При визите на промышленное предприятие главный энергетик или инженер обычно предлагает начать осмотр пароконденсатной системы с котельной. Приходится вежливо соглашаться. Хотя, по правде сказать, это не самое интересное место с точки зрения решения производственных проблем, связанных с нагревом. Если производительности котлов хватает для нужд производства и пар поступает без перебоев, то, кроме начальника котельной и пары инспекторов надзорных органов, никто туда и не ходит. Кто там постоянно живет – это только кошки. Являясь сердцем пароконденсатной системы, котельная, однако, не имеет иных важных функций, таких как отвод конденсата, обеспечение равномерного нагрева поверхности теплообмена, утилизация пара вторичного вскипания и пр. Это хорошо понимают производственники и инженеры, разрабатывающие схемные решения обвязки технологического оборудования. Именно оно приносит деньги заводу. На нем производится конечный продукт. Производственники порой буквально живут возле технологического оборудования, следя за тем, чтобы нагрев не прекращался и был максимально эффективным.
Рассмотрим основные критические факторы, влияющие на теплообменные процессы в технологических установках. Анализируя статистику обращений со стороны персонала, эксплуатирующего паровое теплообменное оборудование, можно без труда определить, что большинство проблем с нагревом возникает со стороны конденсата. То есть на выходе установки. Именно «хвост» системы чаще всего влияет на качество теплообменного процесса и на его работоспособность в принципе.
Для иллюстрации приведем пример, который можно назвать типичным в части понимания, что же именно происходит в системе и как это влияет на нагрев. Это случай из жизни одного из промышленных предприятий. В описании, которое приведено ниже, нет умысла, каким-то образом принизить профессионализм сотрудников завода. Наоборот, мы хотели бы показать, как работала мысль инженеров предприятия, старающихся привести в порядок свою пароконденсатную систему.
На рис. 1 изображены варочные реакторы. Конденсат поступает через конденсатоотводчики в открытый конденсатный бак, откуда откачивается электрическими насосами в котельную. Пар вторичного вскипания безвозвратно теряется. Знакомая схема, не правда ли? Ничем не рискуем, если скажем, что такие схемы применяются в подавляющем большинстве случаев. И горе тому собственнику предприятия, если он про это не знает. Его сотрудники, понимая это или нет, но выкидывают деньги предприятия буквально в воздух. Так и было на предприятии много лет.
Собрать потерянный пар уже невозможно. Однако сделать так, чтобы он не терялся, задача осуществимая. Это и изображено на рис. 2. Именно так поступили специалисты предприятия, чтобы пар вторичного вскипания не пропадал понапрасну. Конденсат после конденсатоотводчиков был направлен в сепаратор пара вторичного вскипания. Расположенный на удалении вспомогательный теплообменник для нагрева воды для нужд другого технологического процесса стал запитываться этим паром вторичного вскипания. Ситуация необычная, так как лучше, чтобы потребители пара вторичного вскипания располагались как можно ближе к источнику. Однако условия могут быть разными… Действительно, чем терять пар вторичного вскипания, который образуется после конденсатоотводчиков, его уместно использовать где-либо, где требуется нагрев, минимизируя или вовсе не применяя при этом свежий пар от котельной. При такой схеме нагрев реакторов подвержен влиянию противодавления, которое формируется в сепараторе пара вторичного вскипания. Чем выше давление в сепараторе, тем лучше для вспомогательного теплообменника. Однако это вредит варочным реакторам. Потому что чем ниже перепад давления на конденсатоотводчиках реакторов, тем хуже отводится конденсат, рубашки подтапливаются, нагрев замедляется. Если снизить давление в сепараторе, пар низкого давления уже не доходит до теплообменника и его никак не использовать. Учитывая, что варочные реакторы работают в разных режимах и не всегда одновременно, нет возможности поддерживать всегда определенное давление в сепараторе пара вторичного вскипания. Обслуживающий персонал вынужден был непрерывно следить за этим давлением, регулируя его величину в зависимости от режимов работы реакторов, пытаясь обеспечить при этом требуемое минимальное давление, подаваемое на удаленный теплообменник. Конечно, при этом не допуская снижения перепада на конденсатоотводчиках, чтобы не остановить нагрев реакторов. Поняв, что такая эксплуатация сопряжена с высокой трудоемкостью и влиянием человеческого фактора, на предприятии приняли решение демонтировать сепаратор пара вторичного вскипания вместе с конденсатоотводчиком. Вместо них установили функциональный аналог в виде горизонтального коллектора.
Поскольку конденсатоотводчика на коллекторе нет, давление в сепараторе не поднимается до критических для реакторов значений, разгружаясь в конденсатном баке. Такой своего рода компромисс позволил по крайней мере гарантировать удовлетворительный нагрев реакторов, при этом позволяя хоть как-то оттягивать пар вторичного вскипания. Однако эти манипуляции привели к другой проблеме. Из-за отсутствия конденсатоотводчика электрические насосы стали получать конденсат с более высокой температурой на режимах, когда давление в коллекторе поднималось выше определенной величины. Насосы стали быстро выходить из строя из-за кавитации. Разумеется, было принято решение заменить их на перекачивающий конденсатоотводчик (рис. 3), поскольку кавитации он не подвержен.
Учитывая конкретные технические условия, остается в запасе решение, которое позволило бы обеспечить независимость варочных реакторов от давления в конденсатной линии и поддерживать давление, которое требуется внешнему теплообменнику. А именно предусмотреть перекачивающие конденсатоотводчики на всех варочных реакторах, а также на сепараторе пара вторичного вскипания (рис. 4). Возможно, к этому придут позже. Хотя это не единственный вариант решения.
Опыт показывает, что довольно часто при обустройстве пароконденсатных систем внимание сфокусировано прежде всего на средствах подачи пара. Среди них сухость пара и применение сепараторов, снижение давления и применение редукционных клапанов, отвод воздуха и пр. Разумеется, в той или иной мере все это важно. Но что всегда критически влияет на теплообменный процесс, так это давление в конденсатной линии. Его еще называют противодавлением. Если 1) давления нет, 2) конденсат идет вниз под уклон 3) в емкость с гарантированным атмосферным давлением, 4) расположенную вблизи от потребителя, то обеспечить нагрев более-менее просто. Но этого мало. Важно не просто нагревать, но делать это с минимальными издержками. Риски потерь тепловой энергии в виде пара вторичного вскипания и просто пролетного пара необходимо максимальным образом сократить. Стоит только поднять давление в конденсатной линии за конденсатоотводчиками, появляется угроза для теплообменного процесса. Задача инженера состоит в решении обеих задач – обеспечить полноценный нагрев и не допускать потерь тепловой энергии. Возможно, читатель будет удивлен, но собственный опыт наблюдений показывает, что манометры на конденсатных линиях отсутствуют более чем в 50 % случаев! Это означает, что пользователи могут просто не знать, какое давление в трубе за конденсатоотводчиками, пытаясь при этом разрешить проблемы с нагревом. На величину давления в конденсатной линии влияет несколько факторов:
• протяженность конденсатопровода;
• расход конденсата;
• давление конденсата перед выпуском из конденсатоотводчика;
• подъем конденсатопровода;
• наличие других источников конденсата, соединенных с этой же линией.
Диаметр конденсатной линии должен быть рассчитан с учетом обозначенных выше параметров. Если диаметр конденсатопровода не соответствует расчетному, проблема с отводом конденсата практически гарантирована. Конденсатная линия только называется конденсатной. Термин несколько вводит в заблуждение неопытных пользователей. На самом деле в конденсатопроводе за конденсатоотводчиками находится пароконденсатная смесь. То есть по-настоящему двухфазная среда. Работать с двухфазными средами всегда сложнее. А если не знать про наличие второй среды, то попросту невозможно. Вероятность ошибиться приближается к 100 %.
Второй фактор, который оказывает значительное влияние, – это места в трубопроводах, где происходит смешивание потоков конденсата с разными давлениями и/или температурами. При встрече таких потоков могут происходить гидроудары и блокировка одного из потоков. В зависимости от параметров блокировки могут быть эпизодическими или постоянными. Конденсат, имеющий более высокое давление, при попадании в трубу с конденсатом более низкого давления вскипает. Происходит резкое увеличение объема среды. Далее пузыри пара вторичного вскипания конденсируются. Обычно это происходит в том же месте. Таким образом, может наблюдаться коллапс системы, локализованный в одном месте. Образование пара вторичного вскипания вызывает рост давления в трубе. Это может блокировать отвод конденсата и, как следствие, вызывать нарушение теплообменного процесса. Кстати, сам характер трубного соединения двух конденсатных линий также влияет на работу обоих конденсатопроводов. Например, встречное движение противопоказано, объединение под прямым углом допускается, а объединение под острым углом рекомендовано.
Эти факторы встречается настолько часто, что подходя к «проблемному теплообменнику», приходится сразу смотреть не на вход, а на выход. В большинстве случаев ответы располагаются именно там. И не всегда эти ответы далеко спрятаны.
К сожалению, бойкие продавцы трубопроводной арматуры в своих каталогах приучили пользователей к типизации технических решений, представляя их как универсальные. Это сильно упрощает жизнь продавцам, но осложняет покупателям. Несмотря на огромное многообразие технических средств и решений, практически любая обвязка теплообменника у многих продавцов арматуры сводится к регулирующему клапану на входе и конденсатоотводчику на выходе. При этом рассуждения ограничиваются лишь выбором нужного размера и типа конденсатоотводчика. Между тем такая компоновка в полной мере подходит не более чем к половине промышленных теплообменных установок. В остальных случаях она работает удовлетворительно. То есть не хорошо и не отлично. Либо так плохо, что пользователь просто открывают обводные линии на конденсатоотводчиках, скрывая этот факт от начальства… Большая ошибка – приводить в каталогах арматуры схемы обвязки без привязки к технологическим установкам и условиям. И серьезная оплошность – использовать эти схемы. Схемы обвязки технологических нагревателей, будь то паровоздушные калориферы, прессы, сосуды с рубашкой и пр., настолько разнообразны и зависимы от технических условий, что просто не поместятся в каталоги с арматурой. Да и не предназначены они для таких каталогов. Более того, любая схема требует должного пояснения и, разумеется, учета технических условий, которые одинаковыми бывают только в грезах пользователей и словах продавца. Универсальное всегда хуже специального. Специализированные схемные решения позволяют выйти на такой уровень работы, который попросту неизвестен многим пользователям. Неизвестность не означает невозможность. И рассматривая незнакомое техническое решение, следует всегда это помнить и иметь в виду.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, №3 (84)
