Термическая деаэрация воды в котельных: защита оборудования от разрушения
Когда вода нагревается в котельных, растворенные в ней газы становятся настоящей угрозой. Кислород и углекислота провоцируют коррозию оборудования, которая может привести к авариям, внеплановым остановам и дорогостоящему ремонту. Деаэрация воды — это процесс, который решает проблему на этапе подготовки воды, до того как она попадет в котел.
Современные промышленные объекты энергетического комплекса используют различные методы удаления газообразных примесей. Среди них термическая деаэрация воды занимает особое место благодаря своей эффективности и надежности. Этот процесс применяется как на крупных ТЭС, так и в небольших котельных, обеспечивая бесперебойную работу теплоэнергетического оборудования.
Современные промышленные объекты энергетического комплекса используют различные методы удаления газообразных примесей. Среди них термическая деаэрация воды занимает особое место благодаря своей эффективности и надежности. Этот процесс применяется как на крупных ТЭС, так и в небольших котельных, обеспечивая бесперебойную работу теплоэнергетического оборудования.
Почему растворенные газы опасны для оборудования
В любой природной воде присутствуют агрессивные газы — в первую очередь кислород и углекислый газ. Они попадают туда из атмосферы или образуются при ионном обмене во время водоподготовки. При нагревании эти вещества активизируются и начинают разрушать металл.
Кислород вызывает самые опасные повреждения. Он провоцирует язвенную коррозию, которая проникает глубоко в металл и образует сквозные свищи. Углекислота работает как катализатор — усиливает разрушительное действие кислорода, хотя и сама способна повреждать трубопроводы и элементы котла.
Важно! Даже минимальная концентрация растворенного кислорода в питательной воде может вывести из строя дорогостоящие элементы котла. Первым под удар попадает водяной экономайзер.
Кислород вызывает самые опасные повреждения. Он провоцирует язвенную коррозию, которая проникает глубоко в металл и образует сквозные свищи. Углекислота работает как катализатор — усиливает разрушительное действие кислорода, хотя и сама способна повреждать трубопроводы и элементы котла.
Важно! Даже минимальная концентрация растворенного кислорода в питательной воде может вывести из строя дорогостоящие элементы котла. Первым под удар попадает водяной экономайзер.
Принцип термического метода удаления газов
Термическая деаэрация основана на физическом законе: чем выше температура жидкости, тем хуже в ней растворяются газы. Этот процесс описывается законом Генри, согласно которому растворимость газа в воде пропорциональна его парциальному давлению над поверхностью воды. Коэффициент растворимости при одном и том же давлении зависит от температуры — при нагреве он уменьшается.
Суть метода заключается в создании условий, при которых парциальное давление газов над водной поверхностью минимально. Кислород и углекислота из жидкой фазы переходят в паровую, контактирующую с водой, и удаляются в атмосферу через систему отвода выпара.
При нагреве воды в котельных при постоянном давлении происходит выделение растворенных газов. По мере увеличения температуры, когда она доходит до кипения, концентрация газов постепенно снижается до минимума, и вода практически полностью освобождается от них. Если воду не нагреть до температуры кипения, остаточное содержание газов будет увеличиваться.
Обратите внимание! Влияние температурного параметра очень существенное. Существуют четкие нормы, регулирующие состояние воды в котельных, и если недогреть её хотя бы на один градус, добиться соответствия этим нормам не получится.
Поскольку концентрация растворенных газов в воде очень маленькая, недостаточно просто удалить их — важно полностью освободить от них установку деаэрации. Для этого подают избыточный пар в установку, в количестве гораздо большем, чем требуется для доведения воды до кипения. Если взять расход пара в пределах 15−20 кг на тонну обрабатываемой воды, то выпар составит 2−3 кг/т, а его снижение приведет к значительному ухудшению качества воды.
Суть метода заключается в создании условий, при которых парциальное давление газов над водной поверхностью минимально. Кислород и углекислота из жидкой фазы переходят в паровую, контактирующую с водой, и удаляются в атмосферу через систему отвода выпара.
При нагреве воды в котельных при постоянном давлении происходит выделение растворенных газов. По мере увеличения температуры, когда она доходит до кипения, концентрация газов постепенно снижается до минимума, и вода практически полностью освобождается от них. Если воду не нагреть до температуры кипения, остаточное содержание газов будет увеличиваться.
Обратите внимание! Влияние температурного параметра очень существенное. Существуют четкие нормы, регулирующие состояние воды в котельных, и если недогреть её хотя бы на один градус, добиться соответствия этим нормам не получится.
Поскольку концентрация растворенных газов в воде очень маленькая, недостаточно просто удалить их — важно полностью освободить от них установку деаэрации. Для этого подают избыточный пар в установку, в количестве гораздо большем, чем требуется для доведения воды до кипения. Если взять расход пара в пределах 15−20 кг на тонну обрабатываемой воды, то выпар составит 2−3 кг/т, а его снижение приведет к значительному ухудшению качества воды.
Обязательные условия эффективной деаэрации
Для осуществления процесса атмосферной деаэрации необходимо выполнение следующих условий:
- Избыточное давление в паровом надводном пространстве 0,2 атмосферы — это изолирует установку от поступления атмосферного воздуха и обеспечивает вентиляцию парового объема.
- Температура воды в деаэраторе 102−104°C — при таких параметрах растворимость кислорода и углекислого газа равна нулю.
- Постоянный отвод паровоздушной смеси позволяет выводить агрессивные газы благодаря открытому сообщению с атмосферой.
- Стабильный уровень жидкости в установке для поддержания заданных параметров температуры и давления.
- Время пребывания воды в установке не менее 20−30 минут — это необходимо не только для выведения газов, но и для полного разложения карбонатов.
Конструкция и принцип работы деаэраторов
Современные деаэраторы представляют собой сложные технологически продуманные устройства. Они состоят из двух основных частей: колонки для непосредственной деаэрации и бака для хранения подготовленной воды. Процесс идет в две ступени — струйную и барботажную, что позволяет наиболее полно удалять газы из воды.
В струйной секции вода проходит через распределительную дырчатую тарелку, разбиваясь на тонкие струи. Это многократно увеличивает площадь контакта с греющим паром. Пар движется снизу вверх навстречу падающей воде — такой противоток обеспечивает максимальную эффективность теплообмена и удаления газообразных соединений.
Чем больше площадь соприкосновения потоков воды и пара, тем полнее происходит удаление кислорода и углекислоты. Для увеличения этой площади используются специальные насадки из профильных пакетов — поток воды, проходя через отверстия, дробится на максимально тонкие струи.
В нижней части установки располагается бак, разделенный перегородкой на зону деаэрации и зону хранения. Здесь установлено барботажное устройство, через которое пар проходит через слой воды в виде мелких пузырьков. Эта стадия окончательно удаляет остатки газов и особенно важна для разложения бикарбоната натрия до карбоната натрия и свободной углекислоты, которая затем удаляется.
Подготовленная вода после прохождения обеих ступеней накапливается в баке и подается насосами в систему. Бак может быть горизонтальным или вертикальным в зависимости от конструкции установки и требований к компоновке оборудования в котельной.
Важно знать! Емкость установки деаэрации должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить необходимое время контакта. Работа деаэратора зависит от правильного соотношения объема и производительности.
В струйной секции вода проходит через распределительную дырчатую тарелку, разбиваясь на тонкие струи. Это многократно увеличивает площадь контакта с греющим паром. Пар движется снизу вверх навстречу падающей воде — такой противоток обеспечивает максимальную эффективность теплообмена и удаления газообразных соединений.
Чем больше площадь соприкосновения потоков воды и пара, тем полнее происходит удаление кислорода и углекислоты. Для увеличения этой площади используются специальные насадки из профильных пакетов — поток воды, проходя через отверстия, дробится на максимально тонкие струи.
В нижней части установки располагается бак, разделенный перегородкой на зону деаэрации и зону хранения. Здесь установлено барботажное устройство, через которое пар проходит через слой воды в виде мелких пузырьков. Эта стадия окончательно удаляет остатки газов и особенно важна для разложения бикарбоната натрия до карбоната натрия и свободной углекислоты, которая затем удаляется.
Подготовленная вода после прохождения обеих ступеней накапливается в баке и подается насосами в систему. Бак может быть горизонтальным или вертикальным в зависимости от конструкции установки и требований к компоновке оборудования в котельной.
Важно знать! Емкость установки деаэрации должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить необходимое время контакта. Работа деаэратора зависит от правильного соотношения объема и производительности.
Атмосферные и вакуумные установки
Атмосферные деаэраторы работают при давлении, близком к атмосферному, и температуре около 104 °C. Они компактнее вакуумных аналогов и имеют меньшую площадь барботажного листа при одинаковой производительности. Такие установки хорошо подходят для закрытых систем теплоснабжения.
Однако атмосферный тип имеет недостатки:
Преимущество вакуумной деаэрации — возможность использовать в качестве теплоносителя перегретую воду вместо пара. Это исключает потери конденсата. Но конструкция таких установок сложнее: нужны вакуумные эжекторы, насосы, дополнительные баки. Кроме того, их приходится монтировать на возвышении.
Однако атмосферный тип имеет недостатки:
- Теряется конденсат греющего пара
- Нужно охлаждать очищенную воду до 75 °C перед подачей в теплосеть по санитарным нормам
- Требуются дополнительные теплообменники
- Громоздкость конструкции для крупных систем
Преимущество вакуумной деаэрации — возможность использовать в качестве теплоносителя перегретую воду вместо пара. Это исключает потери конденсата. Но конструкция таких установок сложнее: нужны вакуумные эжекторы, насосы, дополнительные баки. Кроме того, их приходится монтировать на возвышении.
Выбор оптимальной системы для конкретных условий
Решение о типе установки деаэрации принимают после проведения тщательных технико-экономических расчетов. Необходимо учитывать множество факторов: тип котлов, параметры системы теплоснабжения, наличие пара, требования к качеству воды, доступное пространство для размещения оборудования.
Для небольших котельных с паровыми котлами оптимальны атмосферные деаэраторы — они компактны, эффективны и относительно просты в эксплуатации. В системах отопления закрытого типа, где вода циркулирует в замкнутом контуре, такие установки показывают отличные результаты.
В открытых системах горячего водоснабжения, где происходит водоразбор, лучше работают вакуумные установки. Они обеспечивают требуемое качество воды при температуре, комфортной для потребителей. Отсутствие необходимости в дополнительном охлаждении упрощает схему и снижает эксплуатационные расходы.
Исследования, проведенные специалистами ЦКТИ и других научных организаций, показывают: при увеличении параметров греющего пара растет расход пара через барботажный лист у обоих типов деаэраторов. У вакуумного деаэратора с увеличением нагрузки расход пара через барботаж растет интенсивнее — это говорит о том, что большая часть воды проходит деаэрацию второй ступенью.
У атмосферного типа, наоборот, основная деаэрация происходит на первой ступени за счет разделения воды на струи. Это нужно учитывать при проектировании: атмосферная установка может не полностью справляться с задачей при определенных режимах работы, и тогда потребуется химический метод в качестве дополнения.
Для небольших котельных с паровыми котлами оптимальны атмосферные деаэраторы — они компактны, эффективны и относительно просты в эксплуатации. В системах отопления закрытого типа, где вода циркулирует в замкнутом контуре, такие установки показывают отличные результаты.
В открытых системах горячего водоснабжения, где происходит водоразбор, лучше работают вакуумные установки. Они обеспечивают требуемое качество воды при температуре, комфортной для потребителей. Отсутствие необходимости в дополнительном охлаждении упрощает схему и снижает эксплуатационные расходы.
Исследования, проведенные специалистами ЦКТИ и других научных организаций, показывают: при увеличении параметров греющего пара растет расход пара через барботажный лист у обоих типов деаэраторов. У вакуумного деаэратора с увеличением нагрузки расход пара через барботаж растет интенсивнее — это говорит о том, что большая часть воды проходит деаэрацию второй ступенью.
У атмосферного типа, наоборот, основная деаэрация происходит на первой ступени за счет разделения воды на струи. Это нужно учитывать при проектировании: атмосферная установка может не полностью справляться с задачей при определенных режимах работы, и тогда потребуется химический метод в качестве дополнения.
Заключение
Деаэрация остается ключевым этапом водоподготовки для защиты теплоэнергетического оборудования и трубопроводов от коррозионного разрушения. Термические деаэраторы удаляют агрессивные газы физическим методом, нагревая воду до температуры, при которой растворимость газов становится минимальной или нулевой. Правильный выбор типа установки — атмосферного или вакуумного — зависит от конкретных условий эксплуатации, параметров системы и требований к качеству подготовленной воды. В сложных случаях химический метод дополняет термический, обеспечивая комплексную защиту от коррозии оборудования и продлевая срок его безаварийной работы в энергетических системах.
