Куркулов М.А., Недугов А.Ф.,к.т.н.
Выступая на Международной конференции по энергетической безопасности, проходившей в Москве 13-14 марта 2006 года, руководитель Ростехнадзора Константин Пуликовский обратил особое внимание на аспект безаварийной работы и техногенной безопасности объектов энергетики. Один из главных факторов риска сегодня - высокая изношенность технологического оборудования. Так, использование физически и морально устаревшего парка теплообменников приводит к существенным потерям теплоты, увеличению выброса загрязняющих веществ, снижению безопасности при эксплуатации оборудования.
В настоящее время в системах теплофикации промышленных предприятий и коммунальной сферы наиболее распространены теплообменники поверхностного типа (водогрейные котлы, пароводяные кожухотрубные подогреватели, пластинчатые теплообменники) и пароводяные инжекторы (струйные аппараты ТСА, ПСА, "Фисоник", "Транссоник", "Кварк").
Традиционные водогрейные котлы имеют значительную материалоемкость из-за низких значений коэффициентов теплопередачи от продуктов сгорания к нагреваемой воде, а общие потери теплоты в них составляют более 40%. Кроме того, образующиеся на поверхности нагрева котла отложения солей жесткости влияют, в конечном итоге, на предел прочности и текучести металла вплоть до разрыва труб.
К недостаткам кожухотрубных и пластинчатых теплообменных аппаратов следует отнести дорогой ремонт и зависимость от качества нагреваемой воды.
Широкое распространение в связи с компактностью, высокой тепловой мощностью и отсутствием потерь при передаче тепла от пара к воде, получили в последнее время пароводяные инжекторы. К факторам, ограничивающим их использование, можно отнести высокий уровень шума и ограниченный диапазон диаметров трубопроводов - не более 150 мм.
В 1999 году специалистами ООО "Прессмаш" (авторами статьи) и Магнитогорского металлургического комбината был разработан струйный пароводяной подогреватель воды смешивающего типа с камерой предварительного смешения, 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 500 мм. В отличие от пароводяных инжекторов, рабочим телом в УМПЭУ является нагреваемая вода, а инжектируемым - пар. Другим отличием УМПЭУ от классической гидродинамической схемы струйного аппарата является то, что приемная камера в нем выполнена в виде диффузора, на подводе пара установлена камера предварительного смешения пара и воды, на выходе - гаситель пульсаций давления.
УМПЭУ (см. рис.1) состоит из конфузора 1, водяного сопла 2, приемной камеры 3, диффузора 4, камеры предварительного смешения пара с водой5, установленной на подводе пара в приемную камеру, гасителя пульсаций давления 6, трубопровода с задвижкой7 для перепуска части нагреваемой воды из широкой части конфузора в камеру предварительного смешения.
Нагреваемая вода, поступающая на вход в конфузор 1, разгоняется в водяном коническом сопле 2 до скоростей 10-25 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. На выходе из паропровода, имеющего меньший диаметр, чем в камере 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 шлама (еще один плюс УМПЭУ, позволяющий исключить образование внутренних отложений при нагревании неочищенной воды). Для лучшего перемешивания пара с водой и увеличения времени взаимодействия сред, в камере предварительного смешения предусмотрено формирование интенсивных вихревых течений 13, образуемых с помощью кольцевого диска 11 в результате отрыва потока при его 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.
Пульсации давления нагретого потока, которые может вызвать несконденсировавшаяся часть пара, демпфируются в гасителе пульсаций 6. Эффект демпфирования достигается за счет упругости газов над свободной поверхностью воды, а для увеличения времени взаимодействия смешиваемых сред в емкости гасителя, отделенной перфорированной стенкой от основного потока, создаются возвратные течения 12 за счет положительного градиента давления по длине отводящей трубы.
Исследование внутренней структуры течений в УМПЭУ производилось на плоских прозрачных моделях, а полноразмерные испытания его проводились на промышленных установках с условным диаметром магистралей 50, 80, 100, 150, 200, 250, 300, 400 мм в составе тепловых сетей потребителей при различных расходах и давлениях воды и пара применительно к IV категории трубопроводов в соответствии с Правилами устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды ПБ 10-573-03.
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 (результаты испытаний УМПЭУ см. в табл. 1).
Испытанные УМПЭУ использовались для нагревания воды в системах химической очистки воды, деаэрации, отопления, горячего водоснабжения, вентиляции, утилизации отработавшего пара, технологических процессах подогрева перегретой воды на резинотехнических производствах. Наиболее эффективным оказалось применение УМПЭУ для подогрева исходной воды из водоема в системе химической очистки воды - в течение 5 лет непрерывной эксплуатации ни разу не потребовалась остановка УМПЭУ для очистки (фото установки Ду200 мм см. на рис. 2).
В отличие от существующих инжекторов принцип действия УМПЭУ не предполагает кавитационные течения внутри его проточных трактов, поэтому в них отсутствует кавитационная 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. Номенклатура УМПЭУ охватывает условные диаметры трубопроводов от Ду50 мм до Ду500 мм, производительность по воде от 4 т/час до 1200 т/час, расход пара до 70 т/час.
В апреле 2006 года в ОАО "Полиэф" (Республика Башкортостан) для подогрева речной воды перед осветлителем запущена в эксплуатацию УМПЭУ Ду300 мм производительностью 180-220 т/час, подогреваемая отработавшим паром. Ожидаемый срок окупаемости 3-4 месяца.
Другим интересным применением УМПЭУ (фото рис. 3) является обеспечение подогрева перегретой воды (температура воды 160-1700С, давление 1,6 МПа) в автоклавном производстве на резинотехническом заводе. Так, несмотря на периодические резкие падения давления перегретой воды в замкнутом контуре на 0,2-0,4МПа (период заполнения автоклава), УМПЭУ работал устойчиво, без пульсаций. Срок окупаемости составил 4 месяца.
На ряде предприятий УМПЭУ окупились за один отопительный сезон. Например, УМПЭУ производительностью по воде 700 т/час (расход пара 29-32 т/час) окупился в ОАО "Балаковорезинотехника" за один отопительный сезон, экономический эффект составил 2500 тыс. рублей в год.
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.
С экономической точки зрения наиболее эффективно применение УМПЭУ для утилизации отработавшего пара. При утилизации конверторного пара на Нижнетагильском металлургическом комбинате (использовался УМПЭУ условным диаметром Ду300 мм) получено 6 руб. экономии на каждый рубль внедренческих затрат. Ранее этот пар (до 35 т/час) сбрасывался в атмосферу через свечи, теперь используется в системе теплоснабжения комбината и города, при этом УМПЭУ установлен вне помещения котельной.
В процессе эксплуатации УМПЭУ в системе теплоснабжения выявлен факт, когда требуемый режим теплоснабжения обеспечивался при температуре наружного воздуха до-300С (ОАО "Балаковорезинотехника").
Оптимальный подогрев воды одним УМПЭУ, обеспечивающий его бесшумную работу, составлял в среднем 300С (коэффициент инжекции около 0,06). Для подогрева воды на интервал более 300С используется двухступенчатая схема ввода пара с последовательной установкой УМПЭУ в линию или "калачом" (подогрев достигал 60-650С).
Запуск УМПЭУ не сложнее, чем запуск бойлеров, при этом УМПЭУ выходит на рабочий режим за несколько секунд. Особенности конструкции УМПЭУ обеспечивают отсутствие накипеобразования, а при необходимости процесс очистки предельно прост, так как УМПЭУ имеют простые разборные конструкции.
В отличие от бойлеров, при работе УМПЭУ в открытой системе отопления, весь конденсат уходит на подпитку сети. Как следствие, возрастает нагрузка на ХВО, поскольку необходимо умягчать большее количество сырой воды, то есть увеличивается расход поваренной соли на регенерацию Na-катионитовых фильтров. Расход соли составляет примерно один килограмм на каждую тонну умягченной воды. Дополнительный расход воды на последующую промывку фильтров составляет до 20% от количества умягченной воды. Возникает вопрос: будет ли экономичен УМПЭУ в этих условиях?
Произведенные расчеты доли затрат на соль, отнесенной к экономии тепла при замене бойлера на УМПЭУ, приведенной к 1 тонне пара, показывают эффективность предлагаемого способа. Причем, расчетный показатель эффективности увеличивается по мере роста накипеобразования в традиционных системах. Эффект будет еще больше, если в расчеты внести затраты на чистку, ремонт бойлера и замену трубных пучков.
Журнал "Ростехнадзор.Наш регион". №6 2006
Статья взята с сайта www.energopress.ru