Вакуумный деаэратор принцип работы. Деаэраторы вакуумные

Cтраница 1

Вакуумные деаэраторы работают при вакууме 540 - 900 Па, при этом температура кипения воды составляет 40 - 70 С.  

Вакуумные деаэраторы (типа ДВ) применяют чаще всего для дегазации подпиточной воды систем теплоснабжения на ТЭЦ и в котельных. Нормы качества воды (О2, СО2) приведены в гл. Остаточная концентрация кислорода в деаэрированной питательной воде не должна превышать значения, указанного в табл. 6.3. Свободный СО2 в деаэрированной воде должен отсутствовать.  

Вакуумные деаэраторы могут работать и по способу холодной деаэрации. Такая деаэрация происходит при температуре воды, поступающей в деаэратор, ниже температуры кипения в нем.  

Вакуумный деаэратор может работать с нагревом воды в колонке деаэратора или по способу деаэрации перегретой воды, или по способу холодной деаэрации.  

Вакуумные деаэраторы в схемах химводоочисток включают по-разному в зависимости от схем химводоочисток.  

Вакуумный деаэратор может работать и в качестве декарбонизатора в схемах химводоочисток с Н - катиони-товыми фильтрами.  

Вакуумные деаэраторы обладают статической (см. стр. Динамическая саморегулирующая способность заключается в изменении поступления пара в деаэратор при изменении давления в нем.  

Вакуумные деаэраторы, Энергетика и электротехническая промышленность, № 2, 1965, Киев.  

Вакуумные деаэраторы, имеют распространение в системах горячего водоснабжения для термической деаэрации подпиточ-ной воды тепловых сетей, а также питательной воды котлов низкого давления и малой мощности.  

Вакуумные деаэраторы применяются в схемах ВПУ перед анионитными фильтрами II ступени, а также для деаэрации подпиточной воды тепловых сетей и питательной воды котлов низкого давления. По способу распределения воды и пара деаэраторы разделяются на струйные, пленочные и барботаж-ные. Интервал рабочего давления в них составляет 0 0075 - 0 05 МПа. Это обстоятельство предъявляет особые требования к герметичности аппаратов. К недостаткам вакуумных деаэраторов следует отнести также необходимость иметь устройства для создания вакуума и отвода выпара, большую, чем для других типов деаэраторов, металлоемкость, дополнительные энергетические затраты на создание вакуума. Преимуществами их являются сокращение затрат пара на подогрев воды и возможность деаэрации при температуре воды 313 - 343 К.  

Вакуумные деаэраторы имеют ограниченное распространение. Их существенным недостатком является возможность присоса воздуха, что затрудняет достижение хорошей дегазации. Для удаления воздуха при вакуумной деаэрации необходима установка эжектора или присоединение воздухопровода к конденсатору.  

Вакуумные деаэраторы в системах горячего водоснабжения работают по так называемому принципу перегретой воды, без подвода пара. Температура воды, поступающей в деаэратор, оказывается выше температуры кипения, соответствующей давлению в деаэраторе.  

Вакуумные деаэраторы включаются в работу так, как это указано в гл. Эффективность работы их оценивается по глубине удаления из обрабатываемой воды как кислорода, так и углекислоты. Для более полного удаления последней необходимо увеличивать количество пара, подаваемого на барботаж.  

Вакуумные деаэраторы

В настоящее время среди всех конструкций вакуумных деаэраторов наиболее широкое применение нашли деаэраторы НПО ЦКТИ. Деаэраторы относительно малой производительности выполняются вертикальными, деаэраторы повышенной производительности - горизонтальными. При этом горизонтальные вакуумные деаэраторы имеют модульную конструкцию. Наиболее крупный аппарат производительностью 1200 т/ч состоит из трех таких модулей, объединенных в единый горизонтальный цилиндрический корпус. Существуют несколько вариантов конструкции вакуумного деаэратора, отличающихся исполнением и схемой объединения внутренних элементов. Рассмотрим один из таких вариантов (рис. 3.5). Деаэратор представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд диаметром 3 м и длиной 2 м с внутренними элементами.

Деаэратор двухступенчатый струйно-барботажный. Струйная ступень деаэрации включает два струйных отсека и контактный струйный охладитель выпара.

Рис. 3.5.

1 - штуцер подвода исходной воды; 2 - распределительный коллектор; 3 - верхняя струеобразующая тарелка; 4 - порог верхней струеобразующей тарелки; 5 - ограничивающий порог второй струеобразующей тарелки; 6 - вторая струеобразующая тарелка; 7 - третья струеобразую-щая тарелка; 8 - непровальный барботажный лист; 9 - штуцер отвода деаэрированной воды; 10 и16 - штуцеры подвода греющего теплоносителя; 11 - канал подвода пара под барботажный лист; 12 - жалюзийный сепаратор; 13 - канал для отвода неиспарившейся части перегретой воды; 14 - пароперепускной трубопровод; 15 - штуцер отвода выпара

Барботажная ступень выполнена в виде непровального барботажного листа. Вода, подлежащая деаэрации, вводится через патрубок 1 в распределительный коллектор 2, после чего поступает на верхнюю струеобразующую тарелку 3. Перфорация верхней тарелки рассчитана на пропуск 30 %-ого расхода воды при номинальной гидравлической нагрузке деаэратора. Остальная часть воды переливается через порог 4 верхней тарелки на вторую струеобразующую тарелку 6. Зона перфорации второй тарелки секционирована ограничивающим порогом 5 таким образом, чтобы при малых гидравлических нагрузках работала только часть отверстий тарелки для обеспечения нормального струеобразования. Струйный поток со второй тарелки перетекает на третью струеобразующую тарелку 7, откуда также в виде струй поступает на непровальный барботажный лист 8. Двигаясь по барботажному листу, вода обрабатывается барботажным паром и сливается через штуцер отвода деаэрированной воды 9. Греющий теплоноситель поступает в деаэратор через штуцер 16 (если греющим теплоносителем является пар) или штуцер 10 (если греющим теплоносителем является перегретая вода). Поступившая в деаэратор перегретая вода вскипает. Для эффективного отделения образовавшегося пара от воды установлен специальный жалюзийный сепаратор 12. Выделившийся пар по каналу 11 поступает под барботажный лист 8, а оставшаяся часть перегретой неиспарившейся воды - по каналу, образованному перегородками 13, вытесняется на уровень барботажного листа, где смешивается с деаэрируемой водой. Для поддержания требуемого давления пара в паровой подушке под барботажным листом имеется перепускной трубопровод пара 14, отводящий избыточный пар непосредственно в основной струйный отсек деаэратора. Несконденсировавшаяся часть парового потока, прошедшего через барботажный лист и струнные отсеки поступает в струйный охладитель выпара, образованный струйным потоком воды, стекающей с верхней тарелки 3 на вторую струеобразующую тарелку 6. Охладитель выпара обеспечивает практически полную конденсацию пара из выпара. Оставшаяся часть пара вместе с выделившимися из воды в процессе деаэрации газами удаляется эжектором через штуцер отвода выпара 15.

Для обеспечения слива воды из деаэратора самотеком в аккумуляторный бак, деаэратор устанавливается выше бака, причем высота определяется рабочим давле- нием(разрежением) в деаэраторе и обычно составляет не менее 10 м. Вакуумные деаэраторы не имеют запаса воды в своем корпусе. При сливе деаэрированной воды самотеком уровень ее колеблется в сливном трубопроводе в зависимости от давления в деаэраторе, уровня воды в баке-аккумуляторе и нагрузки. Схемы с подачей воды из деаэратора непосредственно к насосам деаэрированной воды применяются редко и характеризуются относительно низкой надежностью.

Вакуумные деаэраторы следует защищать от переполнения и от опасного повышения давления. Наиболее просто вопрос защиты решается при сливе деаэрированной воды самотеком в аккумуляторные баки атмосферного давления при обязательном отсутствии запорной и регулирующей арматуры на сливных трубопроводах. В этом случае защита осуществляется через переливные гидрозатворы баков, рассчитанные на пропуск максимального расхода деаэрированной воды. В остальных случаях защита должна выполняться с помощью гидрозатвора, присоединяемого к сливному трубопроводу. Высота гидрозатвора выбирается в зависимости от места его присоединения к системе. При подводе к деаэратору в качестве греющей среды пара необходимо также устанавливать предохранительные устройства на паропроводе между деаэратором и регулятором давления.

Вакуумный деаэратор требует установки дополнительного вспомогательного оборудования - газоотводящего устройства. В качестве таких устройств чаще всего применяются струйные аппараты - эжекторы, которые могут быть паро - или водо- струйными. Весьма редко в качестве газоотводящего устройства применяется механический вакуумный насос.

Вакуумные деаэраторы, с точки зрения эксплуатации, сложнее других типов деаэраторов. Это обусловлено необходимостью обеспечения вакуумной плотности всей системы, усложненностью схемы установки из-за применения газоотводящих аппаратов, спецификой слива деаэрированной воды из зоны вакуума. Однако эти трудности компенсируются возможностью существенного повышения тепловой экономичности электростанции при использовании в вакуумных деаэраторах в качестве греющего теплоносителя перегретой воды. В этом случае можно уменьшить расход пара в отборы турбин при давлении 1,2 атмосфер и более, и, наоборот, увеличить нагрузку теплофикационных отборов турбин с ПСГ при давлении, как правило, менее 1 атмосферы, а также исключить потери ценного конденсата пара.

Перечень контролируемых при эксплуатации вакуумной деаэрационной установки параметров аналогичен перечню этих параметров для атмосферных деаэраторов. Однако в случае вакуумной деаэрационной установки необходимо дополнительно контролировать показатели работы газоотводящих устройств, а также подъемных насосов эжекторов, если используются эжекторы водоструйного типа.

Цель работы : Определение фактических тепловых и дегазационных характеристик вакуумного деаэратора (ДВ) для сравнения их с заводскими гарантиями.

Конструкция и принцип работы вакуумного деаэратора

С целью предупреждения разрушений магистралей теплосети и отопительных устройств систем отопления города и предприятий в энергетике широко используются вакуумные деаэраторы, предназначенные для удаления коррозионно агрессивных газов (О 2 и СО 2) из подпиточной воды теплосети. Деаэрированная вода из ДВ сливается в баки-аккумуляторы, откуда насосами подпитки теплосети откачивается в цикл теплоснабжения города.

Экономическая эффективность от применения ДВ достигается благодаря обработке подпиточной воды при более низких температурах (40-60°С) и использованию при этом низкопотенциальных отборов пара теплофикационных турбин. Кроме того, в схемах подпитки теплосети ДВ позволяют сохранить конденсат греющего пара в цикле турбоустановки. Деаэраторы выпускаются производительностью 400 и 800 т/ч. Разработаны они НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова, изготавливаются Саратовским заводом энергетического машиностроения.

На Ново-Иркутской ТЭЦ установлено 8 вакуумных деаэраторов ДВ-800.

Вакуумный деаэратор представляет собой бак цилиндрической формы. Внутри бака расположены горизонтальные короба из листовой стали, которые обеспечивают разбрызгивание и переток поступающей в него воды по всему объему бака, в корпусе бака выполнены врезки трубопроводов:

• - холодной воды;
• - горячей воды;
• - отсоса воздуха;
• - слива из бака на коллектор бака-аккумулятора;
• - отбора проб.

На рис. 3 представлена принципиальная схема ДВ.

Химически очищенная вода (подлежащая деаэрации) через штуцер (1) поступает в распределительный коллектор (2) и далее на первую тарелку (3) . Перфорация первой тарелки рассчитана на пропуск 30% расхода воды при номинальной нагрузке деаэратора. Остальная вода через порог (4) первой тарелки сливается на вторую тарелку (5) . При нагрузках, отличных от номинальной, происходит перераспределение расходов воды через отверстия и перелив, однако расход воды через отверстия не может превысить 30% от номинальной нагрузки. Прошедшая сквозь отверстия первой тарелки вода сливается струями также на вторую тарелку. Такая конструкция первой тарелки объясняется выполняемой ею функцией встроенного охладителя выпара и должна обеспечить конденсацию необходимого расхода выпара в расчетном диапазоне изменения гидравлической нагрузки деаэратора. Вторая тарелка является основной. Зона ее перфорации секционирована перегородкой таким образом, что при минимальной нагрузке работает только часть отверстий тарелки. С увеличением нагрузки включаются в работу все отверстия. Благодаря этому исключается возможность перекосов по пару и воде. Со второй тарелки вода сливается струей на третью тарелку (6) , которая служит в основном для организации подачи воды на барботажный лист (7) . Перфорированная часть тарелки невелика и максимально приближена к ее борту. Обработанная на барботажном листе вода отводится из деаэратора по трубе (8) в бак-аккумулятор.

Рис. 3. Деаэратор вакуумный ДВ-800 М2:

1 - штуцер для подвода воды; 2 - распределительный коллектор; 3 - первая тарелка; 4 - перепускной порог; 5 - вторая тарелка; 6 - третья тарелка; 7 - барботажный лист; 8 - выход деаэрированной воды; 9 - вход перегретой воды (греющей среды); 10 - канал; 11 - перепускная труба; 12 - подвод пара

В отопительно-производственных котельных вакуумные деаэраторы до последнего времени не применялись. Для термической деаэрации подпиточной воды тепловых сетей определенное распространение поручили одноступенчатые вакуумные деаэраторы струйного и пленочного типов, а также двухступенчатые деаэраторы струйно-барботажного типа.

Для деаэрации подпиточной воды котельных с водогрейными котлами институт Моспроект применил одноступенчатые вакуумные деаэраторы при давлении 0.2 кгс/см. На баке-аккумуляторе размещается струйная колонка атмосферного давления, серийно выпускавшаяся до 1968 г. Черновицким машиностроительным заводом. Умягченная вода, перегретая в предвключенных подогревателях выше температуры насыщения. соответствующей давлению в деаэраторе, через штуцер подается в открытую камеру. В эту же камеру подается рабочая вода после водоструйных эжекторов. В камере происходит вскипание перегретой воды и образование значительного количества парогазовой смеси. Затем вода переливается через водосливный порог, проходит каскадом через струйную колонку и сливается в бак-аккумулятор. При движении воды по высоте колонки происходит дополнительное удаление паровоздушной смеси, которая отводится через горловины тарелок, зазоры между корпусом аппарата и тарелками и удаляется из верхней части колонки по трубе. В баке-аккумуляторе размещен змеевик, в который подается сетевая вода. Вследствие этого в баке происходит частичное испарение воды, образовавшийся пар поступает навстречу струйному потоку воды, в колонку.

Противоточное движение потоков в деаэраторе является положительным элементом данной схемы. Однако незначительный расход пара, генерируемого в баке-аккумуляторе, не обеспечивает необходимой обработки воды.

К недостаткам данной конструкции вакуумного деаэратора относятся:

1. Отсутствие хорошей вентиляции струйной колонки.

2. Необходимость предварительного перегрева воды перед деаэратором на 6 - 8° С и конденсация под вакуумом значительного расхода выпара, что требует установки мощных охладителей выпара с большой поверхностью нагрева.

3. Расположение бака-аккумулятора под вакуумом, что вызывает его удорожание и увеличивает вероятность дополнительных присосов воздуха и вторичного заражения деаэрированной воды.

В 1968 г. Черновицкий машиностроительный завод прекратил производство высоких струйных колонок атмосферного давления и приступил к производству струйно-барботажных деаэраторов, содержащих укороченную струйную колонку с двумя дырчатыми тарелками. Использование укороченных струйных колонок, в которых время пребывания воды значительно сократилось, для вакуумных деаэраторов невозможно.

Более рациональным является использование обычных струйных колонок под вакуумом с противоточной схемой движения. В этом случае деаэрируемая вода поступает в колонку с температурой ниже температуры насыщения, соответствующей давлению в деаэраторе. Для подогрева и деаэрации воды в нижнюю часть колонки подводится пар, который движется навстречу потоку воды. Недостатками этих колонок являются их значительные габариты, большая потеря конденсата при деаэрации подпиточной воды и необходимость отвода из деаэратора большого расхода выпара, что требует установки мощных охладителей выпара.

В последние годы на тепловых электростанциях и в котельных с водогрейными котлами для деаэрации подпиточной воды тепловых сетей определенное распространение получили одноступенчатые вакуумные деаэраторы струйного типа, исключающие потерю конденсата.

Работа деаэратора осуществляется следующим образом. Основной поток деаэрируемой воды в количестве 90% от общего расхода исходной воды перегревается в предвключенных подогревателях и с температурой 75 - 80° С по центральной трубе подается в «горячую» колонку А. Давление в колонке поддерживается таким, чтобы температура насыщения была ниже температуры поступающей воды на 5 - 8° С. В результате этого деаэрируемая вода, поступая на первую тарелку, вскипает, выделяя определенное количество парогазовой смеси. Затем вода стекает вниз по тарелкам в струйном потоке, а параллельно ей сверху вниз движется паровоздушная смесь. В нижней части колонки А и Б соединены трубопроводом, через верхнюю часть которого паровоздушная смесь из колонки А поступает в колонку Б. В эту колонку на верхнюю тарелку по трубе поступает холодная вода с температурой 15 - 20° С в количестве 10% от производительности деаэратора. Холодный поток воды стекает сверху вниз по ряду дырчатых тарелок, а навстречу ему снизу вверх движется паровоздушная смесь. Пар при этом конденсируется, а неконденсирующиеся газы удаляются из колонки отсасывающим устройством через патрубок. Вода из «холодной» колонки Б по нижней части трубопровода отводится в колонку А, откуда с основным потоком воды через патрубок - в бак-аккумулятор. Таким образом, «холодная» колонка является смешивающим охладителем выпара.

Наряду с описанной конструкцией разработаны деаэраторы, в которых «холодная» колонка размещается в центре «горячей» колонки и объединена с ней общим верхним днищем.
Основным недостатком приведенных конструкций вакуумных деаэраторов является прямоточное движение пара и воды в «горячей» колонке, что приводит к резкому снижению интенсивности процесса дегазации по сравнению с противоточной схемой движения потоков. В этих условиях для повышения эффекта дегазации приходится увеличивать число тарелок и высоту аппарата, которая достигает 5,5 м. Одновременно возрастает металлоемкость деаэрационной колонки. Описанные вакуумные колонки серийно промышленностью не выпускаются.

Для обеспечения глубокой дегазации питательной и подпиточной воды ЦКТИ разработаны двухступенчатые вакуумные деаэраторы. Вода, направляемая на дегазацию, по трубе попадает на верхнюю тарелку. Последняя секционирована с таким расчетом, что при минимальной (30%) нагрузке работает только часть отверстий во внутреннем секторе. При увеличении нагрузки включаются в работу дополнительные ряды отверстий. Секционирование верхней тарелки позволяет избежать гидравлических перекосов по пару и воде при колебаниях нагрузки и но всех случаях обеспечить обработку струй паром. Пройдя струйную чисть, вода попадает на перепускную тарелку. Последняя предназначена для сбора и перепуска воды на определенный участок расположенного ниже барботажного листа. Перепускная тарелка имеет отверстие в виде сектора, который с одной стороны примыкает к вертикальной сплошной перегородке, идущей вниз до основания корпуса колонки. Вода с перепускной тарелки направляется на непровальный барботажный лист, выполненный в виде кольца со щелями или отверстиями, ориентированными перпендикулярно потоку воды. В конце барботажного листа имеется водосливный порог, который проходит до нижнего основания деаэратора. Вода протекает по барботажному листу, переливается через порог и попадает в сектор, образуемый порогом и перегородкой, а затем самотеком отводится в трубу. Весь пар в колонку подводится под барботажный лист по трубе. Под листом устанавливается паровая подушка, и пар, проходя через щели, барботирует воду. С увеличением нагрузки, а следовательно, и расхода пара паровая подушка увеличивается и избыточный пар перепускается в обвод барботажного листа через отверстия в трубах. Затем пар проходит через горловину в перепускной тарелке и поступает в струйный отсек, где большая часть пара конденсируется. Паровоздушная смесь отсасывается по трубе. Подвод химически умягченной воды после охладителя выпара осуществляется через коллектор на верхнюю тарелку. При необходимости подачи в деаэратор конденсата его следует вводить через штуцер на перепускную тарелку.

При отсутствии пара и подводе к деаэратору в качестве греющей среды перегретой воды последняя также подводится под барботажный лист по трубе. Попадая в область давления ниже атмосферного, вода вскипает, образуя под листом паровую подушку. Вода, оставшаяся после вскипания, по трубе удаляется на начальный участок барботажного листа, где проходит обработку совместно с исходным потоком воды. Дальнейший путь пара, выделившегося из перегретой воды, не отличается от описанного выше.

Вся колонка изготавливается цельносварной. Для ее разъема предусмотрен монтажный стык, расположенный выше перепускной тарелки. В настоящее время Черновицким машиностроительным заводом разработаны конструкции описанных вакуумных деаэраторов производительностью 25, 50, 75, 100, 150, 200 и 300 т/ч, а ЦКТИ испытаны головные образцы.

Производство этих деаэраторов в комплекте с воздухоотсасывающими устройствами и охладителями выпара намечено с 1972 г. на Саратовском заводе тяжелого машиностроения (СЗТМ).

В 1968 г. ЦКТИ совместно с СЗТМ разработал вакуумные струйно-барботажные деаэраторы горизонтального типа для подпиточной воды тепловых сетей производительностью 400, 800, 1200, 1600, 2000 и 3200 т/ч. Конструкция этих деаэраторов предусматривает возможность их использования также и для питательной воды ТЭЦ при замене деаэраторов атмосферного давления. В качестве барботажной ступени в этой конструкции также применены непровальные дырчатые тарелки.

Деаэратор вне зависимости от производительности представляет собой цилиндр диаметром 3 м, в котором размещены все элементы и охладитель выпара смешивающего типа. Химически умягченная вода поступает в деаэратор по трубе и попадает в распределительный коллектор, откуда стекает на первую тарелку. Эта тарелка служит для пропуска минимального расхода воды. С увеличением производительности деаэратора выше минимальной вода с первой тарелки перепускается коробами на третью тарелку. Вода с первой тарелки попадает на вторую тарелку, которая также рассчитана на минимальную нагрузку. Такая конструкция двух первых тарелок объясняется следующими соображениями. В этом деаэраторе отсутствует поверхностный охладитель выпара. Первые две тарелки должны обеспечить полную конденсацию необходимого количества выпара. Третья тарелка является основной тарелкой, обеспечивающей работу деаэратора при всех нагрузках. Для исключения перекосов но воде и пару при минимальной нагрузке работает часть отверстий третьей тарелки. С повышением производительности в работу включаются дополнительные ряды отверстий. С третьей тарелки вода попадает на перепускную тарелку, которая служит для сбора и перепуска воды на барботажный лист. После обработки на барботажном листе деаэрированная вода отводится по трубе. В деаэраторе выделен отсек, куда по трубе подается греющая среда - деаэрированная вода с температурой 70 - 150° С. При входе в отсек вода вскипает, а жалюзи способствуют разделению воды и пара.

Выделившийся пар поступает под барботажный лист, а оставшаяся вода по каналам вытесняется на уровень барботажного листа и вместе с деаэрированной исходной водой отводится из деаэратора. Пар, проходя через щели барботажного листа, подвергает воду интенсивной обработке. При этом под листом образуется паровая подушка. Когда паровая подушка превышает 200 мм, включаются в работу короба, по которым пар перепускается в струйный отсек между третьей и четвертой тарелками.

Пар, прошедший через барботажный лист, пересекает струйный поток, сливающийся с четвертой тарелки, и поступает в струйный отсек между третьей и четвертой тарелками. В этом отсеке происходит основной подогрев воды до температуры, близкой к температуре насыщения. Из третьего отсека пар поступает во второй отсек, где практически полностью конденсируется. В первом отсеке происходит охлаждение паровоздушной смеси и к эжектору поступают охлажденные неконденсирующиеся газы по трубе. При использовании описанной конструкции для деаэрации питательной воды рекомендуется в отсек подавать возврат конденсата с производства, а при его отсутствии - пар из расчета 20 - 25 кг на 1 т деаэрированной воды. Работа деаэратора при этом не отличается от работы вакуумного деаэратора подпиточной воды.

Бравиков А. М.

Экономичность вакуумных деаэраторов во многом зависит от подогрева в деаэраторе деаэрируемой воды. Чем меньше подогрев воды в деаэраторе, тем экономичнее режим деаэрации. Однако подогрев воды в деаэраторе влияет не только на экономичность режима, но и на качество деаэрации, а конкретнее - чем больше подогрев воды в деаэраторе, тем лучше качество деаэрации.
Одним из требований, предъявляемых к работе вакуумных деаэраторов, является обеспечение содержания кислорода в деаэрированной воде не более 50 мкг/кг. В этой связи оптимальным нагревом воды в деаэраторе является минимальный нагрев, при котором обеспечивается требуемое содержание кислорода в деаэрированной воде.
Опыт эксплуатации вакуумных деаэраторов показывает, что типовые вакуумные деаэраторы на разных объектах имеют разные технические характеристики. К числу таких характеристик может быть отнесен оптимальный нагрев воды в деаэраторе. Согласно оптимальный нагрев воды на разных объектах составляет от 5 до 15°С. Кроме того, опыт эксплуатации вакуумных деаэраторов показывает, что оптимальный нагрев может составлять 5 - 25°С.
На рис. 1 показано содержание кислорода в деаэрированной воде в зависимости от нагрева воды в деаэраторе (дегазационные характеристики деаэраторов), полученное экспериментально в одинаковых температурных и гидродинамических режимах на деаэраторах, установленных на разных объектах.

Рис. 1. Зависимости содержания кислорода в деаэрированной воде от нагрева воды в деаэраторах ДВ-400 и ДВ-800:
1 - ТЭЦ Горьковского автозавода; 2 - Усть-Каменогорская ТЭЦ; 3 - тепловые сети г. Курска; 4 - Новосибирская ТЭЦ-5

Кроме того, опыт эксплуатации вакуумных деаэраторов показывает, что в процессе эксплуатации дегазационная характеристика деаэратора может изменяться при неизменных температурных и гидродинамических параметрах режима работы деаэратора. При этом оптимальный нагрев воды в деаэраторе может как увеличиваться, так и уменьшаться. Причина, вызвавшая изменение дегазационной характеристики, как правило, остается неизвестной, так как теоретические положения о термической деаэрации не дают оценки данному явлению .
Вопрос изменения дегазационной характеристики деаэратора при неизменных температурных и гидродинамических параметрах в открытой печати впервые обсуждался в , где высказывалась точка зрения, что причиной изменения дегазационной характеристики деаэратора при неизменных температурных и гидродинамических параметрах режима работы является изменение кавитационной прочности деаэрируемой воды. Данное свойство воды характеризует условия, при которых в воде зарождаются и растут газовые пузырьки, и оно подробно рассмотрено в специальной литературе, например, в . Согласно теории кавитации интенсивность выделения растворенных газов из воды за счет образования пузырьков зависит от кавитационной прочности воды. Чем меньше кавитационная прочность воды (в некоторых источниках она называется “объемная прочность воды”), тем интенсивнее из нее выделяются газы за счет образования пузырьков и, следовательно, тем меньше минимально необходимый нагрев воды в деаэраторе.
Из теории кавитации известно, что кавитационная прочность воды зависит от многих факторов, например, от механических микроскопических примесей в жидкости, от присутствия растворенных солей в жидкости, от обработки воды давлением, от воздействия космических лучей, от гидродинамического состояния потока (от турбулентности) и др. При определении дегазационной характеристики деаэратора факторы, влияющие на кавитационную прочность деаэрируемой воды, как правило, не учитываются, а, следовательно, и кавитационная прочность деаэрируемой воды тоже не учитывается. Однако кавитационная прочность на разных объектах может быть различной.


Рис. 2. Схема реконструированных деаэраторов ДВ-400 и ДВ-800:
1 - корпус; 2, 3, 4, 5 - тарелка; 6 - патрубок подвода недеаэри- рованной воды; 7 - патрубок подвода греющей воды; 8 - патрубок отвода деаэрированной воды; 9 - патрубок отвода неконденсирующихся газов; 10 - решетка турбулизирующая; 11 - лопатка направляющая; 12 - сопло

Кроме того, кавитационная прочность воды может изменяться в процессе эксплуатации деаэратора. В этой связи изменяется и дегазационная характеристика деаэратора. Изменение дегазационной характеристики в процессе эксплуатации может приводить к ухудшению качества деаэрации или к необоснованно завышенному нагреву воды в деаэраторе, что экономически невыгодно.
В последнее время в совершенствовании процессов деаэрации наметилась тенденция повышения интенсивности процесса деаэрации за счет уменьшения кавитационной прочности деаэрируемой воды. Например, обработка деаэрируемой воды ультразвуком улучшает качество деаэрации. Замечено также, что при повышении хлоридов в деаэрируемой воде улучшается качество деаэрации, что, вероятно, связано также с уменьшением кавитационной прочности деаэрируемой воды.
Снижение кавитационной прочности деаэрируемой воды происходит и в деаэраторе (получившем распространение в теплоэнергетике), разработанном на основе изобретения . Отличительной особенностью данного деаэратора является то, что в патрубке подвода в деаэратор недеаэрированной воды установлено сопло. В сопле вода разгоняется до больших скоростей и турбулизуется, в результате кавитационная прочность деаэрируемой воды уменьшается, а интенсивность выделения газов из деаэрируемой воды за счет образования пузырьков повышается.
Однако данный деаэратор имеет существенный недостаток, выражающийся в том, что перед ним требуется создавать повышенное давление недеаэрированной воды. Указанный недостаток устранен в деаэраторе, показанном на рис. 2, в котором для повышения турбулентности потока деаэрируемой воды в патрубке 6 установлены решетка турбулентности 10, винтовые направляющие лопатки 11 и сопло 12. Данный деаэратор создан на основе изобретения . В разработанном деаэраторе поток деаэрируемой воды, проходя через патрубок 6, турбулизуется решеткой 10, закручивается по спирали лопатками 11 и затем поступает в сопло 12. При поступлении в сопло давление в потоке воды понижается, при этом из деаэрируемой воды интенсивно выделяются газы за счет образования пузырьков. При выходе из сопла 12 под действием центробежных сил закрученный поток распадается на мелкие капли, которые затем, двигаясь в паровом отсеке, подогреваются паром; при этом из капель, за счет диффузии, интенсивно выделяются газы.
Патрубок 6 с установленными в нем решеткой 10, лопатками 11 и соплом 12 выполняет роль форсунки, от эффективности работы которой зависит качество деаэрации воды.
Необходимым условием для распада потока воды на мелкие капли при выходе из форсунки является возрастание тангенциальной составляющей скорости течения жидкости в поперечном сечении потока от центральной оси к периферии. Данное условие может быть достигнуто за счет выбора оптимального угла закрутки направляющей лопатки.
Для определения угла закрутки направляющей лопатки определим математическую модель потока, закрученного винтовыми лопатками. Для этого зададимся законом закрутки лопатки
(1)
где а - угол закрутки лопатки на расстоянии r от оси патрубка, равный углу между образующей цилиндра, соосного с патрубком, и касательной к лопатке, исходящей из выходной кромки лопатки; r - расстояние (радиус) от угла а до оси патрубка; dH - диаметр патрубка; ан - угол закрутки лопатки на расстоянии dH/2 от оси патрубка.
Составим дифференциальное уравнение элементарной струйки потока. Запишем закон сохранения энергии для элементарной струйки в форме уравнения Бернулли, считая, что жидкость идеальная

(2)
где P - статическое давление элементарной струйки, образовавшееся от закрутки потока; р - плотность жидкости; и - тангенциальная составляющая скорости движения элементарной струйки; z - осевая составляющая скорости движения элементарной струйки; Рт - динамический напор элементарной струйки до закрутки потока.
Считаем, что угол закрутки потока равен углу закрутки лопатки.
Центробежная сила, действующая на элементарную струйку закрученного потока, равна разности давлений, действующих на боковые поверхности этой струйки, что выражается формулой
(3)
Из уравнений (1), (2), (3) получаем
(4)
где

Решение уравнения (4) имеет вид

(5)
После упрощения уравнение (5) может быть представлено в виде
(6)
где С1 - постоянная интегрирования.
Уравнение (6) представляет математическую модель потока жидкости в патрубке, закрученного винтовыми лопатками, закон закрутки которых описан уравнением (1).
Уравнение (6) позволяет определить поле скоростей потока и плотность орошения в факеле при различных значениях а, и dH, а также определить оптимальные ан и dH при заданном расходе воды.
На рис. 3 показана характеристика форсунки, направляющие лопатки которой рассчитаны с помощью формулы (6). Данная характеристика определена экспериментально при испытании одной из пяти форсунок, установленных в деаэраторе ДВ-800. Форсунки рассчитаны на расход воды 120 т/ч каждая при перепаде давления на форсунке 0,10 МПа.
При испытании форсунки деаэратор работал в следующем режиме:
расход недеаэрированной воды в деаэратор 575 т/ч;
температура недеаэрированной воды 26°С;
давление в деаэраторе 0,006 МПа;
давление воды перед форсункой 0,079 МПа.
Из результатов испытаний видно, что в указанном режиме пропускная способность форсунки близка расчетному значению, а плотность орошения одинакова по всему поперечному сечению факела.


Рис. 3. Плотность орошения в поперечном сечении факела:
r - расстояние от оси факела

Следует отметить, что расчетная производительность форсунки 120 т/ч определялась из условия максимально возможного расхода недеаэрированной воды в деаэратор 600 т/ч. Увеличивать производительность деаэратора более 600 т/ч не было необходимости, поскольку суммарная производительность деаэраторов, установленных на объекте, значительно превышает максимально возможный расход воды в деаэраторы.
В настоящее время в промышленной эксплуатации находится более 10 реконструированных деаэраторов, конструктивное исполнение которых аналогично деаэратору, показанному на рис. 2. Первый реконструированный деаэратор находится в эксплуатации с 1994 г. Испытания первого реконструированного деаэратора показали, что за счет реконструкции в нем уменьшился минимально необходимый нагрев воды с 24 до 16°С и понизилась минимально необходимая температура греющей воды. До реконструкции в качестве греющей среды в деаэраторе использовалась прямая сетевая вода с температурой 90°С и более и для достижения данной температуры использовался специальный подогреватель, который включался в работу при температуре прямой сетевой воды ниже 90°С. После реконструкции деаэратор обеспечивает нормальное качество деаэрации при температуре греющей воды 80°С и более. Снижать температуру греющей воды менее 80°С при испытании не было необходимости, так как для данного объекта указанная температура соответствует минимальному значению температуры прямой сетевой воды, определенной по температурному графику тепловых сетей. В этой связи данный деаэратор не испытан при температуре греющей воды ниже 80°С. Однако опыт эксплуатации реконструированных деаэраторов на других объектах показал, что снижение температуры греющей воды в них до 70°С не оказывает заметного влияния на качество деаэрации. Что касается максимальной производительности реконструированного деаэратора, то при температуре недеаэрированной воды
30°С и температуре греющей воды 70°С и более реконструированный деаэратор обеспечивает качественную деаэрацию 950 т/ч воды. Нереконструированные деаэраторы согласно при температуре недеаэрированной воды 30°С могут продеаэрировать не более 620 т/ч.
Имеется также положительный опыт эксплуатации реконструированных деаэраторов в течение длительного времени (с 1996 г.) при использовании в них в качестве греющей среды обратной сетевой воды с температурой 50 - 70°С. Опыт эксплуатации показал, что при температуре греющей воды 50 - 70°С деаэраторы стабильно обеспечивают требуемое качество деаэрации, однако производительность деаэратора при этом уменьшается и при температуре греющей воды 50°С производительность деаэратора составляет 40 - 50% номинальной производительности деаэратора.
Экономический эффект от реконструкции деаэратора ДВ-800, установленного на ТЭЦ в схеме подпитки теплосети, составляет 800 т/год условного топлива.

Выводы

1. Кавитационная прочность воды является одним из факторов, определяющих интенсивность процесса деаэрации воды в термических деаэраторах.
2. Различие дегазационных характеристик вакуумных деаэраторов, установленных на разных объектах, вызвано различием кавитационной прочности деаэрируемой воды на этих объектах.
3. Изменение дегазационной характеристики деаэратора без изменения температурных и гидродинамических параметров режима работы деаэратора происходит в связи с изменением кавитационной прочности воды.
4. Применение в вакуумных деаэраторах форсунок с направляющими винтовыми лопатками улучшает дегазационную характеристику деаэратора, а именно:
   уменьшает минимально необходимый нагрев воды в деаэраторе с 24 до 16°С;
   снижает минимально допустимую температуру греющей воды с 85 - 90 до 70°С.
5. Производительность реконструированного деаэратора, в конструкции которого применены форсунки с направляющими винтовыми лопатками, составляет 950 т/ч при температуре недеаэрированной воды 30°С и температуре греющей воды 70°С и более.

Список литературы

1. Типовая инструкция по эксплуатации автоматизированных деаэрационных установок подпитки теплосети. М.: Союзтехэнерго, 1985.
2. РТМ 108.030.21-78. Расчет и проектирование термических деаэраторов. Л.: ЦКТИ, 1979.
3. Бравиков А. М. Разработка и исследование деаэратора перегретой воды. - Теплоэнергетика, 1990, № 12.
4. Карелин В. Я. Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах. М.: Машиностроение, 1975.
5. Водолазов О. А. Новый способ деаэрации воды. - Энергетик, 1999, № 2.
6. А.с. 1255805 (СССР). Вакуумный деаэратор / Комарчев И. Г., Нестеренко Б. М., Качанова-Махова Н. И. Опубл. в Б. И., 1986, № 33.
7. Пат. 2054384 (РФ). Термический деаэратор / Бравиков А. М. Опубл. в Б. И., 1996, № 5.
8. Шарапов В. И., Кувшинов О. Н. О рабочей производительности вакуумных деаэраторов. - Электрические станции, 1998, № 8.