Лекции по ТМ и ВО ТЭС

Таблица 2. Коэффициент местного сопротивления для различных

Потери давления в межтрубном пространстве подогревателя при конденсации пара незначительны, и ими в большинстве случаев можно пренебречь. То же относится к межтрубному пространству охладителей конденсата.

Гидравлическое сопротивление по пару встроенного охладителя пара можно определить, используя формулу

где m – число секций, последовательно омываемых паром; Dв – диаметр наибольшего витка спирали; f - сечение для прохода пара; Dп и ρ" расход пара и его плотность соответственно.

Лекция №7

1. Деаэраторы

1.1.Классификация и типовые конструкции деаэраторов

Термические деаэраторы воды выполняют на ТЭС несколько функций, основной является удаление из воды растворённых агрессивных газов (кислорода и углекислоты). Деаэраторы служат также для регенеративного подогрева основного конденсата и являются местом сбора и хранения запаса питательной воды. Известно много типов деаэраторов, их можно классифицировать по рабочему давлению и по способу создания поверхности контакта деаэрируемой воды с греющим паром.

В зависимости от рабочего давления термические деаэраторы делятся на вакуумные (тип ДВ, рабочее давление 0,0075 — 0,05 МПа, температура насыщения 40 — 80 °С), атмосферные (тип ДА, рабочее давление 0,12 МПа, температура насыщения 104 °С) и повышенного давления (тип ДП, рабочее давление 0,6 — 0,7 МПа, реже 0,8— 1,2 МПа, температура насыщения 158— 167 °С и соответственно 170— 188°С).

Ввакуумных деаэраторах давление ниже атмосферного и для отсоса выделяющихся из воды газов требуется эжектор. Имеется опасность повторного «заражения» воды кислородом из-за присоса атмосферного воздуха в тракт перед насосом. Вакуумные деаэраторы применяются, когда требуется деаэрировать воду при температуре ниже 100 °С (подпиточная вода тепловых сетей, вода в тракте химической водоподготовки). К ним относятся также деаэрационные приставки конденсаторов.

Атмосферные деаэраторы работают с небольшим избытком внутреннего давления над атмосферным (приблизительно 0,02 МПа), необходимым для самотечной эвакуации выделяющихся газов в атмосферу. Преимуществом атмосферных деаэраторов является минимальная толщина стенки корпуса (экономия металла).

Внастоящее время атмосферные деаэраторы применяются главным образом для добавочной воды ТЭС, питательной воды испарителей и подпиточной воды тепловых сетей. Деаэраторы повышенного давления применяются для обработки питательной воды энергетических котлов с начальным давлением пара 10 МПа и выше. Применение деаэраторов типа ДП на ТЭС позволяет при более высокой температуре регенеративного подогрева воды ограничиться в тепловой схеме небольшим количеством последовательно включенных ПВД (не более трех), что способствует повышению надежности и удешевлению установки и благоприятно сказывается при эксплуатации ввиду меньшего сброса температуры питательной воды при отключении ПВД.

По способу создания поверхности контакта фаз деаэраторы подразделяются на струйные, пленочные и барботажные. Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей (ПТЭ) нормируется содержание в воде растворенного кислорода:

Свободная углекислота в воде после деаэратора должна отсутствовать, а показатель рН (при 25 °С) питательной воды должен поддерживаться в пределах 9,1 ± 0,1.

На рис. 1 показана общая схема деаэрационной установки. Основными элементами деаэратора являются его колонка, где

происходят основной подогрев и деаэрация воды, и аккумуляторный бак для хранения запаса деаэрированной воды.

В верхней части деаэрационной колонки располагается водораспределитель для смешения потоков поступающей воды и

равномерного распределения ее по сечению. Горячие потоки воды, подверженные вскипанию при вводе в деаэратор, и дополнительный пар подаются на промежуточные ступени колонки. В нижней части колонки размещается парораспределитель для равномерного распределения поступающего в нее греющего пара.

Рис. 1. Схема деаэрационной установки:

1 — деаэрированная вода к питательному насосу; 2— холодильник отбора проб питательной воды; 3 — аккумуляторный бак деаэратора; 4 — водоуказательное стекло; 5

— гидравлический затвор и перелив (при деаэраторе атмосферного давления); 6 — предохранительный клапан (при деаэраторе повышенного давления); 7— горячие дренажи из ПВД; 8 — добавочная вода; 9 —охладитель выпара; 10 — регулятор уровня воды в деаэраторе; 11 — линия выпара; 12 — колонка деаэратора; 13 — водораспределитель; 4 — основной конденсат; 15 — парораспределитель; 16 — регулятор давления пара в деаэраторе; 17 —греющий пар; 18 — регулятор перелива (у деаэратора повышенного давления); 19 — клапанрегулятора перелива; 20 — слив воды из деаэратора

Конструкции водо- и парораспределителей могут быть различные. Между ними размещается активная зона колонки, которая в зависимости от типа деаэратора выполняется также по-разному. Здесь происходят подогрев воды и ее деаэрация (массообмен).

В самой верхней части колонки имеется штуцер, к которому присоединяется линия выпара. Выпаром называется смесь выделившихся из воды газов и небольшого количества пара, подлежащая эвакуации из деаэратора. Выпар обеспечивает вентиляцию колонки и для нормальной работы деаэратора его расход (по пару) должен составлять не менее 1—2 кг, а при наличии в исходной воде значительного количества свободной или связанной углекислоты — 2 — 3 кг на 1 т деаэрируемой воды.

Для уменьшения потерь теплоты и теплоносителя выпар деаэратора поступает в охладитель выпара, где большая часть содержавшегося в нем пара конденсируется и возвращается в цикл ТЭС.

Теплота конденсации выпара используется для подогрева одного из потоков поступающей в деаэратор воды, температура которой на входе в охладитель выпара не должна превышать 60 — 70 °С. В противном случае не будет обеспечена эффективная конденсация выпара, поскольку его охладитель имеет свободный выход в атмосферу и давление в его корпусе лишь немного превышает атмосферное.

Колонка деаэратора струйного типа с дырчатыми тарелками изображена на рис. 2.

Рис. 2. Колонка струйного деаэратора атмосферного давления:

1 — подвод деаэрируемой воды; 2 — отвод выпара; 3 — тарелки;4 — подвод греющего пара

Вода через верхний ряд боковых штуцеров поступает в смесительную камеру, совмещенную с водосливом. Дробление воды на струи осуществляется с помощью дырчатых тарелок, площадь отверстий в которых составляет около 8 % общей площади тарелки в плане. Приведенная плотность орошения (количество воды, поступающей в единицу времени на 1 м2 площади горизонтального сечения колонки) для деаэраторов струйного типа не должна превышать17 — 28 кг/(м2 · с) [60 — 100т/(м2 · ч)]. Применяются тарелки двух типов, устанавливаемые поочередно: с центральным проходом для пара (кольцеобразные) и с проходом по периферии (в виде сплошного круга). Расстояние по вертикали между соседними тарелками принимается 300 — 400 мм, высота борта 50 — 100 мм, диаметр отверстий 4 — 7 мм. Число каскадов тарелок зависит от начального

и требующегося конечного содержания кислорода в деаэрируемой воде и может достигать 5 — 10 шт.

Деаэраторы струйного типа наряду с преимуществами — простота конструкции и малое паровое сопротивление — имеют недостаток — сравнительно низкую интенсивность деаэрации воды. Вследствие этого колонки струйного типа имеют большую высоту (3,5 — 4 м и более), и их изготовление связано с повышенной затратой металла. При большой высоте колонок затрудняется их ремонт.

Крепление тарелок в колонках может осуществляться на кронштейнах, на подвесках (тягах), попарным скреплением приварными листами с опиранием на кольцевые выступы. Во избежание перекосов в распределении потока воды при не вполне горизонтальной установке тарелок в них делают секционирующие перегородки.

Парораспределители могут иметь различное конструктивное оформление. Помимо изображенного на рис. 15 кольцевого парораспределителя с овальными окнами или вертикальными щелями применяют также заглушенные на конце перфорированные патрубки. Последние предпочтительны, когда греющий пар перегрет.

Деаэрирующие устройства струйного типа с дырчатыми тарелками в настоящее время используются в качестве первой ступени обработки питательной воды котлов в двухступенчатых деаэраторах струйнобарботажного типа.

В деаэраторах с колонками пленочного типа необходимая поверхность контакта с паром обеспечивается расчленением потока воды на пленки, обволакивающие насадку (заполнитель), по поверхности которой вода стекает вниз. Применяется насадка двух типов: упорядоченная и неупорядоченная. Упорядоченную насадку выполняют из вертикальных, наклонных или зигзагообразных листов, а также из укладываемых правильными рядами колец, концентрических цилиндров или других элементов. Преимущества упорядоченной насадки — возможность работы с высокими плотностями орошения — 55 — 83 кг/(м2 · с) [200—300 т/(м2 ·ч)] пpи значительном подогреве воды (20 — 30 °С) и возможность деаэрации неумягченной воды. Недостаток — не равномерность распределения потока воды по насадке.

Неупорядоченная насадка выполняется из небольших элементов определенной формы, засыпаемых произвольно в выделенную часть колонки (кольца, шары, седла, омегообразные элементы), и обеспечивает более высокий коэффициент массоотдачи, чем упорядоченная насадка, но имеет большее ограничение по предельной гидравлической нагрузке.

На рис. 3 приведен разрез деаэрационной колонки повышенного давления пленочного типа с неупорядоченной насадкой.

Колонка состоит из разъемного корпуса с крышкой, водораспределителя, слоя насадки и коллектора для ввода пара. В колонке предусмотрены штуцера для ввода конденсата турбины, добавочной воды, дистиллята испарителей, греющего пара, пара от штоков клапанов турбины и

для отвода выпара. Дренаж ПВД вводится непосредственном бакаккумулятор.

Рис. 3. Деаэрационная колонка пленочного типа с неупорядоченной насадкой:

1 — греющий пар; 2 — парораспределительный коллектор; 3 — корпус; 4 — слой омегообразной насадки; 5,8,10 — патрубки перепуска выпара; 6 — основной конденсат; 7

— водораспределитель; 9 — крышка; 11 — отвод выпара; 12 — отверстие для прохода воды; 13,15 — цилиндрические перегородки; 14, 16 — горизонтальные листы; 17 — распределительнаятарелка;18 — каркас; 19 — сетка с фиксированной ячейкой; 20 — кольцо; 21 — опорная решетка; 22 — ввод пара от штоков клапанов турбины; 23 — ввод химически умягченной воды; 24 — дистиллят испарителей; 25 — элемент омегообразной насадки; 26 — развертка элемента насадки

Вверху колонки расположено водораспределительное устройство в виде закрытой кольцевой камеры прямоугольного сечения. Для перехода воды из закрытой в открытую камеру предусмотрены два прямоугольных отверстия. Когда уровень воды в открытой камере достигает верха имеющейся у нее внутренней перегородки, вода переливается на дырчатую распределительную тарелку, которая обеспечивает равномерное орошение всех элементов расположенной ниже насадки. Благодаря этому образуется развитая смоченная поверхность, благоприятствующая десорбции растворенных газов. Греющий пар, движущийся снизу вверх, омывает

поверхность насадки и барботирует воду в местах ее скопления, при этом происходят выделение газов в паровую среду и одновременный подогрев воды до температуры насыщения. Насадка засыпается на плетеную сетку с фиксированными ячейками. Сетка изготовляется из нержавеющей проволоки диаметром 3 мм и закрепляется по периферии двумя кольцами.

Слой насадки опирается на решетку, которая закреплена на кольце, приваренном к корпусу колонки. Для предупреждения выноса элементов насадки потоком пара в верхнюю часть колонки слой насадки сверху закрыт другой сеткой, прижатой к каркасу с помощью шпилек и сегментов. Каркас, не допускающий выпучивания нижней сетки, расположен внутри слоя насадки и состоит из двух концентрических обечаек с радиальными перегородками.

Пар вводится в нижнюю часть колонки через патрубки, не имеющие непосредственного контакта с корпусом, что устраняет опасность возникновения в нем недопустимых местных температурных напряжений даже при поступлении перегретого пара. Парораспределитель состоит из кольцевого короба с равномерно расположенными на нем щелевыми отверстиями.

Для равномерного отвода выпара в камере водораспределителя имеется ряд патрубков. Выпар с периферии колонки отводится через специальные трубы в смесительном устройстве, в которые свободно входят патрубки отвода выпара.

Колонки с неупорядоченной насадкой вплоть до пропускной способности 500 т/ч имеют заметное преимущество по высоте перед колонками струйного типа. При большей производительности и необходимости сопряжения колонки с баком-аккумулятором это преимущество отпадает, поскольку при допустимой плотности орошения 30 кг/(м2 · с) [110т/(м2 · ч) диаметр колонки приближается к диаметру транспортабельного бака-аккумулятора. Вследствие этого для сопряжения такой колонки с баком приходится вводить переходный патрубок, который в свою очередь требует для колонок повышенного давления установки дополнительного нижнего днища. Возможна также установка на одном баке двух колонок меньшей производительности. Пленочные деаэраторы малочувствительны к загрязнению накипью, шламом и окислами железа. При вы полнении насадки из нержавеющей стали дополнительное загрязнение воды окислами железа после деаэратора невелико.

Пленочные деаэраторы применяются для обработки подпиточной воды тепловых сетей. К недостаткам деаэраторов пленочного типа относятся:

большая чувствительность к перегрузкам, приводящим к обращенному движению воды и к гидравлическим ударам;

недостаточная удельная пропускная способность на единицу площади поперечного сечения колонки, приводящая к необходимости установки большого количества параллельных колонок на крупных энергоблоках;

неустойчивость насадочного слоя, возможность его смещения под длительным воздействием пара и воды, что приводит к гидравлическим и

тепловым перекосам, к смятию насадки, уменьшению ее удельной поверхности и к некачественной деаэрации воды.

В деаэраторах барботажного типа поток пара, который вводится в слой воды, подвергается дроблению на пузыри. Преимуществом деаэраторов барботажного типа является их компактность при высоком качестве деаэрации. Благодаря вводу пара в слой воды происходит некоторый перегрев ее относительно температуры насыщения, соответствующей давлению в паровом пространстве над поверхностью воды. Величина перегрева определяется высотой столба жидкости над барботажным устройством. При движении увлекаемой пузырьками пара воды вверх происходит ее вскипание, способствующее лучшему выделению из раствора не только кислорода, но и углекислоты, которая в деаэраторах других типов удаляется из воды не полностью.

Присутствующая в воде углекислота подразделяется на свободную (газ СО2) и связанную (бикарбонат натрия NaHCO3 и аммония NH4HCO3). Последняя сама по себе безвредна для металла пароводяного тракта ТЭС, но при высокой температуре (в котлах) она подвергается термическому разложению с выделением свободной СО2, которая вместе с паром попадает

втурбину, а оттуда проникает в регенеративную систему, растворяется в конденсате и вызывает интенсивную коррозию трубных систем регенеративных подогревателей. Борьба с углекислотной коррозией является

внастоящее время серьезной проблемой. Способность к удалению из воды СО2 и к разложению бикарбонатов считается основным преимуществом деаэраторов барботажного типа, ввиду чего этому типу деаэраторов в настоящее время отдается предпочтение при обработке питательной воды котлов.

Процесс разложения бикарбонатов усиливается с повышением температуры и давления в деаэраторе, с увеличением времени пребывания воды в аппарате и начальной концентрации бикарбонатов в исходной воде. В барботажном устройстве наряду со значительным развитием суммарной поверхности контакта фаз обеспечивается интенсивная турбулизация жидкости. Удельная поверхность контакта фаз при барботаже в зависимости

от конструкции устройства и режима его работы может достигать 670 — 1500 м2/м3. Поэтому барботажные деаэрирующие устройства обладают большей компактностью, чем устройства с дырчатыми тарелками струйного типа или пленочные устройства. Конструкции их весьма разнообразны.

Если разность давлений греющего пара и пара в деаэраторе превышает 0,1 МПа, расширение пара, подаваемого в деаэрируемую воду, следует производить в подводящих соплах, используя скорость пара на выходе из сопла для осуществления многократной циркуляции деаэрируемой воды. При 0,1 > ∆р > 0,03 МПа можно применять низконапорный барботаж деаэрируемой воды в баке-аккумуляторе через дырчатый лист, а при Ар < 0,03 МПа — незатопленное барботажное устройство в нижней части колонки, обладающее относительно низким сопротивлением по пару.

Оптимальный относительный расход пара на барботаж должен составлять для деаэраторов атмосферного давления около 20 кг, а для деаэраторов повышенного давления — 14 кг на 1т деаэрируемой воды. При повышенной начальной бикарбонатной щелочности воды 0,2 — 0,45 мгэкв/кг относительный расход пара на барботаж может быть увеличен до 25 — 30 кг/т.

Эффективность барботажных устройств снижается при значительном уменьшении удельного расхода пара. Для обеспечения глубокой деаэрации вода в деаэраторе должна подогреваться не менее чем на 10 °С, если нет возможности для увеличения расхода выпара.

Затопленные в аккумуляторных баках барботажные устройства в настоящее время не применяются из-за сложной конструкции, трудностей обслуживания и ремонта, сложности регулирования расхода пара на барботаж, необходимости иметь сторонний источник пара на барботаж или специальную защиту против заброса воды в турбину при сбросах нагрузки.

Некоторое время для крупных энергоблоков применялись струйнобарботажные деаэраторы с горизонтальными колонками, где при той же удельной нагрузке горизонтального сеченияг не увеличивая диаметра колонки, можно было обеспечить требующуюся большую пропускную способность. Их недостатками были стесненное расположение тарелок из-за ограничений по высоте и чувствительность к отклонениям от горизонтали при установке тарелок, что приводило к гидравлическим и тепловым перекосам и к ухудшению качества деаэрации.

Проведенные в дальнейшем испытания показали, что барботажные тарелки имеют большие резервы по производительности при условии их оптимальной загрузки по пару и их удельную нагрузку можно значительно увеличить без ушерба для качества деаэрации воды. Было принято решение вернуться к вертикальным колонкам, более удобным по условиям размещения в них как струйного, так и барботажного отсеков. Разработаны и испытаны новые деаэраторы со встроенными в колонку компактными барботажными устройствами, не нуждающимися в паре от постороннего источника. Поскольку барботажные устройства способны эффективно работать лишь в узком диапазоне паровых нагрузок, предложено при больших тепловых нагрузках байпасировать избыток греющего пара в зону массовой конденсации к струйному отсеку, минуя барботажное устройство. Струйный отсек в этом случае служит лишь для нагрева воды до температуры, близкой к насыщению, и для грубой предварительной ее деаэрации.

После успешных испытаний опытных деаэрационных колонок этого типа разработана колонка струйно-барботажного деаэратора ДСП-1000 для блоков мощностью 300 МВт, а горизонтальные колонки сняты с производства. В колонках ДСП-1000 (рис. 4) основная роль в процессе деаэрации возложена на барботажную ступень.

На барботажный участок подается строго оптимальное количество пара, что устанавливается автоматически с помощью гидростатически

регулируемого пароперепускного устройства. Разработаны также более крупные колонки этого же типа для энергоблоков 500, 800 и 1200 МВт.

Охладители выпара для деаэраторов атмосферного давления типа ОБА выполняются с горизонтальными U-образными трубками, а для деаэраторов повышенного давления типа ОВП (рис. 18) — с вертикальными прямыми трубками и с нижней подвешенной на трубках водяной камерой. Для ограничения расхода выпара из деаэраторов повышенного давления на линиях выпара устанавливаются шайбы. Охладители выпара выпускаются с поверхностью теплообмена от 2 до 28 м2.

Рис. 4. Схематическое устройство деаэра-ционной колонки струйно-барботажного деаэратора ДСП-1000:

1 — аккумуляторный бак деаэратора; 2 — парораспределительный коллектор с отверстиями; 3 — пароперепускное устройство; 4 — барботажная тарелка; 5 — подвод дренажа ПВД; 6 — водораспределитель; 7 — патрубки подвода воды к водораспределителю; 8 — отбойный щиток; 9 — патрубок выпара; 10 — струйная тарелка; 11 — перепускная тарелка; 12 — сливное устройство

Изображенный на рис. 5 охладитель выпара имеет поверхность 18м2. В верхней части расположена водяная камера, отделенная от паровоздушного пространства трубной доской. Нижняя водяная камера снабжена дренажной трубкой для опорожнения, выведенной за пределы корпуса через сальник. В качестве материала для трубной системы охладителей выпара применяются коррозионно-стойкие материалы (латунь или нержавеющая сталь).

Аккумуляторные баки деаэраторов выпускаются с полезной емкостью от 65 до 185м3 на рабочее давление от 0,12 до 0,7 МПа. Геометрическая