Деаэратор в котельной и на ТЭС: виды, назначение, схема и принцип действия

Термическая деаэрация воды в энергетике России и за границей является основным способом защиты от коррозии омываемых водой поверхностей теплоэнергетического оборудования и трубопроводов. Термические деаэраторы предназначены для удаления из воды газов, которые вызывают коррозию. К таким газа относятся кислород О₂ и углекислый газ СО₂. Удалять агрессивные газы необходимо из питательной воды парогенераторов, подпиточной воды систем отопления и горячего водоснабжения при подогреве этой воды на тепловых электростанциях, атомных электростанциях и котельных всех типов.

Что такое деаэратор и для чего он нужен.

Деаэратор – это тепломассообменный аппарат в котором вода подогревается паром и очищается от растворенных газов, вызывающих коррозию металла. Он предназначен для удаления из теплоносителя углекислого газа и кислорода. Одна установка может очищать и нагревать как питательную воду, так и подпиточную. В основном всё теплоэнергетическое оборудование, включая котлы, сделаны из стали. Вода с содержанием углекислого газа и кислорода является теплоносителем в таких установках. Растворенные в воде кислород О₂ и углекислый газ СО₂ агрессивно воздействуют на сталь. В результате этого воздействия появляется коррозия, что уменьшает срок службы оборудования и трубопроводов. С целью защиты оборудования от негативного воздействия коррозии, теплоноситель проходит очищение от растворенных газов в деаэраторе.

Деаэрация как защита оборудования от коррозии

Процесс деаэрации обычно используется для борьбы с коррозией в трубопроводных системах и теплоэнергетическом оборудовании. Присутствие растворенных газов, в частности кислорода и двуокиси углерода, вызывает ускоренную коррозию стали. Растворенный в воде диоксид углерода образует слабую углекислоту, которая воздействует на металл в системах подачи питательной воды, котле или конденсационной системе. В основном коррозию стали вызывает кислород, а углекислый газ является катализатором этих процессов.

Чтобы не протекал процесс коррозии и не образовывалась ржавчина на поверхностях оборудования и трубопроводов содержание кислорода О₂ должно быть менее 10 мкг/кг.

Одним из наиболее серьезных аспектов кислородной коррозии является то, что она проявляется в виде точечной коррозии. Степень кислородного воздействия зависит от концентрации растворенного кислорода, рН и температуры воды. Повышенная температура сама по себе не вызывает коррозии. Однако, даже небольшая концентрация кислорода в воде при повышенных температурах вызывают серьезные проблемы. Это повышение температуры обеспечивает движущую силу, которая ускоряет реакцию, так что даже небольшие количества растворенного кислорода могут вызвать серьезную коррозию.

Физические основы деаэрации. Закон Генри

Принцип действия всех деаэраторов основан на одном простом законе физики. Этот закон гласит: Концентрация растворенных газов в жидкости тем больше, чем выше парциальное давление этих газов в газовой фазе над жидкостью. Закон носит имя закона Генри и описывается простой линейной зависимостью:

c_г=K_г∙p_г

где c_г – концентрация растворенных газов в растворе, например кислорода мкг/кг; K_г – константа фазового равновесия или константа Генри, мг/(кг∙Па); p_г – парциальное давление газа над жидкостью, то есть, такое давление газа какое бы он создавал если бы не было других газов, Па.

Как видно из закона Генри, чтобы удалить кислород из воды достаточно снизить его парциальное давление над водой. Молекулы растворенного кислорода начнут перемещаться из жидкости в газовое пространство над жидкостью, затем отводятся с выпаром.

Снизить парциальное давление кислорода над водой можно двумя путями:

1. Уменьшить общее давление газовой смеси над водой.
2. Изменить распределение парциальных давлений газов.

Второй способ применяется на практике в деаэраторах. Воздух с содержанием кислорода 20,9% замещается водяным паром с минимальным содержанием O₂ и CO₂. В результате этого по закону Генри, растворенные в воде газы начинают её покидать, и их концентрация снижается до допустимого значения 10 мг/кг.

Полностью удалить растворенные газы из воды невозможно!

Назначение деаэратора

Деаэраторы в теплоэнергетических системах выполняют три функции:

1. Главная функция: удаление из воды агрессивных газов (O₂ и CO₂), которые в последствии могут приводит к коррозии оборудования.
2. Следующая функция: регенеративный подогрев основного конденсата.
3. И третья функция деаэратора (бака): место сбора, запас и хранение питательной воды в тепловой схеме.

Основные типы деаэраторов

Термические деаэраторы классифицируются по нескольким характеристикам.

Давление в корпусе деаэратора:

1. ДП — повышенного давления (обработка питательной воды). Повышение давления в деаэраторе позволяет устанавливать не более 3 регенеративных подогревателей высокого давления (ПВД) в схеме ТЭС. Применение деаэратора ДП (давление может достигать 0,6-0,8 МПа на ТЭС и 1,25 МПа на АЭС) позволяет сэкономить на количестве ПВД, которые устанавливаются после деаэратора.
2. ДА — атмосферного давления (добавочная вода ТЭС, питательная вода испарителей, подпиток теплосети). Небольшое избыточное давление 0,02 МПа. Такие деаэраторы используются либо в схемах турбоустановок с низким начальным давлением, либо в схемах подготовки добавочной воды, питательных водоиспарителях и в деаэраторе подпиток теплосети. Плюс этих деаэраторов заключается в том, что поскольку давление в корпусе деаэратора атмосферное, то есть практические нет избытка, можно сэкономить на толщине стенки металла.
3. ДВ — вакуумные деаэраторы (не имеют в своем составе деаэрационных баков). Выполняется деаэрационная колонка и отдельно бак, где собирается деаэрированная вода. Минус таких деаэраторов заключается в том, что требуется эжектор для поддержания вакуума и имеется опасность присосов воздуха в корпус деаэратора.

Способ создания поверхности контакта фаз:

• Струйные — поток обрабатываемой воды дробиться на струи.
• Плёночные — в колонке расположена упорядоченная или неупорядоченная насадка по которой стекает вода в виде пленки. Потоки пара движутся навстречу воде удаляя из нее газы.
• Капельные — поток обрабатываемой воды дробиться на капли.
• Барботажные — основаны на принцепе барботера, при пропускании пузырьков пара через слой воды.
• Струйно-барботажные — комбинированная версия струйных и барботажных.
• Кавитационные — основаны на вскипании воды при увеличении скорости её движения.

Барботаж – пропускание пара или газа через жидкость

Конструкции

По конструкции деаэраторы делятся на колонные и бесколонные. Деаэраторные колонны бывают вертикального или горизонтального типа.

Кроме того, все деаэраторы подразделяются на две группы:

1. Деаэраторы, в которых вода непосредственно нагревается до температуры насыщения. Температура насыщения соответствует рабочему давлению в деаэраторе (деаэраторы с подачей охлаждающей жидкости в корпус);
2. Деаэраторы, в которые подается исходная, предварительно подогретая вода. Вода специально подогревается до температуры, больше температуры насыщения при рабочем давлении в деаэраторе. Эти деаэраторы работают без подвода пара в корпус.

Принцип работы деаэраторов

Атмосферного давления

В колонке установлено 5 контактных тарелок, имеет 2 боковых люка для проведения ремонтных работ. Колонка оборудована штуцерами для отвода газа сверху Снизу отводится деаэрированная вода. Сверху распложены штуцеры для ввода пара и конденсата. Так же на ней располагаются термометры, манометры и указатель уровня. Сам деаэратор устанавливают на фундамент, оборудованной площадками и лестницей для персонала. Вода, нагретая до температуры от 80-85℃ подается сверху колонки, снизу подается пар. Стекающая сверху вниз вода, вступает в контакт с паром. В результате контакта с паром вода очищается от углеродных газов и кислорода. После стекает в емкость деаэратора. В заданных пределах уровень воды в баке поддерживается регулятором. Питательная вода, нагретая до 100-104℃ подается на аппаратные блоки. В атмосферу сбрасывается смесь пара и воздуха с верха колонки. Деаэрация намного экономичнее, чем замена трубопровода, поврежденного коррозией. Деаэрация продлевает срок службы оборудования примерно в 3 раза.

Повышенного давления

Деаэратор повышенного давления состоит из:

• деаэрационной колонки
• бака деаэрированной воды.

В деаэрационную колонку подводятся потоки конденсата и воды для удаления из них агрессивных газов. Пар подается в колонку противотоком с водой. Затем пар проходит через потоки воды, нагревая её до температуры насыщения (кипения). В деаэраторах повышенного давления температура насыщения достигает 156-170°С в зависимости от давления. Таким образом, деаэрационная колонка выполняет функцию подогрева воды и удаления из нее кислорода и углекислого газа. Деаэрационная колонка состоит из струйного и барботажного устройств.

Бак деаэрированной воды служит для создания запаса воды на котельной или электростанции. Объем бака составляет от 65 до 185 кубических метров. Значение выбирается исходя из обеспечения запасом воды котельной или электростанции не менее чем на 1 час работы с номинальной производительностью.

Конденсат, вода и дренажи подаются в деаэрационную колонку сверху на смесительно-распределительное устройство. Там потоки смешиваются и равномерно распределяются по всему периметру колонки. Затем вода поступает на перфорированный (дырчатый) лист струйного устройства, в котором поток дробится на мелкие струи и стекает вниз. На встречу струям воды движется поток пара, который нагревает воду удаляя из нее растворенный кислород и углекислоту.

Под струйным устройством деаэратора расположено барботажное устройство. Отверстия в перфорированном листе подобраны таким образом, чтобы подводимый поток пара снизу листа не позволял воде протекать через него. Слой воды в барботажном устройстве располагается как-бы над слоем пара. При этом, пар проходит через слой воды образуя барботёр. Этот способ эффективен при удалении растворенных газов из воды и её нагрева. Далее деаэрированная вода поступает в бак.

Вакуумный

В корпусе вакуумного деаэратора давление ниже атмосферного и составляет от 7,5 до 50 кПа (Атмосферное давление при нормальных условиях равно 101,325 кПа). Температура кипения воды при этих уровнях давления составляет от 40 до 81°С. Поддержание вакуума в процессе деаэрации воды позволяет снизить затраты пара и удешевить технологию. Вакуумные установки используются для подготовки подпиточной воды для восполнения потерь сетевой воды в тепловых сетях.

Как в и деаэраторе повышенного давления, в вакуумном имеется барботажная и струйная части. Однако, вместо пара подводится вода с температурой выше температуры насыщения при вакууме. За счет этого происходит её частичное вскипание с образованием пузырьков пара, которые удаляют кислород из воды.

Деаэратор перегретой воды

Особенность данной конструкции в том, что для его работы не требуется повод греющего пара. Деаэрируемая вода подается через патрубок 2 и поступает в сопло 5. Температура воды на несколько градусов выше, чем температура насыщения в корпусе деаэратора. То есть, вода находится в перегретом состоянии. В сопле 5 происходит ускорение потока и снижение давления в результате чего происходит вскипание части воды, которое продолжается и на цилиндрическом участке 6.

Парообразование по потоку воды приводит к образованию пузырьков пара и возникновению устойчивой паровой фазы. В диффузоре 7, камере 8 и далее происходит образование струи потока с большими скоростями, достигающими скорости звука. В струе возникают интенсивные процессы деаэрации воды – удавления из воды растворенных агрессивных газов.

Заключение

По данным выполненной работы делаются следующие выводы:

1. Деаэратор – это тепломассообменный аппарат в котром вода подогревается паром и очищается от растворенных газов, вызывающих коррозию металла.
2. Для надежной работы оборудования, из воды должны быть удалены агрессивные газы, вызывающие коррозию металла, особенно О₂ и СО_2.
3. Наиболее эффективным способом деаэрации является термическая деаэрация. Позволяет удалить все растворенные в воде газы и не вносить в воду никаких других примесей.
4. Деаэраторное устройство состоит из колонки и емкости, куда поступает деаэрированная вода.
5. Процесс деаэрации воды протекает в деаэрационной колонке.
6. Процесс деаэрации представляет собой совокупность физических и химических процессов, благодаря которым происходит удаление из воды агрессивных газов.
7. Основное требование к деаэраторам – необходимость поддержания в нем постоянного давления.