Сепаратор непрерывной продувки в паровой котельной: устройство и роль

Механизм простой и неизбежный. Из барабана уходит чистый пар, а всё, что было растворено в питательной воде, остаётся внутри. Соли накапливаются, концентрация растёт, и без вывода части воды процесс не остановить.

Первое последствие — вспенивание. При высокой концентрации солей и щёлочи на поверхности воды в барабане образуется устойчивая пена, капли которой уносятся с паром. Пар перестаёт быть сухим.

Второе — унос солей в паропровод и дальше к потребителю. В паровой турбине это означает отложения на лопатках, в технологическом аппарате — попадание примесей в продукт, на редукционной установке — эрозию седла клапана.

Третье — образование накипи и отложений на поверхностях нагрева со всеми последствиями для температуры стенки и остаточного ресурса труб.

Эти два процесса часто путают, хотя они решают разные задачи и выполняются из разных точек котла.

Обе продувки применяются совместно и не заменяют друг друга.

Главный фактор — качество питательной воды. Чем выше солесодержание на входе, тем больше воды приходится выводить, чтобы удержать концентрацию в барабане в допустимых пределах.

Второй фактор — доля возврата конденсата. Конденсат практически не содержит солей, и высокий возврат резко снижает потребность в продувке. Котельная с возвратом 80 процентов продувается заметно меньше, чем котельная, работающая на свежей подпитке.

Аппарат по конструкции несложен, а эффект даёт непропорционально большой. Вся суть в разнице давлений между барабаном котла и сепаратором.

Продувочная вода находится в барабане при давлении котла и температуре насыщения, соответствующей этому давлению. При давлении 1,3 МПа это около 191 °C.

При сбросе через дроссельное устройство в сепаратор, где поддерживается давление порядка 0,12−0,15 МПа, вода оказывается перегретой относительно нового давления насыщения. Избыточная энтальпия мгновенно расходуется на парообразование, и часть потока вскипает.

Долей вскипания дальше называем часть продувочной воды, которая переходит в пар при сбросе из барабана в сепаратор. Она зависит только от двух давлений и считается по таблицам свойств воды, а не от конструкции аппарата.

Доля посчитана как отношение разности энтальпий воды на линии насыщения при двух давлениях к теплоте парообразования при давлении сепаратора. Давления абсолютные. Тепловые потери аппарата в расчёте не учтены и снижают результат на доли процента.

Доля образовавшегося пара определяется отношением разности энтальпий воды при двух давлениях к теплоте парообразования при давлении сепаратора. Для приведённых параметров получается около 17 процентов исходного расхода.

Вертикальный цилиндрический сосуд с тангенциальным вводом смеси. Закрутка потока отбрасывает капли воды к стенке, откуда они стекают вниз, а пар поднимается вверх и уходит через патрубок в верхней части.

Внутри устанавливают отбойный щит и сепарационное устройство для дополнительного отделения влаги. В нижней части — сборник воды с отводом и уровнемером, вверху — предохранительный клапан и линия отвода вторичного пара.

Уровень воды в сепараторе поддерживается автоматически регулирующим клапаном на линии отвода. Затопление аппарата означает выброс воды в паровую линию, опустошение — прорыв пара в водяную.

Основной потребитель — деаэратор. Давление в нём обычно составляет 0,02−0,03 МПа избыточного, что ниже давления сепаратора, и пар поступает самотёком без дополнительного оборудования.

Пар выполняет в деаэраторе полезную работу: подогревает питательную воду и участвует в удалении растворённых газов. Расход греющего пара из основной магистрали при этом сокращается.

Если деаэратора нет или его потребность меньше выработки, вторичный пар направляют на подогрев воды в баках или в систему горячего водоснабжения через теплообменник.

После отделения пара в сепараторе остаётся вода с температурой около 104−110 °С. Сбрасывать её в таком виде — значит выбросить существенную часть тепла, ради которого ставился аппарат.

Стандартное решение — пластинчатый или кожухотрубный теплообменник, в котором продувочная вода отдаёт тепло химически очищенной воде, идущей на подпитку.

Схема удобна тем, что подпиточная вода в любом случае требует подогрева перед деаэратором. Продувочная вода выполняет часть этой работы бесплатно, снижая расход греющего пара.

На выходе из теплообменника продувочная вода имеет температуру 40−50 °С и может быть направлена в канализацию либо на дальнейшее использование.

Температура стока в канализацию ограничена правилами приёма сточных вод, и превышение приводит к разрушению трубопроводов и к претензиям водоканала.

Если теплообменник не обеспечивает достаточного охлаждения, например при малом расходе подпиточной воды летом, ставят дополнительный охладитель либо барботажное устройство с подмешиванием холодной воды.

Помимо температуры контролируется солесодержание и показатель кислотности стока. При жёсткой коррекционной обработке котловой воды продувочная вода может требовать нейтрализации перед сбросом.

Для котельной паропроизводительностью 20 тонн в час с продувкой 3 процента через сепаратор проходит около 600 килограммов воды в час. Из них порядка 100 килограммов возвращается в цикл паром, остальное отдаёт тепло в теплообменнике.

В пересчёте на сезон экономия составляет заметную величину, и срок окупаемости узла сепарации с теплообменником обычно укладывается в один-два отопительных периода. Для котельных с круглогодичной нагрузкой окупаемость наступает быстрее.

Продувка — это управляемая потеря. Слишком малая ведёт к ухудшению качества пара и к отложениям, слишком большая напрямую сжигает топливо впустую.

Исторический вариант: вентиль на линии продувки выставляется вручную по результатам периодических анализов котловой воды.

Проблема в том, что нагрузка котла меняется, а положение вентиля остаётся прежним. При снижении нагрузки относительная величина продувки растёт, при повышении — падает. В результате котёл то продувается впустую, то недостаточно.

Датчик электропроводности, установленный в контуре котловой воды, непрерывно измеряет солесодержание. Контроллер сравнивает значение с уставкой и управляет регулирующим клапаном на линии продувки.

Система удерживает солесодержание у верхней допустимой границы, а не с большим запасом, как при ручной настройке. Именно этот запас и есть основной источник перерасхода топлива.

Экономия по сравнению с ручным режимом достигает нескольких процентов расхода топлива на котёл. Дополнительный эффект — стабильное качество пара без зависимости от того, когда лаборатория в последний раз делала анализ.

Сепаратор редко бывает поводом для отдельного обсуждения с заказчиком, и именно поэтому его иногда подбирают формально. Несколько моментов заслуживают внимания на стадии проекта.

1. Определить расчётную величину продувки по качеству питательной воды и доле возврата конденсата.
2. Рассчитать долю вторичного пара по разности энтальпий при давлении котла и давлении сепаратора.
3. Проверить, что выработка вторичного пара не превышает потребность деаэратора в греющем паре.
4. Подобрать объём сепаратора исходя из допустимой скорости пара в паровом объёме, чтобы исключить унос влаги.
5. Рассчитать теплообменник по расходу продувочной воды и по расходу подпиточной воды в летнем минимуме.
6. Проверить температуру сброса в канализацию во всех режимах, включая работу одного котла.

Отдельный момент — работа при нескольких котлах. Общий сепаратор на группу котлов проще и дешевле, но требует проверки режима, когда работает только один агрегат: расход падает, а аппарат рассчитан на полный.

Регулярно осматривают дроссельное устройство на линии продувки. Оно работает в тяжёлых условиях с высоким перепадом давления и вскипанием, поэтому изнашивается быстрее остальной арматуры.

Контролируют плотность уровня в сепараторе. Затопление аппарата приводит к попаданию воды в деаэратор с гидроударами, опустошение — к прорыву пара в линию продувочной воды и в теплообменник.

Периодически проверяют предохранительный клапан сепаратора, а также состояние внутренних сепарационных устройств при вскрытии.

Аппарат возвращает тепло, но не снижает величину самой продувки. Если котёл продувается пятью процентами из-за плохой питательной воды, он будет продуваться пятью процентами и с сепаратором. Уменьшать потерю нужно возвратом конденсата и водоподготовкой, а сепаратор только смягчает её последствия.

Не заменяет он и периодическую продувку нижних точек: шлам из коллекторов через линию непрерывной продувки не выходит, и график периодических продувок остаётся в силе.

Приведённые доли вскипания рассчитаны для чистой воды на линии насыщения. Реальная котловая вода содержит соли, что смещает свойства на доли процента, а рабочее давление в сепараторе колеблется вслед за деаэратором. Для проекта расчёт выполняют на фактические параметры, а не на табличные пары давлений.

Отсутствие пара в линии к деаэратору при работающей продувке означает либо забитое дроссельное устройство, либо затопление сепаратора. Горячий сброс в канализацию указывает на неработающий теплообменник или его загрязнение.

Ещё один симптом — колебания уровня в деаэраторе, синхронные с работой продувки. Обычно это следствие неустойчивого уровня в сепараторе и требует проверки регулятора.