Деаэрация

Деаэрация воды в системах топления, тепловых и атомных электростанциях (ТЭС и АЭС) – это процесс, в ходе которого происходит удаление кислорода из жидкости, а также иных растворённых газов, например, азота и углекислого газа. Данная обработка также называется дегазацией.

Важно! При деаэрации газы могут удаляться не только из воды, но и из жидких топлив, например, бензина.

Для чего нужна такая очистка? Её назначение – защита важных металлических элементов оборудования, например, трубопроводов, резервуаров, насосов, генераторов пара. При контактах с атмосферой в воду проникают различные летучие вещества и соединения, содержащиеся в воздухе, – кислород, азот, диоксид углерода. Такие примеси оказывают агрессивное воздействие на металлические элементы оборудования – провоцируют коррозию стали. Это влияние значительно уменьшает сроки службы трубопроводов, насосов и резервуаров, сокращают производительность устройств, вызывает поломки главных узлов и даже полностью выводит системы из строя.

Газы в жидкости находятся в трёх видах. Первый – растворённые газовые молекулы. Второй вид – маленькие пузырьки газов. Это те же молекулы, только скопившиеся, сконцентрировавшиеся около гидрофобных элементов. Третий тип – частицы газов, которые сформировались в процессе химических реакций, протекающих при контактах и взаимодействии некоторых примесей.

Для очистки жидкости от растворённых газов на молекулярном, высшем уровне используются два физических способа. Нагрев ускоряет процессы распада. А увеличение давления позволяет вытеснять, выводить из состава самые лёгкие соединения, коими и являются растворённые газы. Эти процессы могут протекать эффективно только под постоянным контролем, со строгим соблюдением режима и точным поддержанием необходимых параметров.

Обязательно проводится деаэрация воды в обслуживающих теплосети паровых котельных, на некоторых предприятиях энергетической или другой промышленности, на АЭС и ТЭС – атомных и тепловых электростанциях.

Какие жидкости подвергаются деаэрации?

• Питательная вода. Именно она является исходным материалом и специальным насосом подаётся в паровые котлы для дальнейшего получения пара. Деаэрация питательной воды – неотъемлемая часть работы оборудования в паровых котельных, электростанциях.
• Подпиточная, она же добавочная вода. Она применяется для подпитки, то есть для поддержания необходимого количества теплоносителя, для восполнения потерь, возникающих из-за водных утечек в сетях и различных теплопотребляющих установках, из-за продувок паровых котлов.
• Резервная вода. Это запас жидкости, хранящийся в специальных баках и необходимый для поддержания работоспособности устройств.
• Обратный конденсат, который поступает от внешних потребителей пара. В процессе работы оборудования пар конденсируется. И этот конденсат сначала подвергается очистке, а потом добавляется в питательную воду.
• Жидкие топлива. Они также не должны содержать никаких пузырьков газов.

Существуют разные способы деаэрации воды. Это:

• Термическая деаэрация питательной воды или иных жидкостей. В её основе – нагрев, который запускает процесс выделения газов. Такой способ самый распространённый и обладают множеством преимуществ. Деаэраторы термического типа имеют относительно простую конструкцию, недорого стоят, подходят для большинства котлов отопительных систем и установок электросетей.
• Химическая. Такая деаэрация не требует нагрева, превращения воды в пар, а также поддержания необходимого давления в деаэраторе. Установки химического типа работают с помощью реагентов, добавляемых в определённых концентрациях. Такие ингибиторы связывают молекулы содержащихся в воде газов, тем самым нейтрализуя их коррозионное действие. Некоторые реагенты также умягчают воду, снижают её жёсткость и защищают трубопроводы и насосы от накипи. В качестве химикатов обычно используют сульфит либо таннат натрия, гидразин. Для деаэрации химическим способом не нужно поддерживать постоянные дополнительные условия типа высокой температуры и давления. Но есть у такой технологии и недостатки. Во-первых, требуются точные расчёты концентрации ингибиторов. Во-вторых, многие реагенты имеют высокую цену. В-третьих, некоторые химические вещества нужно утилизировать особым образом. Есть среди них и вредные для окружающей среды.
• Обескислороживание воды с помощью сталестружечных деаэрационных фильтров. Такой вариант подходит для небольших объёмов – не более 2 тысяч литров в час. Металлическая стружка в процессе запускаемого окисления поглощает частицы кислорода.
• Ультразвуковая. На насыщенную газами воду воздействуют ультразвуковые волны. Газовые молекулы слипаются, образуя более крупные элементы, которые благодаря собственному объёму выходят на поверхность и улетучиваются. Такие установки работают с тёплой или горячей жидкостью, нагрев которой осуществляется в диапазоне 30-80 градусов, то есть без кипения. Конструкция ультразвукового деаэратора состоит из генератора, вырабатывающего ультразвук, наполненного водой бака, а также блока контроллера, который регулирует функционирование всей установки. Размеры системы небольшие, производительность средняя, вред для экологии минимален. Главный минус – значительная стоимость технологии.
• Мембранная с использованием азота. При таком способе в станции аэрации устанавливают специальные мембраны. На них направляется поток воды, а также поступает азот. Этот газ соединяется с растворённым в жидкости кислородом. Далее насос создаёт вакуумное давление, благодаря которому газовая смесь устремляется вверх и выделяется с поверхности. Мембранно-азотные установки небольшие. Вода в них имеет температуру не выше 20℃, так что необходимости нагрева нет. Габариты систем небольшие. Но мембраны деаэраторов служат недолго, и их периодические замены требуют больших затрат. Также необходимо регулярно покупать азот.

Все перечисленные способы деаэрации воды, кроме первого, используются редко из-за малой эффективности, высокой стоимости обслуживания оборудования, дополнительных неизбежных расходов, а также отсутствия возможности эффективного использования в промышленных целях.

Есть различные виды деаэраторов. Такие установки делятся на отдельные типы по принципам работы, особенностям протекающих процессов, а также конструкции. Ниже рассмотрим все критерии классификации и существующие виды.

Давление в деаэраторах

Деаэрация питательной воды или другой жидкости проходит с соблюдением некоторых условий. Одно из них – давление. По такому показателю все термические деаэраторы делятся на:

• атмосферные системы;
• установки повышенного давления;
• вакуумные деаэраторы.

Деаэратор атмосферный работает при естественном, обычном давлении, которое составляет 0,12 МПа. Температура воды при этом повышается до 102-107 градусов для стабильного кипения. Атмосферный деаэратор можно установить на испаритель или линию подачи добавочной жидкости в тепловой электростанции. Устройства такого типа требуют стабильного уровня жидкости в баке. В схеме конструкции атмосферных установок предусмотрены распределительные перфорированные тарелки, гидрозатвор для предупреждения превышения норм давления, трубопроводы для пара, конденсата, подвода и выведения воды после очистки, а также для удаления выпара. При деаэрации резервуара в баке формируется запас для бесперебойной работы котлов. Также накопительная ёмкость обеспечивает более полное удаление углекислоты и оптимальное время выдержки жидкости при достижении температуры насыщения. Пар и газы выводятся из атмосферной системы самостоятельно.

Термическая деаэрация воды в системах повышенного давления требует интенсивного нагрева жидкости до очень высоких температур – от 158 градусов до 180-188. Такие деаэраторы используют на основных потоках конденсата. Деаэрация питательной воды в котлах происходит при давлении от 0,6 МПа до 0,8. На атомных электростанциях значение выше – до 1-1,25 МПа. Давление пара в таких системах – минимально 9,8 МПа.

Вакуумный деаэратор работает при пониженном значении давления – ниже среднего атмосферного. Этот показатель составляет от 7,5 кПа до максимальных 50. Устройство деаэратора вакуумного типа отличается стенками большой толщины и наличием эжектора. Работа может осуществляться без пара. Температура воды в вакуумном деаэраторе после нагрева должна составлять от 40 градусов Цельсия до 99. То есть кипение не требуется.

Нагрев воды, теплообмен

Способы деаэрации воды различаются по технологиям нагрева и теплообмена в установке. По таким параметрам деаэраторы делятся на три типа:

• Поверхностные. Удаление всех газов в таких теплообменных агрегатах происходит при передаче тепловой энергии через стенки.
• Перегретой воды. Предполагается осуществление работы деаэратора в два этапа. На первым в теплообменнике образуется тепло. Далее выполняется сброс воды с уменьшением давления.
• Смешивающие. В этих системах греющий пар перемешивается с конденсатом.

Форма, особенности конструкции деаэраторов

Деаэрация воды для паровых котельных и ТЭС осуществляется установками разных форм. По конфигурации деаэраторы делятся на:

• Тарельчатые. Такое название дано этому типу деаэраторов из-за мембраны в виде тарелки, имеющей отверстия. Снизу находится горизонтальный бак для обработанной, деаэрированной воды. Над ним расположен резервуар с тарелками. Через вертикальную ёмкость сверху вниз жидкость направляется на тарельчатую мембрану, проходит через неё. Снизу подаётся пар низкого давления, который также пропускается через отверстия. В итоге после удаления газов нагревом жидкость спускается в нижний горизонтальный бак.
• Распылительные. Это горизонтальные баки, лишённые колонн. Ёмкость поделена перегородкой на две зоны: для нагрева и для удаления газов. В участке подогрева вода достигает нужных температур, далее переходит в часть аэрации. Тут снизу идёт пар, который обеспечивает очистку от газовых примесей. Установки этого вида не получили широкого применения

Связь воды с паром, тип покрытия в деаэраторе

По способу взаимодействия воды с паром, методу увеличения контакта поверхности и по виду покрытия все деаэраторы классифицируются на такие типы:

• Струйные. Такая аэрационная установка имеет своеобразные перфорированные тарелки – дырчатые сита. Вода из верхней части колонки струями стекает вниз, создавая некие дождевые потоки. Из нижней зоны направляется пар, который пересекается с водяными тонкими потоками и осуществляет деаэрацию.
• Капельные. В таких системах вода делится на порции с помощью сопел или форсунок. Она подаётся в оборудование в виде капель, что увеличивает эффективность дегазации. Но отверстия форсунок могут засоряться, поэтому такие деаэраторы считаются не самыми надёжными и сложными в обслуживании.
• Барботажные. Барботаж заключается в подводе используемого для деаэрации насыщенного пара в нижний пласт питательной воды. Паровой слой при введении в жидкость дробится на большие пузыри, которые подхватывают мелкие и выводят их на поверхность. Но обычно барботажная деаэрация питательной воды сочетается с другими способами. Барботаж же используется в качестве второго уровня очистки.
• Плёночные. В таких установках подача воды осуществляется через сопло. Далее поток ударяется о розетку, после чего разбрызгивается и попадает на прямоугольные либо концентрические вертикальные листы. Деаэрированная жидкость далее превращается в плёнки, текущие по листам, между которыми снизу вверх перемещается нагревающий пар.
• Вихревые. В таких установках при деаэрации резервуара водный поток закручивается, двигаясь по горизонтальной трубе. Благодаря центробежному эффекту в середине трубы формируется зона, заполненная газом. Удаление газовых примесей осуществляется через патрубок.
• Щелевые. В таких системах вода после нагрева через узкую щель направляется на закручивающуюся пластинку деаэратора. Далее в зоне с пониженным давлением она закипает. Удаление газов из жидкости осуществляется благодаря центробежному возникающему эффекту и малой толщине образующейся плёнки. При неполном обороте водного вихря скорость постепенно снижается, поэтому вода устремляется вниз.
• С насадками. В насадочных системах вода подаётся насосом в верхнюю часть колонки, делится на небольшие струи, которые далее попадают на насадку деаэратора. Такая деталь делит водный поток на плёнки и очень тонкие струйки. Снизу вверх по направлению к воде подаётся горячий пар, проходящий через элементы насадки. Распространённые насадочные части деаэраторов – решётки, кольца, сложные фигурные детали.

Все описанные способы деаэрации воды – одноступенчатые. Также бывают двухступенчатые комбинированные деаэраторы, например, струйно-барботажные, центробежно-вихревые.

Выбор устройства деаэрации зависит от особенностей систем отопления, работы их котлов. Так, деаэратор в котельной с высоким давлением должен иметь соответствующую мощность подачи. Только такие установки могут генерировать нужные объёмы концентрированного пара для поддержания заданного температурного режима котлов.

Деаэрация воды для котельных с низким давлением осуществляется с помощью атмосферных вертикальных установок, оснащённых барботажными баками. Для водогрейных котлов, подающих теплоноситель в отопительные системы, подходят вакуумные деаэраторы с принудительным эффективным удалением газов.