Сравнение технических решений вихревых деаэраторов

Деаэрация - удаление кислорода и агрессивных газов из воды, применяемой в котельных, ТЭЦ, системах теплоснабжения. Кислород и углекислота являются главной причиной коррозии, поэтому деаэрация является критически важным мероприятием для продления срока службы трубопроводов и оборудования. Срок службы оборудования и трубопроводов сокращается в разы, если даже, не в десятки раз, при использовании недеаэрированной воды, и в принципе не допустим, чем при использовании воды, прошедшей качественную водоподготовку и деаэрацию. Затраты на деаэрационную установку несоизмеримо меньше, чем на замену трубопровода.

В настоящее время в теплоэнергетике наиболее широко применяется в основном термическая деаэрация, когда вода нагревается до температуры кипения, при которой пузырьки растворенного кислорода и других газов уносятся вскипевшим паром. Для термической деаэрации, независимо от типа деаэратора, необходимо выполнение следующих условий:

  • обеспечение температуры и давления, при которых вода будет вскипать:

    • при температурах выше 100 °С, если давление атмосферное, на практике чуть выше (0,2 бар.изб);
    • при температурах меньше 100 °С, если давление ниже атмосферного, т.е. разрежение (вакуум).
  • удаление выделяющегося кислорода и других газов - производится за счет увеличения поверхности соприкосновения фаз, а также интенсификацией процессов массообмена

В СССР, а сейчас и в Российской Федерации, наиболее широко применяются деаэрационные установки атмосферного (ДА) и вакуумного (ДВ) типа.

В обоих типах деаэраторов тепломассообмен происходит при пленочном и струйном стекании воды по тарелкам в деаэрационной головке, и дополнительном барботировании воды паром, в конденсатном (деаэрационном) баке, т.е. качество деаэрации достигается за счет увеличения контактных поверхностей. Сегодня на смену деаэраторов предыдущего поколения приходят новые центробежно-вихревые деаэраторы Forcel производства ЗАО «Гидролекс», в которых используется принцип вихревой центробежной интенсификации массообмена. Вода подается в деаэратор, приобретая сильное вращательное движение. При этом действие центробежных сил на периферии выше, чем в середине вихря, вследствие чего там образуется область пониженного давления, а Архимедова сила выталкивает туда из жидкости пузырьки выделяющегося газа. Все вышеперечисленные деаэраторы являются термическими, поэтому для их нормальной работы требуется нагрев воды до температуры кипения. Для атмосферных деаэраторов это 102°С, для вакуумных - от 40 до 95°С. Чем глубже вакуум, тем ниже температура кипения. Обычно вакуумные деаэраторы работают при температуре 60-80°С, оптимальной, с точки зрения затрат на поддержание вакуума и температурного режима водогрейных котлов. Атмосферные деаэраторы применяются в системах с паровыми котлами, так как для работы нуждаются в паре для барботирования и нагрева воды.

Струйно-барботажные деаэраторы обладают недостатками, перечисленными ниже.

  • Сложность внутриколонковых устройств, внутренний объем колонки целиком занят сварными конструкциями дырчатых тарелок, перегородок, перетоков.
  • Резкое снижение эффективности при небольших (10-15%) перегрузках сверх номинальной производительности и нагрузках ниже 50%. Происходит значительное перераспределение площади контактной поверхности, что отрицательно сказывается на качестве деаэрации.
  • Низкая эффективность в вакуумном режиме.
  • При отсутствии барботажного пара, что на практике реальной эксплуатации, встречается очень часто, используется только струйная деаэрация, что приводит к 3-х кратному снижению площади поверхности массообмена. Качество деаэрированной воды и производительность деаэратора при этом пропорционально падают.
  • Коррозия. Из-за значительной массы корпуса колонок изготавливаются из обычной стали, что в условиях агрессивной среды приводит к быстрой коррозии корпусов. Охладители выпара разрушаются после 2-3 лет эксплуатации, после чего выпар просто улетучивается в атмосферу. Потери тепла для атмосферных деаэраторов составляют до 5%.
  • Неустойчивая гидравлика. Массивные гидрозатворы устаревшей конструкции плохо справляются с переменными нагрузками производительности деаэраторов.
  • Сложность регулирования. Большое количество трубопроводов и вспомогательных устройств требует соответствующего количества датчиков и регулирующих клапанов. Поэтому системы автоматики получаются сложными и дорогими, нередко превышая стоимость самого деаэратора. Именно из-за громоздкости и сложности управления на многих котельных не применяют деаэраторы, подавая в тепловую сеть недеаэрируемую воду, что сказывается на долговечности трубопроводов. Даже современные автономные котельные не комплектуются деаэраторами. Изготовители котельных уповают на минимальную подпитку теплосети, что далеко не всегда соответствует действительности.
  • Инерционность. Деаэраторы имеют большой объем и требуют значительного времени для изменения режима работы. Другие известные на рынке типы деаэраторов:

Деаэраторы щелевые «Кварк»

В деаэраторе ДЩ нагретая вода подается через тонкую щель на закручивающуюся пластину. При попадании в область пониженного давления вода вскипает, газ удаляется из воды за счет малой толщины пленки и центробежного эффекта. При этом вихрь воды не делает полного оборота, теряя скорость, вода просто стекает вниз. Поскольку деаэрация воды происходит за очень короткое время, даже при незначительном изменении параметров процесса, возможны сбои деаэрации. Уменьшение напора воды ведет к снижению скорости струи, протекающей через щель. Поэтому при слабом напоре вода просто стекает вниз, не образует пленку по всей пластине. Центробежный эффект также уменьшается: струи воды не образуют брызг при течении вдоль закругленного края пластины, и деаэрации вообще не происходит.

Регулировать производительность деаэратора ДЩ можно, главным образом, увеличением количества щелевых устройств (количества деаэраторов), так как регулирование давлением незначительно. Это усложняет конструкцию и удорожает автоматизацию, так как на каждый щелевой аппарат, установленный в корпусе деаэратора, необходимо ставить арматуру и свой блок автоматики с управляющими клапанами.

Вакуумно-атмосферные деаэраторы «Авакс»

Деаэратор «Авакс» использует центробежный эффект закрученного потока воды в горизонтальной трубе. В центре трубы образуется газовая полость, куда вытесняются газы, впоследствии удаляемые в атмосферу через специальный патрубок. «Аваксы», по сравнению с «Кварками», создают полноценный вихрь в деаэрационной головке, что положительно сказывается на качестве деаэрации, но, тем не менее, и они обладают целым рядом конструктивных недостатков.

  • Г-образная горизонтальная деаэрационная труба. При слабом напоре, например, при снижении давления в трубопроводе), центробежных сил не хватает для образования вихря, недеаэрированная вода просто стекает в бак и засасывается в патрубок отсоса выпара, в результате чего аппарат «захлебывается».
  • Массивный эжектор. Интересной особенностью деаэраторов «Авакс» является применение вакуумных эжекторов только одного типоразмера. Такой эжектор несоразмерно велик для малых деаэраторов и в тоже время не справляется с нагрузкой на больших. Так, для деаэратора с расходом 5 м3/час эжектор больше его самого по размерам и имеет циркуляцию рабочей воды 18 м3/час, что явно чрезмерно. С другой стороны, для деаэратора с расходом 50 м3/час такой эжектор не обеспечивает необходимого вакуума, так как его газопроизводительность составляет всего 3 кг/ч вместо требуемых 10 кг/час (в 3 раза меньше). Легко сделать вывод, что на моделях производительностью более 30 м3/час качественную деаэрацию можно производить только при температуре воды 90-95 °С, а на моделях производительностью более 50 м3/час качественную деаэрацию не получить ни при каких условиях.
  • Отсутствие регулировки производительности. Согласно установочной схеме, высота колонки над деаэрационным баком составляет 1 метр. Это означает, что регулировать производительность можно в пределах 10%, то есть деаэратор фактически работает только в двух режимах: вкл/выкл.
  • Отсутствие средств автоматизации. Хотя деаэратор «Авакс» несложно автоматизировать, разработчики до сих пор не имеют ни схем автоматизации, ни рекомендуемых комплектов автоматики. Между тем без комплекта автоматики такой деаэратор работать не будет. Установочной схемой предусмотрен деаэраторный бак всего 1,5 м3, деаэратор не имеет регулировки производительности, поэтому для системы с расходом 40 м3/час потребуется включать/выключать деаэратор каждые 2 мин. Конечно, размер бака можно увеличить, но во избежание гидравлических ударов установка автоматики необходима.
  • Отсутствие охладителя выпара. Весь выпар из деаэратора уходит в атмосферу. Помимо потерь тепла, которые, как и для традиционных деаэраторов, составляют 2-3%, есть еще чисто технический момент: охладитель выпара позволяет значительно уменьшить расход газов через эжектор. Поскольку «Авакс» предлагает только один типоразмер эжектора, то для деаэраторов производительностью более 20 м3/час необходима установка охладителя выпара, так как без него эжектор не справится с нагрузкой. Использование охладителя выпара также позволяет снизить габариты эжектора и мощность привода насоса рабочей воды.

Струйно-вихревые деаэраторы СВД

В деаэраторах СВД используется вихревой эффект в вертикальной трубе. За счет действия центробежных сил пузырьки газа вытесняются в центральную полость, откуда удаляются в атмосферу, а деаэрированная вода стекает вниз. СВД производится также в атмосферном исполнении, в комплекте с паровым струйным подогревателем ПСА. ПСА подогревает воду перед деаэратором и одновременно интенсифицирует процесс выделения кислорода, что снижает его содержание в деаэрированной воде в 2,5 раза. Кроме того, на деаэрацию можно подавать воду температурой от 5 °С.

Отличия деаэраторов типа СВД от вихревых деаэраторов других производителей.

  • Деаэрационная камера СВД, в отличие от деаэраторов «Авакс», расположена вертикально, благодаря чему деаэратор может работать при более низком давлении воды без «захлебывания».
  • По сравнению с деаэраторами фирмы «Кварк», в деаэрационной камере СВД создается полноценный вихрь, при котором вода совершает достаточное количество витков, тем самым находится в зоне деаэрации более продолжительный период времени. Поэтому толщина слоя воды увеличена, тем самым при тех же габаритных размерах аппарат получается производительнее.
  • Эжектор изготавливается индивидуально для каждой модели деаэратора, поэтому он оптимально подходит как по размеру, так и по производительности.

Подведем итоги. Неоспоримыми преимуществами центробежно-вихревых деаэраторов Форсел, являются:

  • длительная история внедрения на предприятиях энергетики;
  • значительный экономический эффект от внедрения;
  • компактные габариты и малая металлоемкость;
  • полная автоматизация;
  • помимо атмосферного типа, поставляется вакуумный тип деаэратора, и повышенного давления;
  • устойчивая работа в широком диапазоне нагрузок от 10% до 120%.
  • деаэрируемая среда: питательная вода для производства пара;
  • эффективно работает даже на «пусковом режиме»;
  • температура деаэрируемой воды перед деаэратором жестко не лимитируется;
  • работа установки осуществляется без гидроударов;
  • почти полностью отсутствует коррозия деаэрационного бака;
  • значительная единичная производительность установки;
  • не имеет в своей конструкции быстро изнашиваемых деталей.