Статья из журнала "Новости теплоснабжения" №9 (сентябрь); 2006 г. Новое решение старых проблем теплоснабжения и водоподготовки. к.т.н. А.Ф. Недугов, директор, М.А. Куркулов, заместитель директора,   ООО «Прессмаш», г. Миасс Челябинской области. В статье предложен новый способ подачи пара в воду для ее нагревания, апробированный в промышленных  условиях эксплуатации в тепловых  системах различного назначения в течение нескольких лет на диаметрах трубопроводов от 50 мм до 400 мм и максимальной производительностью до 1200 т/ч. Описана схема струйного пароводяного подогревателя воды с камерой предварительного смешения пара и воды и гасителем пульсаций давления, обеспечивающая бесшумный ввод пара в поток воды без образования накипи на поверхностях теплообменника. Приведены примеры примене­ния данного подогревателя.

Введение

В настоящее время для подогрева воды в си­стемах водоподготовки, теплоснабжения и го­рячего водоснабжения (ГВС) широко использу­ются водогрейные котлы, пароводяные кожухо-трубные подогреватели, пластинчатые теплооб­менники. Передача тепла в них осуществляется непрерывно от греющего рабочего тела нагре­ваемому телу, при этом рабочие тела разделяет перегородка, называемая поверхностью нагре­ва. Эффективность использования теплоты гре­ющего рабочего тела в таких аппаратах в значи­тельной степени зависит от качества нагревае­мой воды. Наличие в природной воде раство­ренных минеральных солей кальция и магния приводит к образованию на поверхностях на­грева теплообменника трудноудаляемого твер­дого слоя (накипи). Накипь, имея малую тепло­проводность, ухудшает передачу тепла нагрева­емой воде. Это приводит к значительному уве­личению расхода пара на нагрев, перерасходу топлива, ухудшению гидравлических характери­стик теплообменника. Например, в литературе приводятся данные, что слой накипи толщиной в 3 мм поглощает 25% тепловой энергии, а если на стенках котла или бойлера наросло 13 мм, то теряется уже 70% тепла, при этом отложения толщиной 10 мм нарастают менее чем за год [1]. Для водогрейных котлов отложение солей на по­верхности нагрева со стороны воды повышает температуру стенки водогрейных труб, что сни­жает прочностные свойства материала стенки и, соответственно, ресурс котла.

Очистка внутренних каналов теплообменника от накипи - дорогостоящий и трудоемкий про­цесс. Наиболее остро эта проблема стоит в си­стемах химической очистки воды (подогрев во­ды перед осветлителями, катионитными фильт­рами, декарбонизаторами и т.д.). Актуальность решения этой задачи привела даже к созданию в России и за рубежом целой индустрии по изго-товлению специальных аппаратов для удаления твердых отложений накипи. Указанные недо­статки создают интерес для изучения альтерна­тивных методов борьбы с образованием наки­пи, например, применением новых технологий подогрева воды паром, исключающих образо­вание накипи в теплообменнике.

В настоящее время в системах теплофикации промышленных предприятий и коммунальной сферы все в большей степени находят примене­ние смесительные теплообменники. В смеситель­ных теплообменниках теплота передается в процессе смешения греющего и нагреваемого рабочих тел - это различного рода пароводяные струйные аппараты. В отличие от теплообменни­ков рекуперативного типа, в которых теплообмен между теплоносителем и нагреваемой водой про­исходит через стенку, в пароводяных струйных ап­паратах передача тепла от пара к воде происходит при смешении пара и воды, т.е. при конденсации пара вся его внутренняя энергия передается воде практически без потерь. Рабочим телом в парово­дяных струйных аппаратах (ПСА) является пар, а инжектируемым - вода [2, 3]. В связи с компакт­ностью, при высокой тепловой мощности и отсут­ствии потерь при передаче тепла от пара к воде, такие аппараты в последнее время получают ши­рокое распространение. По сравнению с бойле­рами и пластинчатыми теплообменниками проис­ходящие внутри ПСА кавитационные процессы уменьшают накипеобразование, при этом в них нет поверхностей теплообмена в виде тонкостен­ных трубок и пластин. К факторам, ограничиваю­щим их использование, можно отнести ограни­ченный диапазон диаметров трубопроводов - от 25 до 150 мм, при максимальной производитель­ности по воде до 300 т/ч. В случае большой про­изводительности систем водоподготовки это при­водит к необходимости устанавливать несколько параллельно работающих аппаратов и увеличива­ет затраты на обвязку.

Новое решение

В 1999 г. специалистами 000 «Прессмаш» и Магнитогорского металлургического комбината был разработан струйный пароводяной подо­греватель воды смешивающего типа с камерой предварительного смешения [4], получивший обозначение УМПЭУ, позволяющий обеспечить бесшумный ввод пара в поток воды и его кон­денсацию без вибраций и гидравлических уда­ров с одновременным расширением диапазона диаметров используемых трубопроводных сис­тем до 400 мм и производительностью по нагре­ваемой воде до 1200 т/ч. В отличие от вышеука­занных пароводяных струйных аппаратов, рабо­чим телом в УМПЭУ является нагреваемая вода, а инжектируемым - пар. Другим отличием УМ­ПЭУ от классической гидродинамической схемы струйного аппарата [2] является то, что прием­ная камера в нем выполнена в виде диффузора и образует канал с внезапным расширением, в котором роль входной зоны канала играет вы­ходная часть рабочего водяного сопла. На под­воде пара установлена камера предварительно­го смешения пара и воды, а на выходе из прием­ной камеры - гаситель пульсаций давления.

Принцип работы разработанного струйного подогревателя

УМПЭУ (рис. 1) состоит из конфузора 1, во­дяного сопла 2, приемной камеры 3, камеры предварительного смешения пара с водой 5, ус­тановленной на подводе пара в приемную каме­ру, гасителя пульсаций давления 6, трубопрово­да с задвижкой 7 для перепуска части нагреваемой воды из широкой части конфузора в камеру предварительного смешения.

Работает рассматриваемый струйный паро­водяной подогреватель следующим образом. Нагреваемая вода, поступающая на вход в кон-фузор 1, разгоняется в водяном коническом сопле 2 до скоростей 5-25 м/с, что сопровожда­ется понижением статического давления в при­емной камере. В камере предварительного сме­шения 5 подготавливается двухфазная смесь, получаемая путем диспергирования в форсун­ках 9 и 10 части нагреваемой воды (в объеме до 10%), отбираемой трубопроводом 7. Распыл во­ды производится под разными углами к потоку пара, подводимого по паропроводу 8. Выходя из паропровода, имеющего диаметр меньший диаметра камеры 5, реализуется внезапное расширение пара, сопровождаемое редуциро­ванием пара и понижением его температуры (дроссель-эффект). В процессе взаимодейст­вия пара и воды происходит снижение ее жест­кости с выпадением солей в виде взвешенного шлама. Для лучшего перемешивания пара с во­дой и увеличения времени взаимодействия сред, в камере предварительного смешения предусмотрено формирование интенсивных ви­хревых течений 13, образуемых с помощью ге­нераторов вихря 11 в результате отрыва потока при их обтекании. Подготовленная двухфазная смесь, имеющая вихревую структуру, поступает в зону разрежения, созданную соплом в прием­ной камере 3, и конденсируется на водяной тур­булентной струе, нагревая поток воды за счет внутренней энергии пара. При перетекании

умягченной смеси из камеры смешения 5 в при­емную камеру 3, часть потока двухфазной сме­си, обтекая наружную поверхность сопла 2 и внутреннюю поверхность входной горловины приемной камеры, образует на этих поверхнос­тях водяную пленку умягченной воды, сносимую турбулентным потоком инжектируемой двух­фазной смеси (количество воды, подаваемой в камеру смешения, превышает количество, не­обходимое для охлаждения пара до температу­ры воды). В гасителе пульсаций 6 происходит завершение процесса конденсации и рост дав­ления нагретого потока воды. Пульсации давле­ния нагретого потока, которые может вызвать несконденсировавшаяся часть пара и присте­ночные обратные токи 4, демпфируются в гаси­теле пульсаций 6. Эффект демпфирования до­стигается за счет упругости газов над свобод­ной поверхностью воды в емкости гасителя, от­деленной от основного потока проницаемой стенкой, и созданием возвратных течений 12 за счет положительного градиента давления по длине гасителя пульсаций.

Исследование внутренней структуры течений в УМПЭУ производилось на плоских прозрачных моделях при расходах воды 1 -3 т/ч, а полнораз­мерные испытания его проводились на промы­шленных установках с условным диаметром ма­гистралей от 50 до 400 мм в составе тепловых сетей потребителей при расходах воды от 4 до

1200 т/ч и давлениях воды и пара применитель­но к IV категории трубопроводов в соответствии с [5]. На основании положительных результатов эксплуатации в промышленности и коммуналь­ном хозяйстве более 30 головных образцов раз­ного назначения в течение нескольких лет в раз­личных климатических условиях, Ростехнадзор России выдал разрешение на серийное изго­товление и применение УМПЭУ на опасных про­изводственных объектах для подогрева воды. На рис. 2 представлена фотография УМПЭУ, а на рис. 3 приведена типовая схема включения и по­казано расположение контрольно-измеритель­ных приборов.

В отличие от трансзвуковых струйных аппа­ратов принцип действия УМПЭУ исключает ка-витационные течения внутри его проточных трактов, поэтому в них отсутствует кавитацион-ная эрозия и изготовление таких устройств про­изводится из штампованных деталей трубопро­водов и бесшовных труб с применением угле­родистых и низколегированных сталей, что обеспечивает их высокую надежность и долго­вечность.

Опыт применения новых струйных подогревателей

Испытанные УМПЭУ использовались для на­гревания воды в системах химической очистки воды, деаэрации, отопления, ГВС, вентиляции,

утилизации отработавшего пара, технологиче­ских процессах подогрева перегретой воды на резинотехнических производствах.

Подогрев исходной воды в системе химиче­ской очистки. Возможность работы без накипи делает УМПЭУ незаменимым устройством для подогрева исходной сырой воды, идущей на химводоочистку. Опыт эксплуатации двух УМ­ПЭУ Ду 200 мм в теплосиловом цехе ХВО № 1 Саткинского комбината «Магнезит» с мая 2000 г. показал, что ни разу с начала непрерывной экс­плуатации не потребовалась их остановка для чистки. По результатам работы этих установок позднее были заменены бойлеры в ХВО № 2 на два УМПЭУ Ду 100 мм, а один подогреватель Ду 50 мм был установлен для отопления админист­ративного здания комбината.

Подогрев перегретой воды. Взамен парово­дяных подогревателей в автоклавном производ­стве на резинотехническом заводе РТИ-1 ОАО «Балаковорезинотехника» установлен подогре­ватель УМПЭУ Ду 150 мм, обеспечивающий по­догрев перегретой воды в закрытой системе: температура воды 160-170 °С; давление 1,6 Мпа; расход воды 100-110 т/ч; подогрев во­ды на 1-5 °С. Отклонение температуры воды в контуре составляет ±0,5 °С. Фактический рас­ход пара 160-200 кг/ч. Несмотря на периодиче­ские резкие падения давления перегретой воды в контуре на 0,2-0,4 МПа (период заполнения автоклава) УМПЭУ работает устойчиво. Срок окупаемости составил 4 месяца.

ГВС. Для обеспечения ГВС населения южной части г. Миасс Челябинской области была спро­ектирована и изготовлена установка УМПЭУ Ду 80 мм с двухступенчатым вводом пара в питье­вую воду с целью ее нагревания с 5-10 °С до 65-70 °С. Каждая ступень обеспечивает непрерыв­ный подогрев текущего расхода воды 45-55 т/ч на 30 °С. УМПЭУ была установлена в 2001 г. вза­мен пароводяного теплообменника, стоимость

ремонта которого превышала цену приобрете­ния и монтажа установки. УМПЭУ подключено к паровой гребенке через задвижку Ду 150 мм и обратный клапан. Каждая из ступеней подклю­чена к паропроводу, давление в котором 0,25-0,35 МПа, через вентили Ду 100 мм, служащие для регулирования подачи пара и соответствен­но температуры нагретой воды в каждой ступе­ни. Вода из хозпитьевого водопровода, сме­шанная с обратной водой из городской системы ГВС, подается на вход в УМПЭУ под давлением 0,3-0,4 МПа. Подогретая вода выходит из УМ­ПЭУ в аккумуляторный бак.

Теплоснабжение. УМПЭУ Ду 400 мм была ус­тановлена на ОАО «Балаковорезинотехника» в дополнение к существующей системе отопле­ния бойлерами в ноябре 2004 г. В процессе экс­плуатации УМПЭУ в течение двух отопительных сезонов выяснилось, что при давлении воды 0,62-0,63 МПа, расходе нагреваемой воды 700-725 т/ч, давлении пара 0,6-0,61 МПа, расход па­ра составил 29-32 т/ч, а подогрев воды - 28-30 °С. Это позволило поднимать температуру воды на выходе из установки до 98°С (в обычном режиме 48-85 °С) и обеспечить требуемый ре­жим теплоснабжения предприятия при пониже­нии температуры наружного воздуха до -30 °С, что особенно было актуально холодной зимой 2006 г. Данная установка окупилась за один ото­пительный сезон. Экономический эффект от

внедрения составляет 2,5-3,0 млн. руб. в год в зависимости от среднезимней температуры на­ружного воздуха. Причем, чем ниже температу­ра, тем выше экономический эффект. Несмотря на то, что система отопления завода является закрытой, существуют потери и несанкциониро­ванный водоразбор в количестве 8-12 т/ч. Сов­местная работа УМПЭУ и бойлеров позволила свести к минимуму потери конденсата и под­держивать качество воды в системе отопления в пределах нормы.

В ЗАО «Нефтехимия» г. Новокуйбышевск УМ­ПЭУ Ду 400 мм была установлена в октябре 2003 г. для нужд теплоснабжения. Предвари­тельно были проведены расчеты, которые пока­зали хорошие результаты автономного тепло­снабжения по сравнению с теплоснабжением от ТЭЦ (расчетная экономия 2,2 млн руб. за отопи­тельный сезон), при этом дополнительно ис­ключаются потери тепла при транспортировке. В процессе эксплуатации выявлено, что расход нагреваемой воды составляет 1000-1200 т/ч, температура сетевой воды (от 45 до 95 °С) зада­ется в зависимости от температуры окружаю­щей среды и регулируется подачей пара. Подо­грев воды составлял 5-11 °С, что соответствует теплопотреблению отопительной системы за­вода, при этом еще оставался двукратный запас. Давление сетевой воды изменялось от 0,4 до 0,9 МПа (по проекту 0,6-0,7 МПа) и, несмотря на отклонения от регламента, работа УМПЭУ была устойчивой. Несмотря на то, что система завода является закрытой, существует неле­гальный водоразбор. При малых тепловых на­грузках дисбаланс устраняется подпиткой хи-мочищенной водой, а при средних и выше появ­ляется избыток, который направляется в техно­логический цех для приготовления питательной воды для котлов-утилизаторов.

Утилизация низкопотенциального пара. В ря­де технологических процессов имеются сопутст­вующие источники пара переменных парамет­ров, например системы испарительного охлаж­дения мартеновских печей, отработавший пар силовых установок и т.д. В энергетическом пла­не эти источники обладают значительными запа­сами тепловой энергии, которую целесообразно использовать для нужд теплоснабжения или просто утилизировать пар для улучшения эколо­гической обстановки. Характерным примером к сказанному является утилизация конвертерного пара на Нижнетагильском металлургическом комбинате. В связи с цикличностью конвертер­ной плавки и низким давлением пара, вырабаты­ваемого охладителями конвертерных газов, дав­ление конвертерного пара изменяется в широких пределах (от 0,4 до 0,9 МПа). Пар с такими нестабильными параметрами имеет ограничен­ное применение на комбинате и полностью не используется. В целях безопасности паропрово­дов на них установлены свечи, через которые осуществлялся сброс излишнего пара в атмо­сферу, при этом комбинат нес прямые потери тепла и котловой воды. Традиционные схемы ис­пользования нестабильного конвертерного пара (строительство пароперегревательных, бойлер­ных, воздушных охладителей пара) требуют от­носительно крупных капитальных и эксплуатаци­онных затрат, а также соответствующих площа­дей для строительства. Было предложено при­менить струйные подогреватели воды УМПЭУ для конденсации сбрасываемого конвертерного пара для целей нагревания воды и подпитки в системе теплоснабжения комбината и города. По параметрам паропровода и теплофикации выбрано УМПЭУ с условным диаметром 300 мм на расход нагреваемой воды 320-740 т/ч, давле­ние воды 0,45-0,6 МПа, рабочее давление пара 0,4-0,7 МПа, расход конвертерного пара 30 т/ч, интервал подогрева воды 30 °С. УМПЭУ был смонтирован на трубопроводах, проложенных снаружи, вдоль стены котельной, согласно типо­вой схемы подключения УМПЭУ к теплосети. УМПЭУ был запущен в работу в 2000 г. силами ОГЭ комбината и «Центром энергосбережения» города Нижний Тагил, при этом контрольно-из­мерительными приборами были зафиксированы следующие параметры при работе УМПЭУ с рас­ходом воды 330 т/ч. При температуре воды на входе 118-119 °С, давлении воды 0,44-0,45 МПа, давлении конвертерного пара 0,5-0,6 МПа, температура воды на выходе состави­ла 130-131 °С, расход пара- 8-10т/ч. При рабо­те УМПЭУ гидроударов, вибраций и шума не наблюдалось. При работе подогревателя по температурному графику 115/80 °С годовое ко­личество сэкономленного тепла составляет 93416 Гкал, годовая экономическая эффектив­ность составляет 6 рублей на каждый рубль, за­траченный на внедрение УМПЭУ.

Наибольший эффект от применения УМПЭУ может быть получен при реализации его двой­ного назначения: например подогрев речной воды перед осветлителем отработавшим паром (ОАО «ПОЛИЭФ» г. Благовещенск, республика Башкортостан). Срок окупаемости УМПЭУ Ду 300 мм составил 4 месяца. Другим примером может служить отопление производственного цеха по производству лапши быстрого приго­товления утилизируемым отработавшим паром (г. Хабаровск).

В ряде случаев экономически оправданным оказалось применение УМПЭУ на предприяти­ях, получающих горячую воду и пар от ТЭЦ, ког­да цена горячей воды была выше цены пара.

Оптимальный подогрев воды одним УМПЭУ, обеспечивающий его бесшумную работу, со­ставлял в среднем 30 °С (коэффициент инжекции около 0,06). Для подогрева воды на интер­вал более 30 °С использовалась двухступенча­тая схема ввода пара с последовательной уста­новкой УМПЭУ в линию или калачом (подогрев достигал 60-65 °С).

Особенности включения УМПЭУ, обеспечи­вающие его безопасную эксплуатацию, состоят в следующем. Для поддержания указанных па­раметров в заданных пределах УМПЭУ должен оснащаться системой автоматики. Для регули­рования тепловой мощности изменяют расход пара, например регулирующим клапаном. На подводе пара должен быть установлен обрат­ный клапан. Для отсечки пара при прекращении подачи воды (авария теплосети, отключение на­соса или электроснабжения и т.п.) на подводе также устанавливают быстродействующий от­сечной клапан со временем срабатывания 1 -3 с. На выходе УМПЭУ создают прямолинейный уча­сток трубы, длина которого определяется на ос­новании известных закономерностей для турбу­лентной затопленной струи [6] и обычно состав­ляет несколько десятков калибров. Для закры­той системы теплоснабжения предусматривают также систему поддержания постоянного дав­ления воды на входе в УМПЭУ.

Применение УМПЭУ позволяет:

·     заменять существующие теплообменники и повысить надежность работы тепловых систем;

·     экономить пар (топливо) за счет максимально­го коэффициента теплопередачи от пара к воде; исключать образование накипи при нагрева­нии неочищенной воды;

·     исключить шум и пульсации давления при смешении пара с водой;

·     снизить вредные выбросы в атмосферу;

·     расширить диапазон применения струйных подогревателей воды в тепловых сетях и систе­мах водоподготовки до диаметров 400 мм.

Литература

1. Банников В. В. Проблемы накипи и энергосбережение // Энергосбережение. 2005. № 2. С. 34-36.

2.  Соколов Е.Я., Зингер ИМ. Струйные аппараты. - 2-е изд. - М.: Энергия, 1970. - 280 с.

3. Цегельский В. Г. Двухфазные струйные аппараты. - М.: Изд-во МГТУим. Н.Э. Баумана, 2003. - 408 с.

4. Куркулов М.А., Недугов А.Ф., Никифоров Г.В., Седельни­ков СВ., Шевченко Г.В. Способ непрерывной подачи па­ра в водяную магистраль и устройство для его осуще­ствления: Патент № 2198323 РФ; Б. И. № 02, февраль 2003 г.

5. Правила устройства и безопасной эксплуатации трубо­проводов пара и горячей воды ПБ 10-573-03. - М.: ФГУП «НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России». Выпуск 28. 2004. -125 с.

6. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. - М.: Физ-матгиз, 1960. -715 с.