3.4. Деаэраторные баки

Конструкции деаэраторных баков атмосферных деаэраторов, как и конструкции деаэрационных колонок, во многом унифицированы. Полезный объем деаэраторного бака определяется номинальной производительностью деаэрационной колонки, однако при наличии технологической необходимости возможна установка деаэрационной колонки на баке большего объема (табл. 3.10) [36, 38, 71]. Деаэраторными баками комплектуются деаэраторы производительностью от 5 т/ч и более.

Таблица 3.10. Принадлежность деаэраторных баков деаэрационным колонкам различной производительности

Номинальная производительность деаэрационной колонки, т/ч	Стандартная полезная емкость деаэраторного бака, м3	Увеличенная полезная емкость деаэраторного бака, м3
5	2	4 или 8*
15	4	8
25	8	15
50	15	25
100	25	35** или 50
200	50	–
300	75	–

* Для деаэрационной колонки производительностью 5 т/ч может использоваться бак полезной емкостью 8 м³, причем ОАО «Бийский котельный завод» и ЗАО «Теплоэнергокомплект» выпускаются модели с одной деаэрационной колонкой (ДА-5/8) и двумя деаэрационными колонками (ДА-10/8)

** Деаэраторный бак полезной емкостью 35 м³ не принадлежит стандартному ряду типоразмеров, разработан ОАО «Сарэнергомаш»

Конструктивно деаэраторные баки представляют собой горизонтально расположенные цилиндрические сосуды с эллиптическими, реже коническими, днищами, устанавливаемые на двух опорах. Причем для баков полезной емкостью 25 м³ и более одна из опор является подвижной (роликовой), обеспечивающей компенсацию температурных расширений бака при пусках и остановах деаэратора. Баки полезной емкостью 8 м³ и более оборудуются специальными поясами, обеспечивающими требуемую жесткость корпуса.

Колонки сочленяются с деаэраторными баками, как правило, с помощью сварки. В конструкциях современных деаэраторов колонка располагается около одного из торцов деаэраторного бака, отвод деаэрированной воды из бака осуществляется со стороны противоположного торца. Этим достигается максимально возможное при заданных геометрических характеристиках время выдержки воды в деаэраторном баке при температуре, близкой к температуре насыщения, и соответственно наибольшая эффективность деаэрации.

Деаэраторные баки оборудуются люком, обеспечивающим доступ внутрь бака его для осмотра и ремонта, а также осмотра и ремонта нижних устройств деаэрационной колонки, штуцерами для подключения предохранительно-сливного устройства по пару и воду (последний монтируется внутри бака и оканчивается переливной воронкой, высота расположения верхней кромки которой определяет предельный уровень воды в баке). Предусмотрены штуцеры для подключения деаэратора к паровой и водяной уравнительным линиям, необходимым при параллельной работе нескольких деаэраторов, штуцер отвода деаэрированной воды, подвода основного и барботажного пара, дренажный штуцер, а также ряд штуцеров для сброса высокопотенциальных потоков, температура которых больше, чем температура насыщения при рабочем давлении в деаэраторе, или ввода потоков уже деаэрированной воды. Если перегретые относительно температуры насыщения в деаэраторе потоки направить не в деаэраторный бак, а в деаэрационную колонку, то образующийся при их вскипании пар может нарушить нормальную вентиляцию парового пространства деаэратора, что, в свою очередь, приведет к ухудшению эффективности деаэрации воды.

Общий вид и основные геометрические характеристики деаэраторных баков различной полезной вместимости приведены на рис. 3.8 – 3.15, экспликация присоединительных штуцеров этих баков по рис. 3.8 – 3.15 – в табл. 3.11 [36, 38, 71]. Необходимо отметить, что выпускаемые различными заводами модификации деаэраторных баков одной и той же полезной вместимости несколько отличаются друг от друга, например, геометрическими характеристиками, числом и расположением присоединительных штуцеров и их диаметром. В табл. 3.11 приведены условные диаметры штуцеров при комплектовании деаэрационных колонок деаэраторными баками стандартной полезной емкости. Если на бак устанавливается колонка меньшей производительности (см. табл. 3.10), то диаметры штуцеров, обозначенных буквами А, Б, В, Д, Е, С и У, следует принимать как для бака следующей меньшей полезной емкости.

Технические характеристики деаэраторных баков приведены в табл. 3.12 [36, 38, 71].

Рис. 3.8. Общий вид деаэраторного бака полезной емкостью 2 м³: А – штуцер под деаэрационную колонку; Б – штуцер подключения предохранительно-сливного устройства по пару; В – штуцер подвода основного пара; Г – дренажный штуцер; Д – штуцер отвода деаэрированной воды; Е – штуцер подключения предохранительно-сливного устройства по воде; Ж – штуцеры для подключения указателя уровня; С – штуцер для сброса от сепаратора непрерывной продувки котла; Т – штуцер для ввода питательной воды из линии рециркуляции питательных насосов; У – штуцер ввода перегретых конденсатов; Ф – штуцер для ввода паровоздушной смеси из парового пространства подогревателей; Ц – штуцер подвода пара к затопленному барботажному устройству деаэраторного бака

Рис. 3.9. Общий вид деаэраторного бака полезной емкостью 4 м³: обозначения те же, что на рис. 3.8

Рис. 3.10. Общий вид деаэраторного бака полезной емкостью 8 м³: обозначения те же, что на рис. 3.8

Рис. 3.11. Общий вид деаэраторного бака полезной емкостью 15 м³: обозначения те же, что на рис. 3.8

Рис. 3.12. Общий вид деаэраторного бака полезной емкостью 25 м³: Ч – резервный штуцер; прочие обозначения те же, что на рис. 3.8

Рис. 3.13. Общий вид деаэраторного бака полезной емкостью 35 м³: обозначения те же, что на рис. 3.8

Рис. 3.14. Общий вид деаэраторного бака полезной емкостью 50 м³: Ч – резервный штуцер; прочие обозначения те же, что на рис. 3.8

Рис. 3.15. Общий вид деаэраторного бака полезной емкостью 75 м³: Ч – резервный штуцер; прочие обозначения те же, что на рис. 3.8

Таблица 3.11. Экспликация присоединительных штуцеров деаэраторных баков

Наименование присоединения	Условный диаметр штуцера, мм, для деаэраторных баков полезной вместимостью, м3
	2	4	8	15	25	35	50	75
А – присоединение деаэрационной колонки	500	500	800	1000	1200	1200	1400	1800
Б – подключение предохранительно-сливного устройства по пару	80	80	80	150	200	200	250	300
В – подвод основного пара	100	150	150	200	250	250	600	600
Г – дренаж	50	50	50	50	50	80	80	80
Д – отвод деаэрированной воды	80	100	100	150	200	150	250	250
Е – подключение предохранительно-сливного устройства по воде	80	80	80	100	150	150	150 или 200*	150 или 200*
Ж – подключение указателя уровня (4 штуцера)	20	20	20	20	20	20	20	20
С – сброс от сепаратора непрерывной продувки котла	32	32	50	65 или 70*	100	–	150	200
Т – ввод питательной воды из линии рециркуляции питательных насосов	25	25	32	50	50	50	50	80
У – ввод перегретых конденсатов	50	50	65 или 70*	65 или 70*	100	–	200	250
Ф – ввод паровоздушной смеси из парового пространства подогревателей	20	20	20	20	50	–	50	50
Ц – подвода пара к затопленному барботажному устройству	32 или 50*	50 или 100*	70 или 150*	100 или 150*	150 или 200*	200	150	150
Ч – резерв	–	–	–	–	125	–	150	200
Люк-лаз	800 или 500*	800 или 500*	800 или 500*	800 или 500*	800 или 500*	500	800 или 500*	800

* В зависимости от завода-изготовителя

Таблица 3.12. Технические характеристики деаэраторных баков

Показатель, единица измерения	Значение показателя для деаэраторных баков полезной вместимостью, м3
	2	4	8	15	25	35	50	75
1. Геометрический объем, м3	2,8	4,5	9,2	17,5	28,0	41,2	53,5	77,5
2. Рабочее давление, МПа	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12	0,12
3. Рабочая температура, оС	104,25	104,25	104,25	104,25	104,25	104,25	104,25	104,25
4. Пробное давление гидроиспытаний, МПа	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3
5. Максимальное давление при срабатывании предохранительно-сливного устройства, МПа	0,17	0,17	0,17	0,17	0,17	0,17	0,17	0,17
6. Масса без воды, кг	900 или 1100*	1250 или 1395*	2400 или 2565*	3500 или 3720*	5200или 5072*	7048	10300 или 9727*	14700

* В зависимости от завода-изготовителя

Как видно из приведенных характеристик, все деаэраторные баки выпускаются со штуцером подвода барботажного пара к затопленному барботажному устройству.

Несмотря на то, что современные атмосферные деаэрационные колонки имеют две ступени деаэрации: струйную и барботажную, – в ряде случаев добиться требуемого химического качества деаэрированной воды во всем регулировочном диапазоне гидравлических и тепловых нагрузок деаэратора не удается. Это может быть вызвано различными причинами: использованием греющего пара с большим содержанием кислорода и особенно углекислоты; появлением отложений на струйных тарелках и, как следствие, нарушением гидродинамических условий работы аппарата; дефектами внутренних элементов деаэрационной колонки; использованием непроектной схемы установки (например, как отмечено выше, в деаэрационных колонках КДА-200м и КДА-300м в большинстве случаев подача пара в барботажный коллектор не организуется в силу ряда сложностей) и пр. Нарушение химического качества деаэрированной воды характерно для установок, работающих при резко переменной гидравлической нагрузке (такие режимы характерны для установок деаэрации технологических вод, например, в металлургии).

Опыт эксплуатации атмосферных деаэрационных установок показывает, что независимо от причины ухудшения эффективности деаэрации воды, использование парового барботажа в водяном объеме деаэраторного бака позволяет эту эффективность повысить.

Даже если деаэрационная колонка обеспечивает требуемое качество деаэрированной воды, то барботажное устройство деаэраторного бака работает как барьерное, уменьшающее вероятность проскока в деаэрированную воду растворенных газов и расширяющее допустимый диапазон изменения гидравлической и тепловой нагрузок деаэратора при сохранении требуемого качества деаэрированной воды. В этом случае паровой барботаж в деаэраторном баке обеспечивает некоторый перегрев воды относительно температуры насыщения и тем самым защищает воду от повторного заражения газами.

Кроме того, необходимо помнить, что оставшаяся в воде после деаэрационной колонки часть газов содержится в дисперсной форме и представляет собой множество мельчайших газовых пузырьков, размеры которых настолько малы, что не обеспечивают их самостоятельного всплытия за счет действия выталкивающей силы. В деаэраторе без барботажа в водяном объеме бака эти пузырьки попадут в деаэрированную воду. Паровой барботаж, обеспечивающий интенсивное перемешивание и турбулизацию объема воды в баке, способствует выделению из воды части газов, находящихся в дисперсной форме, повышая эффективность деаэрации в целом.

Таким образом, затопленное барботажное устройство деаэраторного бака часто оказывается необходимым даже при использовании современных двухступенчатых деаэрационных колонок. Рассмотрим конструктивные схемы наиболее распространенных барботажных устройств деаэраторных баков.

Чаще других, особенно в деаэраторах устаревших конструкций, используется барботажное устройство системы НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова (рис. 3.16) [2–4].

Рис. 3.16. Конструктивная схема затопленного барботажного устройства системы ЦКТИ: 1 – деаэраторный бак; 2 – деаэрационная колонка; 3 и 4 – потоки воды, направляемой на деаэрацию; 5 и 15 – секционирующие перегородки деаэраторного бака; 6 – трубопровод ввода барботажного пара; 7 – паровая коробка барботажного устройства; 8 – барботажный лист; 9 – канал для прохода воды; 10 – штуцер отвода деаэрированной воды; 11 – верхний щит; 12 – боковые щиты; 13 – секционирующие перегородки барботажного устройства; 14 – пароперепускные окна; 16 – штуцер ввода основного пара; 17 – штуцер ввода перегретого конденсата; 18 – штуцер отвода выпара

Барботажное устройство располагается в нижней части деаэраторного бака 1 со стороны, противоположной торцу, над которым установлена деаэрационная колонка 2. В деаэрационную колонку 2 подаются потоки воды 3 и 4, направляемой на деаэрацию. Водяной объем деаэраторного бака 1 секционируется перегородкой 5 до уровня переливной трубы. В нижней части перегородки 5 имеется окно, в которое встраивается собственно барботажное устройство. Пар к барботажному устройству подводится по трубопроводу 6 в паровую коробку 7 и через отверстия барботажного листа 8 поступает в слой воды, движущийся над ним в канале 9 в сторону штуцера отвода деаэрированной воды 10.

Канал 9 ограничен барботажным листом 8 снизу, щитом 11 сверху и щитами 12 по бокам и секционирован в продольном направлении перегородками 13.

Пар, поступающий в паровую коробку 7, образует под барботажным листом 8 паровую подушку. В нормальных условиях барботажный лист 8 работает в непровальном режиме. Для исключения излишней подачи пара в отверстия барботажного листа 8 и появления при этом инжекционного режима работы этого листа в боковых щитах 12 имеются окна 14, перепускающие избыточное количество пара помимо барботажного листа.

Если в барботажное устройство поступает вода, недогретая до температуры насыщения, то начальный участок барботажного листа 8 работает как подогреватель, эффективность деаэрации воды здесь относительно мала. На выходе из канала 9 вода в смеси с несконденсировавшейся частью барботажного пара представляет собой сильно турболизованный поток, температура которого превышает температуру насыщения при давлении в надводном пространстве деаэраторного бака на величину, определяемую уровнем воды в баке, то есть давлением столба воды соответствующей этому уровню высоты. Эта смесь поступает в подъемную шахту, образованную перегородками 5 и 15. По мере подъема в этой шахте, вода частично вскипает из-за некоторого уменьшения давления, что определяет потерю растворимости газов в воде и, соответственно, их массовое выделение в форме газовых пузырьков. В верхней части шахты происходит разделение фаз, при этом пар, захватывая газы, смешивается с основным паром, поступающим через штуцер 16, и паром, образующимся при вскипании перегретого конденсата, поступающего через штуцер 17. Эта парогазовая смесь вентилирует надводное пространство деаэраторного бака 1 и поступает в деаэрационную колонку 2. Вода после подъемной шахты, переливаясь через перегородку 15, движется вниз к патрубку отвода деаэрированной воды 10.

Как и в деаэраторах ДА-1 и ДА-3, перегородка 15 в нижней части не является сплошной. Это сделано для обеспечения возможности циркуляции части воды вокруг перегородки 15. Такая циркуляция позволяет повысить эффективность деаэрации за счет увеличения кратности обработки воды паром и увеличения располагаемого время процесса. В то же время проскок воды к патрубку отвода деаэрированной воды 10 непосредственно после канала 9 практически исключен, так как разность плотностей пароводяной смеси в подъемной шахте между перегородками 5 и 15 и воды за перегородкой 15 обеспечивает только подъемное движение смеси после канала 9.

Схема потоков теплоносителей при работе барботажного устройства системы ЦКТИ показана на рис. 3.16 а (анимированный рисунок).

Барботажным устройством системы ЦКТИ оснащались серийно выпускаемые деаэраторы с малогабаритными струйными деаэрационными колонками типа ДСА. Однако опыт использования таких деаэраторов обнаружил низкую эксплуатационную надежность собственно барботажных устройств. В пусковых режимах деаэратора часто сложно избежать появления гидроударов при подаче барботажного пара. Учитывая, что в конструкции барботажного устройства имеется несколько плоских перегородок, сваренных между собой, гидроудары часто приводили к обрыву швов, разгерметизации паровой коробки, появлению дефектов барботажного листа и общему нарушению гидродинамических условий работы барботажного устройства. Поэтому на многих энергетических объектах от использования барботажных устройств системы ЦКТИ отказались, попросту их демонтировав.

В настоящее время чаще встречаются барботажные устройства, более простые по конструктивному исполнению, чем устройства системы ЦКТИ, но не уступающие им в эффективности и, кроме того, имеющие более высокие показатели надежности. К таким устройствам, например, относятся одиночные перфорированные коллекторы, расположенные на дне деаэраторного бака вдоль его образующих (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Конструктивная схема затопленного барботажного устройства в виде одиночного перфорированного коллектора (вариант для деаэратора производительностью 300 т/ч с деаэраторным баком полезной вместимости 75 м³) и схема циркуляции воды в деаэраторном баке при работе барботажного устройства: 1 – деаэраторный бак; 2 – опоры; 3 – перфорированный барботажный коллектор; 4 – скобы; 5 – трубопровод подвода барботажного пара; 6 – штуцер ввода основного пара; 7 – деаэрационная колонка; 8 – опускной трубопровод; 9 – сливной стакан опускного трубопровода; 10 – штуцер отвода деаэрированной воды

В деаэраторном баке 1 на опорах 2 размещается перфорированный коллектор 3, в верхней части которого в два ряда расположены отверстия. Опоры 2 привариваются в стенке бака, а барботажный коллектор 3 закрепляется с помощью скоб 4 таким образом, чтобы обеспечить его продольные температурные расширения. Пар поступает в барботажный коллектор 3 по трубопроводу 5 и через отверстия коллектора вводится в объем воды. Вода при контакте с паром прогревается до температуры, несколько превышающей температуру насыщения в надводном пространстве деаэраторного бака и приобретает циркуляционное движение, как показано на рис. 3.17. За время пребывания воды в баке один и тот же объем воды обрабатывается паром многократно, поскольку барботажный коллектор занимает большую часть деаэраторного бака по длине. При этом длительное пребывание воды при температуре, близкой к температуре насыщения, обеспечивает интенсификацию процессов термического разложения гидрокарбонатов и термолиза карбонатов, а также переход основного количества растворенных газов в дисперсное состояние. Интенсивное перемешивание воды обеспечивает эффективный отвод газов, находящихся в объеме воды в форме газовых пузырьков, в паровую фазу.

Несконденсировавшаяся часть барботажного пара смешивается в надводном пространстве с основным паром, поступающим через штуцер 6, обеспечивая интенсивную вентиляцию этого пространства, и затем поступает в деаэрационную колонку 7. Деаэрированная вода отводится через штуцер 8.

На рис. 3.17 показан вариант установки рассматриваемого барботажного устройства в баке деаэратора ДА-300м. Как показано выше, для предотвращения повторного заражения воды газами слив воды из деаэрационной колонки данной модели осуществляется по двум опускным трубопроводам 8 в сливные стаканы 9 под уровень воды в деаэраторном баке. Для обеспечения температурных расширений опускные трубопроводы 8 закреплены только в верхней части – со стороны деаэрационной колонки. Такая конструкция надежно работает, если в деаэраторном баке отсутствуют барботажные устройства. Паровой барботаж в баке приводит объем воды в интенсивное движение, при этом нередки обрывы опускных труб 8 из-за их «раскачивания» водой и возникновения при этом циклических консольных нагрузок в сварных швах. Поэтому при оборудовании барботажным устройством деаэраторного бака деаэратора с колонкой модели КДА-200м или КДА-300м необходимо принять меры по обеспечению надежности опускных труб 8.

Один из вариантов решения рассматриваемой проблемы, опробованный на практике, показан на рис. 3.18. На кромках сливных стаканов устанавливаются вертикальные направляющие косынки с зазором между ними и поверхностью труб в холодном состоянии не более 15 мм, уменьшающих поперечные перемещения опускных труб 8 в сливных стаканах 9. При этом тепловое расширение опускных труб 8 в вертикальном и горизонтальном направлениях, по-прежнему, не ограничено. После такого усовершенствования деаэратор работает без разрушения сварных швов крепления опускных труб 8 к полке приемного колодца деаэрационной колонки при любых значениях удельного расхода пара на барботаж в деаэраторном баке.

Рис. 3.18. Схема установки направляющих косынок в сливных стаканах опускных трубопроводов (вариант для деаэрационной колонки КДА-300м с деаэраторным баком полезной вместимости 75 м³): 1 – стенка опускного трубопровода деаэрационной колонки; 2 – стенка сливного стакана опускного трубопровода; 3 – направляющая косынка (устанавливается шесть косынок на один сливной стакан)