О применении пароводяных струйных подогревателей воды УМПЭУ в системах водоподготовки и теплоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

О применении пароводяных струйных подогревателей воды УМПЭУ в системах водоподготовки и теплоснабжения

М.А. Куркулов

к.т.н. А.Ф. Недугов (ООО «Прессмаш»)

В последнее время возрос интерес к применению струйных аппаратов в качестве теплообменников на объектах промышленной и гражданской энергетики. Эти аппараты привлекательны, прежде всего, низкими капитальными и эксплуатационными затратами по сравнению с кожухотрубчатыми подогревателями. Это различного рода пароводяные струйные аппараты (ПСА) или пароводяные инжекторы и струйные подогреватели воды[1].

Рабочим телом в ПСА является пар, а инжектируемым - вода. В таких аппаратах используется явление возникновения скачка давления при торможении сверхзвукового потока пароводяной смеси, а конденсация пара происходит в скачке давления. В отличие от теплообменников рекуперативного типа, в которых теплообмен между теплоносителем и нагреваемой водой происходит через стенку, в ПСА передача тепла от пара к воде происходит при смешении пара и воды, т.е. при конденсации пара его теплосодержание передается воде практически без потерь. В качестве другого достоинства ПСА отмечается также наличие насосного эффекта, однако надежная работа ПСА без насосов на практике возможна, по-видимому, лишь на аккумуляторный бак [2]. Наиболее известными ПСА являются трансзвуковые аппараты «Фисоник», «Транссоник», ТСА.

Вместе с тем существует и комплекс проблем при применении ПСА, например, высокий уровень шума и вибраций, что может приводить к необходимости их монтажа в отдельном помещении или на улице [3]. Другим ограничением является узкий диапазон применяемых диаметров - от 25 мм до 150 мм при максимальной производительности по воде до 300 т/ч. В случае большей производительности систем водоподготовки это приводит к необходимости устанавливать несколько параллельно работающих аппаратов и увеличивает затраты на обвязку. Существуют также ограничения, связанные с высокой чувствительностью характеристик ПСА к изменению параметров греющего, нагреваемого и смешанного потоков.

В связи с этим актуальность представляет создание пароводяного струйного теплообменника, который наряду с преимуществами ПСА (компактность, отсутствие накипеобразования) позволил бы снизить шум до приемлемого уровня и расширить диапазон диаметров используемых трубопроводных систем с увеличением производительности одного аппарата до практически требуемых промышленности и ЖКХ.

С этой целью в 1999 г. был создан и успешно внедряется в промышленность струйный подогреватель воды УМПЭУ, позволивший обеспечить бесшумный ввод пара в поток воды и его конденсацию без вибраций и гидравлических ударов [4]. В отличие от ПСА, рабочим телом в УМПЭУ является нагреваемая вода, а инжектируемым - пар. Отличительной особенностью УМПЭУ является наличие на подводе пара камеры предварительного смешения [5,6], в которой производится предварительное «умягчение» пара нагреваемой водой с помощью перепускной водяной магистрали. Фактически это обеспечивает отсутствие прямого контакта магистрального пара и воды, а происходит инжекция пароводяной пены из камеры предварительного смешения в водяную магистраль. Для увеличения времени взаимодействия сред там же предусмотрено формирование вихревых течений, образуемых с помощью генераторов вихрей. С целью снижения пульсаций давления нагретого потока, которые может вызвать несконденсировавшаяся часть пара и пристеночные обратные токи, на выходе из приемной камеры установлен гаситель пульсаций давления нагретой воды. Гаситель пульсаций представляет из себя перфорированный участок отводящей трубы, помещенный в герметичный бак со свободной поверхностью. Он позволяет уменьшить влияние колебаний давления сети после подогревателя на его работу при проскоках пара, а при работе в замкнутой системе с периодическими колебаниями давления воды в контуре (автоклавные производства, ГВС и т.п.) сглаживает негативные эффекты в период, необходимый для подпитки системы.

Сравнение характеристик УМПЭУ и трансзвуковых аппаратов

К настоящему времени запущено в эксплуатацию свыше 100 теплообменников УМПЭУ различного назначения с условными диаметрами от 50 мм до 400 мм, результаты работы которых подтвердили возможность обеспечения производительности по нагреваемой воде от 4 т/час до 1200 т/час с реализацией температурных графиков 70/95 (один теплообменник), 70/115 и 70/130 (два последовательно установленных УМПЭУ). Ростехнадзором России выдано разрешение на применение УМПЭУ на опасных производственных объектах для подогрева воды применительно к III и IV категориям трубопроводов [7]. Ведутся работы по внедрению УМПЭУ Ду500 мм. Выпуск УМПЭУ налажен в г. Миассе Челябинской области на специализированном предприятии.

Номенклатура выпускаемых теплообменников УМПЭУ

* При последовательной установке двух теплообменников тепловая мощность увеличивается вдвое

Как показал опыт эксплуатации, особенности включения УМПЭУ, обеспечивающие его нормальную работу, состоят в следующем. Для поддержания входных параметров (давление пара и воды, расход воды) в заданных пределах УМПЭУ должен оснащаться системой автоматики. 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 пара также устанавливают быстродействующий отсечной клапан с временем срабатывания 1-3 с. На выходе из УМПЭУ устанавливают прямолинейный участок трубы, длина которого определяется для каждого теплообменника на основании известных закономерностей для турбулентной затопленной струи [8] и обычно составляет несколько десятков калибров. Для закрытой системы теплоснабжения предусматривают систему поддержания постоянного давления воды на входе в УМПЭУ. При выборе насосной группы следует учитывать потери напора воды в УМПЭУ, которые зависят от соотношений давлений воды и пара и определяются расчетным путем для конкретных параметров тепловой системы (обычно потери напора составляют 0.05-0.2 МПа). Задача поддержания водно-химического режима котельной и сети решается как и для трансзвуковых аппаратов: подпиткой теплосети продувочной водой парового котла, либо подачей щелочи насосом-дозатором. Для удаления шлама из системы необходима установка также фильтров-грязевиков. Применяемые типовые схемы включения УМПЭУ для ГВС, отопления, водоподготовки представлены на рис. 1-3.

Подогрев воды в системе водоподготовки

УМПЭУ работает без накипи и служит устройством для подогрева исходной сырой воды, идущей на химводоочистку. Такой эффект обусловлен как принципом действия УМПЭУ, так и значительными запасами по площадям проходных сечений подогревателя, поэтому даже при образовании налета на внутренних поверхностях подогревателя, это не скажется на его работе длительное время. Например, опыт эксплуатации двух УМПЭУ Ду200 в теплосиловом цехе ХВО № 1 Саткинского комбината «Магнезит» с мая 2000 года показал, что ни разу с начала непрерывной эксплуатации не потребовалась их остановка для чистки. Гидравлический режим работы УМПЭУ как в этом, так и в других приложениях УМПЭУ задается насосом, а изменение тепловой мощности производится качественным или количественным регулированием расхода пара (например, регулирующим клапаном, дросселем). С экономической точки зрения наибольший эффект от применения УМПЭУ достигается при использовании отработавшего пара. Например, для подогрева речной воды на ОАО «Полиэф» г. Благовещенск используется отработавший (утилизируемый) пар давлением 0.25МПа и теплообменник УМПЭУ Ду300 мм окупился за четыре месяца.

Возможны применения УМПЭУ и в других системах водоподготовки. Так, на предприятии ЗАО «Энергоспектр» г. Тула УМПЭУ Ду80мм используется для дополнительного подогрева на 20-30 ⁰С подпиточной воды перед деаэратором (расход воды 30-40 т/час, давление воды 0.45-0.55МПа, давление пара 0.7-0.9 МПа).

Подогрев перегретой воды

Взамен пароводяных подогревателей в автоклавном производстве на резинотехническом заводе РТИ-1 ОАО «Балаковорезинотехника» (Саратовская обл.) установлен подогреватель УМПЭУ Ду150 мм, обеспечивающий подогрев перегретой воды в закрытой системе: температура перегретой воды 160-170 °С, давление воды в магистрали 1,7-2,2 МПа, давление пара 2,2±0,05 МПа, расход воды 100-110 т/ч, подогрев воды 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, без пульсаций. Срок окупаемости составил 4 месяца. К настоящему времени установлены еще два аналогичных подогревателя для разогрева битума.

Горячее водоснабжение (ГВС)

При работе УМПЭУ в системе ГВС обычно применяется включение на аккумулирующий бак. При этом используются две схемы включения: циркуляция по контуру согласно приведенной схеме, либо подача холодной питьевой воды, смешанной с обратной водой из системы ГВС. Первая схема была реализована, например, в международном аэропорту «Курумоч» (производительность нагреваемой воды 100 т/час). Вторая схема, как правило, требует последовательной установки двух УМПЭУ и реализована, например, для обеспечения горячего водоснабжения населения южной части г. Миасс Челябинской области: применена установка УМПЭУ Ду80мм 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 УМПЭУ. 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.

Система теплоснабжения

В отличие от трансзвуковых аппаратов (в которых при совмещении функции нагрева сетевой воды с повышением её напора гидравлический и тепловой режимы системы теплоснабжения оказываются взаимосвязанными [2]) при применении УМПЭУ гидравлический режим системы теплоснабжения задается сетевым насосом и оказывается независящим от теплового режима системы (задается расходом пара). В системах теплоснабжения промышленности и коммунальной сферы УМПЭУ всё чаще применяют для замены кожухотрубных и пластинчатых теплообменников. Преимуществом последних является нечувствительность к изменению расхода пропускаемой через них воды, в то время как УМПЭУ имеют ограничения по этому параметру. В то же время поверхностные теплообменники, как известно, подвержены образованию накипи и связанных с этим затрат на чистку, снижением эффективности теплопередачи и т.д. Поэтому для реализации подогрева воды с помощью УМПЭУ используют сменные сопла для летнего и зимнего режимов работы тепловых систем. Например, для теплоснабжения птицефабрики «Безенчукская» используются два сопла: для летнего режима на расход воды 315±20 т/ч и для зимнего на расход воды 550±30 т/ч (УМПЭУ Ду300мм, давление воды 0.8-0.9МПа, давление пара 0.9-1.0МПа).

Как правило, для надежной работы УМПЭУ в системах отопления рекомендуется поддержание давления пара выше давления воды, особенно для суровых климатических условий. Например, ГУП «Коммунальные системы БАМа» г. Тында начиная с 2005 года ввело в эксплуатацию три установки Ду150 мм с производительностью 160±16 т/ч с давлением воды 0.8-1.0 МПа, и давлением пара 0.8-1.0 МПа, при этом в процессе работы поддерживается давление пара выше давления воды. Другим примером может служить система отопления промплощадки ОАО «Восточно-Сибирского завода металлоконструкций» (Красноярский край) на котором установлена УМПЭУ Ду200мм производительностью 150-200 т/ч, давление воды 0.5-0.6 МПа, давление пара 0.65 МПа.

Часто УМПЭУ устанавливаются в дополнение к существующей системе отопления. Например, подогреватель сетевой воды УМПЭУ Ду 400 мм был установлен на ОАО «Балаковорезинотехника» в дополнение к существующей системе отопления бойлерами в ноябре 2004 года. 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 составил 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. Данная установка окупилась за один отопительный сезон.

Литература

теплообменник энергетика пар вода

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

2. Белевич А.И., Крупцев А.В., Малафеев В.А. О применении паровых инжекторов в теплоснабжении.//Энергетик.-2001.-№ 11.-с. 20-22.

3. Лисин Г.А. Аппарат «Фисоник» - в действии.// Энергосбережение в Республике Татарстан. № 2 (11) сентябрь-октябрь 2003.

4. Недугов А.Ф., Куркулов М.А. Решение проблем повышения безопасности и энергосбережения в системах снабжения теплом и горячей водой.// Безопасность труда в промышленности.-2006.-№ 9.-с. 36-39.

5. Патент № 2258839 Россия, МПК 7F04F5/04. Струйный подогреватель жидкости/ Куркулов М.А., Недугов А.Ф. Опубл. 20.05.2005.

6. Патент № 2198323 Россия, МПК 7F04F5/04. Способ непрерывной подачи пара в водяную магистраль и устройство для его осуществления/ Куркулов М.А., Недугов А.Ф., Никифоров Г.В. и др.; Опубл. 2003, бюл. № 2.

7. 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.

8. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. - М.: Физматгиз, 1960. - 715 с.

Размещено на Allbest.ru