Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Анализ литературных данных о влиянии выпара на эффективность термической деаэрации воды. постановка задач исследования
1.1. Физические основы процесса термической деаэрации воды 8
1.2. Основные типы термических деаэраторов 24
1.3. Традиционные технологии отвода и утилизации выпара термических деаэраторов 40
1.3.1. Нормативные требования к величине выпара термических деаэраторов и способам его использования 40
1.3.2. Устройства для отвода и утилизации выпара деаэраторов избыточного давления 43
1.3.3. Охладители выпара и газоотводящие аппараты вакуумных деаэраторов 48
1.4. Постановка задач исследования 62
Глава вторая. Исследование предельной массообменной и энергетической эффективности термических деаэраторов 65
2.1. Теоретическая оценка минимального расхода выпара термических деаэраторов 65
2.2. Экспериментальное определение технологически необходимого расхода выпара термического деаэратора 73
2.2.1. Задачи эксперимента 73
2.2.2. Описание экспериментальной установки 73
2.2.3. Методика проведения эксперимента 76
2.2.4. Анализ экспериментальных данных 78
2.3. Технологии регулирования и снижения расхода выпара термических деаэраторов 83
Глава третья. Разработка технологий транспорта и утилизации выпара деаэраторов избыточного давления 91
3.1. Схемы отвода выпара из деаэраторов 91
3.1.1. Выбор высоты установки охладителей выпара 91
3.1.2. Включение в схему деаэрационной установки охладителей выпара 93
3.1.3. Утилизация выпара в деаэрационных установках с двухступенчатой дегазацией воды 95
3.2. Экономичность схем отвода и утилизации выпара в деаэрационных установках избыточного давления 98
Глава четвертая. Повышение эффективности отвода и утилизации выпара в вакуумных деаэрационных установках 107
4.1. Разработка методики подбора газоотводящих аппаратов методом наложения характеристик 107
4.2. Исследование энергетической эффективности способов отвода выпара из вакуумных деаэраторов 115
4.3. Схемы включения газоотводящих аппаратов вакуумных деаэраторов 121
4.3.1. Способы повышения энергетической эффективности струйных аппаратов 121
4.3.2. Разработка технологий отвода выпара механическими вакуумными насосами 128
Основные выводы 133
Список литературы 135
Приложения 149
- Основные типы термических деаэраторов
- Экспериментальное определение технологически необходимого расхода выпара термического деаэратора
- Экономичность схем отвода и утилизации выпара в деаэрационных установках избыточного давления
- Исследование энергетической эффективности способов отвода выпара из вакуумных деаэраторов
Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из важнейших проблем теплоэнергетики является защита от внутренней коррозии оборудования и трубопроводов тепловых электростанций, котельных и тепловых сетей. К числу факторов, вызывающих внутреннюю коррозию, относится присутствие в воде коррозионно-активных газов: кислорода и диоксида углерода. При неудовлетворительном качестве обработки воды значительно сокращается срок эксплуатации оборудования теплоисточников и тепловых сетей.
В отечественной и зарубежной теплоэнергетике основным методом противокоррозионной обработки питательной воды котлов и подпиточной воды систем теплоснабжения является термическая деаэрация.
Энергетические затраты на деаэрацию существенно зависят от массо-обменной эффективности деаэраторов.
В большинстве работ, посвященных изучению массообмена при термической деаэрации, рассматриваются различные модели взаимодействия между паром и жидкостью. Вопрос о количественной оценке предельно достижимой массообменной эффективности деаэрации никогда не рассматривался. Между тем такая оценка необходима как для определения резервов совершенствования существующих конструкций термических деаэраторов, так и для изучения возможностей снижения энергетических затрат на деаэрацию и, следовательно, теплоэнергетические установки в целом.
Качество и надежность десорбции растворенных в воде коррозионно-активных газов при термической деаэрации и ее энергетическая эффективность в значительной мере определяются эффективностью отвода выпара (смеси выделившихся из воды неконденсирующихся газов и несконденсировавшейся части десорбирующего агента) из деаэратора.
Настоящая работа посвящена изучению влияния выпара и способов его утилизации на эффективность процесса деаэрации воды.
Работа выполнена в рамках подпрограммы (206) «Топливо и энергетика» программы Министерства образования Российской Федерации «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», код проекта 01.01.025.
Целью настоящей работы является повышение массообменной и энергетической эффективности процесса термической деаэрации воды на тепловых электростанциях.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
выполнена теоретическая оценка величины минимально возможного количества выпара термических деаэраторов, соответствующего предельной массообменной эффективности деаэрации;
экспериментально доказана техническая возможность многократного снижения технологически необходимого количества отводимого из термических деаэраторов выпара по отношению к установленным стандартом величинам;
разработаны эффективные решения, обеспечивающие полную утилизацию теплоты и массы выпара деаэраторов избыточного давления;
предложены новые технологии отвода и утилизации выпара вакуумных деаэраторов;
разработана методика подбора газоотводящих аппаратов вакуумных деаэраторов;
выполнен термодинамический анализ эффективности новых технологий термической деаэрации воды.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые поставлена и решена задача определения величины минимально возможного (теоретически необходимого) количества выпара термических деаэраторов, позволяющая выполнять оценку и поиск путей повышения массообменной и энергетической эффективности термических деаэраторов.
-
В результате экспериментального исследования промышленного термического деаэратора доказана возможность существенного приближения реального расхода выпара к теоретически необходимому расходу.
-
Разработан графоаналитический метод подбора и анализа эффективности газоотводящих аппаратов вакуумных деаэрационных установок, основанный на совмещении характеристик газоотводящих аппаратов и вакуумных деаэраторов.
-
Выполнен комплекс исследований и разработок, позволяющих существенно повысить надежность и экономичность термической деаэрации за счет эффективного отвода выпара, снижения количества и утилизации теплоты и массы образующейся при деаэрации парогазовой смеси. Новизна созданных технологий подтверждена патентами РФ на изобретения.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов
обусловлены проведением экспериментального исследования натурного образца деаэратора в условиях действующей ТЭЦ с применением современных средств измерений, практической проверкой предложенных технологических решений на действующих теплоэнергетических предприятиях.
Практическая ценность работы.
-
Выявлены значительные резервы повышения массообменной и энергетической эффективности термических деаэраторов.
-
Разработаны технологии эффективного отвода, снижения количества и утилизации теплоты и массы отводимой парогазовой смеси.
Практическая реализация результатов работы.
-
На Ульяновской ТЭЦ-3 внедрены рекомендации по снижению расхода выпара термических деаэраторов.
-
На Самарской ГРЭС приняты к использованию рекомендации по снижению потерь теплоты и массы выпара термических деаэраторов питательной воды.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Результаты теоретической оценки величины минимально возможного количества выпара при различных рабочих параметрах термических деаэраторов и различных схемах движения в них теплоносителей.
-
Результаты экспериментального исследования промышленного деаэратора, доказывающие возможность работы термических деаэраторов с удельным расходом выпара, близким к теоретически необходимому.
-
Графоаналитический метод подбора и анализа эффективности газоотводящих аппаратов вакуумных деаэрационных установок.
-
Новые технологии транспорта и утилизации выпара термических деаэраторов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Второй, Третьей и Четвертой Российских научно-технических конференциях «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (УлГТУ, 2000 г., 2001 г., 2003 г.), на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологий» (ИГЭУ, 2001 г.), на девятой и десятой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ, 2003 г., 2004 г.), на V Минском Международном форуме по тепломассообмену (2004 г.), на ежегодных СНТК УлГТУ (2000-2003 гг.), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава УлГТУ (2002-2004 гг.), на заседаниях постоянно действующего семинара НИЛ «Теплоэнергетические системы и установки» УлГТУ (2000-2004 гг.). Результаты работы неоднократно отмечались дипломами и медалями Российских научных конкурсов и выставок.
Публикации. По теме диссертации опубликована 51 печатная работа (в том числе одна монография, 17 статей и полных текстов докладов, тезисы 3 докладов, 29 изобретений, свидетельство о регистрации программы для ЭВМ).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения, содержит список литературы из 155 наименований. Общий объем работы составляет 150 страниц машинописного текста.
Основные типы термических деаэраторов
Вид тепловой схемы электростанции, ее надежность и экономичность во многом определяются типом, массообменной и энергетической эффективностью термических деаэраторов, а также схемой их включения и режимом эксплуатации, поскольку в деаэратор направляются все паровые и водяные потоки, составляющие питательную воду.
Термические деаэраторы классифицируются по ряду признаков [19]. В соответствии со стандартом выделяют следующие типы термических деаэраторов в зависимости от давления в корпусе: - деаэраторы повышенного давления (ДП) с абсолютным рабочим давлением 0,6-1,0 МПа (6-10 кгс/см ); - деаэраторы атмосферного давления (ДА) с абсолютным рабочим давлением 0,11-0,13 МПа (1,1-1,3 кгс/см ); - вакуумные деаэраторы (ДВ) с абсолютным рабочим давлением 0,015-0,08 МПа (0,15-0,8 кгс/см2).
Кроме того, деаэраторы могут классифицироваться по применяемому в них способу распределения воды в паре: пленочные, струйные, капельные; и пара в воде - барботажные. При применении одного из видов распределения деаэратор относится к одноступенчатым, при применении одновременно нескольких видов - к двух или трехступенчатым. В деаэраторах, как правило, применяется двухступенчатая схема дегазации воды.
В зависимости от образования поверхностей контакта фаз различают термические деаэраторы с фиксированной межфазовой поверхностью (пленочные деаэраторы с упорядоченной насадкой) и с межфазовой поверхностью, образующейся в результате движения воды и пара (термические деаэраторы с неупорядоченной насадкой, струйные, капельные и барботажные). В силу возможности изменения гидродинамического режима работы деаэратора последняя классификация также является условной, т.к. при увеличении нагрузки деаэратора или скорости движения пароводяной смеси в нем фиксированная поверхность контакта фаз разрушается, и один и тот же деаэратор может быть отнесен как к первой, так и второй группе аппаратов.
Температура воды на выходе из деаэратора зависит от производительности и режима работы установки. Номинальная производительность термического деаэратора - это расход воды, состоящий из суммы исходных потоков, подлежащих деаэрации, и сконденсировавшегося пара, то есть расход деаэрированной воды из деаэратора, при котором обеспечивается требуемое качество деаэрированной воды. Каждый тип деаэраторов характеризуется своей номинальной производительностью. Например, для деаэраторов повышенного давления она изменяется от 225 до 2800 т/ч; для деаэраторов атмосферного давления - до 300 т/ч; для вакуумных деаэраторов - от 5 до 1200 т/ч.
При термической деаэрации необходимо обеспечить условия равновесия газожидкостной системы, соответствующие минимальному содержанию растворенных в воде газов, и создать необходимую скорость процесса десорбции (выделения газов из воды) и последующего эффективного отвода образовавшейся парогазовой смеси из деаэратора.
Технологии транспорта выпара в деаэраторах избыточного давления и в вакуумных деаэраторах имеют существенные различия, связанные, прежде всего, с конструктивными и эксплуатационными особенностями деаэраторов.
Деаэраторы избыточного давления (атмосферные деаэраторы и деаэраторы повышенного давления) широко применяются на тепловых электростанциях и в котельных. Аппараты повышенного давления в основном применяются в качестве деаэраторов питательной воды тепловых электростанций. Деаэраторы атмосферного давления используются для деаэрации питательной воды тепловых электростанций и котельных, добавочной питательной воды ТЭЦ высокого давления, подпиточной воды систем теплоснабжения [56, 62].
В 60-70-е годы достаточно широкое распространение получили двухступенчатые деаэраторы с затопленным барботажным устройством конструкции НПО ЦКТИ [24,56]. Принципиальная схема такого двухступенчатого деаэратора приведена на рис. 1.1. Аппарат включает в себя струйную колонку с двумя перфорированными тарелками, расположенную у одного торца бака-аккумулятора. В нижней части бака у противоположного его торца расположено барботажное устройство. Конденсат и химически очищенная вода подаются на верхнюю тарелку, где смешиваются, а затем в виде струи сливаются сначала на вторую дырчатую тарелку и далее - в бак-аккумулятор. После выдержки в баке вода поступает в барботажное устройство, основным элементом которого является горизонтальный дырчатый лист. Пар подается на барботажное устройство и в паровой объем бака-аккумулятора.
Экспериментальное определение технологически необходимого расхода выпара термического деаэратора
На рис. 2.6 представлена схема экспериментальной установки. Химически очищенная вода, обработанная методом Мг-катиони-рования, перед деаэратором подогревается в пароводяном теплообменнике и подается в верхнюю часть деаэрационной колонки.
Кроме того, в деаэратор подаются потоки конденсата с подогревателей ПСВ-500 и ПСВ-90 и дренажного бака.
Химически очищенная вода 1 через охладитель выпара 2 и регулирующий клапан 4 попадает в деаэрационную колонку 6. Туда же направляется поток основного конденсата 7 с температурой ниже рабочей температуры деаэратора. Деаэрационная колонка устанавливается у одного из торцов деаэрационного бака 9. Отвод деаэрированной воды 14 осуществляется из противоположного торца бака с целью обеспечения максимального времени выдержки воды в баке. В качестве греющего агента деаэратора используется редуцированный пар котла ДЕ-10/14. Весь пар подводится по трубе 13 через регулирующий клапан давления 12 в торец бака, противоположный колонке, с целью обеспечения хорошей вентиляции парового объема от выделяющихся из воды газов. Горячие конденсаты подаются в деаэрационный бак по трубе 10. Отвод выпара из установки осуществляется через охладитель выпара 2 и трубу 3 или непосредственно в атмосферу по трубе 5. Деаэратор ДА-25 установлен на отметке 18 м.
Для защиты деаэратора от аварийного повышения давления и уровня воды установлено самозаливающее комбинированное предохранительное устройство 8 (рис. 2.6).
Проверка качества деаэрированной воды [35, 39] на содержание кислорода и диоксида углерода производилась с помощью теплообменника для охлаждения проб воды 15.
Весь выпар, образовавшийся в процессе дегазации воды, охлаждается в охладителе выпара типа ОВА-2, с площадью поверхности теплообмена 2 м , установленном на одной отметке с деаэратором. Охлаждающей средой в охладителе служит исходная химически очищенная вода. Конденсат выпара сбрасывается в дренажный бак, установленный на нулевой отметке. На рис. 1.2 приведена схема деаэрационной колонки ДА-25. Для проведения экспериментального исследования выбран метод однофакторного активного эксперимента [20, 21, 69], т.е. изменение одного из факторов при фиксированной величине других параметров.
В качестве изменяемого фактора в одном случае принимался расход выпара атмосферного деаэратора, в другом - температура исходной воды, подаваемой в деаэратор. Изменение расхода выпара проводилось с помощью задвижки, установленной по нашей просьбе на трубопроводе отвода выпара в охладитель техническим персоналом Ульяновской ТЭЦ-3. Изменение расхода выпара осуществлялось ступенчато через определенные интервалы времени, обусловленные временем самовыравнивания объекта регулирования - термического деаэратора после нанесения ему однократного возмущения, до полного закрытия задвижки, а затем поэтапного ее открытия.
Другим регулирующим фактором была температура исходной воды перед охладителем выпара. Изменение ее проводилось также
Экономичность схем отвода и утилизации выпара в деаэрационных установках избыточного давления
Процесс десорбции коррозионно-активных газов в термических деаэраторах различных типов требует определенных затрат энергии. Величина энергетических затрат определяет экономическую и энергетическую эффективность этих аппаратов. В настоящее время для оценки экономичности и энергетической эффективности технологических процессов и аппаратов тепловых электрических станций применяются различные методы [3, 11, 18, 54 82, 94]. Широко известен метод балансовых уравнений, метод коэффициентов приращения мощности, метод определения удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении, эксергетический метод. Целесообразность применения того или иного метода зависит от цели исследования, типа исследуемой установки, наличия набора исходных данных об ее работе.
При правильном использовании различных методов определения энергетической эффективности работы одной и той же установки результаты анализа, проведенного различными способами, не должны иметь значительных расхождений.
Исходными данными при исследовании энергетической эффективности работы термических деаэраторов являются температура и расход исходной воды, греющего агента, деаэрированной воды, а также давление в деаэраторе.
Для осуществления процесса термической деаэрации расходуется энергия различных видов - тепловая и электрическая. Эти виды энергии имеют различную практическую ценность. При определении энергетических затрат необходимо, чтобы затраты различных видов расходуемой энергии были выражены в сопоставимых величинах. В связи с этим для определения энергетической эффективности решений по отводу и утилизации выпара термических деаэраторов приемлемым является метод, основанный на сопоставлении затрат эксергии. Способ основан на понятии эксергии, как максимально возможной работы, которую можно получить за счет имеющейся энергии системы в заданных условиях окружающей среды в случае, когда все процессы будут происходить без потерь энергии. При использовании этого метода энергетическая эффективность термических деаэраторов оценивается через удельные затраты эксергии (УЗЭД) Е, кДж/т, которые учитывают практическую ценность различных видов энергии, затрачиваемых на деаэрацию 1 т воды [82, 104].
Существенным фактором, определяющим целесообразность применения метода, основанного на сопоставлении затрат эксергии, для оценки энергетической эффективности процесса термической деаэрации является то, что удаление из воды коррозионно-активных газов является одним из этапов в достаточно энергоемком процессе водоподготовки. В работе [11] указывается, что эксергетический метод позволяет выявить наиболее выгодный путь повышения как всего исследуемого процесса, так и отдельных его этапов. С этой целью осуществляется сравнение потерь эксергии на отдельных этапах процесса, далее изучаются возможности уменьшения этих потерь, которые заметно влияют на совершенство процесса. Затем выявляются наиболее приемлемые способы, позволяющие или уменьшить потери эксергии в результате улучшения протекания процесса на отдельном этапе, или создать новый этап, позволяющий полезно использовать потери эксергии на предыдущих этапах процесса. Так, в деаэрационных установках существуют значительные потери эксергии в виде теплоты и электроэнергии, затрачиваемых на создание подчас неоправданно высокого давления в деаэраторе. Определить экономическую ценность теряемой теплоты, возможность ее уменьшения и целесообразность использования в установке возможно при применении метода, основанного на сопоставлении затрат эксергии.
Значительное влияние на экономичность тепловой электростанции оказывает величина выпара, с которым из деаэрационной колонки отводятся коррозионно-агрессивные газы, и способы его утилизации.
Как отмечалось выше, выпар термических деаэраторов является ценным теплоносителем, поскольку содержит преимущественно насыщенный пар при рабочих параметрах деаэратора.
Потери теплоты с выпаром определяются по формуле где Gde - количество деаэрированной воды, т; debin - удельный расход выпара деаэратора (1,5 кг/т для деаэраторов повышенного давления и 2 кг/т для атмосферных деаэраторов); івьіп - энтальпия насыщенного пара, содержащегося в выпаре при давлении в деаэраторе, кДж/кг; К.вып энтальпия конденсата выпара при температуре окружающей среды, кДж/кг.
ГОСТ [9] и РТМ [62] предписывают обязательную утилизацию теплоты и массы отводимой из термических деаэраторов смеси.
Для утилизации выпара на деаэраторах избыточного давления устанавливают охладители выпара. Однако нередко выпар просто выбрасывается в атмосферу, а существующие методы использования выпара имеют большие резервы для их совершенствования.
Схемы отвода выпара, показанные в п. 3.1, позволяют практически полностью утилизировать отводимую из деаэратора парогазовую смесь.
Критерием для оценки энергетической эффективности различных схем использования теплоты и массы выпара приняты затраты (потери) эксергии [3, 11, 82].
В общем виде потери эксергии с выпаром можно вычислить по формуле где Еп6уЄрь - потери эксергии при выбросе выпара в атмосферу без какой-либо утилизации, кДж,
Исследование энергетической эффективности способов отвода выпара из вакуумных деаэраторов
Газоотводящие аппараты являются энергоемкими элементами вакуумных деаэрационных установок, поэтому при выборе типа этих аппаратов, схем включения и режимов работы необходимо учитывать их влияние на экономичность ТЭЦ или котельной. Имеющиеся в литературе оценки экономичности различных типов газоотводящих устройств, применяемых в вакуумных деаэрационных установках и конденсационных установках паровых турбин, достаточно противоречивы. Обычно считают, что механические вакуумные насосы по эксплуатационным затратам экономичнее струйных эжекторов [116]. В работе [113] утверждается, что расход энергии на пароструйный эжектор одинаков или даже меньше расхода энергии на привод механического насоса. По данным ряда авторов [73] электрическая мощность, затрачиваемая на привод насоса водоструйного эжектора, составляет 55-70 % мощности водокольцевого насоса той же подачи. Более достоверными представляются данные, в соответствии с которыми удельные затраты энергии на водоструйный эжектор на 25-30 % выше, чем на водокольцевые вакуумные насосы [37, 82]. Разноречивость в оценке экономичности газоотводящих аппаратов нередко связана с различиями применяемых методик оценки и сравнения энергетических затрат на их работу [85]. Поскольку на привод аппаратов расходуется энергия разного качества (электрическая в водоструйных эжекторах и механических насосах, тепловая и электрическая в пароструйных эжекторах), сравнение энергетической эффективности различных типов газоотводящих устройств целесообразно производить путем оценки затрат эксергии Е, кДж, на их работу, рассчитанных для 1 кг отводимого газа [3, 11, 85]. Выражение для расчета затрат эксергии на работу пароструйного эжектора можно записать в виде где Ерм- затраты эксергии рабочего пара, кДж; Ев п- эксергия инжектируемого выпара деаэратора, кДж; Ер - затраты эксергии на транспортировку охлаждающей воды, кДж; Лв - приращение эксергии охлаждающей воды, кДж. Расчет значения Ерп производится по формуле где Dpn - количество рабочего пара, кг; Т0 - температура окружающей среды, К; і, s - энтальпия, кДж/кг, и энтропия, кДж/(кг-К), рабочего пара; /0, s0 - энтальпия, кДж/кг, и энтропия, кДж/(кг-К), воды при Т0. Значение Еп определим как где Qetiin - количество теплоты выпара, кДж, определяемое по формуле где GH, сн - количество, кг, и теплоемкость, кДж/(кг-К), неконденсирующихся газов; Тв - температура выпара, К; DHM, іип - количество, кг, и энтальпия, кДж/кг, насыщенного пара; i0 - энтальпия воды при Т0, кДж/кг. Приращение эксергии охлаждающей воды АЕ определяется по выражению, аналогичному (4.9), где количество полученной этой водой теплоты Qoe, кДж, находится как Qoe =GoecoeAToe, (4.11) где Goe, сов, АТов - соответственно количество, кг, теплоемкость, кДж/(кг К), и значение нагрева, К, охлаждающей воды. Затраты эксергии на работу механического вакуумного насоса определяются по формуле Емм = Еп/ + Ер + Евтып, (4.12) где Е"р - затраты электроэнергии на привод механического насоса, кДж. При применении водоструйного эжектора затраты эксергии на его работу составляют где Ерв - затраты электроэнергии на подачу рабочей воды в эжектор, кДж; АЕрв — приращение эксергии рабочей воды, кДж. Значение АЕр в учитывается только в схемах с использованием теплоты рабочей воды в вакуумной деаэрационной установке. В случае применения замкнутых схем включения водоструйных эжекторов при определении Евэ должны учитываться затраты электроэнергии на подачу добавочной холодной воды в бак рабочей воды или на преодоление гидравлических сопротивлений охладителя выпара или рабочей воды.
Похожие диссертации на Исследование влияния расхода выпара и способов его утилизации на эффективность термической деаэрации воды
-
