Иностранная терминология

В значительной части зарубежных систем технических терминов нет единого термина «деаэратор» для описания элемента тепловой схемы станции в виде бака с колонкой; например, в немецком колонка называется Entragaserdom, и понятие «деаэратор» (Entgaser) относится только к ней, а бак запаса питательной воды - Speisewasserbehälter. В последнее время и в некоторых русскоязычных публикациях (о нетрадиционных для наших предприятий конструкциях либо переводных) бак отделяют от деаэратора.

Назначение

• Защита трубопроводов и оборудования от коррозии .
• Недопущение воздушных пузырей, нарушающих проходимость гидравлических систем, нормальную работу форсунок и т. д.
• Защита насосов от кавитации .

Принцип действия

В жидкости газ может присутствовать в виде:

• собственно растворённых молекул ;
• микропузырьков (порядка 10 −7 ), образующихся вокруг частиц гидрофобных примесей;
• в составе соединений, разрушающихся на последующих стадиях технологического цикла с выделением газа (например, NaHCO 3).

В деаэраторе происходит процесс массообмена между двумя фазами : жидкостью и парогазовой смесью. Кинетическое уравнение для концентрации растворённого в жидкости газа при его равновесной (с учётом содержания во второй фазе) концентрации , исходя из закона Генри , выглядит как

,

где - время; f - удельная поверхность раздела фаз; k - скоростной коэффициент, зависящий, в частности, от характерного диффузионного пути , который газ должен преодолеть для выхода из жидкости. Очевидно, для полного удаления газов из жидкости требуется (парциальное давление газа над жидкостью должно стремиться к нулю, то есть выделившиеся газы должны эффективно удаляться и замещаться паром) и бесконечное время протекания процесса. На практике задаются технологически допустимой и экономически целесообразной глубиной дегазации.

В термических деаэраторах, основанных на принципе диффузионной десорбции , жидкость нагревается до кипения ; при этом растворимость газов близка к нулю, образующийся пар (выпар) уносит газы ( снижается), а коэффициент диффузии высок (растёт k ).

В вихревых деаэраторах собственно обогрева жидкости не происходит (это делается в теплообменниках перед ними), а используются гидродинамические эффекты, вызывающие принудительную десорбцию : жидкость разрывается в самых слабых местах - по микропузырькам газа, а затем в вихре фазы разделяются силами инерции под действием разности плотности .

Кроме того, известны небольшие установки, где некоторая степень деаэрации достигается облучением жидкости ультразвуком . При облучении воды ультразвуком интенсивностью порядка 1 Вт /см 2 происходит снижение на 30-50 %, k возрастает примерно в 1000 раз, что приводит к коагуляции пузырьков с последующим выходом из воды под действием Архимедовой силы .

Выпар

Выпар - это смесь выделившихся из воды газов и небольшого количества пара, подлежащая эвакуации из деаэратора. Для нормальной работы деаэраторов распространённых конструкций его расход (по пару по отношению к производительности) должен составлять не менее 1-2 кг/т, а при наличии в исходной воде значительного количества свободной или связанной углекиcлоты - 2-3 кг/т. Чтобы избежать потерь рабочего тела из цикла, выпар на крупных установках конденсируют . Если охладитель выпара, применяемый для этой цели, устанавливается на исходной воде деаэратора (как на рис.), она должна быть достаточно сильно недогрета до температуры насыщения в деаэраторе. При использовании выпара на эжекторах он конденсируется на их холодильниках, и специальный теплообменник не нужен.

Термические деаэраторы

Термические деаэраторы классифицируютя по давлению.

Атмосферные деаэраторы (см. рис.) требуют наименьшей толщины стенок; выпар удаляется из них самотёком под действием небольшого избытка давления над атмосферным. Вакуумные деаэраторы могут работать в условиях, когда на котельной нет пара; однако им требуется специальное устройство для отсоса выпара (вакуумный эжектор) и б́ольшая толщина стенок, к тому же бикарбонаты при низких температурах разлагаются не полностью и есть опасность повторного подсоса воздуха по тракту до насосов . Деаэраторы ДП имеют больш́ую толщину стенок, зато их применение в схеме ТЭС позволяет сократить количество металлоёмких ПВД и использовать выпар как дешёвую рабочую среду для пароструйных эжекторов конденсатора ; деаэрационная приставка конденсатора, в свою очередь, является вакуумным деаэратором.

Как теплообменные аппараты термические деаэраторы могут быть смесительными (обычно, греющие пар и/или вода подаются в объём деаэратора) или поверхностными (греющая среда отделена от нагреваемой поверхностью теплообмена); последнее часто встречается у вакуумных подпиточных деаэраторов теплосетей.

По способу создания поверхности контакта фаз смесительные деаэраторы подразделяются на струйные , плёночные и барботажные (встречаются смешанные конструкции).

В струйных и плёночных деаэраторах основным элементом является колонка деаэратора - устройство, в котором вода стекает сверху вниз в бак, а греющий пар поднимается снизу вверх на выпар, попутно конденсируясь на воде. В небольших деаэраторах колонка может быть интегрирована в один корпус с баком; обычно же она выглядит как вертикальный цилиндр, пристыкованный сверху к горизонтальному баку (цилиндрической ёмкости с эллиптическими либо коническими днищами). Сверху находится водораспределитель, снизу - парораспределитель (например, кольцевая перфорированная труба), между ними - активная зона. Толщина колонки данной производительности определяется допустимой плотностью орошения активной зоны (расходом воды через единицу площади).

В деаэраторах струйного типа вода проходит активную зону в виде струй, на которые она может быть разбита 5-10 дырчатыми тарелками (кольцевые с центральным проходом пара чередуются с круговыми меньшего диаметра , обтекаемыми по краю). Струйные деаэрационные устройства имеют простую конструкцию и малое паровое сопротивление, но интенсивность деаэрации воды сравнительно низка. Колонки струйного типа имеют большую высоту (3,5-4 м и более), что требует высокого расхода металла и неудобно при ремонтных работах. Такие колонки применяются как первая ступень обработки воды в двухступенчатых деаэраторах струйно-барботажного типа.

Также существуют форсуночные (капельные) деаэраторы , где вода разбрызгивается из форсунок в капельном виде; эффективность за счёт измельчения фазы велика, однако работа форсунок ухудшается при засорении и при сниженных расходах, а на преодоление сопротивления сопел уходит очень много электроэнергии .

В деаэраторах с колонками плёночного типа поток воды расчленяется 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 при значительном подогреве воды (20-30 °C) и возможность деаэрации неумягчённой воды. Недостаток - неравномерность распределения потока воды по насадке. Неупорядоченная насадка выполняется из небольших элементов определенной формы, засыпаемых произвольно в выделенную часть колонки (кольца, шары , сёдла , омегаобразные элементы). Она обеспечивает более высокий коэффициент массоотдачи, чем упорядоченная насадка. Пленочные деаэраторы малочувствительны к загрязнению накипью, шламом и окислами железа, но более чувствительны к перегрузке.

В деаэраторах барботажного типа поток пара, который вводится в слой воды, дробится на пузыри . Преимуществом этих деаэраторов является их компактность при высоком качестве деаэрации. В них происходит некоторый перегрев воды относительно температуры насыщения, соответствующей давлению в паровом пространстве над поверхностью. Величина перегрева определяется высотой столба жидкости над барботажным устройством. При движении увлекаемой пузырьками пара воды вверх происходит её вскипание , способствующее лучшему выделению из раствора не только кислорода , но и углекислоты , которая в деаэраторах других типов удаляется из воды не полностью; в том числе разлагаются и бикарбонаты NaHCO 3 , турбулизация жидкости. Эффективность барботажных устройств снижается при значительном уменьшении удельного расхода пара. Для обеспечения глубокой деаэрации вода в деаэраторе должна подогреваться не менее чем на 10 °C, если нет возможности для увеличения расхода выпара. Барботажные устройства могут быть затопленными в баке в виде перфорированных листов (при этом трудно обеспечить беспровальный режим) или устанавливаться в колонке в виде тарелок.

Показатели и обозначения

Производительность деаэратора - расход деаэрированной воды на выходе из деаэратора. В деаэраторах типа ДВ при использовании в качестве греющей среды (теплоносителя) перегретой деаэрированной воды расход последней в производительность не входит.

Полезная вместимость деаэраторного бака - расчетный полезный объём бака, определяемый в размере 85 % его полного объёма.

ГОСТ устанавливает ряды для подбора ёмкости баков (для ДА 1-75 м³, ДП 65-185 м³) и производительности (1-2800 /). Деаэратор обозначается по принципу ДА(ДП,ДВ)-(производительность, т/ч)/(полезная вместимость бака, м³) ; колонки отдельно КДА(КДП)-(производительность) , баки БДА(БДП)-(вместимость) .

Вихревые деаэраторы

Литература

• Рихтер Л. А., Елизаров Д. П., Лавыгин В. М. Глава третья. Деаэраторы // Вспомогательное оборудование тепловых электростанций. - М .: Энергоатомиздат, 1987. - 216 с.
• Кувшинов О. М. Ржа? Долой кислород! . kwark.ru . «Наука и жизнь » № 12 (2006). Архивировано из первоисточника 8 апреля 2012. Проверено 3 сентября 2011.
• Кувшинов О. М. Щелевые деаэраторы КВАРК - эффективное устройство для деаэрации жидкости . kwark.ru . «Промышленная энергетика» № 7 (2007).

Деаэратор - техническое устройство, реализующее процесс деаэрации некоторой жидкости (обычно воды), то есть её очистки от присутствующих в ней нежелательных газовых примесей (кислород и двуокись углерода). Будучи растворенными в воде, эти газы вызывают коррозию питательных трубопроводов и поверхностей нагрева котла, вследствие чего оборудование выходит из строя. На паротурбинных станциях применяют термическую деаэрацию воды.

Принцип действия термических деаэраторов основан на том, что абсолютное давление над жидкостью - это сумма парциальных давлений газов и пара.

Если увеличить парциальное давление пара так, что при одновременном удалении выпара (это смесь выделившихся из воды газов и небольшого количества пара, подлежащая эвакуации из деаэратора), то как следствие получим суммарное парциальное давление газов . Тогда по закону Генри (равновесная массовая концентрация газов в растворе пропорционально парциальному давлению в газовой среде над раствором) т.е растворенные газы отсутствуют. Увеличения парциального давления пара в свою очередь можно добиться увеличением температуры воды до температуры насыщения при данном давлении при .

Классификация термических деаэраторов.

По назначению: деаэраторы питательной воды паровых котлов; добавочной воды и обратного конденсата внешних потребителей; подпиточной воды тепловой сети.

По давлению греющего пара: повышенного давления (0,6-0,8 МПа)(Д ); атмосферные (0,12 МПа)(ДА ); вакуумные (7,5-50 кПа)(ДВ ).

По способу обогрева деаэрированой воды: смесительного типа (со смешением греющего пара с обогреваемой водой); деаэраторы перегретой воды с внешним предварительным подогревом воды отборным паром.

По конструкции (по принципу образования межфазной поверхности): с поврхностью контакта образующейся в турбулентном режиме (стройно-барбатажный, пленочного типа с неупорядоченной насадкой, струйый тарельчатого типа); с фиксированной поверхностью контакта фаз (пленочного типа с упорядоченной насадкой).

Принципиальная схема деаэрационной установки.

Рис. Атмосферный деаэратор смешивающего типа: 1 - бак (аккумулятор), 2 - выпуск питательной воды из бака, 3 - водоуказательное стекло, 4 - манометр, 5, 6 и 12 - тарелки, 7 - спуск воды в дренажный бак, 8 - автоматический регулятор подачи Химически очищенной воды, 9 - охладитель пара, 10 - выпуск пара в атмосферу, 11 и 15 - трубы, 13 - деаэраторная колонка, 14 - парораспределитель, 16 - впуск воды в гидравлический затвор, 17 - гидравлический затвор, 18 - выпуск лишней воды из гидравлического затвора

Деаэратор состоит из бака 1 и колонки 13, внутри которой установлен ряд распределительных тарелок 5, 6 и 12. Питательная вода (конденсат) от насосов поступает в верхнюю часть деаэратора на распределительную тарелку 12; по другому трубопроводу через регулятор 8 на тарелку 12 подводится в качестве добавки химически очищенная вода; с тарелки питательная вода отдельными и равномерными струйками распределяется по всей окружности деаэраторной колонки и стекает вниз последовательно через ряд расположенных одна под другой промежуточных тарелок 5 и 6 с мелкими отверстиями. Пар для подогрева воды вводится в деаэратор по трубе 15 и парораспределитель 14 снизу под водяную завесу, образующуюся при стекании воды с тарелки на тарелку, и, расходясь во все стороны, поднимается вверх, навстречу питательной воде, нагревая ее. При этой температуре воздух выделяется из воды и вместе с остатком несконденсировавшегося пара уходит через вестовую трубу 11, расположенную в верхней части деаэрациопной головки, непосредственно в атмосферу или охладитель пара 9. Освобожденная от кислорода и подогретая вода выливается в сборный бак 1, расположенный под колонкой деаэратора, откуда расходуется для питания котлов. Во избежание значительного повышения давления в деаэраторе на нем устанавливают два гидрозатвора, а также гидравлический затвор 17 на случай образования в нем разрежения. При превышении давления может произойти взрыв деаэратора, а при разрежении атмосферное давление может смять его. Деаэратор снабжают водоуказательным стеклом 3 с тремя кранами - паровым, водяным и продувочным, регулятором уровня воды в баке, регулятором давления и необходимой измерительной аппаратурой. Для надежной работы питательных насосов деаэратор устанавливают на высоте не менее 7 м над насосом.

Деаэраторы этого типа имею производительность от 5 до 300 т/ч деаэрированной воды.

Основными устройствами деаэратора являются деаэрационная колонка 7 и бак - аккумулятор 12, в которых производится двух ступенчатая дегазация воды (рис.73).

Вода подается на верхнюю дырчатую тарелку 8 и в виде потока струй стекает с нее на барботажную тарелку 9 с отверстиями. На тарелке с помощью порога переливной перегородки постоянно поддерживается слой воды, через который проходит пар. Нагретая и частично дегазированная вода сливается на сливную дырчатую тарелку 10, которая преобразует поток воды в поток струй. Подогретые паром, который движется навстречу, струи воды поступают в деаэраторный бак 12.

Рис.73. Схема двухступенчатого деаэратора с колонкой типа ДА

производительностью 5 – 100 т/ч:

1 – ввод воды; 2 – охладитель выпара; 3, 6 – выхлоп в атмосферу; 4, 15 – подвод основного и горячих конденсатов; 5 – регулятор уровня; 7 – деаэрационная колонка; 8 – верхняя тарелка; 9 – барботажная тарелка; 10 – сливная тарелка; 11 – подвод пара в барботажное устройство; 13 – предохранительное устройство; 14 – барботажное устройство; 16 - манметр; 17 – регулятор давления; 18 – подвод греющего пара; 19 – отвод деаэрированной воды; 20- охладитель проб воды; 21 – указатель уровня; 22 – дренаж.

Внутри бака в противоположной стороне от колонки расположено барботажное устройство 14. По трубе 11 пар поступает в барботажное устройство, смешивается с водой и нагревает ее до кипения. Так как плотность пароводяной смеси в барботажном устройстве меньше плотности воды, внутри бака устанавливается циркуляция воды, обеспечивающая длительный контакт воды с паром, равномерный нагрев всего ее объема до кипения, высокую степень распада бикарбоната натрия и как следствие всего – качественную дегазацию воды.

Пар в барботажном устройстве не весь превращается в конденсат. Остаток его выходит из воды, смешивается с потоком греющего пара и поступает в колонку. Подача греющего пара в деаэратор производится через регулятор давления 17, который поддерживает давление пара на уровне 0,12 ±0,005 МПа.

В колонке пар, в основном, конденсируется, отдавая свою теплоту воде. Оставшийся пар в смеси с газами выходит из деаэратора и охлаждается в охладителе выпара 2, подогревая поступающую в деаэратор умягченную воду.

Расход умягченной воды регулирует регулятор уровня 5. Визуальный контроль за уровнем производится с помощью указателя уровня, состоящего из двух стекол.

Если в деаэратор поступает конденсат, температура которого выше температуры насыщения в деаэраторе (104 0 С при давлении 0,12 МПа), то он вводится в бак через патрубок 15. Такой конденсат вскипает в баке с образованием некоторого количества пара, что позволяет уменьшить расход греющего пара. Менее горячий конденсат (например, конденсат с сетевых подогревателей с температурой 80 – 85 0 С) вводится на верхнюю тарелку колонки. Низко потенциальный пар, например, из сепаратора непрерывной продувки, вводится только в бак деаэратора.

Предохранительными устройствами атмосферных деаэраторов служат гидравлические затворы (выкидные устройства) высотой около 6 м, подключаемые к паровому пространству бака–аккумулятора. Гидрозатворы являются комбинированными устройствами, что позволяет им защищать деаэратор от чрезмерного избыточного давления, от вакуума и от перелива воды (рис.74).

Рис. 74. Схема комбинированного предохранительного устройства деаэратора:

1 –переливной гидрозатвор; 2 – подвод воды из деаэратора; 3 – расширительный бачок; 4 – слив воды; 5 – выхлоп в атмосферу; 6 – труба для контроля залива; 7 – подвод химочищенной воды для залива; 8 – подвод пара из деаэратора; 9 – гидрозатвор от повышения давления; 10 – дренаж.

Максимальное давление, при котором срабатывает предохранительное устройство, составляет 0,17 МПа. В переливной гидрозатвор вода поступает через переливную воронку, установленную внутри бака на максимально допустимом уровне воды. Для аварийного сброса воды применяются также сигнализаторы уровня с электромагнитным клапаном на дренажной линии.

Деаэратор -- техническое устройство, реализующее процесс деаэрации некоторой жидкости (обычно воды или жидкого топлива), то есть её очистки от присутствующих в ней нежелательных газовых примесей. На многих электрических станциях также играет роль ступени регенерации и бака запаса питательной воды.

Устройство деаэратор предназначено:

* Для защиты насосов от кавитации.

* Для защиты оборудования и трубопроводов от коррозии.

* Для защиты системы от попадания в нее воздуха, который нарушает гидравлику и нормальную работу форсунок.

Рис.2.

1 -- бак (аккумулятор), 2 -- выпуск питательной воды из бака, 5 -- водоуказательное стекло, 4 -- манометр, 5, 6 и 12 -- тарелки, 7 -- спуск воды в дренаж, 8 -- автоматический регулятор подачи химически очищенной воды, 9 -- охладитель пара, 10 -- выпуск пара в атмосферу, 11 я 15 -- трубы,13 -- деаэраторная колонка, 14 -- парораспределитель, 16 -- впуск воды в гидравлический затвор,17 -- гидравлический затвор, 18 -- выпуск лишней воды из гидравлического затвора

Термический деаэратор основан на принципе диффузионной десорбции, когда жидкость, находящаяся в системе нагревается до момента кипения. Во время такого процесса в термическом деаэраторе, растворимость газов равняется нулю. Образующийся пар уносит газы из системы, а коэффициент диффузии растет.

В вихревом деаэраторе используются гидродинамические эффекты, которые вызывают принудительную десорбцию, то есть приводят к разрыву жидкости в самых слабых местах - под действием разности плотности. В данном случае не происходит обогрев жидкости.

По давлению, термические деаэраторы классифицируются на:

* Вакуумные (ДВ)

* Атмосферные (ДА).

* Повышенного давления (ДП).

Деаэратор атмосферный - используется в наименьшей толщине стенок. Под действием избытка давления над атмосферным - пар удаляется из стенок самотеком. Атмосферный деаэратор ДСА предназначен для вывода агрессивных газов из системы паровых котлов и котельных установок. Деаэраторы атмосферного типа устанавливаются, как на открытых площадках, так и в помещениях. Числа, обозначенные на деаэраторе атмосферного типа ДСА 75 и деаэраторе ДА 25 - определяют производительность устройства.

Деаэратор вакуумный - используются в условиях, когда у котельных нет выпускаемого пара. Вакуумные деаэраторы ДВ - вынуждены работать совместно с устройствами для отсоса выпара. Деаэратор ДВ питательной воды обладает большой толщиной стенок, а также позволяют разлагать бикарбонаты при низком давлении. В зависимости от производительности обозначаются цифрами (Пример: Вакуумный деаэратор ДВ 25).

Деаэраторы ДП (высокого давления) - обладают большой толщиной стенок, зато деаэраторы ДП позволяют использовать выпар, как легкую рабочую среду для эжекторов конденсатора. Также деаэраторы избыточного высокого давления позволяют сократить количество металлоемких ПВД.

Устройство деаэратора и принцип работы

В деаэраторной колонке осуществляется нагрев и обработка воды паром. После прохождения двух ступеней дегазации (1-ая ступень - струйная, 2-ая - барботажная) из колонки вода струями стекает в деаэраторный бак БДА.

Конструкция деаэратора обеспечивает удобство внутреннего осмотра деаэрационной колонки. Материал перфорированных листов внутренних устройств колонки деаэратора - коррозионно-стойкая сталь.

Бак деаэрационный размещает в себе третью ступень дегазации после деаэрационной колонки в виде затопленного барботажного устройства.

В деаэраторном баке происходит выделение из воды мельчайших пузырьков газов за счет отстоя.

Охладитель выпара деаэратора служит только для утилизации тепла конденсации выпара. Внутри трубок охладителя выпара проходит химочищенная вода и направляется в деаэрационную колонку. В межтрубное пространство поступает парогазовая смесь (выпар), где пар из нее практически полностью конденсируется. Оставшиеся газы отводятся в атмосферу, конденсат выпара сливается в деаэратор или дренажный бак

Материал трубок - латунь либо коррозионно-стойкая сталь.

Работа деаэратора осуществляется автоматически. Давление в деаэраторе постоянно регулируется на уровне 0,02 МПа. Водный уровень в деаэраторе так же поддерживается постоянно. Пуск и остановка деаэраторов производится вручную

Рис.3.

Деаэрационная установка состоит из:

· Деаэратор вакуумный;

· ОВВ(охладитель выпара, кожухотрубный теплообменник, предназначенный для конденсации максимального количества пара и утилизации его тепловой энергии);

· ЭВ (эжектор водоструйный, воздухоотсасывающее устройство).

В ДВ применяется двухступенчатая система дегазации. 1-я ступень струйная, 2-я -- барботажная, непровальная дырчатая тарелка.