Модульная деаэрационная установка
MODULAR DEAERATION INSTALLATION

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в отопительных системах для удаления коррозионно-активных газов из питательной воды паровых и водогрейных котлов, а также подпиточной воды для тепловых сетей.
Большой проблемой теплоэнергетики является неудовлетворительная работа деаэрационных установок (ДУ), предназначенных для удаления коррозионно-активных газов - кислорода и углекислоты (растворенных и находящихся в виде пузырьков) из воды, из-за чего происходит интенсивная внутренняя коррозия трубопроводов тепловых сетей, котлов и вспомогательного оборудования.
Для удаления растворенных в воде газов применяют термическую деаэрацию воды, которую в зависимости от температуры нагрева можно осуществлять тремя способами:
- при повышенном давлении;
- при атмосферном давлении;
- вакуумная деаэрация.
Из уровня техники известен способ термический деаэрации воды, согласно которому удаление газов осуществляют при контакте греющей среды и деаэрируемой воды, которую перед подачей в устройство деаэрации нагревают до заданной температуры, а образовавшуюся парогазовую смесь отводят и конденсируют (RU 2233241, МПК C02F1/20, B01D19/00, опубликовано 27.07.2004). Расход греющего агента регулируют по заданному остаточному содержанию удаляемых газов, причем величину расхода греющего агента устанавливают исходя из необходимости достижения заданного содержания наиболее трудноудаляемого газа.
Недостатком данного способа является неоптимальная подача греющей среды, в частности, из-за падения давления пара в случае мощного потребителя или понижения температуры воды качество деаэрации падает, а добавить греющую среду, зачастую, не представляется возможным, поэтому данный способ не обеспечивает высокое качество и экономичность деаэрации.
Известен способ термической деаэрации воды и устройство для его осуществления (RU 2492145, МПК C02F1/20, B01D19/00, опубликовано 20.12.2012). Способ включает деаэрацию воды при температуре насыщения, отвод газовой фазы и образовавшегося выпара, регулирование расхода выпара пропорционально расходу исходной воды, конденсацию пара и удаление несконденсированных газов. Вначале задают концентрацию остаточного газа в деаэрированной жидкости, рассчитывают количество выпара по расходу исходной воды, проводят регулирование расхода греющей среды по заданному значению выпара и его реальному значению. Оптимальный расход греющей среды обеспечивают по сигналу рассогласования этих значений, а управляющий сигнал регулирует количество греющей среды. Устройство включает деаэратор с трубопроводами исходной воды и выпара, а также греющей среды и деаэрированной воды с установленными на них датчиками расхода, узел конденсации выпара и газоотделения, регулирующий орган на трубопроводе греющей среды, управляющий контроллер, соединенный с датчиками расхода исходной воды, выпара, и регулирующим органом для регулирования расхода греющей среды, а также узлом конденсации выпара и газоотделения, установленным в рассечку трубопровода исходной воды.
Недостатком данного изобретения является отсутствие унификации, т.е. возможности его использования для различных режимов деаэрации с соответствующей комплектацией блоков и технологических приемов процесса деаэрации.
Задачей изобретения является создание унифицированной и экономичной ДУ с уменьшенными затратами на ее реализацию.
Техническим результатом изобретения является повышение технологичности ДУ и качества деаэрации воды за счет блочного принципа построения модулей, компоновка которых определяется заданными функциями и режимами эксплуатации.
Указанный технический результат достигается модульной деаэрационной установкой, содержащей базовый блок деаэрации, выполненный на основе деаэратора центробежно-вихревого, соединенного посредством патрубков с двумя капельными диспергаторами, сообщающимися с полостью бака капельных диспергаторов, имеющего выходной канал выпара, соединяющийся с выпаром из деаэратора центробежно-вихревого, которая дополнительно содержит блок теплообменников, и/или блок охладителя выпара, и/или блок охладителя выпара и блок газоотделения, и/или блок охладителя выпара, блок газоотделения и блок создания вакуума, включающий эжектор и циркуляционный насос, а также питательный насос, блок управления насосом, блок управления установкой с возможностью их выборочной компоновки в составе модулей с модифицированным исполнением в зависимости от режима эксплуатации установки, причем вход деаэратора центробежно-вихревого соединен с трубопроводом подачи деаэрированной воды или непосредственно с подогревом ее на входе до температуры насыщения, или через теплообменник - подогреватель деаэрируемой воды, на который подается греющая среда (пар, вода), деаэрированная вода поступает потребителю непосредственно из бака капельных диспергаторов или через теплообменник - охладитель деаэрированной воды, а выходной канал выпара имеет свободный выход в атмосферу или соединен с блоком охладителя выпара, на который подается в качестве охлаждающей среды деаэрируемая вода, при этом каждый модуль
представляет собой функционально и конструктивно обособленный узел, располагаемый вокруг бака капельных диспергаторов.
Согласно изобретению установка может быть выполнена с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации, блок теплообменников, включающий подогреватель деаэрируемой воды и охладитель деаэрированной воды.
Согласно изобретению установка может быть выполнена с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации, блок охладителя выпара.
Согласно изобретению установка может быть выполнена с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации, блок охладителя выпара и блок теплообменников, включающий подогреватель деаэрируемой воды и охладитель деаэрированной воды.
Согласно изобретению установка может быть выполнена с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации, блок охладителя выпара, блок газоотделения, теплообменник - охладитель деаэрированной воды.
Согласно изобретению установка может быть выполнена с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации, блок охладителя выпара, блок газоотделения, блок теплообменников, включающий подогреватель деаэрируемой воды и охладитель деаэрированной воды.
Согласно изобретению установка может быть выполнена с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации, блок охладителя выпара, блок газоотделения, теплообменник - подогреватель деаэрируемой воды, блок создания вакуума, включающий эжектор и циркуляционный насос.
Согласно изобретению каждый блок установки может иметь собственный комплект кабельной сети, запорно-регулирующую арматуру, датчики и регуляторы температуры, давления и уровня жидкости.
Технический результат изобретения достигается благодаря следующему.
Построение деаэрационных установок с использованием модулей, компоновка которых определяется функциями и режимами эксплуатации, позволяет оптимально использовать технологические приемы в каждом отдельном случае реализации установки, унифицировать производственный процесс, сократить затраты и сроки изготовления ДУ с заранее заданными техническими параметрами без дополнительных затрат на проектирование
Для реализации заявленного изобретения предварительно определяют технологические приемы и состав блоков, исходя из функциональной целесообразности. Затем строят компоновочную схему установки, осуществляют монтаж блоков с сопутствующей арматурой и датчиками в соответствующий модуль с конструктивной привязкой его к баку капельной диспергации. Далее проводят термическую деаэрацию воды при температуре насыщения (кипения), которую обеспечивают регулированием необходимого количества подаваемой греющей среды по управляющему сигналу от блока управления установкой, выполненного, например, в виде контроллера.
Если имеется возможность предварительно нагреть деаэрируемую воду до температуры насыщения при расчетном давлении в деаэраторе, то ДУ работает без подачи в деаэратор центробежно-вихревой (ДЦВ) греющей среды (пара, воды), то есть на "начальном эффекте", таким образом вскипание и образование выпара в деаэраторе центробежно-вихревом и баке капельных диспергаторов происходит непосредственно из деаэрируемой воды. Без предварительного нагрева деаэрируемой воды можно производить ее нагрев греющей средой непосредственно в ДЦВ.
Сущность изобретения поясняется принципиальными схемами, на которых показаны частные случаи реализации изобретения в зависимости от режимов эксплуатации модульной деаэрационной установки (МДУ): на фиг. 1 представлена принципиальная схема МДУ с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации, блок теплообменников; на фиг. 2, 3 - с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации, блок охладителя выпара; на фиг. 4 - с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации, блок охладителя выпара и блок теплообменников; на фиг. 5, 6 - с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации, блок охладителя выпара, блок теплообменников, блок газоотделения; на фиг. 7, 8 - с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации, блок охладителя выпара, блок теплообменников, блок газоотделения, блок создания вакуума; на фиг. 9, 10 представлены принципиальные схемы МДУ, иллюстрирующие конкретные примеры реализации изобретения, на фиг. 11 - 3Д модель примера реализации. При этом, на принципиальных схемах фиг. 1-8 из соображений их незагромождения не приведены блоки управления насосом и установкой, а также не отражены первичные измерительные приборы.
МДУ (фиг. 1) содержит базовый блок деаэрации (ББД) 1, установленный на баке капельных диспергаторов (БКД) 2, и включающий деаэратор центробежно-вихревой (ДЦВ) 3, соединенный патрубками с двумя капельными диспергаторами (КД) 4, сообщающимися с полостью бака капельных диспергаторов, имеющего выходной канал выпара 5, к которому подключается выпар из ДЦВ. Блок теплообменников включает в себя подогреватель деаэрируемой воды (ПДВ) 6 и охладитель деаэрированной воды (ОДВ) 7.
МДУ (фиг. 2, 3) реализована с использованием модуля, содержащего ББД 1, блок охладителя выпара 8. Деаэрируемая вода нагрета до температуры насыщения (фиг. 2), а выпар утилизируется, охлаждаясь на поверхностном охладителе выпара (ПОВ) 8, в который поступает охлаждающая вода. В этом случае в ББД 1 используется ДЦВ, работающий на «начальном эффекте». Из охладителя выпара неконденсируемые газы сбрасываются в атмосферу, а конденсат выпара сбрасывается в бак сбора конденсата (на схеме не показан), нагретая вода возвращается в циркуляционную систему. Данная МДУ работает в атмосферном режиме и режиме повышенного давления.
С использованием аналогичного модуля реализована МДУ (фиг. 3), в которой деаэрируемая вода имеет температуру ниже температуры насыщения, а выпар утилизируется на ПОВ 8. Нагрев деаэрируемой воды до температуры насыщения осуществляется в ДЦВ 3, куда подается греющая среда. В этом случае холодная деаэрируемая вода подается в ПОВ 8 и конденсирует выпар. Из охладителя выпара неконденсируемые газы сбрасываются в атмосферу, а конденсат выпара сбрасывается в бак сбора конденсата (на схеме не показан), нагретая деаэрируемая вода поступает в ББД 1.
МДУ (фиг. 4) реализована с использованием модуля, содержащего ББД 1, ПОВ 8 и блок теплообменников, включающий ПДВ 6 и ОДВ 7. В этом случае реализации деаэрируемая вода, имеющая температуру ниже температуры насыщения, является охлаждающей средой в ПОВ 8, откуда неконденсируемые газы сбрасываются в атмосферу, а конденсат выпара сбрасывается в бак сбора конденсата. Далее нагретая деаэрируемая вода поступает в теплообменник - ОДВ 7, где деаэрируемая вода дополнительно нагревается, рекуперируя тепло деаэрированной воды, поступающей из БКД 2. Затем деаэрируемая вода поступает в ПДВ 6, где нагревается до температуры насыщения подачей на него греющей среды. Нагретая до температуры насыщения деаэрируемая вода поступает в ББД 1, работающий на "начальном эффекте". Данная МДУ предназначена для деаэрации воды в атмосферном режиме и режиме повышенного давления.
Для деаэрации воды в атмосферном режиме используются МДУ (фиг 5, 6), которые реализованы на основе модуля, содержащего ББД 1, блок теплообменников, включающий ПДВ 6 и ОДВ 7, блок охладителя выпара 8, блок газоотделения 9, питательный насос 10.
Если деаэрируемая вода имеет температуру ниже температуры насыщения, а выпар утилизируется на охладителе выпара контактном (ОВК) 8, нагрев воды до температуры насыщения осуществляется путем подачи греющей среды в ДЦВ 3. В этом случае холодная деаэрируемая вода подается в ОВК 8 и конденсирует выпар (фиг. 5). Из охладителя выпара неконденсируемые газы сбрасываются в атмосферу, а нагретая вода сбрасывается в блок газоотделения (БГО) 9, далее питательный насос 10 подает нагретую деаэрируемую воду в теплообменник - ОДВ 7, где деаэрируемая вода дополнительно нагревается, рекуперируя тепло деаэрированной воды, и далее поступает в ББД 1.
Если деаэрируемая вода имеет температуру насыщения, а выпар утилизируется на ОВК 8, нагрев воды до температуры насыщения осуществляется на ПДВ 6 (фиг. 6). В этом случае холодная деаэрируемая вода подается в ОВК 8 и конденсирует выпар. Из охладителя выпара неконденсируемые газы сбрасываются в атмосферу, а нагретая деаэрируемая вода сбрасывается в БГО 9, затем питательный насос 10 подает нагретую деаэрируемую воду в теплообменник - ОДВ 7. В ОДВ 7 деаэрируемая вода нагревается, рекуперируя тепло деаэрированной воды, и далее поступает в ПДВ 6, где нагревается до температуры насыщения подачей на него греющей среды, после чего поступает на ББД 1, работающий на «начальном эффекте». Из ПДВ 6 охлажденная греющая среда возвращается в циркуляционную систему.
Для деаэрации воды в вакуумном режиме используются МДУ (фиг. 7, 8), которые реализованы на основе модуля, содержащего ББД 1, блок теплообменников - ПДВ 6, блок охладителя выпара 8, БГО 9, блок создания вакуума 11 с эжектором 12 и циркуляционным насосом 13.
Если деаэрируемая вода имеет температуру ниже температуры насыщения, а выпар утилизируется на ОВК 8, нагрев воды до температуры насыщения осуществляется на ПДВ 6, куда подается греющая среда (фиг. 7). В этом случае вся холодная деаэрируемая вода подается в ОВК 8 и конденсирует выпар. Из охладителя выпара неконденсируемые газы и часть выпара отсасываются водоструйным эжектором 12, а нагретая вода сбрасывается в БГО 9, одновременно туда поступает рабочая вода водоструйного эжектора 12. Из БГО часть воды отбирается циркуляционным насосом 13 и направляется на эжектор 12, другая часть воды с помощью питательного насоса 10 направляется в ПДВ 6, где нагревается греющей средой до температуры насыщения и далее поступает на ББД 1, работающий на «начальном эффекте». Из ПДВ 6 охлажденная греющая среда возвращается в циркуляционную систему.
Если деаэрируемая вода имеет температуру ниже температуры насыщения, а выпар утилизируется на ОВК 8, предварительный нагрев воды осуществляется на ПДВ 6 (фиг. 8). В этом случае холодная деаэрируемая вода подается в ОВК 8 и конденсирует выпар. Из охладителя выпара неконденсируемые газы и часть выпара отсасываются водоструйным эжектором 12, а нагретая вода сбрасывается в БГО 9, одновременно в БГО поступает рабочая вода водоструйного эжектора 12. Из БГО часть воды отбирается циркуляционным насосом 13 и направляется на эжектор 12, другая часть воды с помощью питательного насоса 10 направляется в ПДВ 6, где нагревается греющей средой и далее поступает на ББД 1, к которому также подводится греющая среда, которая нагревает деаэрируемую воду до температуры насыщения. Из ПДВ 6 охлажденная греющая среда возвращается в циркуляционную систему.
Описанная МДУ в частных случаях ее реализации предназначена для работы при различных температурах и различных давлениях, от которых зависит режим термической деаэрации:
- в режиме атмосферноого давления в диапазоне Р(абс.) от 0,103 до 0,156 МПа, соответствующем диапазону температур 100-112°С;
- в режиме повышенного давления в диапазоне Р(абс.) от 0,156 до 0,91 МПа, соответствующем диапазону температур 112-175°С;
- в вакуумном режиме в диапазоне давлений Р(абс.) от 0,02 до 0,103 МПа, соответствующем диапазону температур 60-100°С.
К достоинствам вакуумной деаэрации следует отнести:
- небольшая потребность в расходе тепла для подогрева деаэрируемой воды;
- отсутствие необходимости охлаждать деаэрированную воду перед питательным или подпиточным насосом.
К достоинствам атмосферной деаэрации воды следует отнести:
- отсутствие устройств (эжекторов, насосов) для поддержания вакуума;
- нет необходимости размещать деаэрационное оборудование на высоких отметках (более 9 м) для обеспечения вывода деаэрированной воды;
- простота обслуживания теплотехнического оборудования, не требующая специалистов по поддержанию вакуума.
К достоинствам деаэрации при повышенном давлении следует отнести:
- снижение объемов выхода выпара для достижения требуемой концентрации кислорода;
- незначительное снижение температуры и давления деаэрируемой воды (конденсата) - сохранение энергии;
- имеется возможность работы при «скользящем» давлении.
Примеры реализации модульной деаэрационной установки.
2
1. На действующей ТЭЦ был использован вакуумный режим работы блока деаэрации, исходя из обеспечения заданной концентрации кислорода (20 мкг/л): температура насыщения 65°С, давление насыщения 0,25 кгс/см. Был проведен расчет потребления греющей среды в зависимости от изменения параметров исходной деаэрируемой воды и греющей среды. Исходя из функциональной целесообразности была построена компоновочная схема (фиг. 9) с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации ББД 1, блок теплообменников - ПДВ 6, блок охладителя выпара 8, БГО 9, блок создания вакуума 11 с эжектором 12, циркуляционным насосом 13, питательный насос 10, блок управления насосом 14, блок управления установкой 15, датчики уровня жидкости 16 и 17, датчик температуры 18 и регулирующие клапаны 19 и 20. Исходная деаэрируемая вода подается в блок охладителя выпара 8, туда же по выходному каналу выпара 5 поступает выпар из деаэратора центробежно-вихревого 3 и бака капельных диспергаторов 2, который смешивается с деаэрируемой водой и конденсируется. Частично нагретая таким образом деаэрируемая вода вместе с пузырьками коррозионно-активных газов самотеком стекает в БГО 9. Посредством циркуляционного насоса 13 производится циркуляция исходной воды через эжектор 12, слив с которого снова направляется в БГО 9. При этом эжектор создает необходимый вакуум в охладителе выпара 8, а через него и в ДЦВ. Поддержание уровня жидкости в БГО производится регулированием расхода исходной деаэрируемой воды клапаном 19 по показаниям встроенного в него датчика уровня 16 посредством управляющего сигнала из блока управления установкой 15. Из БГО деаэрируемая вода посредством питательного насоса 13 подается в ПДВ 6, и, нагреваясь до температуры насыщения, поступает в ББД 1. Контроль состояния насыщения деаэрируемой воды после ПДВ 6 производится по показаниям датчика температуры 18 и поддерживается путем изменения расхода греющей среды регулирующим клапаном 20 посредством управляющего сигнала из блока управления установкой 15. Поддержание требуемого уровня жидкости в БКД 2 производится путем изменения расхода деаэрируемой воды, подаваемой питательным насосом 10 из БГО посредством блока управления насосом 14, который в свою очередь управляется блоком управления установкой 15 посредством управляющего сигнала.
2
2. В тепловом пункте был использован атмосферный режим работы блока деаэрации, исходя из обеспечения заданной концентрации кислорода (20 мкг/л): температура насыщения 104°С, давление насыщения 1,2 кгс/см. Исходя из требований минимизации габаритных размеров была построена компоновочная схема (фиг. 10) с использованием модуля, содержащего базовый блок деаэрации ББД 1, блок теплообменников - ПДВ 6, блок теплообменников - ОДВ 7, блок охладителя выпара 8, блок управления установкой 15, датчик уровня жидкости 17, датчик температуры 18 и регулирующие клапаны 20 и 21. Исходная деаэрируемая вода подается в блок охладителя выпара 8, туда же по выходному каналу выпара 5 поступает выпар из деаэратора центробежно-вихревого 3 и бака капельных диспергаторов 2, который конденсируется на теплообменной поверхности. При этом конденсат стекает в конденсатный бак (на фиг. не показан), а несконденсировавшиеся газы удаляются в атмосферу по трубопроводу 22. Частично нагретая таким образом деаэрируемая вода поступает в ОДВ 7, где дополнительно догревается за счет охлаждения деаэрированной воды из бака 2. Окончательный нагрев деаэрируемой воды до температуры насыщения производится блоке теплообменников ПДВ 6 за счет подачи греющей среды. Контроль состояния насыщения деаэрируемой воды после ПДВ 6 производится по показаниям датчика температуры 18 и поддерживается путем изменения расхода греющей среды регулирующим клапаном 20 посредством управляющего сигнала из блока управления установкой 15. Поддержание требуемого уровня жидкости в БКД 2 производится путем изменения расхода регулирующим клапаном 21 посредством управляющего сигнала из блока управления установкой 15.
Данный модуль собирается в максимально компактном виде с помощью использования технологии 3Д-моделирования (фиг. 11).
Была рассчитана экономия от применения модульной деаэрационной установки, работающей на начальном эффекте, с использованием атмосферного режима блока деаэрации, производительностью 100 т/час. В таблице приведены показатели экономии.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет создать унифицированную и экономичную деаэрационную установку, обладающую повышенной технологичностью, за счет блочного принципа построения модулей, компоновка которых определяется заданными функциями и режимами эксплуатации установки. При этом применение унифицированных модулей позволяет упростить изготовление, монтаж оборудования и последующую эксплуатацию деаэрационной установки.