Каменные топоры больше не используются. Мотыги, вероятно, тоже. Коромысла лежат в музеях. Но не стоит думать, что современные технологии полностью вытеснили прошлый век. Вовсе нет. Он повсюду. Особенно в пароконденсатных системах. Сегодня поговорим о возврате конденсата.
Казалось бы, тема раскрыта. Никто вовсе и не спорит, что возвращать конденсат не только можно, но и необходимо. Однако, как показывает практика, не все и не всегда возвращают конденсат в котельную. А если возвращают, то методы возврата конденсата до сих пор являются довольно архаичными. То есть сопряженными с потерями, которых можно избежать или по крайней мере существенно снизить. Разумеется, возвращать конденсат хоть каким-то способом лучше, чем вовсе не возвращать. Но стоит учесть, что потери тепловой энергии при возврате конденсата тоже присутствуют. Некоторые способы перекачивания могут быть просто менее эффективными по сравнению с более продвинутыми технологиями.
Поговорим об эволюции способов возврата конденсата. Полагаем, некоторые пользователи увидят, что остановились на какой-то ступени. И это тоже неплохая новость, потому что в этом случае могут открыться новые горизонты развития.
Несколько слов про концепцию передвижения энергии в пароконденсатных системах. Пар вырабатывается в паровом котле. В котел поступает вода. В котле сжигается топливо. Энергия топлива передается воде, которая закипает в котле и превращается в пар.
Энергия пара состоит из двух частей:
• теплосодержание воды. Чтобы нагреть воду до температуры кипения, ей необходимо передать определенное количество энергии. Нагретая до температуры кипения вода содержит определенное количество тепловой энергии;
• скрытая теплота парообразования. Чтобы нагретая до температуры кипения вода превратилась в пар, ей необходимо передать еще большее количество тепловой энергии. Эта энергия называется скрытая теплота парообразования.
Полное теплосодержание пара равно сумме теплосодержания воды и скрытой теплоты парообразования. Запомним этот тезис.
Пар выходит из парового котла и направляется к потребителю. Конденсируясь в теплообменном аппарате, пар отдает нагреваемому продукту скрытую теплоту парообразования. На этом процесс полезной передачи энергии заканчивается. Но энергия еще остается. Где же она? Она в конденсате. Из теплообменника выходит конденсат. Конденсат – это горячая вода, которая имеет все то же теплосодержание, как перед ее превращением в пар. Но есть небольшая проблема. Теплосодержание воды при температуре кипения зависит от давления. И действительно, чем выше давление, тем выше температура кипения и тем выше теплосодержание воды (рис.1). Теплообменник находится под давлением пара. Следовательно, конденсат, образовавшийся внутри теплообменника, имеет теплосодержание, соответствующее давлению в теплообменнике. То есть попади этот конденсат прямо в котел, то котлу необходимо было бы просто добавить в него скрытую теплоту парообразования для его превращения снова в пар. Проблема заключается в том, что, как только конденсат выходит из теплообменника через конденсатоотводчик, он попадает в пространство с более низким давлением. Стало быть, его теплосодержание изменяется и приходит в соответствие с давлением пространства, где он находится. Теплосодержание конденсата при низком давлении ниже, чем при высоком.
Возврат конденсата обратно в котел необходим по нескольким причинам:
• конденсат содержит энергию. Если его вернуть в котел, то на его нагрев и превращение в пар потребуется меньшее количество энергии, если бы вместо конденсата в котельную пришла холодная вода.
• конденсат – это химически подготовленная вода. Если его возвратить, не требуется брать сырую воду и готовить ее для подачи в котел.
Не будем сейчас приводить численные экономические аргументы для доказательства необходимости возврата конденсата. Скажем только, что возврат экономически обоснован в подавляющем большинстве случаев.
Получается, что даже если реализовать возврат конденсата в котельную, в зависимости от давления и температуры возвращаемого конденсата количество энергии в нем может быть различным. Мы помним, что задача состоит в том, чтобы вернуть обратно в котельную как можно больше энергии, то есть горячего конденсата. Значит, необходимо, чтобы конденсат эту энергию не растерял по дороге. Потеряться энергия может в виде пара вторичного вскипания, о котором мы упомянули выше. Также конденсат может остыть из-за теплопотерь в окружающую среду через стенки оголенных или плохо изолированных трубопроводов и запорной арматуры. Что и происходит достаточно часто.
На рис. 2 изображены теплообменники высокого и низкого давления пара. На выходе теплообменников нет конденсатоотводчиков. Конденсат сливается в канализацию. Слово «конденсат», правда, тут неуместно, потому что вместе с конденсатом выходит пролетный пар. Потери пара в этом случае могут быть ужасающими. Например, 15…40 %. Есть староверы на предприятиях, которых это не только не сильно волнует, они еще и деловито объясняют причины такого положения вещей. Перечисление причин заняло бы пару страниц, и, поверьте, читались бы они не хуже любого романа. Просто констатируем величину потерь. Кроме потерь пара, потери конденсата и пара вторичного вскипания. В зависимости от ситуации пользователь может «гасить» горячий конденсат с паром холодной водой для того, чтобы система канализации не подвергалась воздействию высокой температуры. Не стоит объяснять, что в этом случае к обозначенным потерям добавляются потери воды.
На рис. 3 видим развитие технической мысли. Это, конечно, присутствие конденсатоотводчиков. Их значение трудно переоценить. И правда устройство, стоимостью 30…200 тыс. рублей за три месяца окупает себя, а затем просто выполняет роль печатного станка по сравнению с ситуацией на рис 2. Конденсат не возвращается, и мы его относим к потерям.
Рис. 4. показывает, как конденсат от теплообменника пара высокого давления направляется в котельную под собственным давлением. Давления пара теплообменника низкого давления недостаточно, и он сливается в канализацию.
На рис. 5 продемонстрировано развитие идеи возврата конденсата в котельную. Конденсат от обоих потребителей собирается в конденсатный бак и оттуда перекачивается электрическим насосом. Конденсатные баки с электрическими насосами всегда имеют довольно крупные размеры. Бак должен вмещать достаточный запас конденсата, чтобы насос не работал в «звонковом» режиме и не включался часто. Кроме того, бак оснащается системой управления уровнем, собственным щитом управления насосами. Бак открытый, соединен с атмосферой, и пар вторичного вскипания теряется, безвозвратно уходя в атмосферу. Может показаться, что потери невелики. Однако вряд ли кто скажет, что, к примеру, потери 8 % в виде пара вторичного вскипания от 1000 кг/ч конденсата – это пренебрежимые потери. Разве что старовер.
Рис. 6 содержит ту же концепцию, что и рис. 5, с той разницей, что перекачивание конденсата осуществляет механический насос. Он приводится в действие подводимой извне движущей средой. В качестве движущей среды можно использовать пар или сжатый воздух. Чаще всего применяется пар, поскольку он более доступен. Система открытая, и пар вторичного вскипания теряется. Преимущество механического насоса в том, что он не требует наличия бака, системы управления уровнем и вообще никакого КИПиА, кроме манометров. Механические насосы занимают исключительно мало места. На рис. 10 изображена станция сбора и возврата конденсата производительностью 12 т/ч.
Разумеется, пар вторичного вскипания вовсе не обязательно скидывать в атмосферу. Систему можно превратить из открытой в закрытую (рис. 7). Термокомпрессор выполняет функцию редукционного клапана и насоса, который высасывает пар вторичного вскипания. Пар вторичного вскипания не теряется, а используется в теплообменнике низкого давления. Расход пара от котельной снижается за счет использования пара вторичного вскипания. Потребитель получает тепла столько же, сколько и ранее. Недостаток системы в том, что приходится иметь две линии конденсата: высокого давления и низкого.
На рис. 8 дальнейшее развитие концепции. Термокомпрессор работает как утилизатор уже всего пара вторичного вскипания от обоих теплообменников. Перекачивание конденсата производится одним перекачивающим конденсатоотводчиком. Требуется всего одна конденсатная линия. Система проще и эффективнее.
Последний на сегодня вариант – возврат конденсата от потребителя пара высокого давления непосредственно в котел (рис. 9). Не в конденсатный бак котельной, не в деаэратор, а именно в котел. При возврате конденсата в конденсатные баки или деаэратор проблема пара вторичного вскипания не исчезает. Она переносится от потребителей в котельную. И уже там необходимо предусматривать средства для его полезного применения. Возврат горячего, не вскипевшего конденсата непосредственно в котел эту проблему снимает. Пожалуй, это лучшее, что можно сделать с конденсатом.
Из перечисленных восьми вариантов организации систем пароиспользования первые четыре являются самыми распространенными. Эти данные получены по результатам посещения промышленных предприятий на протяжении последних 22 лет. Древние представления о том, как можно работать с паром, порождают точно такие же системы. Процесс внедрения современных технологий неумолимо движется вперед. Но может двигаться гораздо быстрее. Оставаться в лавке древностей интересно, но уж точно интереснее выйти из нее, чтобы жить и работать в настоящем.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, №5 (74)
