К вопросу о выборе типа деаэрационной установки

К вопросу о выборе типа деаэрационной установки В. Н. Сергеев, технический директор, ООО «АэроГидроТех», г. Москва Строительный рынок современной России, давно реализовавший потенциал существующей инфраструктуры городов, в последнее время вынужден увеличивать масштаб проектов до уровня, делающего рентабельным запуск новых теплогенерирующих мощностей и теплосетей, обеспечивающих качественное водои теплоснабжение вводимых в строй объектов.

Одной из проблем, решаемых при создании или модернизации теплогенерирующих мощностей, является внедрение эффективной системы деаэрации воды.

Деаэрация — это процесс удаления кислорода из воды. Именно растворенный в воде кислород является основной причиной коррозии трубопроводов, а скорость процесса коррозии зависит от температуры взаимодействия. Только деаэрированием подпиточной воды тепловых сетей, срок службы трубопроводов и котельного оборудования увеличивается более чем в 3 раза.

В теплоэнергетике применяется, в основном, термическая деаэрация. При таком методе деаэрации вода нагревается до температуры кипения, при которой пузырьки растворенного кислорода уносятся вскипевшим паром.

Для термической деаэрации, независимо от типа деаэратора, необходимо выполнение следующих условий:

• — обеспечение температуры и давления, при которых вода будет вскипать (при температурах меньше 100 С деаэрация производится в вакууме).
• — удаление выделяющегося кислорода происходит за счет увеличения поверхности соприкосновения фаз, а также интенсификацией процессов массообмена. Первый принцип используется пленочными и барботажными деаэраторами, второй — вихревыми.

Проблему выбора оборудования деаэрации воды нельзя рассматривать вне контекста истории развития теплоснабжения Российских городов.

Первые наработки по созданию отечественных установок деаэрации воды были сделаны в шестидесятые годы Центральным котлотурбинным институтом (ЦКТИ), правопреемником которого сегодня является ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова».

Итогом работы ЦКТИ стало появление типовых барботажных и пленочно-струйных деаэрационных установок ДА (атмосферный тип) и ДВ (вакуумный тип). Конструктивно установки состояли из бака и деаэрационной колонки в виде цилиндрической емкости, внутри которой были приварены тарелки с технологическими отверстиями. В колонку атмосферного типа подавалась вода и пар для ее нагрева. Нагретая до 104 С вода, стекая в бак через технологические отверстия тарелок, в полном соответствии с законом Генри, освобождалась от всех растворенных газов, включая кислород и углекислый газ.

Отличие установки ДВ от установки ДА состояло в том, что вода нагревалась до меньшей температуры (75 С), но процесс происходил в разреженной атмосфере (вакуум 0,7).

В условиях плановой социалистической экономики, с ее принципом комплексного решения проблемы теплоснабжения предприятий и жилых кварталов, данные установки работали достаточно эффективно. При комплексном решении обеспечивалась постоянная нагрузка на деаэрационную установку на уровне не менее 70% от максимальной мощности, а используемые в производственно-технологических процессах парогенерирующие мощности легко закрывали необходимую ее потребности в паре.

Экономическая дезинтеграция жилищно-коммунального хозяйства привела к тому, что уровень стабильной нагрузки на деаэрационную установку упал до 10% от необходимой мощности при пиковых нагрузках, а эволюция технологий привела к вытеснению пара из производственных процессов. Снижение потребности в паре на промышленных предприятиях стало фактором, позволяющим перевести заводские парогенерирующие мощности в более экономичный, водогрейный режим.

Современная система водоподготовки, должна обеспечивать первоначальное заполнение системы теплоснабжения с минимальными энергозатратами, иметь возможность замещения теплоносителя в аварийном режиме и осуществлять текущую подпитку. Кроме того, страхуясь от возможных аварий, вовсе не редкость, когда комплексные застройщики микрорайонов формулируют технические требования к системе деаэрации примерно таким образом: теплосеть общим объемом 600 куб. м., текущая подпитка 500 кг в сутки, а пиковая производительность 50 т.

Таким образом, диапазон эффективной работы деаэратора по производительности должен быть достаточно широким, где минимальный объем текущей подпитки будет в несколько десятков раз отличаться от пиковых нагрузок, возникающих при необходимости аварийного замещения теплоносителя.

Оба эти фактора однозначно ставят в повестку дня вопрос создания новых или модернизации существующих систем деаэрации воды.

Попробуем сравнить существующие варианты решения данного вопроса, исходя из того, что современная деаэрационная установка должна обладать возможностью эффективно работать в широком диапазоне нагрузок и, в большинстве случаев, обходиться без подвода пара.

деаэрация вода кислород барботажный Деаэраторы ДА и ДВ В силу конструктивных особенностей, данные установки могут эффективно работать при стабильном потоке воды, составляющем не менее 70% максимальной производительности. Один этот показатель делает данные установки не самым удачным выбором.

Кроме этого, при нагрузках менее 70%, колонка деаэрации работает крайне неэффективно, в циклическом режиме, с чудовищными потерями тепла на выпар, а деаэрация происходит уже в самом баке барбатированием.

Конструктивная сложность внутриколонковых устройств является еще одним отрицательным фактором. Внутренний объем колонки целиком занят сварными конструкциями дырчатых тарелок, перегородок и перетоков, которые массивны и потому обычно изготавливаются из обычной стали, быстро корродируют и требуют замены с периодичностью раз в два года. Охладители выпара также сгнивают после 2−3 лет эксплуатации, после чего выпар просто улетает в атмосферу. Стоимость колонки мощностью 50 т/ч, составляет примерно 150 тыс. руб.

Практика показывает, что при замене системы атмосферного типа (ДА) на систему вакуумного типа (ДВ) вся конструкция, в большинстве случаев, уже при вакууме <0,4, начинает тревожно подрагивать в следствии образования подсосов. Вопросы безопасности настойчиво требуют замены бака.

Последствия такой ситуации весьма печальны: бак достаточно быстро коррозирует и требует замены. Замена 20 кубового бака — достаточно трудоемкая процедура, включающая в себя транспортировку и монтаж достаточно большой конструкции внутри помещения. Общий бюджет такой операции редко обходится менее чем в 3 млн руб.

Проблемой также является сложность регулирования деаэраторов данного типа: ввиду большего количества перегородок и тарелок внутри деаэрационной колонки при изменениях нагрузки могут возникать гидроудары, особенно при подаче в деаэрационную колонку нескольких потоков.

По этим причинам на многих котельных не применяют деаэраторы, подавая в тепловую сеть недеаэрируемую воду, значимо снижая срок службы трубопроводов. Даже современные автономные котельные часто не комплектуются деаэраторами. Изготовители котельных недальновидно уповают на то, что новая теплосеть будет нуждаться лишь в минимальной подпитке.

Современные типы деаэраторов

В настоящее время, на смену барботажным и пленочно-струйным деаэраторам приходят новые вихревые деаэраторы, деаэраторы щелевые (ДЩ), струйные вихревые деаэраторы (СВД), и деаэраторы центробежно-вихревые (ЦВД), в которых используется принцип вихревой центробежной интенсификации массообмена.

В ЦВД вода подается, приобретая сильное вращательное движение. Действие центробежных сил на периферии выше, чем в середине вихря, поэтому в центре образуется область пониженного давления, куда Архимедова сила выталкивает из жидкости пузырьки выделяющегося газа.

Все вышеперечисленные деаэраторы являются термическими, для их нормальной работы требуется доведение воды до температуры кипения. Для атмосферных деаэраторов это 102−104 С, для вакуумных — от 60 до 95 С. Известно, что чем глубже вакуум, тем ниже температура кипения. Обычно вакуумные деаэраторы работают при оптимальной температуре 60−80 С, с точки зрения затрат на поддержания вакуума и температурного режима водогрейных котлов. Атмосферныедеаэраторы, чаще всего применяются в системах с паровыми котлами, так как с помощью пара воду проще нагреть до 1020−1040 С.

Деаэраторы щелевые В ДЩ нагретая вода подается через тонкую щель на закручивающуюся пластину, попадая в область пониженного давления, вода вскипает, газ удаляется из воды за счет малой толщины пленки и центробежного эффекта. Вихрь воды не делает полный оборот. Теряя скорость, вода просто стекает вниз. Поскольку деаэрация воды происходит очень короткое время, поэтому даже незначительное изменение параметров процесса, приводит кснижению эффекта деаэрации.

Но даже незначительное уменьшение напора воды снижает скорость струи, протекающей через щель, вода просто стекает вниз, пленка не образуется по всей пластине, центробежный эффект уменьшается, струи брызги при течении вдоль закругленного края пластины не образуются и эффект деаэрация не достигается.

Производительность деаэратора ДЩ изменяется количеством щелевых устройств, т.к. давление, при котором ДЩ эффективен, имеет узкие граничные условия. Это ограничение усложняет конструкцию и систему автоматизации, поскольку каждый щелевой аппарат, установленный в корпусе, требует свою арматуру и свой блок автоматики с управляющими клапанами.

Простые вихревые деаэраторы Простые вихревые деаэраторы используют центробежный эффект закрученного потока воды в горизонтальной трубе. В центре трубы образуется газовая полость, откуда газы удаляются в атмосферу через специальный патрубок. Вихревые деаэраторы работают значительно эффективнее ДЩ, но и они обладают целым рядом конструктивных недостатков:

• — деаэрационная труба расположена горизонально — при незначительном снижении давления в трубопроводе, центробежных сил не хватает для образования вихря, недеаэрированная вода засасывается в патрубок отсоса выпара, аппарат захлебывается, процесс деаэрирования не идет.
• — один типоразмер эжекторов — производители используют вакуумные эжекторы только одного, типоразмера с циркуляцией рабочей воды в 18 м³, а его газопроизводительность составляет всего 3 кг/ч. Такой эжектор великоват для малых деаэраторов, а с большими нагрузками не справляется. Размеры эжектора превосходят размеры деаэратора с расходом воды 5 м3/ч, а для деаэратора с расходом 50 м3/ч нужен эжектор, газопроизводительность которого в три раза больше. Эти ограничения позволяют производить эффективную деаэрацию на моделях в узком постоянном диапазоне производительности, при температуре воды 90−95 С;
• — производительность деаэратора не регулируется:
• — отсутствие средств автоматизации — простые вихревые деаэраторы в настоящее время не имеют рекомендованных схем автоматизации, необходимых для его эффективной работы. Установочная схема предусматривает деаэраторный бак 1,5 м³, а высота колонки над деаэрационным баком не должна превышать 1 метр, что. позволяет регулировать производительность в пределах 10%, т. е. практически работать в двух режимах: вкл/выкл. Поэтому, н.р. для системы с расходом 40 м3/часпотребуется включать/выключать деаэратор, каждые 2 минуты. Увеличение объема бака может привести к гидроударам.
• — отсутствие охладителя выпара — весь выпар из простых вихревых деаэраторов уходит в атмосферу, что ведет к обычным потерям тепла в 2−3%.

Струйно-вихревые деаэраторы Деаэраторы СВД используют центробежный вихревой эффект в вертикальной трубе. За счет действия центробежных сил пузырьки газа вытесняются в центральную полость, откуда удаляются в атмосферу, а деаэрированная вода стекает вниз.

СВД производится в атмосферном исполнении, в комплекте с паровым струйным подогревателем (ПСА), размещаемым перед деаратором. ПСА подогревает воду и интенсифицирует процесс выделения кислорода, поэтому на деаэрацию можно подавать воду температурой от 5 С, а содержание кислорода в деаэрированной воде снижается в 2,5 раза, но часто значительно превышает нормы по содержанию агрессивных газов в подпиточной воде.

Вертикальное расположение деаэрационной камеры позволяет деаэратору работать при более низком давлении воды без «захлебывания», вода совершает достаточное количество витков, находится в зоне деаэрации достаточный период времени, поэтому такой деаэратор имеет более компактные размеры.

Центробежно-вихревые деаэрационные установки (ЦВДУ) Отечественный продукт, изобретенный инженером Борисом Алексеевичем Зиминым в процессе работы над повышением эффективности и долговечности установок типа ДА и ДВ.

В установке не происходит коррозия узлов в силу того, что вскипание воды происходит достаточно быстро, кислород и CO2 просто не успевают вступать в реакцию с металлом. Они выходят из установки до того момента, как успевают начать взаимодействовать друг с другом. На бытовом уровне это можно проиллюстрировать опытом, когда кусок сахара быстро опускается в чашку с кофе и сразу вытаскивается: сахар только окрашивается, растворения не происходит.

Факт остается фактом: первые установки такой конструкции (н.р. на Каширской ГРЭС) работают свыше 30 лет, все это время они находятся в отличном состоянии, за весь срок службы не требовали никакого ремонта.

Принцип работы центробежно-вихревой деаэрационной установки прост: вода подается в колонку под напором тангенциально и закручивается внутри, равномерно распространяясь по стенкам. В центре установки образуется паровая смесь, которая, в виде выпара, легко удаляется.

Сама установка, по габаритам, в три раза меньше установки ДА (ДВ) сопоставимой производительности. Важным преимуществом центробежно-вихревой деаэрационной установки является возможность ее размещения в удобном месте котельной, а не только непосредственно над баком, как это было с установкой ДА, а ДВ вообще требует монтажа на высоте 13 м.

Совершенно уникальным преимуществом центробежно-вихревой деаэрационной установки является широчайший диапазон производительности, на котором достигается эффективная деаэрация. ЦВДУ устойчиво работает уже на 10% максимальной мощности, что делает установку, работающую на этом принципе удачным решением для современных систем водоподготовки.

Центробежно-вихревая деаэрационная установка имеет вторую ступень, в которой удаляются остатки газов в капельном режиме. Вода в этой ступени также подается тангенциально, но при этом распыляется через форсунки. Содержание кислорода после первой ступени центробежно-вихревой деаэрационной установки составляет ~ 200 мг, после прохождения второй ступени уменьшаясь до 10 мкг/л.

Сравнение технических характеристик различных моделей деаэраторов.

Существующие методы химической деаэрации также имеют существенные минусы: реагенты оставляют черный налет на трубах, который необходимо периодически удалять промывкой, расход дорогостоящих реагентов влияет на себестоимость и, конечно, такой метод неприменим для горячего водоснабжения населения, т.к. это опасно для здоровья.

Выводы

• 1. Существующие парогенерирующие мощности Российских городов активно переводятся в водогрейный режим, что требует модернизации систем деаэрации с атмосферного на вакуумный тип. Такая модернизация подразумевает замену бака.
• 2. Обеспечение новых микрорайонов теплом требует создания систем деаэрации, способных работать в широком диапазоне производительности.

Исходя из анализа текущей ситуации в теплоэнергетике, многие специалисты настоятельно рекомендуют обратить внимание на деаэраторы, работающие на центробежно-вихревом принципе деаэрации.