраций газов в воде целесообразно организовывать в деаэраторе явно выраженный противоток воды и греющего пара.

Таким образом, для эффективной термической деаэрации воды необходимо: 1 – нахождение воды в состоянии насыщения; 2 – непрерывный отвод выделяющихся из воды газов от границы раздела фаз;

3 – максимальная в любой точке поверхности раздела фаз разность концентра- ций газа в воде и паре;

4 – максимальная площадь поверхности раздела фаз;

5 – максимальное располагаемое время протекания процесса.

6

Более конкретно факторы, обеспечивающие эффективную работу термического деаэратора, можно определить следующим образом:

а) внутри каждой ступени деаэратора должны отсутствовать циркуляционные токи, которые могут привести к проскоку необработанных масс воды в отводящий трубопровод;

б) в деаэраторе не должно быть застойных зон ни по воде, ни, особенно, по па-

ру;

в) в деаэраторе на всем пути между паром и водой должен быть четко выра- женный противоток и максимальная разность между текущей и равновесной кон- центрацией газа в воде;

г) паровое пространство деаэратора должно вентилироваться необходимым ко- личеством пара, причем парциальное давление удаляемых газов в подводимом к де- аэратору паре должно быть минимальным;

д) способ обработки деаэрируемой воды, особенно на последних ступенях дега- зации, должен обеспечивать многократную обработку ее паром и максимальное раз- витие поверхности контакта фаз;

е) в деаэраторе должны быть предусмотрены условия для удаления мельчайших газовых пузырьков, возникающих при нагревании воды или падении давления;

ж) для обеспечения глубокой дегазации и, особенно, для эффективного проте- кания процессов термического разложения гидрокарбонатов и других термически нестойких соединений необходимо перед последней ступенью деаэрации выдержи- вать воду при температуре, близкой к температуре насыщения;

з) обработка воды в последней ступени дегазации должна по возможности осу- ществляться при температуре более высокой, чем температура насыщения, соответ- ствующая давлению в паровом пространстве деаэратора, что обеспечивает дополни- тельную дегазацию воды за счет эффекта вскипания;

и) в деаэраторе должна быть исключена возможность повторного заражения воды кислородом и углекислотой.

В. Газообмен в технологических системах электростанций

В теплоносителе (турбинном конденсате, питательной воде котлов, сетевой во- де и др.) всегда содержится некоторое количество газовых примесей (кислорода, ди- оксида углерода, азота, аммиака и пр.). Часть этих газов коррозионно-активны (ки- слород, диоксид углерода, аммиак в отношении медных сплавов, особенно в при- сутствии кислорода). Другие газы (например, азот), не участвуют в коррозионных процессах, но ухудшают условия теплообмена.

Источники поступления газов в цикл электростанции различны. К примеру, ки- слород поступает с добавком теплоносителя в цикл при восполнении внутристанци- онных утечек теплоносителя и невозврата конденсата от потребителей пара, с при- сосами воздуха и охлаждающей воды в конденсаторах турбин, воздуха и сетевой воды в подогревателях сетевой воды, работающих под разрежением, присосами воз- духа в других элементах цикла, работающих в зоне вакуума (например, подогрева- телях низкого давления). Диоксид углерода может поступать в цикл всеми перечис- ленными в отношении кислорода путями и дополнительно – в результате термиче- ского разложения гидрокарбонатов и гидролиза карбонатов в теплообменном обо- рудовании. Примеры реакций термического разложения гидрокарбонатов:

7

– термическое разложение гидрокарбоната натрия:

2 NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2↑;

– термическое разложение гидрокарбоната кальция:

Ca(HCO3)2 → CaCO3 + H2O + CO2↑.

Поступившие в цикл газы расходуются в коррозионных процессах либо удаля- ются при деаэрации с различными отсосами и газовыми сдувками. Ясно, что второй путь является предпочтительным.

В цикле организован целый ряд ступеней деаэрации. Первой из них является конденсатор паровой турбины, где ввиду относительно низких температур удаляют- ся, главным образом, газы, находящиеся в растворенном состоянии – кислород, азот, свободный диоксид углерода. Ввиду малости времени протекания процесса деаэра- ции в конденсате турбины за конденсатосборником конденсатора рассматриваемые газы всегда присутствуют. Часто газы дополнительно поступают через неплотности тракта «конденсатосборник конденсатора – конденсатные насосы», с дренажами ПНД. Кроме того, в процессе нагрева воды в системе регенерации интенсифициру- ются процессы термического разложения гидрокарбонатов и гидролиза карбонатов, что приводит к увеличению содержания в основном конденсате свободного диокси- да углерода.

Далее по тракту деаэрация теплоносителя протекает в подогревателях низкого давления смешивающего типа (при их наличии) и в деаэраторе питательной воды. Последний, в силу протекания в тракте регенерации низкого давления указанных выше процессов термического разложения гидрокарбонатов и гидролиза карбона- тов, несет, главным образом, нагрузку по удалению химически связанных форм уг- лекислоты и других летучих кислот.

По этой причине даже при организации окислительного вводно-химического режима с дозированием в конденсатно-питательный тракт кислорода или воздуха деаэратор питательной воды является часто необходимым.

Генерация свободного диоксида углерода из примесей воды продолжается и после деаэратора питательной воды – в системе регенерации высокого давления и далее – в поверхностях нагрева котла.

Г. Типы термических деаэраторов и область их применения

Термические деаэраторы принято классифицировать по рабочему давлению и

Способ организации соприкосновения фаз определяется конструкцией деаэра- тора. Поскольку в одном и том же деаэраторе, как правило, применяется несколько отличающихся друг от друга по принципу действия деаэрационных устройств, со- временные деаэраторы являются обычно комбинированными. При этом выделяют следующие основные типы деаэрационных устройств (или отдельных элементов де- аэраторов):

8

–струйные, в которых поверхность раздела фаз образована поверхностью сво- бодно падающих в паровом потоке струй воды;

–барботажные, в которых греющий теплоноситель в виде паровых пузырей распределяется в потоке воды;

–пленочные, где поверхность раздела фаз образуется при пленочном течении воды в паровом потоке;

–капельные, в которых вода распределяется в паровом потоке в виде капель. Поверхность раздела фаз может быть условно фиксированной, как, например,

впленочных деаэраторах с упорядоченной насадкой, либо нефиксированной, как

вдеаэраторах с неупорядоченной насадкой, струйных, капельных и барботажных. Область применения деаэраторов в тепловых схемах энергетических объектов,

как правило, определяется рабочим давлением:

–деаэраторы повышенного давления применяются исключительно в качестве деаэраторов питательной воды тепловых электростанций высокого, сверхвысокого и сверхкритического начального давления пара;

–деаэраторы атмосферного давления используются в качестве деаэраторов питательной воды электростанций и котельных низкого и среднего начального дав- ления пара, деаэраторов добавочной воды цикла теплофикационных электростанций (ТЭЦ) при большем начальном давлении пара, деаэраторов подпиточной воды теп- ловых сетей закрытого типа (реже – для теплосети открытого типа с использованием охладителей деаэрированной воды), деаэраторов питательной воды испарительных

ипаропреобразовательных установок электростанций;

–вакуумные деаэраторы применяются в качестве деаэраторов подпиточной воды тепловых сетей, в схемах испарительных и паропреобразовательных устано- вок, реже – в качестве деаэраторов добавочной воды цикла электростанций и ко- тельных.

В качестве деаэраторов подпитки теплосети применяются как вакуумные, так и атмосферные деаэраторы. При выборе типа деаэратора подпитки теплосети учиты- вается, что вакуумные деаэраторы, используя в качестве греющего теплоносителя прямую сетевую воду, перегретую относительно температуры насыщения в деаэра- торе, могут быть использованы в водогрейных котельных, не оборудованных паро- выми котлами. Кроме того, современные вакуумные деаэраторы обеспечивают большую производительность, чем атмосферные деаэраторы, что важно при подго- товке подпиточной воды для тепловой сети с открытым водоразбором.

Кроме собственно деаэрации теплоносителя, деаэраторы питательной воды, ра- ботающие в схемах паротурбинных установок, выполняют еще ряд важнейших функций:

–являются одной из ступеней регенеративного подогрева питательной воды, обеспечивая повышение тепловой экономичности установки (если деаэратор пита- тельной воды использует в качестве греющего отборный пар турбоагрегата);

–обеспечивают создание запаса питательной воды для энергетических котлов;

–обеспечивают прием высокопотенциальных тепловых потоков (конденсата греющего пара регенеративных подогревателей высокого давления, протечек со штоков стопорных и регулирующих клапанной турбоагрегата, выпара расширителей непрерывной продувки паровых котлов и пр.).

9

Д. Деаэраторы атмосферного давления

Д.1. Конструкции элементов деаэраторов атмосферного давления

Наиболее распространенный тип атмосферного деаэратора – это струйно- барботажные деаэраторы. В таких деаэраторах применяется, как правило, двухсту- пенчатая схема деаэрации, включающая струйную и барботажную ступени. Необхо- димо отметить, что под ступенью деаэрации принято понимать один или несколько включенных последовательно по воде деаэрационных элементов, работающих по одному принципу. Например, два расположенных один под другим струйных отсека относятся к одной струйной ступени.

Конструкции таких деаэраторов несколько отличаются друг от друга для аппа- ратов разной производительности из стандартного ряда. Большинство типовых кон- струкций струйно-барботажных атмосферных деаэраторов разработаны НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова. В настоящее время используются как устаревшие модели таких деаэраторов (типа ДСА), так и их современные аналоги (типов ДА и ДА-м). Разра- ботан стандартный ряд типоразмеров таких деаэраторов, отличающихся номиналь- ной производительностью по деаэрированной воде: 1, 3, 5, 15, 25, 50, 100, 200

и 300 т/ч.

Атмосферные деаэраторы, как правило, состоят из деаэрационной колонки, ус- тановленной на горизонтально расположенном цилиндрическом деаэраторном баке. Деаэраторный бак в составе деаэратора выполняет две важные функции. Во-первых, он служит средством создания запаса деаэрированной воды для технологической схемы. Если, например, деаэратор используется в качестве деаэратора питательной воды паровых котлов низкого давления, то в деаэраторном баке необходимо создать запас воды для обеспечения бесперебойного питания этих котлов в аварийных си- туациях. Во-вторых, как показано выше, деаэраторный бак позволяет увеличить время выдержки воды при температуре, близкой к температуре насыщения, что спо- собствует повышению эффективности деаэрации.

Применительно к аппаратам малой производительности (1 и 3 т/ч по деаэриро- ванной воде) деаэратор может выполнять указанные функции и без деаэраторного бака, поскольку необходимый запас воды можно создать непосредственно в корпусе деаэрационной колонки, размеры которой не будут при этом слишком большими. В типовых конструкциях таких деаэраторов не выделяют деаэрационную колонку и деаэраторный бак, а говорят о корпусе деаэратора в целом. Такие деаэраторы назы- вают бесколонковыми.

Деаэраторы большей производительности комплектуются деаэраторными бака- ми различной вместимости. Отечественными энергомашиностроительными завода- ми выпускаются деаэраторные баки стандартных типоразмеров вместимостью 2, 4, 8, 15, 25, 35, 50 и 75 м3, причем каждый деаэраторный бак предназначен для деаэра- ционной колонки определенной производительности. Однако по запросу заказчика, как правило, возможны поставки выбранных деаэрационных колонок с баками дру- гой вместимости из стандартного ряда.

Кроме деаэраторов, разработанных НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова, применя- ется ряд конструкций атмосферных деаэраторов, разработанных другими организа- циями. Среди таких деаэраторов отметим барботажный деаэратор конструкции Уралэнергометаллургпрома.

10