На правах рукописи
МАЛИНИНА ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАСХОДА ВЫПАРА
И СПОСОБОВ ЕГО УТИЛИЗАЦИИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕАЭРАЦИИ ВОДЫ
Специальность 05.14.14
«Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Иваново 2004
Работа выполнена в научно – исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» Ульяновского государственного технического университета
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Шарапов Владимир Иванович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Елин Николай Николаевич кандидат технических наук, доцент Виноградов Владимир Николаевич
Ведущая организация: Всероссийский Теплотехнический научно-исследовательский институт
Защита состоится « 10 » декабря 2004 г. в 11 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.064.01 при Ивановском государственном энергетическом университете по адресу: г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, корпус Б, ауд. № 237.
Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, д. 34, Ученый Совет ИГЭУ.
Тел. (0932) 38-57-12, факс (0932) 38-57-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ.
Автореферат разослан: « 2 » ноября 2004 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212. 064. доктор технических наук, профессор Мошкарин А. В.
Общая характеристика работы
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 массообменной 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 коррозионноактивных 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:
1. 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.
2. В результате экспериментального исследования промышленного термического деаэратора доказана возможность существенного приближения реального расхода выпара к теоретически необходимому расходу.
3. Разработан графоаналитический метод подбора и анализа эффективности газоотводящих аппаратов вакуумных деаэрационных установок, основанный на совмещении характеристик газоотводящих аппаратов и вакуумных деаэраторов.
4. 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.
1. Выявлены значительные резервы повышения массообменной и энергетической эффективности термических деаэраторов.
2. Разработаны технологии эффективного отвода, снижения количества и утилизации теплоты и массы отводимой парогазовой смеси.
Практическая реализация результатов работы.
1. На Ульяновской ТЭЦ-3 внедрены рекомендации по снижению расхода выпара термических деаэраторов.
2. На Самарской ГРЭС приняты к использованию рекомендации по снижению потерь теплоты и массы выпара термических деаэраторов питательной воды.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты теоретической оценки величины минимально возможного количества выпара при различных рабочих параметрах термических деаэраторов и различных схемах движения в них теплоносителей.
2. Результаты экспериментального исследования промышленного деаэратора, доказывающие возможность работы термических деаэраторов с удельным расходом выпара, близким к теоретически необходимому.
3. Графоаналитический метод подбора и анализа эффективности газоотводящих аппаратов вакуумных деаэрационных установок.
4. 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.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, дана общая характеристика работы, показаны научная ценность и практическая значимость полученных результатов.
Первая глава посвящена анализу литературных данных о свойствах водных растворов коррозионно-активных газов, массообмене в двухфазной среде при термической деаэрации, влиянии отводимого из деаэратора выпара на массообмен в термических деаэраторах. Рассмотрены существующие технологии удаления растворенных коррозионно-активных газов, основные конструкции оборудования для отвода выпара деаэраторов различных типов, поставлены задачи исследования.
Качество и надежность удаления растворенных в воде коррозионноактивных газов при термической деаэрации, ее массообменная и энергетическая эффективность в значительной мере определяются эффективностью отвода выпара из деаэратора. Регламентированные стандартом значения максимального технологически необходимого расхода выпара составляют 1,5 кг/т для деаэраторов повышенного давления, 2,0 кг/т для атмосферных и 5,0 кг/т для вакуумных деаэраторов.
Отмечено, что данные в ГОСТ значения не имеют достаточного экспериментального или какого-либо теоретического обоснования. Наблюдения, сделанные на ряде электростанций, показывают, что действительный расход выпара, как правило, в несколько раз превышает нормативный. Замер расхода выпара не производится при эксплуатации станций, а запорный орган на трубопроводе выпара обычно поддерживается в полностью открытом состоянии, то есть расход выпара соответствует пропускной способности трубопровода. Потери теплоты и конденсата выпара при этом весьма значительны.
Результаты обследования также показали, что на многих электростанциях теплота и масса выпара не утилизируются. Обычно это объясняется низкой надежностью устройств для отвода и утилизации выпара из-за коррозионных повреждений их поверхностей нагрева. В этих условиях повышенный расход выпара приводит к ощутимому понижению экономичности электростанций.
Следовательно, актуальнейшей задачей является определение величины технологически требуемого количества выпара термических деаэраторов, разработка решений, направленных на снижение расхода выпара до технологически требуемого минимума и полную утилизацию теплоты и массы отводимой паровоздушной смеси.
Во второй главе выполнена оценка величины минимально возможного (теоретически необходимого) количества выпара термических деаэраторов и изложены результаты экспериментального исследования промышленного термического деаэратора, проведенного автором в 2003-2004 гг. на Ульяновской ТЭЦ-3.
В основу методики определения теоретического удельного расхода выпара d вып, кг/т, необходимого для удаления из воды растворенного кислорода, положено решение балансовых уравнений процессов массообмена и теплообмена при термической деаэрации с учетом конденсации части десорбирующего агента и при условии, что на выходе из деаэратора достигается равновесие между жидкой и парогазовой фазами.
При прямоточной схеме движения теплоносителей в деаэраторе при противоточной схеме движения воды и пара в аппарате где Х и.в, Х д.в – концентрации кислорода в воде на входе в деаэратор и на выходе из него, мкг/дм3; iп, iи.в, iд.в – энтальпии соответственно греющего пара, исходной и деаэрированной воды, кДж/кг; К Г – коэффициент Генри (константа фазового равновесия), Па; p – давление в деаэраторе, Па.
Результаты расчетов по уравнениям (1) и (2) представлены на рис. 1.
Аналогичным образом выполнена оценка величины удельного расхода выпара по содержанию диоксида углерода в деаэрированной воде.
Из графика видно, что значения d вып для противоточной схемы движения теплоносителей в деаэраторе существенно, практически на два порядка, меньше, чем для прямоточной схемы. При росте начальных концентраций кислорода и диоксида углерода соотношение значений теоретически необходимого удельного расхода выпара при прямоточном и противоточном движении фаз увеличивается.
Рис. 1. Зависимости давления насыщенного пара, коэффициента Генри для кислорода и удельного расхода выпара при противоточном и прямоточном движениях воды и пара от температуры насыщения в деаэраторе Интересно, что при противоточном движении теплоносителей в деаэраторе теоретически необходимый удельный расход выпара оказывается на одиндва порядка ниже регламентированного стандартом значения, а при прямоточном движении – значительно выше регламентированного стандартом значения.
Столь существенное различие значений реального и теоретического расходов выпара говорит о настоятельной необходимости его снижения.
На Ульяновской ТЭЦ-3 проведено экспериментальное исследование термического деаэратора, одной из основных задач которого было определение технологически необходимого расхода выпара деаэратора и сравнение этого расхода с минимальным теоретическим удельным расходом. Решение этой задачи необходимо для оценки возможности приближения реального расхода выпара к теоретически определенной величине и степени обоснованности требований стандарта.
Теоретически необходимый расход выпара Dвып, т/ч, для конкретного опыта определяется по уравнению Gх.о.в [ X х.о.в (iп iдр.п ) X др.п (iп iх.о.в )] + Gд.в [ X др.п (iп iд.в ) X д.в (iп iдр.п )] теор Dвып = где G х.о.в, Gд.в – количества исходной химически очищенной воды, подаваемой в деаэратор, и деаэрированной воды на выходе из деаэратора, т/ч; Х х.о.в, Х др.п – концентрации кислорода в химочищеннной воде на входе в деаэратор и других потоках (дренажах), отправляемых на деаэрацию, мкг/дм3; Х общ – общая средневзвешенная концентрация кислорода всех потоков, подводимых в деаэратор, мкг/дм3; Х д.в – концентрация кислорода в деаэрированной воде на выходе из деаэратора, мкг/дм3; К Г – коэффициент Генри, Па; р – общее давление смеси, Па;. i х.о.в, iдр.п, iд.в – энтальпии соответственно химически очищенной воды, других потоков, направляемых на деаэрацию, и деаэрированной воды, кДж/кг; iп, iвып – энтальпии греющего пара и выпара деаэратора, кДж/кг.
Удельный расход выпара d вып, кг/т, (рис. 2) составит где Gдр.п – количество других потоков, отправляемых на деаэрацию, т/ч.
В ходе эксперимента доказана возможность существенного снижения удельного расхода выпара по сравнению с нормативным (рис. 3, 4).
На рис. 3 представлена динамика изменения регулирующего фактора d вып, а на рис. 4 приведена зависимость остаточной концентрации кислорода в деаэрированной воде СО, мкг/дм3, от времени при изменении расхода выпара и температуры исходной воды, построенная путем аппроксимации экспериментальных данных. Средняя дисперсия данных составляет 2,2 при уровне надежности 0,95.
Графики 2, 3 и 4 взаимосвязаны и позволяют определить количество выпара, необходимое и достаточное для достижения нормативного качества деаэрированной воды. Каждый скачок на графике 3 соответствует однократному изменению входной величины.
В результате экспериментального исследования работы деаэратора атмосферного давления методом активного эксперимента удалось доказать необходимость и возможность снижения нормативного удельного расхода выпара. Установлена возможность обеспечения нормативного качества деэрированной воды при расходе выпара 0,07-0,12 кг/т, т.е. при существенном приближении к величине теоретического удельного расхода выпара и примерно в 20-25 раз ниже нормативного. Доказано, что нормативной эффективности деаэрации воды в атмосферных деаэраторах удается достигнуть при температуре исходной воды 30-45 °С и при средней величине нагрева деаэрируемых потоков 40-60 °С.
1 участок – снижение расхода выпара с 4,81 кг/т до 0,03 кг/т при поэтапном закрытии задвижки (температура исходной воды 50 °С); 2 участок – увеличение расхода выпара;
3 участок – увеличение температуры исходной воды до 85 °С; 4 участок – понижение температуры исходной воды до 35 °С; 5 участок – снижение расхода выпара (температура исходной воды 35 °С); 6 участок – увеличение расхода выпара Разработанные по результатам эксперимента рекомендации по режимам термической деаэрации с пониженным удельным расходом выпара были немедленно внедрены на Ульяновской ТЭЦ-3, что позволило существенно повысить экономичность установки за счет снижения потерь теплоты с отводимым выпаром и снижения затрат энергии на перекачку конденсата охладителя выпара.
В главе также рассмотрен ряд технологий регулирования и снижения расхода выпара деаэраторов до технологически требуемого минимума, позволяющих значительно уменьшить энергетические затраты на процесс деаэрации, например, пропорциональное регулирование расхода выпара по расходу деаэрированной воды (рис. 5).
и выпара; 6 – регулятор расхода выпара; 7 – регулирующий орган на трубопроводе выпара; 8 – датчик расхода обрабатываемой воды Регулирование расхода выпара производится регулятором расхода, связанным с установленным на трубопроводе выпара регулирующим органом и соединенным с датчиком расхода деаэрированной воды.
Третья глава посвящена разработке решений, обеспечивающих полную утилизацию теплоты и массы выпара деаэраторов избыточного давления.
Для конденсации пара из отводимой паровоздушной смеси и утилизации тепла и конденсата этого пара используются охладители выпара. Однако нередко выпар просто выбрасывается в атмосферу, а существующие методы использования выпара имеют большие резервы для их совершенствования.
На отечественных электростанциях преимущественное распространение получили охладители выпара поверхностного типа, эксплуатация которых сопровождается рядом трудностей вследствие коррозии трубок охладителя, вызываемой коррозионно-агрессивными газами, содержащимися в значительных количествах в удаляемой паровоздушной смеси.
Несмотря на то, что охладитель выпара, согласно нормативным материалам, является обязательным элементом деаэрационной установки, вопрос о расположении охладителя относительно колонки деаэратора никогда не ставился. Тем не менее, о том, что выбор высоты расположения охладителя выпара над деаэрационной колонкой не является очевидным, свидетельствуют многочисленные примеры. Практически на всех тепловых электростанциях охладитель выпара установлен на отметке обслуживания деаэратора. В результате этого возврат теплоносителя после охладителя в деаэрационную колонку невозможен. Конденсат выпара после охладителя поверхностного типа, или смесь конденсата выпара и охлаждающей воды после охладителя смешивающего типа, отводятся в дренажные баки. Это приводит к ощутимым потерям теплоты и массы конденсата выпара.
Повысить экономичность процесса термической деаэрации можно с помощью представленных на рис. 6 схем, которые предусматривают установку охладителей выпара над деаэрационными колонками на высоте, при которой обеспечивается надежный и полный возврат охлажденного исходной водой выпара в колонку деаэратора и предотвращается унос ценного теплоносителя по трубопроводу отвода неконденсирующихся газов в атмосферу.
Рис. 6. Включение охладителей выпара в деаэрационную установку: 1 – термический деаэратор атмосферного давления; 2 – трубопровод исходной воды; 3 – охладитель выпара (а – смешивающего типа, б – поверхностного типа); 4 – трубопровод отвода выпара; 5 – трубопровод отвода неконденсирующихся газов Высоту расположения охладителя выпара h, м, над деаэрационной колонкой избыточного давления можно определить по формуле где рд, рохл – рабочее давление соответственно в деаэраторе и паровом пространстве охладителя, Па; – плотность конденсата выпара (или смеси конденсата выпара и охлаждающей воды) при давлении в охладителе, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.
В диссертации разработаны способы полной утилизации теплоты и массы выпара деаэраторов избыточного давления с применением охладителей выпара смешивающего типа (например, рис. 6а). По другому решению смесь после охладителя непосредственно подается на деаэрацию в верхнюю часть деаэрационной колонки, а неконденсирующиеся газы удаляются из охладителя в атмосферу, что позволяет обеспечить утилизацию как теплоты, так и массы выпара.
При двухступенчатой схеме дегазации воды тепловых электростанций целесообразно выпар деаэраторов повышенного давления использовать в деаэраторах атмосферного давления. В случае подготовки добавочной питательной воды в вакуумном деаэраторе возможно использование выпара деаэраторов повышенного или атмосферного давления в качестве греющего пара вакуумных деаэраторов, или применение схемы деаэрационной установки (рис. 7), по которой выпар деаэратора повышенного давления используется в качестве рабочего пара пароструйного эжектора вакуумного деаэратора.
«