Комплексные аппараты в теплоэнергетике

Технологическая цепочка непрерывной продувки по классическому варианту строится так. Продувка из котла направляется в сепаратор, где протекает два процесса: дросселирование (снижение давления) до рабочего давления в аппарате с образованием (дополнительно к спутному) паров вскипания и сепарация пара (т.е. разделение пара и соленой воды). Затем соленая вода проходит через теплообменник, где отдает часть теплоты (например, исходной воде) и направляется в сборник (барботер), после чего обычно сливается в канализацию. Отсепарированный пар подается, например, в деаэратор как дополнение к греющему пару, или в теплообменник, где нагревает исходную воду и т.п.

В цепочке водоподготовки вода после ионитных фильтров (а в некоторых случаях – еще и после декарбонизаторов) подогревается до определенной температуры и подается в последний аппарат – деаэратор. Деаэрированная вода направляется в паровые или водогрейные котлы или на подпитку тепловых сетей и на горячее водоснабжение. Избыточный пар (выпар) из деаэратора направляется в теплообменник, где подогревает, например, исходную воду, а неконденсирующиеся газы выбрасываются в атмосферу.

Вместе с тем известно, что с увеличением длины технологической цепочки снижается ее надежность, усложняется схема управления, вся система удорожается.

И еще один факт, на который следует обратить внимание – это применение узкоспециализированного оборудования, что, в конечном итоге, и обуславливает столь длинные технологические цепочки.

Очевидно, что работа каждой единицы оборудования сопровождается потерями тепла, т.е. снижается энергетическая эффективность технологического процесса, что требует больших затрат на эксплуатацию и обслуживание.

Один из путей решения указанной проблемы, повышения энергетической эффективности производства тепловой энергии, видится в разработке и применении устройств, сочетающих функции нескольких традиционных аппаратов. Некоторым результатам этой работы и посвящена настоящая статья.

В предыдущих публикациях мы отмечали, что преимущества движущей силы противотока перед прямотоком становится малозаметными в процессах, для завершения которых достаточно одной теоретической ступени контакта. (Это процессы с изменением фазового состояния, абсорбция хорошо растворимых газов или десорбция труднорастворимых, улавливание взвешенных частиц и т.п. В теплоэнергетике это испарительное охлаждение воды, конденсация пара, деаэрация, декарбонизация, очистка дымовых газов, обезжелезивание и т.п.) Вместе с тем, целый ряд неоспоримых достоинств прямотока наряду с разработкой теоретической базы послужил основой для создания нового семейства аппаратов – прямоточных распылительных (ПРА).

Изучая работу прямоточного (смесительного) охладителя выпара (ОВПР), мы обратили внимание на то, что вместе с конденсацией пара на каплях охлаждающей воды происходит не только нагревание последней, но и ее эффективная деаэрация, которая при определенных соотношениях расходов приближается к нормативному уровню. Очевидно, что если в качестве охлаждающей среды использовать химически очищенную воду (ХОВ), то ее после охладителя выпара можно сливать непосредственно в деаэраторный бак. Этот факт позволил не только снабжать традиционные деаэраторные колонки эффективными, экономичными, надежными и долговечными охладителями выпара, но и повысить без дополнительных затрат производительность деаэрационной установки.

Современные прямоточные распылительные атмосферные деаэраторы (ДАПР) обязательно содержат встроенный, а вакуумные (ДВПР) – совмещенный охладитель выпара. Таким образом, уже на начальном этапе ДАПРы и ДВПРы стали заменять две единицы оборудования. При этом выпар стал внутренней характеристикой аппарата, и его величина перестала влиять на экономичность деаэрационной установки. Открылась возможность существенно поднять значение выпара (до 20–30 кг/т, против 1,5–2 в традиционных деаэраторах), повысить эффективность процесса в колонке и отказаться от барботажа пара в деаэраторном баке (что приводит к его преждевременному коррозионному износу).

Еще одно известное ограничение традиционных деаэраторов обусловлено возникновением гидравлических ударов. По этой причине ХОВ после ионитных фильтров перед атмосферным деаэратором подогревается (обычно в поверхностном теплообменнике) до 70–80 °С, т.е. недогрев до температуры насыщения не должен превышать 20–30 °С. В вакуумных деаэраторах это требование еще более жесткое.

В прямоточных распылительных аппаратах картина иная, в них уже в силу принципа действия (процесс протекает на поверхности капель) гидроудары исключены. Этот факт позволил при их проектировании предусматривать участок капельного факела (струйно-капельную ступень подогрева), на котором происходит нагревание ХОВ до температуры насыщения.

Итак, вода в ПР-деаэраторы может подаваться любой температуры, а сами они способны заменить уже три единицы оборудования в технологической цепочке водоподготовки.

Отметим попутно, что поскольку за ДАПРом по газовой фазе аппаратов больше нет, то в них оказалось возможным поддерживать фактическое атмосферное давление, что позволило удешевить сами аппараты и снизить расход греющего пара. В традиционных ДА и ДСА давление избыточное – 2–4, а в струйных, например, КВАРКах – 6–8 м вод. ст. (1 м вод. ст. приблизительно равен 9,8 КПа).

И, наконец, ДАПРы выполняются в виде автономного аппарата и соединяются с деаэраторным баком только сливной и дыхательной трубами.

Погружение сливной трубы под слой деаэрированной воды в баке в сочетании с фактическим атмосферным давлением и отсутствием сопротивления за колонкой по паровой фазе позволило отказаться от отдельного защитного устройства (четвертой единицы в традиционной технологической цепочке).

Таким образом, ДАПРы являются первым примером многофункционального (комплексного) аппарата в схеме водоподготовки.

Замена традиционного деаэратора на ДАПР только за счет снижения потерь теплоты и конденсата греющего пара с выпаром окупается за 2–4 месяца.

Добавим также, что примененный нами принцип секционирования дал возможность сделать фактически неограниченным диапазон регулирования производительности деаэратора.

На рис. 1 приведена принципиальная схема деаэрационной колонки типа ДАПР, поясняющая ее работу и некоторые специфические возможности (в данном примере возможность раздельной подачи на деаэрацию ХОВ и конденсата). На рис. 2 показана принципиальная схема деаэрационной установки с колонкой, приведенной на рис. 1. Устройство УБОПИ, показанное на схеме, позволяет исключить главную инерционную составляющую (деаэраторный бак) и обеспечить фактически безинерционный отбор проб и измерений, т.е. существенно повысить эффективность схемы управления.

Еще одна технологическая цепочка, которую мы упоминали, это схема утилизации непрерывной продувки. В свое время нами были разработаны и успешно внедрялись прямоточные распылительные сепараторы – теплоутилизаторы типа УТК, в которых, как и в ПР деаэраторах, содержалось две секции – дросселирования и сепарации непрерывной продувки и утилизации выделившегося пара. При этом из первой секции соленая вода сливается в канализацию (возможно через водоводяной теплообменник), а пар во второй секции конденсируется каплями распыленной ХОВ и нагревает последнюю. Естественно, что ХОВ при этом деаэрируется. Если расход ХОВ увязать с ее температурой, то можно добиться нормативной деаэрации и сливать воду после второй секции в деаэраторный бак. УТК уже в таком виде заменил сепаратор, теплообменник и барботер.

Объединяет обе схемы то, что в ДАПРе есть потребность в греющем паре, а в УТК пар выделяется и нуждается в утилизации. На следующем этапе на основе этих аппаратов был создан новый комплексный аппарат ДАПР/УТК, не имеющий аналогов. Он заменяет уже до семи единиц оборудования и многократно упрощает всю технологическую схему. Принципиальная схема такого аппарата показана на рис. 3.

Внешний пар в такой аппарат подается только как дополнение к пару, поступающему в зону деаэрации из блока дросселирования – сепарации непрерывной продувки в количестве, обеспечивающем требуемую глубину деаэрации, и назван нами управляющим паровым потоком. Расход греющего пара в таком аппарате по сравнению с традиционным деаэратором сокращается на 40-50 %.

Этим возможности рассмотренных комплексных аппаратов не ограничиваются. При распыливании жидкой фазы с помощью форсунок неизбежно возникает эжекционный эффект (засасывание окружающей газовой фазы в полость капельного факела распыла), который обуславливает возникновение некоторого разряжения на начальном участке факела (до сечения соприкосновения его со стенками аппарата), т.е. там, где и вводится газовая фаза (например, пар). Это позволяет утилизировать в ДАПРах и ДАПРах/УТК фактически любые выбросные паровые потоки, например, выпара бойлеров и конденсатных баков, различного рода пролетный пар, в том числе паровых подушек аккумуляторных баков систем ГВС и пр. При этом потребность во внешнем греющем паре может сократиться почти до нуля.

Другим примером комплексных аппаратов могут служить ПР-конденсационные экономайзеры котлов, которые способны обеспечить не только глубокую утилизацию теплоты дымовых газов в сочетании с их осушкой, но и улавливание вредных или ценных примесей. Это особенно актуально при работе на твердом топливе, для котлов-утилизаторов, технологических печей и пр.

В заключение отметим, что комплексные аппараты еще только начинают применяться в теплоэнергетике, но за ними, несомненно, большое будущее.