Конференция
РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России
ГК НЭК

Сравнение различных систем деаэрации
и особенности их внедрения

Д.П. Подчернин, директор, UAB «Gandras Energoefektas», г. Висагинас, Литва

 

Введение

Нашим заказчиком «Тепловые сети г. Даугавпилса» (PAS «Daugavpils siltumtikli») было принято решение провести реконструкцию системы водоподготовки на одной из своих ТЭЦ. Станция достаточно крупная – установленная тепловая мощность составляет более 400 МВт.

Изначально на ТЭЦ была химводоподготовка большой мощности и атмосферный деаэратор, работающий совместно с паровым котлом ГМ-50. В связи с тем, что паровая нагрузка в котельной отсутствует, а эксплуатировать турбины мощностью 12 МВт сегодня в Латвии экономически не выгодно, ТЭЦ была переведена в водогрейный режим. При этом паровой котёл ГМ-50 работал только для нужд ХВП – на деаэрацию воды, остальной пар сбрасывая на ПСВ.

Проблема состояла в том, что вся летняя нагрузка по договору была продана частным компаниям (в котельные, которые обеспечивали более низкую цену на теплоэнергию), поэтому летом в работе оставались только сетевые насосы, обеспечивающие подпитку сети покупным теплоносителем.

Такой температурный режим является неподходящим для деаэрации: для атмосферной – требуется источник пара, а для вакуумной – источник низкотемпературного тепла (воды с температурой до 78 оС). Летом обычно воду с такими параметрами берут из линии рециркуляции котла, но т.к. в данном случае все котлы останавливались, то при реконструкции ХВП необходимо было предусмотреть маленький (только покрывающий нагрузку деаэраторов) газовый котёл на собственные нужды.

По просьбе заказчика, с целью выбора наиболее оптимального режима деаэрации нашими специалистами было выполнено экономическое сравнение четырёх видов деаэраторов:

- атмосферного (с паровым источником);

- мембранного;

- вакуумного (с водяным источником теплоэнергии);

- химической деаэрации;

Для упрощения методики сравнения было принято, что система работает с максимальной производительностью 24 ч в сутки.

Для экономического сравнения принимался срок службы оборудования равный 20 годам (с учётом того, что предыдущая система проработала 50 лет).

Стоимость остального оборудования ХВП (табл. 1) не учитывалась в данном сравнении, потому что оно неизменно для любого варианта системы водоподготовки.

 

Таблица 1. Оборудование, состав которого остаётся неизменным при любом способе деаэрации.

№ п/п Наименование оборудования Состав
1 Система для растворения соли с расходом 5 м3 Ёмкость соли,

система подачи воздуха на емкость (компрессор), система подачи растворенной соли с трубопроводами
и запорно-регулирующей арматурой

2 Система умягчения воды, производительность 20 м3/ч, количество соли на одну регенерацию – 90 кг Механические фильтры 2 шт.,

установка умягчения воды – 2 колонны,
2 бака, производительность каждой колонны 20 м3/ч (одна работает, другая в режиме регенерации,), с запорно-регулирующей арматурой

3 Датчик для определения количества остаточного кислорода
в деаэрированной воде
Комплект
4 Бак-аккумулятор (без тепловой изоляции) Установка производительностью 25 м3
с соответствующей обвязкой

 

Атмосферный деаэратор

Состав основного оборудования системы атмосферного деаэратора для расчета стоимости оборудования представлен в табл. 2.

 

Таблица 2. Состав основного оборудования системы атмосферного деаэратора.

№ п/п Наименование оборудования Комплектность
1 Система умягчения воды для парового котла 1 колонна,
1 бак с запорно-регулирующей арматурой
2 Насосы подачи воды на деаэратор, производительностью 20 м3/ч и напором 35 м 2 агрегата с запорной арматурой
3 Водоводяной теплообменник производительностью
1150 кВт (T1 – T2 = 5 – 55 °C)
1 аппарат с запорной арматурой и регулятором
4 Пароводяной теплообменник производительностью

1150 кВт (T1 – T2 = 55 –105 °C)

1 аппарат с запорной арматурой
5 Паровой жаротрубный котёл,

мощность при номинальной нагрузке 2770 кВт, КПД – 90%, производительность пара 4 т/ч, рабочее давление 12 бар, температура насыщенного пара – 190 оС,
расход газа – 345 м3

Котёл с узлом автоматической продувки, запорно-регулирующей арматурой, предохранительной арматурой, горелкой, горелочным оборудованием и счётчиком расхода газа
6 Атмосферный деаэратор производительностью 25 м3
с баком объёмом 5 м3
Комплект с запорной, регулирующей, предохранительной арматурой
7 Питательные насосы производительностью 6 м3/ч,
напором 160 м
2 агрегата с запорно-регулирующей арматурой
8 Сепаратор продувок объёмом 0,7 м3 Комплект
9 Охладитель продувок мощностью 100 кВт Комплект с запорно-регулирующей арматурой
10 Изоляция бака аккумулятора Минеральная вата толщиной 100 мм
и оцинкованная жесть
11 Трубопровод подачи газа на котел, расчётное давление – 3 бар Ду 50, длина 410 м
12 Дымоходы Комплект
13 Шкаф автоматического управления Комплект

 

Стоимость оборудования для атмосферной деаэрации составила в среднем 181,5 тыс. евро (на декабрь 2016 г.)

Особенности системы:

1. Используется схема: умягченная вода последовательно подается на водоводяной и пароводяной теплообменники. Теплоносителем для деаэратора и пароводяного теплообменника используется пар парового газового котла;

2. Кроме трубопроводов обвязки системы, необходимо дополнительно проложить газопровод для подачи газа на паровой котел;

3. Для бака-аккумулятора и трубопроводов необходимо предусмотреть изоляцию (температура деаэрированной воды 103 оС).

4. Остаточное содержание кислорода в воде – не более 20 мкг

Преимущества применения атмосферной деаэрации:

- низкое количество остаточного кислорода в воде,

- деаэрированная вода может подаваться на существующие паровые котлы (если будет предварительно химически обработана);

- не требуются химреагенты.

Недостатки:

- необходим источник пара,

- высокая температура деаэрации,

- высокие тепловые потери,

- потери пара на непрерывные и временные продувки.

Расчетная величина тепловых потерь при использовании для деаэрации тепловой энергии в виде пара составила 19% от выработки (в данном случае – от общих затрат на топливо (газ) в течение 20 лет). В результате их стоимость составила 3445,3 тыс. евро.

Стоимость производства тепловой энергии, которое возможно будет реализовать (подать вместе с подпиточной водой в сеть) рассчитывалась, соответственно, из условий 81% от общих затрат на топливо (газ) в течение 20 лет и составила около 14,7 млн евро.

 

Химическая деаэрация воды

Основное оборудование системы химической деаэрации состоит из ёмкости для химического реагента производительностью 20 м3/ч (объём 215 л) и насоса-дозатора.

В качестве реагента для химической деаэрации предлагается использовать ингибитор коррозии для закрытых систем хорошо известного в Латвии американского производителя. Доза по данным производителя составляет 2000 г/м3 воды.

Часовой расход необходимого количества реагента для химической деаэрации котла (из расчёта 2000 г/м3) составит 40 кг/ч, (или 960 кг в сутки), соответственно, в год потребуется 960 × 365 = 350,4 т.

Стоимость оборудования на декабрь 2016 г. составила 3,5 тыс. евро (самая низкая из всех вариантов), стоимость реагента 4,97 евро/кг. Общая стоимость реагента для эксплуатации системы химической деаэрации за всё время эксплуатации составит 34,83 млн евро.

Особенности системы:

1. Кроме трубопроводов обвязки системы, дополнительная прокладка трубопроводов не требуется.

2. Бак-аккумулятор и трубопроводы изолировать не нужно, т.к. температура деаэрированной воды – не более 20 оС.

Остаточное содержание кислорода в воде – не более 50 мкг.

Преимущества химической деаэрации:

- состав оборудования – минимальный,

- система очень проста в обслуживании,

- вода не требует подогрева.

Недостатки:

- высокая стоимость и большое количество реагента.

 

Мембранный деаэратор

Состав основного оборудования системы мембранного деаэратора для расчета стоимости оборудования представлен в табл. 3.

 

Таблица 3. Состав основного оборудования системы мембранного деаэратора.

№ п/п Наименование оборудования Комплектность
1. Механический фильтр,
производительность 20 м3
Два фильтра с заменяющимися фильтрующими элементами 5мкм
и запорно-регулирующей арматурой
2. Насосы подачи воды на деаэратор,

производительность – 20 м3/ч, напор – 35 м

2 агрегата с запорной арматурой
3. Мембранный деаэратор производительностью 20 м3 3 мембраны,
запорно-регулирующая арматура
4. Вакуумный насос,

производительность – 22,5 м3

Два вакуумных насоса
с воздушным охлаждением
5. Система подачи азота 2 установки по 12 баллонов каждая
6. Шкаф автоматического управления Комплект

 

Стоимость оборудования составила в среднем 66,5 тыс. евро (на декабрь 2016 г.)

Считаем стоимость азота для эксплуатации системы мембранной деаэрации.

Необходимое количество азота для подачи на мембранный деаэратор (из расчета 1,2 нм3/ч) за год составит 10,5 тыс. нм3

Один баллон ёмкостью 50 л – это 9,5 м3 сжиженного азота, следовательно, на год потребуется порядка 1107 баллонов.

Стоимость одного баллона составляет 26,5 Евро (по данным SIA Gaschema Tirdzniecības pārstāvis на декабрь 2016 г.), поэтому, для эксплуатации системы в течение года необходимо затратить 29,3 тыс. евро. За весь период эксплуатации (20 лет) расходы на азот составят 586,72 тыс. евро.

Особенности системы:

1. Согласно технологической схемы умягченная вода подается на мембранный деаэратор, куда также подается азот для обеспечения деаэрации. Кислород из воды удаляется при помощи вакуумного насоса.

2. Кроме трубопроводов обвязки системы, необходимо установить 2 системы подачи азота по 12 баллонов каждая, соединенных в одну систему (одна работает, вторая отправляется на дозаправку азотом).

3. Бак-аккумулятор изолировать не нужно, т.к. температура деаэрированной воды не более 20 °С.

4. Остаточное содержание кислорода в воде – не более 50 мкг.

Преимущества:

- оборудования меньше, чем в атмосферных и вакуумных системах и легче в обслуживании;

- вода не требует подогрева;

- оборудование и трубопроводы не нужно изолировать.

Недостатки:

- срок службы основного оборудования (мембраны) до замены – 5 лет. После этого нужно заменить мембраны, стоимость которых составляет почти 70% стоимости всего деаэратора, за 20 лет сумма составит: 36000×4=144 тыс. евро.

- требует постоянного расхода азота, который нужно покупать в баллонах.

 

Вакуумный деаэратор

Состав основного оборудования системы вакуумного деаэратора для расчета стоимости оборудования приведён в табл. 4.

 

Таблица 4. Состав основного оборудования системы вакуумного деаэратора.

№ п/п Наименование оборудования Комплектность
1. Насосы подачи воды на деаэратор производительностью 20 м3/ч, напором 35 м 2 агрегата с запорной арматурой
2. Водоводяной теплообменник производительностью 1628 кВт, T1-T2=5-75°C 1 аппарат с запорной арматурой
и регулятором
3. Водоводяной теплообменник производительностью 450 кВт,
T1-T2=55-75°C
1 аппарат с запорной арматурой
4. Газовый водогрейный котел теплопроизводительностью 450 кВт, рабочее давление 6 бар, температура воды из котла 90 оС,
расход газа 50 м3/ч, КПД 92%
Котел с запорно-регулирующей арматурой, горелкой, горелочным оборудованием
и счетчиком расхода газа
5. Вакуумный деаэратор, производительностью 20 м3 Комплект с запорно-регулирующей арматурой
6. Вакуумный насос производительностью 22,5 м3 Два вакуумных насоса с воздушным охлаждением
7. Изоляция бака аккумулятора минеральная вата толщиной 60 мм
и оцинкованная жесть
8. Трубопровод подачи газа на котел, расчётное давление – 3 бар Ду 50, длина 410 м
9. Дымоходы Комплект
10. Шкаф автоматического управления Комплект

 

Стоимость оборудования изначально составила 88,85 тыс. евро (однако после проведения открытого конкурса цена уменьшилась в два раза)

Особенности системы:

1. Используется две схемы работы: летняя и зимняя. Летом, когда максимальная температура сетевой воды составляет 60 °С, умягченная вода последовательно подается на два водоводяных теплообменника. Теплоноситель первого – сетевая вода, второго – вода из водогрейного газового котла. Зимой система работает по упрощенной схеме: вода подогревается до температуры 75 °С сетевой водой. Второй теплообменник и газовый котел не работают.

2. Кроме трубопроводов обвязки системы, которая в данном расчете не учитывается, необходимо дополнительно проложить трубопровод для подачи газа на паровой котел.

3. Для бака-аккумулятора и трубопроводов необходимо предусмотреть изоляцию (температура деаэрированной воды – 75 оС).

4. Остаточное содержание кислорода в воде не более 50 мкг.

Преимущества:

- температура деаэрации ниже, чем в атмосферном деаэраторе;

- не требует химреагентов;

- не требует замены основного оборудования.

Недостатки:

- температура деаэрации выше, чем при мембранной и химической деаэрации;

- летом требует включения дополнительного оборудования – водогрейного котла и второго теплообменника;

- высокие теплопотери через изоляцию.

Расчётная величина тепловых потерь при использовании для нужд деаэрации тепловой энергии в виде горячей воды составила 10,5% от выработки (от общих затрат на газ в течение 20 лет). В результате стоимость тепловых потерь при подогреве составляет 136,08 тыс. евро.

Стоимость производства тепловой энергии, которое возможно будет реализовать (подать вместе с подпиточной водой в сеть) составляет 1,16 млн евро (89,5% от общих затрат на газ в течение 20 лет).

 

Технико-экономическое сравнение различных систем деаэрации воды

При сравнении представленных вариантов были сделаны следующие допущения.

1. Не выполнялся расчёт затрат на электроэнергию, что с одной стороны – не очень корректно для химической деаэрации, где расход электроэнергии минимальный. Однако с другой стороны, у остальных методов деаэрации расходы электроэнергии очень сохожи.

2. Когда считали затраты на подогрев, для вакуумного деаэратора был выбран водогрейный котёл с температурой нагрева 75 ºC, после чего согласно схеме вода идет на подпитку и поступает в сеть. Безвозвратные потери входили в КПД котла, тепловые потери – на теплообменник, деаэратор, трубопроводы и ёмкость хранения. Как видно из расчёта, они оказались очень незначительные.

Для атмосферного деаэратора эти затраты оказались выше, т.к. продувки на паровом котле и его более низкий КПД значительно ухудшили картину, а стоимость паровой части сильно подняла цену.

3. Очень важно, что при наличии летней нагрузки тепловая энергия, необходимая на подогрев воды, берётся из линии рециркуляции котла (необходимо 75-80 ºC), – это сильно снижает стоимость внедрения вакуумной деаэрации и упрощает работу персонала.

Все результаты исследования представлены в табл. 5, куда также добавлена стоимость затрат на обслуживание оборудования в течение расчетный срок службы в 20 лет.

 

Таблица 5. Результаты расчёта оборудования различных типов деаэрации.

Тип

деаэратора

Температура

деаэрации,

°С

 

Затраты предприятия, тыс. евро Общая стоимость оборудования с эксплуатацией в течение 20 лет (без продаваемых затрат), тыс. евро
Обору-дование

 

Текущее обслуживание Реагенты

 

Подогрев

(безвозвратные)

Подогрев

(продаваемые)

Атмосферный 103 181,5 5 – водяные насосы

(торцовые уплотнения)

- 3 445,3 14 687,9 3 631,8
Химическая деаэрация 5 3,5 4 – дозирующие насосы 34 829,7 - - 34 837,2
Мембранный 5 66,5 144 – мембраны,

5 – вакуумные насосы,

2 – водяные насосы

(торцовые уплотнения)

586,7 - - 804,2
Вакуумный 75 88,9 3,6 – форсунки

5 – вакуумные насосы

2 – водяные насосы

(торцовые уплотнения)

- 136 1 160 235,5

 

Внедрение

В результате проведённого исследования было принято решение о внедрении вакуумной системы деаэрации (рис. 1).

Рис. 1. Схема системы деаэрации воды вакуумного типа.

 

Самой большой проблемой стала устойчивая работа водогрейного котла из условия максимальной нагрузки, требуемой заказчиком, в 20 м3/ч (с начальной температурой сетевой воды 60 ºC). Для нагрева от 60 до 78 ºC потребовался котел мощностью 450 КВт/ч (рис. 2). При этом минимальная возможная нагрузка из условий работы котла составила 4 м3/ч. Исходя из этого и проектировался деаэратор (рис. 3-5).

Рис. 2. Водогрейный котел, вакуумный деаэратор и теплообменники на отметке +8.000.

 

Ещё раз обращаем внимание, что, если теплоисточником будет линия рециркуляции котла, то минимальная нагрузка вакуумного деаэратора может быть от 0,3 м3/ч.

Рис. 3. Вакуумный деаэратор, теплообменники и шкаф управления на отметке +8.000.

Рис. 4. Бак аккумулятор деаэрированной воды на отметке +0.000.

 

Рис. 5. Оборудование системы химического обессоливания и насосы подачи воды
на вакуумный деаэратор на отметке +0.000.

 

Второй проблемой стали новые вакуумные насосы, которые, со слов производителя (Испания), не требовали постоянного расхода запирающей воды (как водокольцевые).

Но, как выяснилось, принцип действия новых насосов был основан на пропускании водяных паров из деаэратора через высоковязкое масло, которое необходимо было менять через 600 ч. Узнали мы это, к сожалению, только начав эксплуатировать данные насосы – производитель молчал до последнего, как партизан.

Пришлось возвращаться к водокольцевым вакуумным насосам со строительством системы замкнутого цикла для запирающей воды (сливать 2 м3/ч посчитали некорректным). Хотим ещё раз напомнить, что запирающая вода должна быть химически обессоленной, иначе со временем вакуумный насос зарастает кальцием и выходит из строя.

 

Рекомендации из опыта

Очень важно, чтобы трубопроводы, с не деарированной водой, особенно, если она нагрета свыше 15 оС, были изготовлены из нержавеющей стали классом не ниже AISI304 (коррозионно-стойкая жаропрочная аустенитная сталь; российский аналог – 08Х18Н10. – Прим. ред.).

К сожалению, многолетний опыт показывает, что срок службы трубопроводов из углеродистой стали составлял не более полутора лет.

Кроме того, мы столкнулись с тем, что очень многие производители деаэраторов не включают в комплект поставки датчик кислорода, а персонал на месте не имеет возможности достаточно точно измерить количество остаточного кислорода в деаэрированной воде. Цена такой ошибки очень высока – преждевременная коррозия сетей, выход из строя оборудования. Поэтому, несмотря на достаточно высокую стоимость (цена такого датчика колеблется от 2 до 5 тыс. евро (в зависимости от производителя)), мы настойчиво рекомендуем устанавливать его для проверки качества работы существующего деаэратора, вне зависимости от его типа (рис. 6).

Рис. 6. Датчик кислорода в режиме работы онлайн.

 

При выборе датчика необходимо правильно подобрать границы измерения количества кислорода (от 0 до 50 мкг/л), температуры воды (до 100 оС), т.к. на рынке присутствует очень много датчиков для очистных сооружений водоканалов, и измерение количества кислорода для деаэраторов ниже их погрешности, а от высокой температуры воды они сразу выходят из строя. И очень важно проконтролировать, как данный датчик будет установлен (неправильная установка может привести к быстрому выходу его из строя).

В целом, современные, полностью автоматизированные системы вакуумной деаэрации без использования пара могут послужить хорошей альтернативой в случае отказа от паровой части на источниках теплоснабжения различной мощности.

 

 

 

 

 

Д.П. Подчернин , Сравнение различных систем деаэрации и особенности их внедрения

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №02 (198), 2017 г. , www.rosteplo.ru/nt/198

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Похожие статьи:

Подбор теплообменника!

Теплообменник ТТАИ для ГВС, отопления, промпроизводств. Эффективней пластинчатого!

+7(495)741-20-28, info@ntsn.ru

Программы Auditor