СПОСОБ ПОДОГРЕВА В ПАРОВЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF HEATING AT STEAM HEAT EXCHANGERS AND PLANT TO THIS END

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в химической, металлургической, энергетической и пищевой отраслях промышленности для подогрева различных сред паром.
Одной из важнейших проблем, возникающих при переработке различных сред и их подогреве паром, является снижение затрат тепла. Для этого в случае, если имеется такая возможность, используют ступенчатый подогрев нагреваемой среды, когда на первых ступенях среду нагревают паром с более низким давлением, а на последующих - паром с высоким давлением. При этом пар с низким давлением представляет собой, как правило, вторичный пар, образованный при первичной обработке среды. Использование вторичного пара для подогрева позволяет значительно снизить затраты пара высокого давления, который производится на котельной или ТЭЦ и имеет высокую стоимость, тогда как вторичный пар является достаточно дешевым. В то же время на многих производствах отсутствует вторичный пар, поэтому в подавляющем большинстве случаев для обогрева приходится применять пар высокого давления, подаваемый с котельной или ТЭЦ. При этом, ввиду особенностей работы котельных или ТЭЦ, давление данного пара значительно выше, чем требуется для нагрева, вследствие чего его необходимо редуцировать в редукционных установках. Однако в них избыточный потенциал пара теряется, в результате чего затраты пара на подогрев чрезмерно велики.
Применение для подогрева пара котельной или ТЭЦ с высоким давлением, имеющим высокую температуру, ведет к возникновению в теплообменнике (в качестве которого в большинстве случаев применяются кожухотрубчатые теплообменники) высоких температурных напряжений, которые приводят к разрывам трубок. В результате аппараты приходится останавливать на ремонт и замену трубок. При разрыве трубок происходит смешение нагреваемой среды и конденсата пара котельной или ТЭЦ, приводящее к загрязнению последнего. Грязный конденсат невозможно вернуть на котельную или ТЭЦ, как обычно делается при нормальной работе. Вследствие изложенного, затраты тепла возрастают еще больше, так как с конденсатом теряется тепло, которым он обладает. Кроме того, требуются дополнительные затраты на химическую очистку заменяющей конденсат воды перед подачей ее в котел котельной или ТЭЦ вместо конденсата.
Известен способ и установка для подогрева в паровом теплообменнике (Кичигин М.А., Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955. - С.14, фиг.1-3). Согласно данному способу, реализованному на известной установке, пар из парогенератора котельной (или из ТЭЦ) подают в паровой теплообменник, в котором подогревают нагреваемую среду. При этом расход и давление пара регулируют при помощи арматуры, установленной на паропроводе. При подогреве нагреваемой среды в теплообменнике пар конденсируется, отдавая свое тепло. Конденсат пара из теплообменника выводят через устройство отвода и возвращают в парогенератор (в котельную или на ТЭЦ).
К недостаткам известных способа и установки следует отнести:
- высокие затраты тепла, вследствие того, что весь подогрев среды осуществляется паром с постоянным давлением и в одном теплообменнике;
- парогенератор котельной (или ТЭЦ) дает пар определенного давления, которое в большинстве случаев значительно больше, чем требуется для подогрева среды. Поэтому давление пара перед подачей его в теплообменник необходимо снижать путем редуцирования. В результате теплообменник обогревается перегретым (относительно температуры насыщения) паром. Это приводит к появлению дополнительных температурных напряжений в теплообменнике, вызывающих разрывы трубок, а также к смешению нагреваемой среды с конденсатом и его загрязнению.
Известен способ и установка для выпаривания растворов в выпарном аппарате (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1971. - С.374-375, рис.IX-18). Согласно данному способу и установке выпаривание раствора ведут в выпарном аппарате. В него подают исходный раствор и отводят упаренный раствор. При выпаривании из раствора испаряется вторичный пар. Для обогрева аппарата используется первичный пар с высоким давлением. Этот пар подведен к струйному компрессору (инжектору), в который инжектируется вторичный пар более низкого давления. В компрессоре первичный и вторичный пары смешиваются, а смесь с промежуточным давлением делится на две части. Большая часть подается в греющую камеру, а оставшаяся часть отводится на сторону к другим потребителям.
Основными недостатками известных способа и установки являются:
- смешение первичного и вторичного пара. Вследствие того, что вторичный пар испаряется из упариваемого раствора, в нем содержатся мелкие капли последнего. В результате смешения происходит загрязнение конденсата пара, выходящего из теплообменной камеры выпарного аппарата. Такой конденсат уже нельзя возвратить в котельную или на ТЭЦ. Поэтому возрастают затраты тепла на получение первичного пара, а также возрастают затраты на подготовку воды для питания котлов;
- смешанный поток пара, выходящий из компрессора, имеет высокую температуру, значительно превосходящую температуру насыщения пара. Это вызвано, главным образом, высокой температурой первичного пара. В результате в теплообменной камере выпарного аппарата возникают высокие температурные напряжения, которые приводят к разрывам трубок, вследствие чего аппараты приходится останавливать для ремонта и замены трубок. Разрывы трубок ведут также к смешению выпариваемого раствора с конденсатом пара ТЭЦ и загрязнению последнего.
Известен способ и установка для утилизации низкопотенциального тепла горячей воды (Пароструйный компрессор для утилизации низкопотенциального тепла горячей воды. - URL: http://www.ejector.ru./3022r.shtml, дата обращения: 20.11.2012). Согласно способу и установке пар от котельной или ТЭЦ подается в пароструйный компрессор, в который поступает также пар от самоиспарения конденсата технологических установок, собираемого в устройстве для сбора и отвода конденсата. В пароструйном компрессоре происходит смешение первичного пара и пара самоиспарения с получением пара необходимого давления для подачи потребителю. Применение известных решений позволяет использовать низкопотенциальное тепло, которым обладает конденсат, отводимый от технологических установок. За счет этого происходит снижение затрат пара котельной или ТЭЦ.
Основными недостатками известных способа и установки являются:
- несогласованность в работе потребителей пара и источников конденсата, которыми являются различные технологические установки. В результате этого расход конденсата или его давление могут быть такими, что количества пара от самоиспарения будет мало для работы пароструйного компрессора. Это приведет к увеличению затрат пара котельной или ТЭЦ;
- температура и давление конденсата могут быть такими, что самоипарение пара не будет происходить. Вследствие этого пароструйный компрессор не сможет работать, и расход пара котельной или ТЭЦ возрастет.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ двухступенчатого подогрева в паровых теплообменниках и установка для его осуществления (Кичигин М.А., Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955. - С.15, фиг.1-5). Данный способ включает ступенчатый подогрев нагреваемой среды в паровых теплообменниках в две ступени паром с повышающимся на каждой ступени давлением и отвод конденсата пара из теплообменников на каждой ступени через предназначенные для этого устройства. При этом первая ступень обогревается паром низкого, а вторая - высокого давления. Установка для осуществления данного способа состоит из двух последовательно установленных паровых теплообменников, соединенных трубопроводами нагреваемой среды, паропроводов пара высокого и низкого давления, подведенных к каждому теплообменнику и отведенных от них трубопроводов с устройствами отвода конденсата. Данные способ и установка для его осуществления приняты за прототип. К недостаткам известных способа и установки следует отнести:
- высокие затраты тепла для подогрева нагреваемой среды. Это вызвано тем, что сконденсировавшийся пар высокого давления отводится из теплообменника в виде конденсата с высокой температурой, с которым из установки подогрева уходит большое количество неиспользованного тепла. При этом перекачивание такого конденсата сопряжено с опасностью его вскипания при возможном понижении давления;
- обогрев теплообменника на второй ступени подогрева паром с высокой температурой, превышающей температуру насыщения. Это вызвано особенностями работы ТЭЦ, из которой поступает пар. Давление данного пара, как правило, значительно выше, чем требуется для нагрева, вследствие чего его необходимо редуцировать. Применение пара с высокой температурой ведет к возникновению в теплообменнике высоких температурных напряжений, которые приводят к разрывам трубок. В результате аппараты останавливают для ремонта и замены трубок. При разрыве трубок нагреваемая среда смешивается с конденсатом пара ТЭЦ, загрязняя последний. Такой конденсат уже невозможно вернуть на ТЭЦ, как обычно делается при нормальной работе. Вследствие изложенного происходит увеличение затрат тепла на подогрев, так как с конденсатом теряется тепло, которым он обладает. Кроме того, требуются дополнительные затраты на химическую очистку заменяющей конденсат воды перед подачей ее в котел ТЭЦ вместо конденсата;
- необходимость редуцирования пара высокого давления, подаваемого с ТЭЦ для подогрева. При этом избыточный потенциал пара теряется, в результате чего возрастают затраты пара на подогрев.
Указанные недостатки известных способов и установок в этой области техники стимулировали поиск новых технических решений.
Предложенное техническое решение направлено на решение задачи снижения затрат пара, получения конденсата пара высокой чистоты и увеличения срока службы теплообменных трубок.
Решение технической задачи достигается тем, что в способе подогрева в паровых теплообменниках, включающем ступенчатый подогрев нагреваемой среды в нескольких теплообменниках паром с повышающимся на каждой ступени давлением и отвод конденсата пара из теплообменников на каждой ступени через устройства отвода конденсата, согласно изобретению, для обогрева теплообменников на каждой ступени используется пар котельной или ТЭЦ, который перед поступлением в теплообменник смешивается посредством струйной инжекции в струйном компрессоре с паром от самоиспарения конденсата, отводимого из этого же теплообменника в устройство отвода конденсата, причём, конденсат выводится из установки из устройства отвода конденсата первой ступени подогрева, а часть отводимого конденсата впрыскивается в пар после струйной инжекции.
В предлагаемом способе подогрева в паровых теплообменниках конденсат пара может последовательно перетекать через устройства отвода конденсата из теплообменников по направлению от последней к первой ступени.
Решение технической задачи достигается тем, что в установке для подогрева в паровых теплообменниках, включающей несколько последовательно установленных теплообменников, соединенных трубопроводами нагреваемой среды, паропроводов, подведенных к каждому теплообменнику и отведенных от теплообменников трубопроводов с устройствами отвода конденсата, согласно изобретению, паропроводы, подведенные к теплообменникам, присоединены к общему коллектору подвода пара котельной или ТЭЦ на установку, на паропроводе, подведенном к соответствующему теплообменнику на каждой ступени установлен струйный компрессор, к которому присоединен трубопровод отбора пара от устройства отвода конденсата из этого теплообменника, к каждому струйному компрессору присоединено устройство для впрыскивания конденсата в поток пара, а каждое устройство для впрыскивания конденсата соединено трубопроводом с общим трубопроводом отвода конденсата из установки.
В установке для осуществления заявляемого способа устройства отвода конденсата от теплообменников на всех ступенях по направлению от последней к первой могут быть соединены трубопроводами перетока конденсата.
Далее рассмотрим подробнее необходимость и достаточность как каждого из отличительных признаков заявленных технических решений, так и всей их совокупности для достижения технического результата.
Заявленная совокупность признаков предлагаемых технических решений позволяет осуществить ступенчатый подогрев нагреваемой среды, используя только пар ТЭЦ высокого давления, в условиях отсутствия пара низкого давления. Благодаря применению струйных компрессоров на паропроводах в теплообменники на каждой ступени подогрева достигается значительное снижение затрат пара котельной или ТЭЦ высокого давления. Указанный эффект происходит вследствие того, что в каждом компрессоре пар котельной или ТЭЦ смешивается с паром от самоиспарения конденсата, отводимого из того же теплообменника, представляющим собой вторичный пар. При этом пар котельной или ТЭЦ, имеющий высокое давление, инжектирует в компрессор пар от самоиспарения конденсата, давление которого значительно меньше давления пара котельной или ТЭЦ, обогревающего теплообменник. В результате из струйного компрессора выходит пар с таким давлением, которое требуется для подачи в теплообменный аппарат рассматриваемой ступени. Причем на первой ступени подогрева в теплообменнике поддерживается более низкое давление, чем в последующей, и таким же образом происходит до самой последней ступени. Соответственно точно так же соотносятся и давления вторичных паров от самоиспарения конденсата и греющих паров по всем ступеням подогрева.
Применение струйных компрессоров на паропроводах к теплообменникам позволяет снизить расход пара котельной или ТЭЦ, поступающего в них. Это происходит за счет того, что расходы пара, поступающего в теплообменники (определяемые необходимым подогревом нагреваемой среды) состоят из двух составляющих расходов: пара котельной или ТЭЦ и вторичного пара от самоиспарения конденсата. При этом общий расход пара котельной или ТЭЦ меньше суммарного расхода пара на обогрев теплообменников на величину суммарного расхода вторичных паров от всех аппаратов. Необходимо также отметить, что вследствие снижения давления вторичного пара от самоиспарения конденсата от последней ступени подогрева к первой, происходит увеличение коэффициентов инжекции струйных компрессоров по ступеням. Соответственно им снижаются расходы пара котельной или ТЭЦ, поступающие на соответствующие теплообменники.
Согласно заявленному техническому решению на трубопроводах отвода конденсата из каждого теплообменника применяются устройства отвода конденсата, в которых конденсат самоиспаряется в результате снижения давления. Возможность самоиспарения конденсату обеспечивает соединение устройства отвода конденсата со струйным компрессором, благодаря его инжектируемой способности, определяемой конструкцией. При этом в отмеченных признаках заявленного решения проявляется новое свойство, не свойственное известным устройствам отвода конденсата - самоиспарение конденсата до давления, определяемого инжектируемой способностью струйного компрессора. Вследствие изложенного происходит снижение затрат пара котельной или ТЭЦ, определяемого величиной количества вторичного пара от самоиспарения конденсата, выходящего из теплообменников.
Как уже отмечалось, в струйных компрессорах происходит снижение давления пара ТЭЦ до необходимых на каждой ступени значений. Причем отмеченное снижение давления происходит без редуцирования, а в результате инжекции паром котельной или ТЭЦ с высоким давлением пара от самоиспарения конденсата, имеющего меньшее давление. При этом высокий потенциал пара котельной или ТЭЦ не теряется, как при редуцировании, а используется для получения нужного давления греющего пара для каждого теплообменника. То есть благодаря использованию высокого потенциала пара котельной или ТЭЦ его расход снижается. В результате этого проявляется новое свойство компрессора как устройства для снижения давления первичного пара котельной или ТЭЦ.
Обогрев теплообменников на всех ступенях подогрева осуществляется паром котельной или ТЭЦ, имеющим температуру, значительно превышающую температуру насыщения пара. Применение компрессоров не приводит к существенному снижению температуры пара, поступающего в теплообменники. С целью исключения поступления в теплообменники перегретого пара излишний перегрев пара необходимо снимать. Для этого в заявленном техническом решении предусмотрено впрыскивание части конденсата, отводимого из первой ступени подогрева, в пар после струйных компрессоров, для чего в составе предлагаемой установки примененены устройства для впрыскивания конденсата. Количество впрыскиваемого конденсата определяется в каждом конкретном случае в зависимости от температуры перегретого пара. Благодаря подаче в пар конденсата происходит его испарение, в результате чего температура пара снижается до значений, близких к температуре насыщения. Подача такого пара в теплообменники исключает появление в них температурных напряжений, приводящих к разрывам трубок. Тем самым удлиняется срок службы теплообменных трубок. Кроме того, исключается загрязнение конденсата пара котельной или ТЭЦ нагреваемой средой, что позволяет возвращать этот конденсат в котельную или на ТЭЦ вместе с его теплом. Это ведет к снижению затрат тепла на подогрев, а также к снижению затрат на подготовку воды для питания котлов.
В заявленном техническом решении предусмотрен последовательный переток конденсата через устройства отвода конденсата из теплообменников от последней к первой ступени подогрева. Указанный признак дает возможность обеспечить увеличение количества вторичного пара от самоиспарения конденсата в отмеченной последовательности. Таким образом, в каждом последующем устройстве отвода конденсата будет увеличено количество вторичного пара, которое инжектируется струйным компрессором данной ступени. В результате расход пара котельной или ТЭЦ снижается еще больше, т.е. затраты пара сокращаются в еще большей степени.
Технический результат применения заявленного технического решения заключается в существенном снижении затрат пара котельной или ТЭЦ на подогрев нагреваемой среды, получении конденсата высокой чистоты и увеличении срока службы теплообменных трубок.
Поиск, проведенный в источниках научно-технической и патентной информации, а также приведенный выше анализ аналогов не выявил технических решений, совпадающих с заявленной совокупностью отличительных признаков. Это, в сочетании с получением технического результата, позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Изобретение промышленно применимо и может быть использовано в различных отраслях промышленности для подогрева различных сред в паровых теплообменниках. Все признаки изобретения выполнимы и воспроизводимы. Они используются для достижения технического результата в полном объеме.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема двухступенчатой установки для реализации заявляемого способа.
Установка состоит из теплообменника первой ступени 1 и теплообменника второй ступени 2, которые соединены трубопроводами нагреваемой среды 3, 4 и 5. К теплообменникам 1 и 2 подведены паропроводы 6 и 7 соответственно, которые присоединены к общему коллектору 8 подвода пара котельной или ТЭЦ на установку. От теплообменников 1 и 2 отведены трубопроводы 9 и 10 с устройствами отвода конденсата 11 и 12 соответственно. На паропроводах 6 и 7 установлены струйные компрессоры 13 и 14 соответственно, к которым присоединены трубопроводы 15 и 16 отбора пара от устройств 11 и 12 отвода конденсата из теплообменников 1 и 2. К струйному компрессору 13 подведен паропровод 17, к струйному компрессору 14 - паропровод 18. К струйным компрессорам 13 и 14 присоединены устройства для впрыскивания в поток пара конденсата 19 и 20 соответственно, к которым подведены трубопроводы 21 и 22 от общего трубопровода 23 отвода конденсата из установки. Устройства отвода конденсата 11 и 12 соединены трубопроводом перетока конденсата 24. К устройству отвода конденсата 11 присоединен трубопровод 25 отвода конденсата из установки. На общем трубопроводе 23 установлен насос 26.
Заявленный способ подогрева в паровых теплообменниках осуществляется в описанной установке следующим образом.
Нагреваемая среда по трубопроводу 3 подается в теплообменник 1 первой ступени подогрева. Нагретая в нем среда по трубопроводу 4 поступает в теплообменник 2 второй ступени подогрева, после нагрева в котором по трубопроводу 5 отводится из установки.
Пар котельной или ТЭЦ на установку подается по общему коллектору 8. При этом общий поток разбивается на две части. Одна часть поступает в струйный компрессор 13 для обогрева на первой ступени. В компрессор 13 по паропроводу 15 инжектируется вторичный пар от самоиспарения конденсата, выходящего из теплообменника 1.
Смесь пара котельной или ТЭЦ и вторичного пара из компрессора 13 с давлением, необходимым для подогрева нагреваемой среды на первой ступени, поступает в устройство 19 для впрыскивания в поток пара конденсата для снятия перегрева пара. Конденсат в устройство 19 подается по трубопроводу 21. Охлажденный пар из устройства 19 по паропроводу 6 поступает в теплообменник 1 первой ступени подогрева.
В теплообменнике 1 проходящая через него среда нагревается за счет тепла конденсации пара. Конденсат из теплообменника 1 отводится по трубопроводу 9 в устройство отвода конденсата 11, в котором происходит самоиспарение конденсата при снижении давления вследствие инжекционного эффекта компрессора 13. В устройство 11 поступает также конденсат из устройства 12 отвода конденсата из теплообменника 2. Вторичный пар, выделившийся из устройства отвода конденсата 11 отводится по паропроводу 15. Оставшийся конденсат выводится из установки по трубопроводу 25, из которого по общему трубопроводу 23 отвода конденсата из установки отбирается часть конденсата для охлаждения пара. Этот конденсат насосом 26 по трубопроводам 21 и 22 подается в устройства 19 и 20 для впрыскивания конденсата в поток пара для снятия перегрева пара.
Пар котельной или ТЭЦ, предназначенный для второй ступени подогрева по паропроводу 18 поступает в струйный компрессор 14, в который по паропроводу 16 инжектируется вторичный пар от самоиспарения конденсата, выходящего из теплообменника 1. Смесь пара ТЭЦ и вторичного пара из компрессора 14 с давлением, необходимым для подогрева нагреваемой среды на второй ступени, поступает в устройство 20 для впрыскивания в поток пара конденсата с целью охлаждения пара. Конденсат в устройство 20 подается по трубопроводу 22. Охлажденный пар из устройства 20 по паропроводу 7 поступает в теплообменник 2 второй ступени подогрева.
В теплообменнике 2 происходит конденсация пара, тепло которой передается нагреваемой среде. Конденсат из теплообменника 2 отводится по трубопроводу 10 в устройство отвода конденсата 12, в котором происходит самоиспарение конденсата при снижении давления вследствие инжекционного эффекта компрессора 14. Вторичный пар из устройства отвода конденсата 12 отводится по паропроводу 16 в компрессор 14. Оставшийся конденсат из устройства 12 по трубопроводу перетока конденсата 24 поступает в устройство отвода конденсата 11.
Пример конкретного выполнения заявленного способа.
Нагреваемая среда - хлоридный раствор натрия и калия с расходом 40 м /ч подогревают в двухстадийной установке от 70 до 125°C. При этом в теплообменнике первой ступени раствор нагревают до 90°C.
На установку поступает пар ТЭЦ с давлением 1,0 МПа и температурой 220°C. Часть этого пара с расходом 1,16 т/ч подается в струйный компрессор первой ступени, в который инжектируется 250 кг/ч вторичного пара от самоиспарения конденсата, выходящего из теплообменника первой ступени. Из компрессора выходит 1,41 т/ч пара с давлением 0,12 МПа и температурой 200°C. Этот пар поступает в устройство для впрыскивания конденсата, в котором в поток пара впрыскивается ПО л/ч конденсата. После чего пар с температурой 108°С поступает на обогрев теплообменника первой ступени.
Сконденсировавшийся пар из данного теплообменника в виде конденсата стекает в устройство отвода конденсата, в котором за счет инжекционного эффекта струйного компрессора первой ступени поддерживается давление 0,33 МПа. В это же устройство подается конденсат пара второй ступени. В результате снижения давления происходит самоиспарение конденсата и из него выделяется 250 кг/ч вторичного пара, который поступает в компрессор. Оставшийся конденсат с температурой 70°C отводится из установки. Часть отводимого из установки конденсата отбирается и насосом подается в устройства для впрыскивания в поток пара конденсата с целью охлаждения пара.
Пар ТЭЦ подается также в струйный компрессор второй ступени с расходом 2,25 т/ч. В компрессор инжектируется 160 кг/ч вторичного пара от самоиспарения конденсата, выходящего из теплообменника второй ступени. Из компрессора выходит 2,41 т/ч пара с давлением 0,44 МПа и температурой 214°C. Этот пар поступает в устройство для впрыскивания конденсата, в котором в поток пара впрыскивается 140 л/ч конденсата. После чего пар с температурой 150°C поступает на обогрев теплообменника второй ступени.
Конденсат из теплообменника второй ступени стекает в устройство отвода конденсата, в котором за счет инжекционного эффекта струйного компрессора второй ступени поддерживается давление 1,47 МПа. Вследствие снижения давления происходит самоиспарение конденсата и из него выделяется 160 кг/ч вторичного пара, который поступает в компрессор. Оставшийся конденсат с температурой 110°C отводится в устройство отвода конденсата первой ступени.
Применение предлагаемых технических решений позволяет решить поставленную техническую задачу - снизить затраты пара на подогрев раствора, которые в рассмотренном примере снижаются на 25% по сравнению с прототипом. Кроме того, охлаждение пара после компрессоров дает возможность избежать подачи в теплообменники перегретого пара, что приводит к увеличению срока службы теплообменных трубок в 2,5 раза. Увеличение срока службы теплообменных трубок ведет к тому, что конденсат пара не смешивается с нагреваемым раствором при разрывах трубок. Поэтому отводимый с установки конденсат постоянно отводится на ТЭЦ, снижая тем самым затраты на тепло и на очистку воды для котлов.