способ термической деаэрации воды в деаэраторе котельной установки и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ термической деаэрации воды в деаэраторе котельной установки, содержащий операции подвода исходной воды и пара к деаэратору, соответственно к его деаэрационной колонке и барботажному устройству, барботирования подаваемым паром посредством барботажного устройства слоя воды секции с переменным уровнем воды, пропускания образовавшейся паровоздушной смеси над поверхностью раздела сред в режиме противотока с водой вначале в секции с переменным уровнем воды, затем в секции с постоянным уровнем воды, а также пропускания паровоздушной смеси в деаэрационной колонке с последующим отводом выпара и деаэрированной воды от деаэратора путем отвода деаэрированной воды от секции переменного уровня воды, отличающийся тем, что отвод выпара осуществляют в наружной и внутренней оконечностях упомянутых противоточных секций соответственно постоянного и переменного уровней воды с последующим перемещением его под уровень воды полости гидрозатвора, поддерживают постоянным уровень воды в полости гидрозатвора путем подвода в нее части исходной воды и последующего отвода излишней воды в секцию постоянного уровня воды вблизи ее наружной оконечности, а отвод выпара осуществляют из полости гидрозатвора, причем операцию пропускания упомянутой паровоздушной смеси в деаэрационной колонке осуществляют путем поддержания в ней естественной циркуляции с нисходящим движением паровоздушной смеси и воды во внутренней ее секции и восходящим движением пара, поступающим в сообщенную с ней внешнюю секцию из секции постоянного уровня воды деаэратора.

2. Деаэратор котельной установки, содержащий деаэрационную колонку с крышкой, барботажное устройство, аккумуляторный бак с вертикальной секционной перегородкой, разделяющей друг от друга секции постоянного и переменного уровня воды, которые сообщены между собой верхними полостями, патрубки подвода к деаэратору исходной воды и пара, соответственно к его деаэрационной колонке и барботажному устройству, патрубки отвода выпара и деаэрированной воды из секции переменного уровня, колено гидрозатвора с опускным и подъемным патрубками, отличающийся тем, что деаэратор снабжен дополнительно трубопроводами отвода выпара из секций постоянного и переменного уровней воды, соответственно из их наружной и внутренней оконечностей, входные отверстия которых размещены на 20-30 мм выше соответствующего уровня воды, входная оконечность трубопровода отвода выпара переменного уровня закреплена на поплавке, верхние оконечности обоих трубопроводов сообщены с подъемным патрубком колена гидрозатвора, при этом верхняя оконечность трубопровода отвода выпара переменного уровня сообщена с подъемным патрубком посредством гибкого переходного соединения, а нижняя оконечность опускного патрубка колена гидрозатвора размещена в полости гидрозатвора, снабженной патрубками подвода исходной воды, отвода выпара и трубопроводом перелива воды в секцию с постоянным уровнем воды, причем кромка верхней оконечности трубопровода перелива воды расположена на 20-30 мм выше кромки нижней оконечности опускного патрубка колена гидрозатвора, кромка нижней оконечности трубопровода перелива воды размещена под уровнем воды секции постоянного уровня воды аккумуляторного бака вблизи ее наружной оконечности, а деаэрационная колонка снабжена вертикальными стенками в форме прямоугольника в плане с отстоянием их верхних торцов от крышки колонки и возвышением нижних торцов над секцией постоянного уровня воды аккумуляторного бака на 100-200 мм и с образованием таким путем внутренней и внешней секций деаэрационной колонки, внутренняя из которых снабжена пленочным подогревателем-деаэратором воды, а внешняя секция сообщена в нижней части с верхней полостью секции постоянного уровня воды аккумуляторного бака, а в верхней части с полостью внутренней секции с образованием в совокупности контура естественной циркуляции пара и паровоздушной смеси в деаэрационной колонке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для деаэрации воды в котельных установках как с паровыми, так и с водогрейными котлами.

Известен способ термической деаэрации воды, реализованный в вакуумном двухступенчатом барботажном деаэраторе типа ДСВ, содержащий операции подвода исходной воды сверху и перегретой воды снизу к деаэратору с последовательными операциями пропускания нагреваемой и деаэрируемой воды и пара в режиме противотока с последующим отводом выпара и деаэрированной воды от деаэратора (см. Лифшиц О. В. Справочник по водоподготовке котельных установок. Изд. 2-е. М.: Энергия, 1976. с.245-249).

Недостатком известного способа является малое время задержки воды в объеме бака аккумулятора, что не обеспечивает качественную дегазацию исходной воды.

Известен способ термической деаэрации воды в деаэраторе котельной установки, реализованный в двухступенчатом барботажном деаэраторе типа ДСА, являющийся наиболее близким к заявляемому, содержащий операции подвода исходной воды и пара к деаэратору, соответственно к его деаэрационной колонке и барботажному устройству, барботирования подаваемым паром посредством барботажного устройства (секции) слоя воды с переменным уровнем воды, последовательного пропускания образовавшейся паровоздушной смеси над поверхностью раздела сред в режиме противотока с водой вначале в секции с переменным уровнем воды, затем в секции с постоянным уровнем воды и далее деаэрационной колонке с последующим отводом выпара и деаэрированной воды от деаэратора путем отвода выпара от деаэрационной колонки, а деаэрированной воды от секции переменного уровня воды (см. Лифшиц О. В. Справочник по водоподготовке котельных установок. Изд. 2-е. М.: Энергия, 1976. с.240-245).

Известен и двухступенчатый барботажный деаэратор типа ДСА котельной установки для термической деаэрации исходной воды, реализующий способ-прототип, выбранный в качестве прототипа заявляемого устройства, содержащий деаэрационную колонку с крышкой, барботажное устройство (секция), аккумуляторный бак с вертикальной секционной перегородкой, разделяющей друг от друга секции постоянного и переменного уровней воды, которые сообщены между собой верхними полостями, патрубки подвода к деаэратору исходной воды и пара, соответственно к его деаэрационной колонке и барботажному устройству, патрубки отвода деаэрированной воды от секции переменного уровня и выпара, колено гидрозатвора с опускным и подъемным патрубками. В комплект деаэрационной установки нередко вводят дополнительный теплообменник для охлаждения выпара (см. там же, с.240-245).

Недостатками известного способа и устройства являются.

- Недостаточная эффективность процесса деаэрации воды в секции с переменным уровнем, особенно при снижении уровня воды и увеличении высоты парового пространства, поскольку скорость движения потока пара снижается вследствие увеличения поперечного сечения потока, и образовавшаяся парогазовая смесь в паровом пространстве расслаивается в соответствии с плотностями сред. Плотность углекислого газа в 2,5 раза, а плотность кислорода в 1,5 раза больше, чем водяного пара, что способствует образованию застойной зоны коррозионно-активных газов в паровом пространстве этой секции, расположенной в непосредственной близости поверхности раздела сред (Здесь уместно сравнить влияние теплового потока на человека, находящегося в парной бане. Вверху жарко, внизу - прохладно). При этом парциальное давление газов над поверхностью воды увеличивается, что и препятствует заключительной фазе деаэрации воды в секции с переменным уровнем.

- Использование противоточной деаэрационной колонки с нисходящим потоком воды и восходящим потоком образовавшейся газопаровой смеси, содержащей примесь высокоплотных газов, обуславливает необходимость создания высокой скорости смеси при низкой концентрации газов в смеси. В результате, на выходе этой смеси из деаэрационной колонки с выпаром удаляется большое количество пара, что зачастую требует использования дополнительного теплообменника в виде охладителя выпара, а эффективность использования пара для процесса деаэрации снижается.

- Использование колена гидрозатвора с опускным и подъемным патрубками позволяет предотвратить чрезмерное колебание давления во внутренней полости деаэратора. Однако в эксплуатации при нередких случаях возрастания давления пара во внутренней полости деаэратора деаэрируемая вода в секциях с постоянным и переменным уровнем воды оказывается недогретой до температуры насыщения, соответствующей увеличившемуся давлению, и в воде будет происходить неконтролируемая аэрация, что снижает эффективность процесса деаэрации. При нередких случаях снижения давления во внутренней полости деаэратора деаэрируемая вода в секциях с постоянным и переменным уровнем воды окажется в перегретом состоянии, что увеличит эффективность деаэрации в этих секциях, однако, при некотором снижении давления возможен подсос воздуха из внешней среды через патрубок выпара в крышке деаэрационной колонки, открытая оконечность которого в данном известном деаэраторе связана с атмосферой, что в конечном итоге снижает эффективность процесса деаэрации в ней. В результате использование гидрозатвора в известном решении при переменных режимах работы, особенно при колебаниях давления в полости деаэратора, не обеспечивает высокой эффективности процесса деаэрации воды в деаэраторе.

Таким образом, в способе-прототипе и реализующем его устройстве не обеспечивается высокая эффективность деаэрации, что в конечном итоге приводит к росту концентрации коррозионно-активных газов в деаэрированной воде или к чрезмерному расходу теплоносителя в виде пара для обеспечения требуемой по условиям котельной установки концентрации кислорода и углекислого газа в питательной воде.

Задачей предлагаемых способа и устройства для его осуществления является устранение указанных недостатков, а именно получение деаэрированной воды высокого качества с низкой концентрацией коррозионно-активных газов, обеспечивающей повышение надежности работы котельной установки.

Это достигается тем, что в известном способе термической деаэрации воды в деаэраторе котельной установки, содержащем операции подвода исходной воды и пара к деаэратору, соответственно к его деаэрационной колонке и барботажному устройству, барботирования подаваемым паром посредством барботажного устройства слоя воды секции с переменным уровнем воды, а также пропускания образовавшейся паровоздушной смеси над поверхностью раздела сред в режиме противотока с водой вначале в секции с переменным уровнем воды, затем в секции с постоянным уровнем воды, а также пропускания паровоздушной смеси в деаэрационной колонке с последующим отводом выпара и деаэрированной воды от деаэратора путем отвода деаэрированной воды от секции переменного уровня воды, в отличие от него, в заявляемом отвод выпара осуществляют в наружной и внутренней оконечностях упомянутых противоточных секций соответственно постоянного и переменного уровней воды с последующим перемещением его под уровень воды полости гидрозатвора. Поддерживают постоянным уровень воды в полости гидрозатвора путем подвода в нее части исходной воды и последующего отвода излишней воды в секцию постоянного уровня воды вблизи ее наружной оконечности, а отвод выпара осуществляют из полости гидрозатвора. При этом операцию пропускания упомянутой паровоздушной смеси в деаэрационной колонке осуществляют путем поддержания в ней естественной циркуляции с нисходящим движением паровоздушной смеси и воды во внутренней ее секции и восходящим движением пара, поступающим в сообщенную с ней внешнюю секцию из секции постоянного уровня воды деаэратора.

Поставленная задача достигается также и тем, что в известном деаэраторе котельной установки, содержащем деаэрационную колонку с крышкой, барботажное устройство (секция), аккумуляторный бак с вертикальной секционной перегородкой, разделяющей друг от друга секции постоянного и переменного уровня воды, которые сообщены между собой верхними полостями, патрубки подвода к деаэратору исходной воды и пара, соответственно к его деаэрационной колонке и барботажному устройству, патрубки отвода выпара и деаэрированной воды из секции переменного уровня, колено гидрозатвора с опускным и подъемным патрубками, в отличие от него, заявляемый деаэратор снабжен дополнительно трубопроводами отвода выпара из секций постоянного и переменного уровней воды, соответственно из их наружной и внутренней оконечностей, нижние (входные) отверстия которых размещены на 20-30 мм выше соответствующих уровней воды. При этом входная оконечность трубопровода отвода выпара переменного уровня закреплена на поплавке. Верхние оконечности обоих трубопроводов сообщены с подъемным патрубком колена гидрозатвора. Причем верхняя оконечность трубопровода отвода выпара переменного уровня сообщена с подъемным патрубком посредством гибкого переходного соединения. Нижняя оконечность опускного патрубка колена гидрозатвора размещена в полости гидрозатвора, снабженной патрубками подвода исходной воды, отвода выпара и трубопроводом перелива воды в секцию постоянного уровня воды. При этом кромка верхней оконечности трубопровода перелива воды расположена на 20-30 мм выше кромки нижней оконечности опускного патрубка колена гидрозатвора, а кромка нижней оконечности трубопровода перелива воды размещена под уровнем воды секции постоянного уровня воды аккумуляторного бака вблизи ее наружной оконечности. Причем деаэрационная колонка снабжена вертикальными стенками в форме прямоугольника в плане, с отстоянием их верхних торцов от крышки колонки и возвышением нижних торцов над секцией постоянного уровня воды аккумуляторного бака на 100-200 мм и с образованием таким путем внутренней и внешней секций колонки, внутренняя из которых снабжена пленочным подогревателем-деаэратором воды, а внешняя секция сообщена в нижней части с верхней полостью секции постоянного уровня воды аккумуляторного бака, а в верхней части с полостью внутренней секции с образованием в совокупности контура естественной циркуляции пара и паровоздушной смеси в деаэрационной колонке.

Предложенный деаэратор котельной установки, совокупность элементов и совокупность предложенных операций, выполняемых с использованием именно этих элементов, обеспечивают глубокую деаэрацию воды от коррозионно-активных газов, что повышает надежность работы котельной установки.

Так, в частности:

1. За счет использования операции отвода газопаровой смеси непосредственно над поверхностью раздела сред в оконечностях противоточных секций деаэратора с постоянным и переменным уровнями воды посредством двух трубопроводов, связанных с подъемным патрубком колена гидрозатвора, обеспечивается отвод газов с высокой плотностью, что снижает концентрацию коррозионно-активных газов над поверхностью раздела сред и тем самым увеличивается степень деаэрации воды.

2. Отвод газопаровой смеси через гидрозатвор, опускной патрубок которого размещен под уровнем воды полости гидрозатвора, позволяет, во-первых, сконденсировать пар из выпара смеси, во-вторых, несколько подогреть часть исходной воды, подводимую в полость гидрозатвора для поддержания постоянного уровня, и, в-третьих, исключить возможность повышения давления в баке аккумулятора с сопутствующим недогревом воды до температуры насыщения и снижением эффективности деаэрации.

3. Отвод воды из полости гидрозатвора посредством переливного патрубка, размещенного в пространстве бака аккумулятора, в секцию бака с постоянным уровнем воды позволяет обеспечить дальнейший подогрев этой воды до состояния, соответствующего ее деаэрации в секциях бака с постоянным и переменным уровнями воды.

4. Организация движения пара и паровоздушной смеси в совокупности с водой во внутренней секции деаэрационной колонки с нисходящим движением паровоздушной смеси и восходящим движением пара во внешней секции колонки путем снабжения колонки вертикальными стенками, позволяет создать контур естественной циркуляции, обеспечивающий полное использование пара для нагрева и деаэрации воды, что в конечном итоге повышает эффективность работы деаэрационной колонки и обеспечивает более глубокую деаэрацию исходной воды.

Таким образом, обеспечивается достижение поставленной задачи - повышение эффективности деаэрации воды со снижением концентрации коррозионно-активных газов, что увеличивает надежность работы котельной установки.

Предлагаемый способ поясняется фиг.1 и фиг.2, где представлены схемы устройства предлагаемого деаэратора котельной установки. На фиг.1 представлен общий вид устройства, а на фиг.2 - элемент пленочного нагревателя-деаэратора деаэрационной колонки.

Устройство содержит аккумуляторный бак 1 с вертикальной секционной перегородкой 2, разделяющей секцию 3 постоянного уровня воды 4 от секции 5 переменного уровня воды 6, которые сообщены между собой верхними полостями. В верхней части бака 1 вблизи его торца расположена деаэрационная колонка 7 с крышкой 8, снабженная вертикальными стенками 9 в форме прямоугольника в плане, торцы которых отстоят на 100-200 мм соответственно от уровня воды 4 секции 3 и от крышки 8, разделяющими таким образом внутреннее пространство колонки на внутреннюю секцию 10 и внешнюю секцию 11. Внутренняя секция 10 снабжена пленочным нагревателем-деаэратором 12, который содержит патрубок 13 подвода исходной воды с установленными на нем раздающими параллельными патрубками 14, оборудованными пленкообразующим устройством 15. Элемент одного патрубка 14 с пленкообразующим устройством 15 представлен на фиг.2. Патрубок 14 по нижней образующей снабжен отверстиями 16, снаружи по верхней образующей обтянут протяженной вниз эластичной проницаемой (пористой) оболочкой 17 (например, из стеклоткани), которая содержит полость 18 с жесткой подстилающей внутренней поверхностью 19.

С противоположного торца бака 1 в верхней его части расположен корпус гидрозатвора 20 с постоянным уровнем воды 21. Гидрозатвор снабжен патрубком 22 подвода части исходной воды, патрубком 23 отвода выпара, переливным трубопроводом 24, проложенным до наружной оконечности секции 3 через секцию 5 ниже их уровня воды, и коленом 25 гидрозатвора с подъемным 26 и опускным 27 патрубками. В нижней части подъемный патрубок 26 сообщен с трубопроводом 28 отвода выпара, который сообщен в нижней части с пространством под секцией 11 и на 20-30 мм выше уровня воды 4 секции 3 постоянного уровня. Патрубок 26 сообщен в нижней части также с другим трубопроводом 29 отвода выпара посредством гибкого соединения 30. Трубопровод отвода выпара 29 в нижней оконечности укреплен на поплавке 31 с отстоянием ее от поверхности уровня 6 секции 5 переменного уровня на высоте 20-30 мм и с отстоянием вблизи стенки 2. В нижней части бак 1 снабжен барботажным устройством 32 (барботажная секция), оборудованным патрубком 33 подвода пара, и патрубком 34 отвода деаэрированной воды.

Способ при использовании устройства осуществляют следующим образом. Исходную воду подают по патрубку 13, на параллельно установленные раздающие патрубки 14 пленочного нагревателя-деаэратора 12. Из патрубков 14 (см. фиг.2) воду отводят в виде струй по сливным отверстиям 16 в полость 18 эластичной оболочки 17 с жесткой подстилающей поверхностью 19. Из ее внутренней полости 18 воду отводят через поры (не показаны) эластичной оболочки 17 на ее внешнюю поверхность, по которой вода в виде пленки под действием силы тяжести стекает на поверхность раздела сред 4 секции 3 (см. фиг.1, где движение воды показано темными стрелками, движение парогазового потока показано светлыми штриховыми стрелками, движение потока пара показано светлыми сплошными стрелками). При нисходящем движении воды во внутренней секции 10 деаэрационной колонки 7, ее нагревают поступающим из секции 3 в ее верхнюю часть (через внешнюю секцию 11) паровым потоком, и при этом отводят выделяющиеся из воды газы в пространство 10 между пленкообразующими устройствами 15, а парогазовая смесь в виде нисходящего потока отводится в пространство над постоянным уровнем воды 4 секции 3. Здесь в большом объеме парогазового пространства 10 отделяют пар от газов за счет разности плотностей пара и газов. Тяжелые газы, занимающие пространство в непосредственной близости от поверхности раздела сред 4 секции 3, отводят по трубопроводу 28, а легкий пар, занимающий верхнюю полость секции 3, возвращают во внешнюю секцию 11 деаэрационной колонки 7 для повторного использования в качестве греющей среды во внутренней полости 10. Разделение потоков с различной плотностью сред в виде воды, парогазовой смеси и пара в деаэрационной колонке 7 обеспечивается установкой ее вертикальных перегородок (стенок) 9 в форме прямоугольника в плане. Так создается естественная циркуляция пара и воды с парогазовой смесью в деаэрационной колонке 7. При этом исходную воду нагревают и деаэрируют, а газы с небольшой примесью паров отводят по трубопроводу 28 непосредственно с поверхности раздела сред 4 секции 3 вблизи ее наружной оконечности.

Отвод газов по трубопроводу 28 от наружной оконечности секции 3 осуществляют не только из смеси, нисходящей из деаэрационной колонки 7, но по нему отводят также и газы, выделяющиеся из самого объема воды в секции 3 с постоянным уровнем воды 4. При этом вода и газопаровая смесь движутся в режиме противотока, что создает благоприятные условия для деаэрации воды в этой секции. По мере движения газопаровой смеси с малой скоростью над поверхностью 4 производят разделение сред на газы с высокой плотностью, перемещающиеся непосредственно над поверхностью 4, и на пар с низкой плотностью, удаляемый в верхнюю часть секции 3 с последующим его перемещением в подъемный контур циркуляции полости секции 11. Аналогично осуществляют отвод газов по трубопроводу 29 от поверхности раздела сред 6 секции 5, только его осуществляют от внутренней оконечности секции 5. Поскольку нижняя оконечность трубопровода размещена на поплавке 31, перемещаемым в соответствии с изменением уровня воды 6, то здесь также осуществляют разделение газопаровой смеси на тяжелые газы и легкий пар; который отводится по верхней части секции 5, а затем через секцию 3 в полость 11, а тяжелые газы с некоторой примесью пара отводятся с поверхности 6 в трубопровод 29. Движение нижней оконечности трубопровода 29 совместно с поплавком 31 обеспечивают путем гибкого соединения 30 верхней оконечности трубопровода 29 с нижней оконечностью подъемного патрубка 26 колена 25 гидрозатвора. Дальнейшее движение газов осуществляют по опускному патрубку 27 колена 25 гидрозатвора в полость гидрозатвора 20 под уровень его воды 21. При этом обеспечивают конденсацию в ней примеси пара в газах, а газы, освобожденные от пара, отводят в окружающее пространство через патрубок 23 отвода выпара. Для поддержания постоянного уровня воды 21 в полость гидрозатвора 20 осуществляют подвод части исходной воды (до 5% общего расхода) через патрубок 22 с последующим переливом ее через верхнюю кромку переливного трубопровода 24. Для обеспечения достаточного нагрева этой воды с последующей деаэрацией, выходная оконечность трубопровода 24 сообщена с секцией 3 под уровнем воды 4.

Подвод пара в барботажную секцию 32, расположенную в секции 5 в непосредственной близости от патрубка отвода воды 34 аккумуляторного бака 1, осуществляют по патрубку 33.

При реализации способа термической деаэрации воды в деаэраторе котельной установки возможно изменение уровня воды 6 в секции 5 бака 1 в том случае, когда расход исходной воды на деаэратор и расход воды на подпитку котельной установки не одинаковы. При снижении уровня воды 6 и постоянном расходе пара в барботажную секцию 32 давление во внутренних полостях бака 1 и деаэрационной колонке 7 снизится, а уровень воды в опускном патрубке 27 колена 25 гидрозатвора поднимется. При этом вода в секциях 3 и 5 бака окажется в перегретом состоянии, что вызовет частичное вскипание воды с образованием дополнительного пара над поверхностями раздела сред 4 и 6, который и будет заполнять освобождающееся пространство секции 5. С сопровождающимся увеличением подачи пара в барботажную секцию 32 давление в баке восстановится и продолжится процесс отвода выпара из деаэратора через колено 25 гидрозатвора.

При увеличении уровня воды 6 и постоянном расходе пара в барботажную секцию 32 рост давления во внутренних полостях деаэратора исключается, поскольку излишки пара, подводимого в барботажную секцию 32, будут отводиться через колено 25 и патрубок 23 гидрозатвора в окружающее пространство, что исключает недогрев воды в баке 1 с сопутствующим снижением эффективности процесса деаэрации.

Таким образом, обеспечивается повышение эффективности процесса деаэрации воды в деаэраторе котельной установки, что в конечном итоге увеличивает надежность эксплуатации. При этом также дополнительно оказывается возможным снизить расходы пара, используемого для деаэрации исходной воды, исключить использование теплообменников выпара, уменьшить размеры емкостей аккумуляторного бака и, в итоге, снизить стоимость деаэратора котельной установки.