Деаэрация и типы деаэраторов

И КОНДЕНСАТНЫЕ НАСОСЫ

Ñ	Ключевые понятия

§ Типы, конструкции, схемы включения деаэраторов.

§ Материальный и тепловой балансы деаэратора.

§ Схемы включения питательных насосов, тип привода.

§ Схемы включения конденсатных насосов.

 

Деаэрационные установки

Схемы включения деаэраторов

Выбор места деаэратора среди остальных регенеративных подогревателей – важная и ответственная задача. Повышение давления и температуры воды за деаэратором уменьшает число ПВД, а на одноконтурных АЭС с реактором РБМК при = 1,25 МПа позволяет отказаться от них. Однако с повышением температуры воды увеличивается ее удельный объем и мощность привода питательной установки (на 6 % при переходе от = 0,12 МПа к = 0,6 МПа). Увеличение давления пара в деаэраторе удорожает деаэратор из-за утолщения стенки колонки и деаэраторного бака.

Применяют различные схемы присоединения деаэратора к отборам турбины в зависимости от его предназначения и типа электростанции. На КЭС используют следующие схемы включения (рис.10.4).

Рис. 10.4. Схемы включения деаэратора питательной воды:

а – предвключенная схема ( = соnst); б – деаэратор как самостоятельная ступень

регенерации ( = соnst); в – деаэратор на «скользящем» давлении;

1 – регулятор давления; 2 – ПВД

1. Деаэратор работает при постоянном давлении.

а) предвключенная схема (рис. 10.4, а) – деаэратор присоединяют через дроссельный регулирующий (предохранительный) клапан к регенеративному отбору, питающему паром следующий за деаэратором по ходу воды поверхностный регенеративный подогреватель (ПВД). Предохранительный клапан необходим для защиты от превышения допустимого давления. Суммарный подогрев в ПВД и деаэраторе должен равняться экономически целесообразному подогреву воды в данной ступени. В этом случае такое включение деаэратора, несмотря на дросселирование пара, не ухудшает экономичность схемы. Этот способ включения деаэратора применяется в тепловой схеме турбоустановок К-210-130, К-220-44, К-500-160 ЛМЗ; К-300-240 и К-1000-60/1500 ХТЗ;

б) деаэратор на самостоятельном регенеративном отборе пара (рис.10.4, б). Давление пара в отборе при номинальной нагрузке принимают примерно на 30 % выше давления пара в деаэраторе, что позволяет работать без переключения на одном и том же отборе в диапазоне нагрузок от 70 до 100 %. При дальнейшем снижении нагрузки предусматривают переключение деаэратора на питание паром из вышележащих отборов. В пусковых режимах энергоблоков деаэрацию питательной воды осуществляют паром из коллектора пара «собственных нужд».

2. Деаэратор работает на скользящем давлении (рис. 10.4, в). Постоянное давление пара, искусственно поддерживаемое в деаэраторе, благоприятно сказывается на работе последнего, но нарушает оптимальное распределение регенеративного подогрева питательной воды. Присоединение деаэратора только к одному регенеративному отбору пара без установки на линии регулятора давления и соответствующей арматуры позволяет работать в режиме скользящего давления. Такой режим экономичнее, так как исключает потери на дросселирование, снижает мощность привода питательной установки с уменьшением температуры питательной воды, упрощает обслуживание деаэратора. Вместе с тем снижается надежность работы системы деаэратор – питательная установка. При переменном режиме уменьшается кавитационный запас насоса и возможен срыв его работы. Вода, находящаяся во всасывающем трубопроводе насоса, может оказаться перегретой по сравнению с температурой пара с уменьшившимся давлением в деаэраторе. Вода в деаэраторном баке в результате набухания может забрасываться в деаэрационную колонку. Чтобы уменьшить влияние этих побочных явлений режима скользящего давления, увеличивают вместимость деаэраторного бака, используют насосы с высокими антикавитационными характеристиками, увеличивают скорость воды в отводящем трубопроводе за деаэратором, предусматривают снижение температуры воды введением на вход насоса более холодной воды.

На отопительных ТЭЦ деаэратор питательной воды работает при постоянном давлении преимущественно по предвключенной схеме (Т-110-130, Т-175-130, Т-180-130). При использовании на промышленно-отопительных ТЭЦ турбин типов ПТ и Р деаэратор присоединяют по предвключенной схеме к регулируемому промышленному отбору пара (Р-50-130, Р-100-130, ПТ-60-130, ПТ-135-130). На этих ТЭЦ в связи со значительными потерями рабочего тела обычно применяют двухступенчатую деаэрацию воды (рис. 10.5).

 

 

Рис. 10.5. Схема двухступенчатой деаэрации добавочной воды:

ДПВ – деаэратор питательной воды; ДДВ – деаэратор добавочной воды; Р – расширитель продувочной воды; ОП – охладитель продувочной воды; ХВО – химводоочистка;

ПХВО – подогреватель химочищенной воды; ТП – потребитель технологического пара; НДВ – насос добавочной воды; ДН – дренажный насос; СМ – смеситель; ОК – основной конденсат; – расход продувочной воды из ПГ; – расход пара из расширителя; – оставшийся расход продувочной воды; – расход химочищенной воды;

– расход технологического пара; – расход обратного конденсата с производства; – расход добавочной воды

 

Первой ступенью является атмосферный деаэратор на паре регенеративного отбора турбины, после которого добавочная вода направляется в линию основного конденсата; вторая ступень деаэрации – деаэратор питательной воды. Для лучшего использования низкопотенциальных регенеративных отборов пара в последнее время для деаэрации добавочной воды на ТЭЦ используют вакуумные деаэраторы.

Привод питательных насосов

На энергоблоках небольшой мощности (до 210–220 МВт включительно) применяют одноподъемную схему с одним питательным насосом (рис. 10.7, а), имеющим обычно электрический привод (рис.10.8, а). Это обеспечивает простоту и компактность питательной установки, быстроту ее включения в работу. Используемые в качестве привода асинхронные электродвигатели с частотой вращения 3000 об/мин имеют ограниченную мощность, не превышающую 6000–8000 кВт.

 

Рис. 10.8. Типы привода питательной установки

а – электрический привод; б – турбинный привод основного и электропривод бустерного насоса; 1 – запорная задвижка с электроприводом; 2 – обратный клапан; 3 – дроссельные шайбы; 4 – водяной фильтр; ГМ – гидромуфта; ЭД – электродвигатель;

БН, ПН – бустерный и питательный насосы; ТП – турбопривод

 

При неблочной структуре электростанции производительность питательной установки регулируется прежде всего числом работающих насосов. Для снижения расхода воды, подаваемой электропитательным насосом, при частичных нагрузках применяют гидромуфты. Они позволяют осуществить бесступенчатое изменение частоты вращения насоса при неизменной частоте вращения приводного электродвигателя с относительно небольшой энергетической потерей.

Регулирование подачи электропитательных насосов методом дросселирования необходимо избегать. Несмотря на свою простоту, этот метод не экономичен, так как сопровождается потерей давления, износом регулирующих клапанов, значительными энергетическими потерями.

Повышение производительности питательной установки и рост необходимого давления за насосами, что связано с внедрением в энергетику мощных энергоблоков со сверхкритическими параметрами пара, приводит к росту относительной и абсолютной мощности питательных насосов. Поэтому появилась необходимость перехода к более компактным насосам с частотой вращения ротора до 6000–8000 об/мин, использующим паротурбинный привод. Рост подачи и частоты вращения уменьшает кавитационный запас насоса. Необходимым условием отсутствия кавитации является превышение с некоторым запасом давления воды на входе в насос над давлением насыщенного пара при данной температуре. Решение задачи привело к разделению давления, создаваемого питательным насосом в одноподъемной схеме, между бустерным и главным питательным насосами (рис. 10.7, б и рис.10.8, б).

Бустерный насос рассчитывают на давление воды за ним примерно 2 МПа и на пониженную частоту вращения, что обеспечивает его бескавитационную работу. Повышение давления воды на входе главного питательного насоса за счет работы бустерного насоса надежно защищает питательную установку от процессов кавитации. На первых энергоблоках сверкритических параметров бустерные насосы имели самостоятельный электрический привод; на современных энергоблоках 500–1200 МВт бустерные насосы через понижающий редуктор приводятся в действие от общего турбопривода питательной установки.

Установка деаэраторов питательной воды на определенную отметку (выше питательных насосов на 12–15 м) также увеличивает кавитационный запас насосов.

Питательная установка включает дополнительно запорные задвижки на входе и выходе насосов, обратные клапаны, фильтры предварительной очистки воды. Предусматривается сбросное устройство насоса на линии рециркуляции. Оно защищает насосы от запаривания при пуске и работе на холостом ходу и рассчитано на сброс 10–15 % полного расхода питательной воды в деаэратор.

При переменной нагрузке паротурбинный привод питательных насосов целесообразнее электрического привода. Мощность, потребляемая питательным насосом с электроприводом, изменяется пропорционально второй степени расхода воды , а с паротурбинным приводом – примерно прямопропорционально третьей степени расхода воды, т.е. близко к условиям идеального регулирования:

(10.4)

, ,

где а и – коэффициенты пропорциональности.

Таким образом, потребление мощности насосом с турбинным приводом всегда меньше, чем насосом с электроприводом. Турбинный привод позволяет плавно изменять частоту вращения изменением подачи пара на приводную турбину.

 

10.2.4. Схемы включения приводных турбин питательной установки.

На приводную турбину.

Для привода питательных насосов применяют турбины конденсационного типа (рис.10.9, б) или с противодавленим (рис.10.9, а и в). Конденсационные приводные турбины имеют обычно свой конденсатор, эжекторную установку, конденсатные насосы и т. д. Конденсат приводной турбины конденсационного типа в некоторых случаях отводят непосредственно в конденсатор главной турбины (рис.10.9, б). Отработавший пар приводных турбин с противодавлением можно направить в конденсатор главной турбины или в ЦНД главной турбины (рис.10.9, а и в).

 

 

Рис. 10.9. Схемы включения приводных турбин питательной установки:

а – турбопривод на свежем паре; б) – турбопривод конденсационного типа

на «холодном» (I) и «горячем» (II) паре после промежуточного перегрева;

в) – турбопривод с противодавленим на «холодном» (I) и «горячем» (II) паре после

промежуточного перегрева

 

Рис. 10.10. Процесс расширения пара в главной турбине и в приводной турбине

питательной установки:

– давление и энтальпия перегретого (острого) пара на входе в турбину,

– снижение давления острого пара при дросселировании в паровпускных клапанах турбины, – давление пара до и после промежуточного перегрева пара,

– температура и энтальпия пара после промперегрева соответственно, – давление и энтальпия пара в отборе на приводную турбину,

– давление пара в конденсаторе приводной турбины и энтальпия пара на входе в конденсатор приводной турбины, – давление и энтальпия пара в конденсаторе главной турбины, – давление и энтальпия пара в противодавлении приводной турбины

 

Приводные турбины с конденсацией отработавшего пара имеют обычно свой конденсатор, эжекторную установку, конденсатные насосы и т.д. (рис.10.9, б). Отработавший пар и конденсат отработавшего пара в некоторых случаях отводят непосредственно в конденсатор главной турбины (рис.10.9, а и б).

Питание приводной турбины свежим паром не выгодно, так как из-за высоких параметров пара ее КПД низок (рис.10.9, а). Отработавший пар турбопривода питательного насоса с противодавлением (рис.10.9, в) смешиваетcя в главной турбине с основным потоком пара (питательные установки турбин К-300-240, Т-250-240, и в последующих ступенях работает объединенный поток пара.

При большой мощности главной турбины для разгрузки последних ее ступеней целесообразно иметь приводную турбину с конденсацией отработавшего пара (рис.10.9, б). Такой тип приводной турбины широко применяется у нас в стране и за рубежом в крупных энергоблоках.

На электростанциях с промежуточным перегревом пара на турбопривод питательных насосов можно отбирать пар как «холодный» (до промежуточного перегрева), так и «горячий» (после промежуточного перегрева). При использовании «горячего» пара теряется дополнительная работа в главной турбине, получаемой благодаря промежуточному перегреву пара (рис. 10.9, б, в). При использовании «холодного» пара на турбопривод повышается экономичность ТЭС. Холодный пар после работы в приводной турбине с противодавлением не следует возвращать в ступени главной турбины, так как при недостаточно тщательном перемешивании его с основным, более горячим потоком пара в деталях турбины могут возникнуть дополнительные термические напряжения, снижающие надежность ее работы. Возвращение, отработавшего в приводной турбине потока пара, в главную турбину возможно при необходимости получения дополнительной мощности. Приводная турбина с конденсатором не применима ввиду недопустимо высокой влажности отработавшего пара приводной турбины, работающей на холодном паре.

Расход пара на приводную турбину бустерного и главного питательного насосов, кг/с (при наличии общего привода), определяется из уравнения энергетического баланса:

 

,

 

где – подача воды питательным насосом, кг/с; – удельный объем воды, /кг; – теплоперепад пара в турбоприводе, кДж/кг, = – ; – КПД насоса; – механический КПД приводной турбины; – давление воды за питательным насосом, МПа; (давление пара в деаэраторе). При электрическом приводе бустерного насоса принимают , МПа. Давление соответствует температуре насыщения жидкости перед главным питательным насосом; кавитационный запас насоса 0,9 МПа. В долях расхода свежего пара на главную турбину получим:

,

где .

Таким образом, доля расхода пара на приводную турбину зависит в основном от отношения работы насоса , кДж/кг, и работы пара в приводной турбине . = 0,83ּ0,99 = 0,82.

Условием тепловой экономичности парового или электрического привода питательного насоса служит следующее соотношение:

 

> илиּ< .

 

Конечным критерием тепловой экономичности любого типа привода служат расчетные затраты, учитывающие капитальные и эксплуатационные расходы. Результат сравнения зависит от режима работы насосов и стоимости топлива; при продолжительной работе их с пониженными нагрузками и относительно дорогом топливе может быть выгоднее паротурбинный привод питательного насоса, а не электропривод.

Теплоэлектроцентрали нашей страны с начальными параметрами пара перед турбинами 9 и 13 МПа большей частью не имеют промежуточного перегрева пара и работают по неблочной схеме. Питательные насосы имеют, как правило электрический привод. Паровой привод питательных насосов целесообразен, если отработавший пар приводных турбин можно использовать в течение всего года для нужд внешнего теплового потребления. Такое решение безусловно экономически выгодно, если паром, отработавшим в приводных турбинах, не вытесняется пар из отборов главных турбин и с отработавшим паром приводных турбин отпускается дополнительное количество теплоты внешним потребителям. В случае вытеснения этим паром отборов из главных турбин выбор парового или электрического привода питательных насосов подлежит технико-экономическому сравнению.

 

И КОНДЕНСАТНЫЕ НАСОСЫ

Ñ	Ключевые понятия

§ Типы, конструкции, схемы включения деаэраторов.

§ Материальный и тепловой балансы деаэратора.

§ Схемы включения питательных насосов, тип привода.

§ Схемы включения конденсатных насосов.

 

Деаэрационные установки

Деаэрация и типы деаэраторов

Воздух, растворенный в конденсате, питательной и добавочной воде, содержит агрессивные газы (кислород, углекислота), вызывающие коррозию оборудования и трубопроводов электростанции. Коррозия усиливается с повышением температуры и давления воды.

Кислород и свободная углекислота поступает в питательную воду с присосами воздуха в конденсатор и аппаратуру регенеративной системы, находящуюся под вакуумом, и с добавочной водой.

Для защиты от газовой коррозии применяют деаэрацию воды, т.е. удаление растворенного в ней воздуха, или дегазацию воды, т.е. удаление растворенного в ней агрессивного газа.

Для удаления растворенного воздуха применяют термическую деаэрацию воды, которая является основным методом удаления из воды растворенных газов. Кислород, оставшийся в воде после термической деаэрации, дополнительно обезвреживают, связывая его химическим реагентом (соединениями аммиака ).

Термическая деаэрация воды основана на следующем. По закону Генри – Дальтона равновесная концентрация растворенного в воде газа, мкг/кг, пропорциональна парциальному давлению этого газа над ее поверхностью и не зависит от присутствия других газов

где – коэффициент пропорциональности, зависящий от рода газа, его давления и температуры, мг/(кгּПа). Относительный состав газов при растворении воздуха в воде в соответствии с этим законом отличается от состава их в воздухе. Так, при температуре 0 ^оС и нормальном давлении вода содержит по объему кислорода 34,9 % (в воздухе 21 %), углекислого газа 2,5 % (в воздухе 0,04 %), азота и других недеятельных газов 62,6 % (в воздухе 78,96 %).

Концентрацию растворенного в воде газа можно выразить через равновесное парциальное давление:

.

Когда парциальное давление газа над поверхностью воды ниже равновесного < происходит десорбция (выделение) газа из раствора; если > , происходит адсорбция (поглощение) газа водой, при равенстве = наступает состояние динамического равновесия. Таким образом, чтобы обеспечить удаление из воды растворенного в ней газа надо понизить его парциальное давление в окружающем пространстве. Этого можно достигнуть заполняя пространство водяным паром. Процесс десорбции газа из раствора будет в этом случае сопровождаться подогревом воды до температуры насыщения. Движущей силой процесса десорбции газа является разность равновесного парциального давления газа в деаэрируемой воде и парциального давления его в паровой среде.

Абсолютное давление над жидкой фазой представляет собой сумму парциальных давлений газов и водяного пара:

.

Следовательно, необходимо увеличить парциальное давление водяных паров над поверхностью воды, добиваясь , и как следствие этого получить .

Питательная вода паровых котлов ТЭС согласно Правилам технической эксплуатации электростанций (ПТЭ) должна содержать кислорода менее 10 мкг/кг.

По сравнению с удалением О выделение из воды СО более сложная задача, так как в процессе подогрева воды количество углекислого газа увеличивается вследствие разложения бикарбонатов и гидролиза образующихся карбонатов.

Кроме удаления из воды растворенных агрессивных газов, деаэраторы служат также для регенеративного подогрева основного конденсата и являются местом сбора и хранения запаса питательной воды.

Термические деаэраторы паротурбинных установок электростанций делятся:

По назначению на:

1) деаэраторы питательной воды паровых котлов;

2) деаэраторы добавочной воды и обратного конденсата внешних по-

требителей;

3) деаэраторы подпиточной воды тепловых сетей.

По давлению греющего пара на:

1) деаэраторы повышенного давления (тип ДП, рабочее давление 0,6– 0,7 МПа, реже 0,8–1,2 МПа, температура насыщения 158–167 С и соответственно 170–188 С);

2) атмосферные деаэраторы (тип ДА, рабочее давление 0,12 МПа, температура насыщения 104 С;

3) вакуумные деаэраторы (тип ДВ, рабочее давление 0,0075 – 0,05 МПа, температура насыщения 40–80 С).

По способу обогрева деаэрируемой воды на:

1) деаэраторы смешивающего типа со смешением греющего пара и обогреваемой деаэрируемой воды. Этот тип деаэраторов применяется на всех без исключения ТЭС и АЭС;

2) деаэраторы перегретой воды с внешним предварительным нагревом воды отборным паром.

По конструктивному выполнению (по принципу образования межфазной поверхности) на:

1)деаэраторы с поверхностью контакта, образующейся в процессе движения пара и воды:

а) струйно-барботажные;

б) пленочного типа с неупорядоченной насадкой;

в) струйного (тарельчатого) типа;

2) деаэраторы с фиксированной поверхностью контакта фаз (пленочного типа с упорядоченной насадкой).

В вакуумных деаэраторах давление ниже атмосферного и для отсоса выделяющихся из воды газов требуется эжектор. Имеется опасность повторного «заражения» воды кислородом из-за присоса атмосферного воздуха в тракт перед насосом. Вакуумные деаэраторы применяются, когда требуется деаэрировать воду при температуре ниже 100 подпиточная вода тепловых сетей, вода в тракте химической подготовки). К ним относятся также деаэрационные приставки конденсаторов. Деаэрация воды осуществляется не только в деаэраторах, но также и в конденсаторах паровых турбин. Однако на пути от конденсатора до конденсатного насоса содержание кислорода может увеличиться за счет подсоса воздуха через сальники насосов и другие неплотности.

Атмосферные деаэраторы работают с небольшим избытком внутреннего давления над атмосферным (приблизительно 0,02 МПа), необходимым для самотечной эвакуации выделяющихся газов в атмосферу. Преимуществом атмосферных деаэраторов является минимальная толщина стенки корпуса (экономия металла).

В настоящее время атмосферные деаэраторы применяют главным образом для добавочной воды испарителей и подпиточной воды тепловых сетей.

Деаэраторы повышенного давления применяются для обработки питательной воды энергетических котлов с начальным давлением пара 10 МПа и выше. Применение деаэраторов типа ДП на ТЭС позволяет при более высокой температуре регенеративного подогрева воды ограничиться в тепловой схеме небольшим количеством последовательно включенных ПВД (не более трех), что способствует повышению надежности и удешевлению установки и благоприятно сказывается при эксплуатации ввиду меньшего сброса температуры питательной воды при отключении ПВД.

В деаэраторах перегретой воды вода поступает сначала в предвключенный поверхностный подогреватель, где вода, подлежащая последующей деаэрации, нагревается до температуры, превышающей на 5–10 С температуру насыщения при давлении в деаэраторе. Чтобы вода в подогревателе не закипела, давление воды должно быть на 0,2–0,3 МПа выше, чем в деаэраторе. При вводе в деаэратор давление воды снижается и вода вскипает, выделяя пар, который заполняет колонку.

Принцип предварительного перегрева с последующим вскипанием воды способствует улучшению качества деаэрации. Однако деаэраторы перегретой воды сложны по конструкции, недостаточно надежны, трудно регулируемы и поэтому в настоящее время у нас в энергетике не применяются.

Полезный для термической деаэрации принцип предварительного перегрева воды с последующим вскипанием реализуется в деаэраторах барботажного типа. В них пар вводится под уровень воды в аккумуляторе или в промежуточной емкости, располагаемой в колонке. За счет гидростатического подпора вводимый в слой воды пар имеет несколько повышенное давление по сравнению с давлением в паровом пространстве колонки. При контакте с водой в глубине слоя пар нагревает ее до температуры, превышающей температуру насыщения у поверхности. При движении воды, увлекаемой пузырьками пара вверх барботажного отсека вода вскипает и интенсивно выделяет растворенные газы.

В деаэраторах смешивающего типа греющий пар вводится в нижнюю часть колонки, заполняя ее, а вода в ее верхнюю часть. Поток воды дробится на капли, струи или пленки для увеличения поверхности контакта с паром и движется навстречу ему сверху вниз. Выделяющиеся из воды газы удаляются через линию выпара, расположенную в верху колонки.

Вместе с газами из колонки деаэратора удаляется некоторое количество пара, называемое выпаром. Обычно выпар составляет 1–2 кг, а при наличии в исходной воде значительного количества свободной или связанной углекислоты – 2–3 кг на одну тонну деаэрируемой воды. Выпар обусловливает дополнительную потерю теплоты и теплоносителя и из этих соображений должен быть минимальным.

 

Таблица 10.1

 

Вода	Содержание растворенного кислорода, мкг/кг
Питательная вода энергетических котлов на рабочее давление до 10 МПа
То же более 10 МПа
Питательная вода испарителей и паропреобразователей
Подпиточная вода тепловых сетей

 

Свободная углекислота в воде после деаэратора должна отсутствовать, а показатель рН (при 25 ) питательной воды должна поддерживаться в пределах 9,1 0,1.