8.2. Деаэраторы

Внутренняя коррозия стальных трубопроводов и оборудования в основном вызывается растворенными в воде газами: кислородом О₂ и диоксидом углерода СО₂. Особенно высокую коррозийную активность имеет кислород в присутствии углекислоты, которая в этом случае играет роль коррозийного катализатора.

Коррозийная активность агента характеризуется коррозионным коэффициентом К:

, (8.1)

где М_{м -}масса металла, переведенного в продукт коррозии, кг;

М_к.а - масса коррозионного агента.

При наличии в воде растворенного кислорода и диоксида углерода процесс коррозии железа описывается следующими формулами:

Fe + 2CO₂ + 2 H₂O = Fe (HCO₃)₂ + H₂ ; (8.2)

4Fe (HCO₃)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃ + 8CO₂ . (8.3)

В процессе реакции каждая молекула растворенного кислорода переводит в продукт коррозии четыре молекулы железа.

Коррозийный коэффициент кислорода при этой реакции

К_О2 = 4Fe /O₂ = 4 × 56/32 = 7.

При отсутствии в воде растворенного диоксида углерода реакция проходит в виде

4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4 Fe(OH)₃ . (8.4)

Коррозийный коэффициент кислорода при этой реакции

К_О2 = 4Fe /O₂ = 4 × 56/3 × 32 = 2,34,

т.е. в 3 раза меньше, чем в присутствии растворенного диоксида углерода.

Коррозионная активность СО₂ в отсутствии растворенного кислорода значительно ниже. Реакция проходит по (8.2), а коррозионный коэффициент углекислоты

К_СО2 = Fe /2СO₂ = 56/2 × 44 = 0,64,

т.е. в 2,74 раза меньше, чем кислорода в отсутствии СО₂ , и в 11 раз меньше, чем кислорода в присутствии СО₂ .

В соответствии с законом Генри содержание газа в воде пропорционально его парциальному давлению в парогазовой смеси над водой, мг:

С^в_г = j × р _г = j (р - р _{Н 2О}) , (8.5)

где j - коэффициент растворимости газа в воде, мг/кг×бар;

p_г -парциальное давление газа в парогазовой смеси над водой, бар;

р - полное давление парогазовой смеси над водой, бар;

p _{Н 2О} - парциальное давление водяных паров, бар.

Коэффициент j показывает, сколько миллиграмм газа растворяется в 1 кг воды при парциальном давлении газа в парогазовой смеси над водой, равном 1 бар. Коэффициент j приведен в табл. 8.7.

Парциальное давление водяных паров увеличивается с ростом температуры воды и максимально при температуре ее насыщения t _нас . Именно поэтому растворимость газов в воде минимальна при температуре насыщения воды. При увеличении давления воды температура насыщения растет. Рост давления воды способствует увеличению растворимости газов при любой температуре воды, в том числе и при температуре насыщения. Растворимость многих газов в воде минимальна при температуре около 100 ^оС.

Таблица 8.7. Коэффициенты растворимости газов в воде

в зависимости от температуры воды

Температура воды, оС	Кислород, О2	Азот, N2	Углекислый газ, СО2
0	68,3	29,15	3 385
5	60,4	25,8	2 755
10	53,55	23,05	2 335
15	48,5	20,8	1 990
20	43,65	19,05	1 710
25	39,9	17,75	1 470
30	36,8	16,4	1 295
35	34,35	15,5	1 150
40	32,55	14,7	1 040
50	29,45	13,45	846
60	27,45	12,65	734
70	25,8	12,15	642
80	24,8	11,95	571
90	24,25	11,85	509
100	24,05	11,75	459

Присутствие газов в воде может привести к эксплуатационным затруднениям. Неконденсирующиеся газы (азот, кислород, углекислый газ ) затрудняют теплообмен при конденсации пара. Кислород и углекислый газ способствуют коррозии металлов. Для подогрева воды и удаления из нее газов предназначена деаэрация.

Деаэрация питательной воды в термических деаэраторах основана на том, что растворимость газов в воде при постоянном давлении уменьшается с повышением температуры и становится близкой к нулю при температуре насыщения, соответствующей данному давлению, над водой. Создание над водой парового пространства, лишенного газов, является важным условием деаэрации воды. Осуществляется это с помощью отсасывающего насоса или эжектора. Следовательно, процесс деаэрации обеспечивается при поддержании заданного значения давления пара и, соответственно, температуры кипения воды и благодаря непрерывному удалению выделяющихся из воды газов.

Для нормальной работы деаэратора необходимы:

- стабилизация давления и уровня воды в нем;

- работа при температуре, приближенной к температуре насыщения, или с минимальным недогревом;

- необходимый расход выпара.

Косвенным показателем нормальной работы деаэратора на натрий-катионированной воде является получение деаэрированной воды с величиной рН не менее 8,5.

Деаэраторы воды являются эффективными смешивающими подогревателями, они служат также для подогрева основного конденсата, а деаэраторный бак является емкостью для сбора и хранения питательной воды. Деаэраторы классифицируются по рабочему давлению и по способу создания поверхности контакта деаэрированной воды с греющим паром.

Схема деаэрационной установки представлена на ри.8.6.

В зависимости от давления термические деаэраторы делятся на вакуумные (тип ДВ, рабочее давление 0,0075 ¸ 0,05 МПа, температура насыщения 70¸90 ^оС), атмосферные (тип ДА; 0,12 МПа, 104 ^оС), повышенного давления (тип ДП; 0,06 ¸ 0,07 МПа, 158¸167 ^оС ).

По способу создания поверхности контакта фаз деаэраторы подразделяются на струйные, пленочные и барботажные. Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей нормируется содержание в воде растворенного кислорода, мкг/кг.

Вакуумные деаэраторы применяются в том случае, когда требуется деаэрировать воду при температуре ниже 100^оС (подпиточная вода тепловых сетей).

Для этой цели применяются струйно-барботажные вертикальные вакуумные деаэраторы производительностью

5-300 т/ч, разработанные АО НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова.

Техническая характеристика вакуумных деаэраторов представлена в табл. 8.8. В них в качестве теплоносителя используется пар или перегретая вода.

Таблица 8.8. Технические характеристики вакуумных деаэраторов

Наименование параметра	Значение параметра
Рабочее давление, МПа (кгс/см2)	0,016-0,05 (0,16 ¸ 0,5)
Температура, оС:
- деаэрированной воды	55 - 80
- теплоносителя	90 – 180
Средний нагрев воды в деаэраторе, оС	15 - 25
Пробное гидравлическое давление, МПа	0,3
Допускаемое повышение давления при работе защитного устройства, МПа	0,17

Рис. 8.6. 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; 14 - основной конденсат; 15 - парораспределитель; 16 - регулятор давления пара в деаэраторе; 17 - греющий пар; 18 - регулятор перелива (у деаэратора повышенного давления); 19 - клапан регулятора перелива; 20 - слив воды из деаэратора; 21 - барботажное устройство

Вертикальный вакуумный деаэратор этого типа компонуется с охладителем выпара поверхностного типа.

На рис. 8.7 приведена принципиальная схема двухступенчатого вакуумного деаэратора (ДСВ) системы НПО ЦКТИ. Благодаря наличию в этом деаэраторе двух ступеней дегазации - струйной и барботажной - обрабатываемая вода освобо­ждается не только от кислорода, но и от свобод­ного диоксида углерода. Холодная вода, направ­ляемая после химводоочистки на деаэрацию, подводится по трубе 1 к распределительному коллектору 2, а из него на первую дырчатую та­релку 3. При больших расходах вода с первой та­релки 3 перепускается через короб 4 на третью тарелку 6. Вода, прошедшая через отверстия первой тарелки, попадает на вторую тарелку 5. Первые две тарелки 3 и 5 являются, по существу, охладителями выпара. Третья тарелка 6 является основной. С третьей тарелки вода попадает на четвертую тарелку 7, а затем на барботажный лист 8. После обработки на барботажном листе 8 деаэрированная вода отводится из деаэратора через канал 13 и патрубок 9.

Рис.8.7. Принципиальная схема двухступенчатого

вакуумного деаэратора системы НПО ЦКТИ

Греющая среда - пар или горячая вода - подводится в деаэратор через патрубок 10 в от­сек 11. При входе в отсек 11 горячая вода вскипа­ет, и поток с помощью жалюзи 12 разделяется на пар и воду.

Выделившийся при вскипании воды или под­веденный извне греющий пар поступает под барботажный лист 8, а вода сливается по внутрен­ней поверхности корпуса деаэратора и по каналу 13 поступает в смеси с деаэрированной водой в отводящий патрубок 9.

Проходя сквозь отверстия барботажного лис­та 8 и слой воды на нем, пар нагревает воду прак­тически до температуры кипения при давлении в деаэраторе.

Пар, прошедший сквозь барботажный лист, пересекает струи воды, сливающиеся с тарелки 7 на барботажный лист, частично конденсируется и нагревает воду, а затем поступает в отсек меж­ду тарелками 6 и 7. В этом отсеке происходит ос­новная конденсация пара и нагрев воды до темпе­ратуры, близкой к температуре кипения при дав­лении в деаэраторе. Затем пар проходит последо­вательно через отсеки между тарелками 5 и 6 и далее между тарелками 3 и 5 и практически полностью конденсируется. Неконденсирую­щийся газ отсасывается эжектором из деаэратора по трубе 15. В том случае, когда высота паровой подушки под барботажным листом 8 превышает расчетную (обычно 200 мм), включается в работу перепускной короб 14, по которому пар пускает­ся в струйный отсек между тарелками 6 и 7.

Для отсоса выделяющихся из воды газов применяются водо- или пароструйный насос-эжектор.

В атмосферных деаэраторах поддерживается небольшой избыток внутреннего давления над атмосферным, примерно 0,02 МПа, необходимый для эвакуации выделяющихся газов в атмосферу. Деаэраторы типа ДА применяются для обескислороживания добавочной и питательной воды котлов низкого, среднего и высокого давления, питательной воды испарителей и подпиточной воды тепловых сетей.

Широкое распространение получила двухступенчатая струйно-барботажная схема деаэрации. Деаэрируемая вода сначала проходит струйную фазу деаэрации, применяемую в обычных деаэраторах со смешивающими колонками струйного типа, а затем барботаж, т.е. продувку греющим паром массы воды в питательном баке.

Техническая характеристика деаэраторов атмосферного давления представлена в табл. 8.9.

Деаэраторы типа ДП применяются для обработки питательной воды энергетических котлоагрегатов с начальным давлением пара 10 МПа и выше. Применение деаэраторов повышенного давления позволяет устанавливать не более трех ПВД при более высокой температуре регенерированного подогрева питательной воды.

Высота установки деаэратора регламентирована, она определяется условиями создания антикавитационного запаса и предотвращения кавитации в питательных насосах.

Деаэраторы оснащаются регуляторами уровня и давления (рис.8.8), а деаэраторы с давлением выше атмосферного, кроме того, регуляторами перелива. В деаэраторе необходимо поддерживать постоянное давление независимо от тепловой и гидравлической нагрузки для обеспечения постоянства теплового режима деаэрации.

Основным по величине нерегулируемым потоком в деаэратор является конденсат турбин. Работа турбогенератора с переменной нагрузкой вызывает изменение расхода и теплосодержания основного конденсата. Кроме того, на изменение температуры питательной воды оказывает влияние изменение расходов и теплосодержаний дренажей подогревателей, баков, расходов очищенной воды и др.

Рис.8.8. Схема регулирования деаэраторной установки: 1– регулятор уровня; 2 – регулирующий клапан на трубопроводе добавочной воды; 3– регулятор давления пара; 4– регулирующий клапан на паропроводе; 5– питательные насосы; 6– соединяющий паропровод (перемычка); 7– соединяющий трубопровод по воде; I – вода из химводоочистки или из испарителя; II конденсат из ПНД-4; III – пар из отборов турбины; IV – конденсат в ПВД-5

При этом давление пара в головке деаэратора должно поддерживаться постоянным. В ряде случаев для поддержания постоянного давления в деаэраторе может потребоваться значительное прикрытие регулирующего клапана вплоть до закрытия.

Обычно на станции устанавливаются несколько деаэраторов, включенных по воде и пару параллельно.

3. Насосы

8.3.1. Режимы и регулирование подачи насосов

В теплоэнергетике для перекачки воды применяются лопастные насосы (центробежные, осевые и реже вихревые), для перекачки масла – центробежные и ротационные (шестеренчатые и винтовые), для перекачки мазута – лопастные и объемные (поршневые). Плунжерные насосы используются для дозировки реагентов в водоподготовительных установках. Струйные эжекторные насосы применяются для отсоса воздуха из конденсаторов турбин, струйные насосы (элеваторы) используются в качестве смесительных устройств в системах теплоснабжения.

Напор Н, создаваемый насосом, расходуется на преодоление сопротивления гидравлической сети Н_с, определяемого по формуле

, (8.6)

где – повышение давления (напора);

– изменение кинетической энергии потока;

DН – сумма гидравлических потерь.

Насос обладает определенной формой напорной характеристики V-H, мощности V-N и КПД V-hh, определяемых опытным путем.

На рис. 8.9 представлен график совместной работы насоса и трубопроводной сети. В установившемся режиме при работе насоса на заданную сеть Н = Н_с ; V = V_c , т.е. напор Н, создаваемый насосом, равен сопротивлению сети Н _с; подача насоса V равна расходу в сети V_c . Т. А определяет режим работы системы и рабочие параметры V и H. Положение т. А в системе с данным насосом может изменяться в зависимости от формы и положения характеристики системы.

Рис.8.9. График совместной работы насоса и трубопроводной

сети

Вакууметрическая высота всасывания, м, характеризует вакуум на входе в насос:

. (8.7)

Допустимая высота всасывания Н _г^доп определяется из условия отсутствия явления кавитации, вызываемого вскипанием жидкости при . Кавитация – это гидродинамическое явление в насосе, зависящее от его гидродинамических характеристик и физических свойств подаваемой жидкости, приводящее к разрушению внутренних подвижных и неподвижных частей насоса.

Для обеспечения бескавитационной работы насоса необходимо иметь кавитационный запас, равный превышению напора на входе над напором Н_нас = Р_нас / pg , определяемым давлением насыщенного пара при температуре жидкости, перемещаемой насосом, и приведенным к центру тяжести входного сечения насоса:

. (8.8)

Величина кавитационного запаса, обеспечивающего режим работы насоса без изменения его основных параметров, называется допускаемым кавитационным запасом энергии всасывания Н^доп_кав .

Для обеспечения бескавитационной работы насосов, подающих жидкости при высокой температуре (питательные, конденсатные и др. насосы), необходимо иметь на входе в насос геометрический подпор над осью насоса;

Н _под ³ Н^доп_кав ,

Допустимый кавитационный запас

Н^доп_кав = А× Н^крI_кав, (8.9)

где А – коэффициент запаса, зависящий от типа и условий работы (А=1,15¸ё1,3);

Н^крI_кав – кавитационный запас, соответствующий первому критическому режиму кавитации (началу снижения параметров насоса). По С.С. Рудневу минимальный кавитационный запас энергии на всасывании

, (8.10)

где С – постоянная, зависящая от конструкции насоса (С=800¸ё1000);

n – частота вращения, об/мин;

V – объемная подача, м³/с.

Для лопастных насосов допустимая высота всасывания (от уровня жидкости в приемном резервуаре до оси насоса), м,

, (8.11)

где d₁ – средний диаметр входных кромок рабочих лопастей, м;

Dр _вс – сопротивление всасывающего трубопровода, Па.

Допустимая высота всасывания питательных и конденсатных насосов отрицательна (р_а»р _нас), т.е. они расположены ниже уровня жидкости в приемном резервуаре и работают с подпором.

Обеспечение требуемой подачи возможно изменением числа работающих машин (ступенчатое регулирование), воздействием на характеристики сети или характеристики насоса.

При длительном изменении нагрузки подачу регулируют путем изменения числа параллельно включенных насосов. Наиболее простым способом воздействия на характеристику системы является дросселирование. Дросселирование осуществляется задвижкой, устанавливаемой в непосредственной близости от насоса на напорном трубопроводе (рис 8.10).

Мощность, затрачиваемая в дросселе, кВт,

. (8.12)

Регулирование дросселированием наиболее целесообразно применять для насосов с пологой напорной характеристикой, так как потери в дросселе в этом случае наименьшие при увеличении глубины регулирования.

Рис. 8.10. График дроссельного регулирования нагнетателя

(насоса)

Дросселирование на всасывающем трубопроводе не рекомендуется из-за опасности возникновения кавитации. Для осевых насосов такой способ регулирования недопустим, поскольку он вызывает увеличение потребляемой мощности. В этом случае вместо дросселирования экономически выгодно применять регулирование перепуском (рис.8.11).

Рис. 8.11. Регулирование перепуском (байпасированием):

а- график; б -схема

Примечание: V^’₁ = V₂ -V _Б.

Воздействие на характеристику машины возможно cледующими способами:

а) путем изменения частоты вращения ротора двигателя, что наиболее рационально при условии, что двигатель допускает изменение частоты вращения без заметного снижения КПД (электродвигатели постоянного тока, паровые турбины, частотнорегулируемый электропривод с использованием преобразователей частоты на силовых модулях) (рис. 8.12);

б) изменением частоты вращения ротора насоса посредством гидро- или электромагнитных муфт, которые применяют в установках питательных насосов и дымососов; недостатком таких муфт является сложность конструкции и изготовления;

в) путем установки поворотных направляющих лопастей перед рабочим колесом, что оказывается эффективным для насосов с высоким значением n_s;

г) путем поворота рабочих лопастей (этот способ применяется в осевых насосах с возможностью поворота лопастей на ходу; по эффективности он уступает только регулированию при изменении частоты вращения ротора двигателя).

Рис.8.12. Регулирование изменением частоты вращения

8.3.2. Устойчивость работы лопастных насосов

Лопастные насосы всегда работают с пульсациями, обусловленными специфическими свойствами их рабочих процессов. Некоторые колебательные процессы неизбежно возникают и в сети.

Областью устойчивости работы называют ту часть характеристики, в пределах которой после нанесения возмущения (в системе насос-сеть) снова устанавливается исходный режим работы. Граница устойчивой работы зависит от формы характеристики насоса, свойств сети (наличия или отсутствия аккумулирующей способности), формы характеристики сети и значения возмущения.

При определенных соотношениях энергетический баланс между насосом и системой может иметь место не в одной рабочей точке, а в двух (рис. 8.13), причем условия работы в этих точках будут различными.

В точке В режим работы неустойчив, т.к. возмущение в сторону увеличения или уменьшения подачи воды может привести к колебаниям подачи и напора, сопровождающимся гидравлическими ударами. Вследствие этого работать на восходящей ветви характеристики не рекомендуется. Если система имеет характеристику, при которой Н^/_cт1 < < Н₀, то работа насоса на восходящей ветви кривой Н = f (V) может быть устойчивой (точка Е).

Режим работы в т. А устойчив, т.к. после нанесения возмущения (т.А’ или т.А^’’ ) равновесие в системе насос-сеть восстанавливается в т. А. Таким образом, работа насоса в системе будет устойчива, если выполняются условия d (DH)/ dV > 0 и dH_c / dV > dH/dV, что наблюдается на нисходящей ветви характеристики.

При наличии в сети аккумуляторов энергии (паровой подушки в котле, длинных упругих трубопроводов) амплитуда колебаний при нарушении равновесия может достигнуть больших значений и работа насоса вблизи точки максимума напорной характеристики (т. С) может быть неустойчивой. Возникает помпаж, т.е. явление автоколебаний в системе насос-сеть.

Рис. 8.13. График, поясняющий возникновение помпажа и устойчивость работы насоса в системе: I - помпажная зона; II - зона устойчивой работы

При работе питательного насоса ТЭС (рис. 8.14) в случае повышения давления в котле характеристика сети эквидистантно перемещается до предельного значения (т.С сети II на рис. 8.13).

При дальнейшем повышении давления режим работы насоса скачкообразно переместится в зону отрицательных подач, и при отсутствии обратного клапана жидкость из котла пойдет через насос. Давление в котле будет падать, и, когда характеристика сети достигнет значения, соответствующего напору холостого хода насоса, произойдет скачкообразный переход режима работы насоса в зону положительных подач. Этот процесс может многократно повторяться.

Рис.8.14. Расчетная схема питания котлоагрегата водой: 1- питательный насос; 2 -деаэратор; 3 - барабан котла; 4 - экономайзер; 5 - подогреватель высокого давления; 6 - обратный клапан; 7 - задвижка; 8 - коллектор всасывания; 9 - коллектор нагнетания; 10 - питательная магистраль

Работа насоса в условиях помпажа не допускается при эксплуатации. При наличии западающего участка характеристики предотвратить или уменьшить помпаж можно применением обратных клапанов с линией рециркуляции, обеспечивающих работу насоса в системе с подачей V> V_н.макс. Если время закрытия обратного клапана меньше 1/4 периода колебания давления в системе, то помпаж практически не возникает.