Лекции по ТМ и ВО ТЭС

емкость превышает полезную в среднем на 15 %. По нормам технологического проектирования электростанций запас воды в баках деаэраторов блочных установок должен обеспечивать питание котлов при полной нагрузке в течение 3,5 мин, а на неблочных ТЭС — 7 мин. Наружный диаметр для всех деаэраторных баков принят равным 3442 мм при толщине стенки 16мм. Баки могут иметь длину от 9 до 24 м.

Рис. 5. Охладитель выпара вертикального типа ОВП-18 для деаэраторов повышенного давления:

1 — вход охлаждающей воды; 2 — слив конденсата; 3 — слив воды; 4 — отвод газов; 5 — подвод выпара из деаэратора; 6 — отвод охлаждающей воды

При проектировании деэараторов должны учитываться требования ГОСТ. Регламентированы типоразмерные ряды деаэраторов, диапазоны изменения производительности и среднего подогрева воды, требования к качеству деаэрированной воды. Должна применяться, как правило, двухступенчатая схема деаэрации воды с барботажем во второй ступени, должна обеспечиваться деаэрация всех потоков поступающей воды, в которых могут содержаться растворенные газы. В деаэраторе не должно быть застойных зон по воде и по пару. Должна быть обеспечена вентиляция не только колонки, но и аккумуляторного бака. На всем пути между паром и

водой в деаэраторе должны обеспечиваться противоток и максимальная разность между равновесным парциальным давлением газа, соответствующим его концентрации в воде, и парциальным давлением в пространстве над водой. В каждую ступень деаэратора должно подводиться необходимое количество пара. Парциальное давление удаляемых газов должно быть минимальным. Исходные потоки воды в деаэраторе должны быть подогреты до температуры насыщения, должна быть исключена вторичная аэрация воды.

1.2. Расчет деаэраторов на тепло- и массообмен

Расчет колонки (активной зоны) деаэратора производится на номинальный и предельный режимы. Целью расчета является определение размеров активной зоны (числа отсеков), обеспечивающих удаление из раствора необходимого количества агрессивных газов (кислорода, двуокиси углерода), и получение на выходе воды с остаточной концентрацией вредных газов в растворе в пределах нормы. Поскольку тепло- и массообмен в деаэраторах являются параллельно идущими процессами и подчиняются идентичным закономерностям, причем процесс массообмена отстает во времени от процесса теплообмена, в ряде случаев расчет деаэраторов на теплообмен не производится (пленочные деаэраторы, барботажные устройства) и ограничиваются только расчетом массообмена.

Методически наиболее корректно расчет на массообмен разработан применительно к пленочным деаэраторам с насадкой. Расчетные уравнения могут быть записаны как уравнения массообмена:

а) через поверхность контакта фаз

Первая форма применяется при расчетах деаэраторов с упорядоченной насадкой, вторая — с неупорядоченной. Здесь G — количество

выделяющегося из раствора в единицу времени газа, кг/с; b1 — коэффициент запаса, принимаемый равным 1,2; F и V — поверхность и объем насадки, м2 и

м3; Cср — средний концентрационный напор в деаэраторе, мкг/кг; Kf и Kv — поверхностный и объемный коэффициенты массоотдачи в жидкой фазе, кг/(м2·с·мкг ·кг -1) и кг/(м3·с·мкг·кг -1). Оба коэффициента массоотдачи относятся к жидкостной пленке, покрывающей насадку, поскольку сопротивление массообмену паровой фазы пренебрежимо мало.

Концентрационный напор Сср является движущей силой процесса массообмена и представляет собой среднюю разность концентраций подлежащего удалению газа в жидкой фазе (в растворе) и той, которая соответствует состоянию динамического равновесия процесса массообмена с парогазовой фазой, заполняющей свободный от насадки объем колонки деаэратора. Напор рекомендуется определять, как среднелогарифмическую разность концентраций. При противотоке, когда деаэрируемая вода движется

сверху вниз, а греющий пар — навстречу воде — снизу вверх, как это обычно принято в. колонках деаэраторов, наибольшая разность концентраций

Сб = С1 - С2р будет иметь место в верхней части, а наименьшая См =

С2 - С1р — внизу колонки. Равновесные концентрации газа определяются по уравнению Генри Ср = κг pг , где κг— коэффициент растворимости газа в воде, мкг/(кг·МПа), и р2 — парциальное давление газа в паровом пространстве деаэратора, МПа.

В условиях нормального расхода выпара равновесные концентрации удаляемого газа, соответствующие его парциальному давлению в паровом объеме деаэратора как внизу, так и вверху колонки, ничтожно малы и при

расчетах Сб и См значениями С1р и С2р можно пренебречь; в таком случае, среднелогарифмический концентрационный напор

Здесь С1 и С2 — средние концентрации удаляемого газа (О2, СО2) в смеси поступающих потоков и в деаэрированной воде (последние — по нормам).

Расход греющей среды в деаэратор определяется совместным решением его уравнений материального и теплового баланса, которые в зависимости от конкретных условий могут видоизменяться, но принципиально имеют следующую структуру:

Здесь Dвх и iвх — расходы и энтальпии потоков среды, поступающих в

деаэратор, кг/с и кДж/кг; Dвых и iвых — расходы и энтальпии потоков среды, выходящих из деаэратора;

ηд ~ 0,98 ÷ 0,99 - КПД даэратора, учитывающий потери в окружающую среду.

Количество газа, подлежащего удалению из раствора в единицу

Здесь ΣDi — сумма расходов потоков воды, поступающих на водораспределитель деаэратора; Dвд — расход деаэрированной воды.

Основными геометрическими характеристиками пленочных деаэраторов с неупорядоченной насадкой являются удельная поверхность fу, м2/м3 = м -1, представляющая собой площадь геометрической поверхности элементов насадки в 1 м3 объема, заполненного ею, и относительный свободный объем Vc, или объем пустот в 1 м3 объема, заполненного

насадкой. Для обычно применяющейся в пленочных деаэраторах насадки в виде омегообразных элементов с отверстиями (см. рис. 16) fу = 194 м-1 и Vс = 0,92.

Как и в теории теплообмена, коэффициенты массоотдачи определяются опытным путем с использованием критериев подобия при обработке данных экспериментов для получения универсальных зависимостей. Некоторые из

применяющихся критериев общеизвестны, например Rеж = wж dэ/vж —

критерий Рейнольдса для жидкостной пленки; Ga = gh3/ vж 2 — критерий Галилея, где vж - кинематическая вязкость жидкостной пленки, м2/с; wж — приведенная к поперечному сечению колонки деаэратора скорость воды. В

качестве определяющих геометрических размеров здесь использованы dэ =4Fпл/Рпл = 4bδ/b = 4δ — эквивалентный диаметр насадки и h — высота слоя

насадки в колонке, где Fпл и Рпл - площадь сечения пленки и смоченный периметр насадки. Размеры b и δ показаны на рис. 6.

Рис.6. Условное изображение жидкостной пленки, стекающей по поверхности насадки пленочных деаэраторов (к определению критерия Рейнольдса):

δ —толщина слоя пленки, м; b — ширина произвольного участка поверхности насадки, м

Другие критерии подобия являются специфическими для процесса массообмена. К ним относятся Nuж' = Kf (KV)l/Дж - диффузионный критерий Нуссельта, Prж'= vж /Дж — диффузионный критерий Прандтля.

Вкачестве определяющего геометрического размера l здесь

принимается удельная поверхность fу насадки в степени минус единица. Дж

— коэффициент диффузии десорбируемого газа в воде, отнесенный к градиенту концентраций, мкг·кг·м/(м2·с·мкг) = кг/(м·с), характеризующий способность проникновения одного вещества в другое и численно равный количеству вещества, проходящего за единицу времени через единицу поверхности границы фаз при градиенте концентраций, равном единице. Коэффициент диффузии определяется опытным путем и при температуре t = 20 °С для кислорода равен Д ж 20 О2 = 2,08·10 - 6 кг/(м·с); для углекислоты

Д ж 20 О2 = 1,78 ·10 - 6 кг/(м ·с). С ростом температуры воды коэффициент диффузии увеличивается:

При получении обобщенных зависимостей для расчета массообмена в барботажных устройствах наряду с описанными выше используются специальные критерии подобия (критерии Лапласа, Маргулиса и др.).

Для расчета массообмена в деаэрационных колонках пленочного типа с упорядоченной насадкой для определения Kf , кг/(м2 ·с·мкг·кг-1) ЦКТИ рекомендует формулу

значение которой находится в зависимости от средней по высоте колонки температуры по рис. 7; D — расход воды, поступающей в колонку деаэратора, кг/с; Р -длина орошаемого периметра насадки, м; D/P —

линейная гидравлическая нагрузка насадки, кг/(м · с); hн -высота насадки, м; К1 — коэффициент перевода единиц из технической системы в систему СИ.

Рис. 7. График для определения коэффициента В в формуле (38) для расчета коэффициента массоотдачи в пленочных деаэраторах с упорядоченной насадкой

К1 = (3600)0,7/(3600·106) = 8,573 ·10 - 8.

Для расчета коэффициента массоотдачи в деаэраторах пленочного типа с неупорядоченной насадкой из омегообразных элементов с отверстиями (см.

где В1 — функция физических параметров воды, определяемая по специальному графику; U — приведенная плотность орошения колонки

деаэратора, кг/(м2·с); К2 — коэффициент перевода единиц из технической системы в систему СИ, К2 = 3,60,8 (3,6 ·109) = 0,774·10– 9.

Характер течения жидкости в деаэраторах с насадкой изменяется в зависимости от плотности потока орошения и поверхностной плотности потока пара, т. е. расхода греющего пара, приходящегося на единицу площади поперечного сечения колонки. Увеличение плотности потока

орошения (нагрузки колонки) приводит к тому, что толщина слоя пленки жидкости на насадке растет. Увеличивается турбулизация пленки, свободный объем насадки заполняется эмульсией. Дальнейшее увеличение плотности потока пара приводит к накоплению жидкости над насадкой и к обращенному ее движению. Наступает предельный режим, сопровождающийся гидравлическими ударами. Качество деаэрации воды резко ухудшается.

Предельные режимы пленочных аппаратов применительно к скрубберам химической промышленности исследовались Н. М.

Жаворонковым, предложившим соответствующий критерий (Gv). Аналогичные исследования пленочных деаэраторов с насадкой выполнены ВТИ. При обработке опытных данных для деаэраторов с насадкой из омегообразных элементов ВТИ (И. К. Гришук) получена зависимость

Здесь ж1 и ж2 — динамическая вязкость поступающей и деаэрированной воды;

Gv = Рсух/ρж — безразмерный параметр сопротивления насадки при максимально допустимой рабочей нагрузке, предложенный Н. М.

Жаворонковым; Аор — безразмерный параметр орошения, определяемый по формуле

плотность и удельный объем деаэрированной воды. Reж2 — число Рейнольдса для воды по состоянию на выходе из деаэратора, определяемое по формуле

В (3.13) vж2 — кинематическая вязкость деаэрированной воды. Удельное сопротивление сухой (неорошаемой) насадки определяется по формуле

Здесь μп и ρп — коэффициент динамической вязкости и плотность пара

перед насадкой; wп — скорость пара перед насадкой, соответствующая максимально допустимой нагрузке.

Расчеты деаэраторов струйного типа с дырчатыми тарелками производятся другим методом — поэтапно для каждого отсека между соседними тарелками, начиная с верхнего, при этом используются эмпирические зависимости, полученные ЦКТИ. Расчет является двухцелевым: определяются температура подогрева воды в каждом отсеке и соответствующее содержание в воде растворенного кислорода. Расчетные формулы не универсальны — их вид изменяется в зависимости от рабочего давления в деаэраторе и характера смывания паром струй воды (продольное, поперечное). Кроме того, имеются ограничения применимости формул по вертикальному расстоянию между соседними тарелками (по длине струй). Для расчета подогрева воды в струях, омываемых поперечным потоком пара, на базе полученного ЦКТИ критериального уравнения предложена следующая расчетная формула:

Здесь tн — температура насыщения при давлении в деаэраторе, °С; t1 и t2 — температура воды соответственно на верхней и нижней тарелках рассматриваемого отсека; wп — скорость пара, м/с.

Формула (44) применима при давлении в деаэраторе 0,15—0,8 МПа, длине l струй воды 0,18 — 0,5м, диаметре d отверстий в тарелках 0,005—

0,007 м, скорости wж истечения воды из отверстий в тарелках 0,4—1,2 м/с.

h = 0,054 ÷ 0,1 м. Коэффициент А зависит от теплофизических свойств воды и пара и принимается по графику (рис. 21) в зависимости от рабочего давления в деаэраторе.

Аналогичным путем из соответствующего критериального уравнения получена эмпирическая формула для расчета процесса удаления из воды растворенного кислорода в струйных деаэраторах с дырчатыми тарелками:

Здесь DK — расход пара, конденсирующегося в данном отсеке, кг/с; D1 — расход воды через верхнюю тарелку отсека, кг/с; Б — коэффициент, зависящий от теплофизических свойств воды и пара и определяемый по графику (рис. 8). Остальные обозначения и границы применимости формулы (16) такие же, как у формулы (15). А, Б в формулах (15) и (16) для расчета подогрева и дегазации воды в струйных деаэраторах

Рис. 8. График для определения коэффициентов

Гидродинамическая устойчивость работы непровального барботажного листа с отверстиями или с барботажными щелями обеспечивается при отсутствии провала жидкости через отверстия в листе. Режим его работы определяется скоростью пара в отверстиях листа. При незначительной скорости пара вода полностью проваливается через отверстия. При ее увеличении на листе появляется слой жидкости, при этом через одни отверстия проходит пар, через другие протекает жидкость. Полное прекращение провала жидкости наступает при скорости пара в отверстиях, называемой минимально необходимой, когда под листом образуется устойчивая паровая подушка.

Основным фактором, оказывающим влияние на значение минимально необходимой скорости пара, является его плотность ρп. Приближенно минимально необходимая скорость пара, м/с, может быть оценена по формуле

деаэраторов расчетная скорость пара в отверстиях (или щелях) барботажного листа w0 принимается в 2,5 — 4 раза выше минимально допустимой. Высота слоя воды над порогом водослива hв, м, при отсутствии барботажа определяется по формуле

2

где q = Dбарбв/b — расход воды через 1 м ширины водослива, кг/(м · с); ρж — плотность воды при температуре насыщения в деаэраторе, кг/м3; b — ширина порога барботажной тарелки, м. Далее определяется высота слоя воды на барботажной тарелке:h0 = hп + hв, где hп — высота порога барботажной тарелки (0,05 — 0,15м). Высота паровой подушки под барботажным листом определяется по формуле

Здесь σ — поверхностное натяжение воды на линии насыщения, Н/м; d

— диаметр отверстий в барботажной тарелке (или ширина щелей для прохода пара) м; ξ = 1,8 — коэффициент гидравлического сопротивления

дырчатого листа; ρп — плотность пара на линии насыщения, кг/м3.

Высота динамического слоя жидкости на барботажной тарелке, т. е. слоя, который остался бы на ней после разрушения двухфазного потока, определяется по формуле

Здесь wп — приведенная скорость пара, т. е. отнесенная к площади рабочей части барботажного листа Fраббарб, м2:

Коэффициент массоотдачи для кислорода на непровальной барботажной тарелке KFб , мкг/(м2·с·мкг·кг-1) = кг/(м2·с), определялся ЦКТИ только для деаэрации под вакуумом; из критериального уравнения получена следующая расчетная формула:

В формуле (51) скорость течения воды по барботажному листу

wж= q/(hдρж)

Количество удаляемого из раствора в единицу времени в барботажном устройстве газа С =(Сб1 - Со2) Обарбв. Среднелогарифмический концентрационный напор Сср определяется по формуле (3). После этого может быть найдена необходимая рабочая площадь барботажного листа, м2:

Лекция №8

1. Испарительные установки

1. Типы испарителей

На тепловых электростанциях применяются в основном испарители поверхностного типа, в которых вторичный пар генерируется из химически обработанной воды. Этот пар либо отпускается внешним потребителям (при этом конденсат греющего пара, отбираемый из турбины, сохраняется в цикле электростанции, а испаритель выполняет функцию паропреобразователя), либо конденсируется в конденсаторе испарителя и в виде дистиллята вводится в цикл, восполняя потери рабочего тела.

Согласно ГОСТ испарители имеют вертикальное исполнение с одноили двухступенчатыми устройствами для промывки пара и сепаратором.

Все испарители выполняются по единой конструктивной схеме и маркируются буквой И с указанием поверхности теплообмена, например И- 250 или И-1000. Основными узлами испарителя (рис. 1) являются корпус,

греющая секция, паропромывочные устройства, водораспределительные устройства, жалюзийный сепаратор.

Рис. 1. Общий вид испарителя поверхностного типа:

1 — корпус; 2 — греющая секция; 3 — подвод греющего пара; 4 — паропромывочный дырчатый лист: 5 — водораспределительное устройство; 6 — жалюзийный сепаратор; 7

— опускные трубы: 8 — отвод конденсата греющего пара

Работа испарителя протекает следующим образом: первичный пар поступает в греющую секцию и, проходя в межтрубном пространстве, конденсируется на наружной поверхности труб. Конденсат пара стекает по трубам на нижнюю трубную доску греющей секции и отводится из нее. Питательная (химически очищенная) вода поступает через регулирующий клапан в водораспределительное устройство над паропромывочным дырчатым листом, откуда по опускным трубам сливается в нижнюю часть корпуса и заполняет корпус и трубки греющей секции. За счет теплоты конденсации первичного пара происходит испарение части воды в трубках, где образуется пароводяная смесь. Таким образом, в трубках греющей секции создается подъемное движение воды, а в кольцевом зазоре между корпусом и греющей секцией — опускное, т. е. осуществляется естественная циркуляция жидкой фазы. Образовавшийся (вторичный) пар, пройдя через слой воды над греющей секцией, поступает в паровое пространство испарителя, проходит через слой промывочной воды над одним или двумя паропромывочными листами, жалюзийный сепаратор и отводится из испарителя.

Для обеспечения устойчивой естественной циркуляции и уменьшения выбросов капельной влаги в паровое пространство уровень воды в корпусе поддерживается выше верхней трубной доски греющей секции на 150— 200мм.

Корпус испарителя выполняется сварным из листовой стали, трубки греющей секции — из углеродистой стали (сталь 20), желюзийный сепаратор