Главный энергетик предприятия дышит воздухом. Но когда воздух присутствует в паре, главный энергетик нервничает. И не зря. Неконтролируемое присутствие неконденсируемых газов в пароконденсатной системе являет собой дорогостоящую опасность. Проблема проявляет себя медленно. И проблема не выглядит очевидной. Она не видна с первого взгляда. Иногда и со второго.
Что же имеется в виду? Коррозия не происходит быстро. И правда же, трубы стальные, сталь ржавеет. Замедленный нагрев в теплообменнике может показаться нормальным только на том основании, что так было всегда. Можно кивать на обвязку, на операторов, на продукт…
Гидроудары и вовсе можно списать на «особенности всех пароконденсатных систем». Вышедший из строя теплообменник запросто можно причислить к бракованным или просто старым. Из-за чего возникают такие проблемы?
Воздух и неконденсируемые газы. Их количество может быть таким, что это неизбежно себя проявит. Обычно речь идет о кислороде и СO2 . Реальная опасность заключается в присутствии газов в сочетании с конденсатом. Вместе они образуют едкую угольную кислоту.
H2 0 + CO2 = H2 CO3 (угольная кислота)
Многие не только не слышали про угольную кислоту, но и не хотят слышать, считая, что конденсат агрессивен сам по себе. Это не так. Вы наверняка видели ярко-красную внутреннюю поверхность конденсатоотводчика или темно-коричневый конденсат, вытекающий из труб. Это конденсат вместе с железом, попадающим в конденсат из-за коррозии. Между тем природа коррозийной активности конденсата в том числе из-за присутствия угольной кислоты. Агрессивность кислоты такова, что она разъедает трубопроводы и поверхности теплообмена. Страдают не только стальные трубы.
Нержавеющая сталь, в особенности сварные швы, тоже в зоне риска. Кислота является основной проблемой коррозии конденсатных труб, засорения и зарастания механизмов конденсатоотводчиков и других клапанов, утечек теплообменников. Конечно, железо корродирует в воде и в отсутствии кислорода, но угольная кислота значительно ускоряет этот процесс.
Вместе с паром из котла в газообразной форме выходит О2 и СО2 . Это соединение растворяется в конденсате, как было указано выше. Конденсат же образуется в процессе теплообмена. С ростом захолаживания конденсата, то есть уменьшением его температуры ниже, чем температура насыщения, ускоряется процесс растворения в этом конденсате углекислого газа (СО2 ), а следовательно увеличивается концентрация образованной угольной кислоты H2 CO3.
Где остывает конденсат? В подтопленных теплообменниках, а также в протяженных конденсатопроводах. Особенно опасными с точки зрения вероятности коррозии являются прерывистые теплообменные процессы. Когда теплообменный процесс остановлен, конденсат остается в конденсатопроводах, остывает и трубы начинают интенсивно коррозировать. Кроме того, охлаждение конденсата может происходить непосредственно в самих теплообменниках. Например, если теплообменник подтоплен.
Но коррозионно-опасный конденсат является лишь одной из проблем, вызываемых воздухом. Есть и другие. Если воздух и неконденсируемые газы не отведены из системы, то их скопление также приносит ощутимые проблемы. Аккумулированные газы занимают объем. Они замещают соответствующий объем, который могли бы занимать пар и конденсат. Когда происходит блокирование воздухом, потоки пара и конденсата в систему и из нее могут быть также заблокированы. Поскольку конденсат не может вытекать, он остывает.
Когда он вступает в контакт с более горячим паром, начинается резкая конденсация, которая в свою очередь вызывает высокие колебания скорости и давления в системе. Мы говорим о гидроударе. Последствия гидроударов могут быть по-настоящему драматичными. Это и разрушения корпусов трубопроводной арматуры, и утечки через резьбовые и фланцевые соединения, и смещение трубопроводов с опор.
Затраты на ремонт в таких случаях могут на порядок превышать затраты на реализацию мер, предотвращающих возникновения гидроударов. Это удивительно, но до сих пор находятся люди, уверенные, что гидроудар – это обычный, нормальный и самое главное обязательный атрибут пароконденсатной системы. Такая позиция заранее оправдывает практически любые последствия гидроударов.
Когда пар заполняет систему, распространяется по трубам, проходит через трубопроводную арматуру, его давление снижается. Диаметры труб, конфигурация запорной арматуры, коллекторы и прочие элементы пароконденсатной системы должны учитывать требование максимально низкого падения давления, насколько это возможно. С давлением снижается и температура. Это может замедлять теплопередачу, а значит потребовать больше пара, что в свою очередь увеличит перепад давления.
Расход пара увеличивается. Скопления воздуха и конденсата снижают теплопередачу, почти так же, как и потери давления. Снижается температура пара, изолируется поверхность теплообмена. Согласно закону Дальтона, давление смеси газов равно сумме их парциальных давлений. В случае смешивания неконденсируемых газов с паром их давление влияет на давление в системе, создаваемое паром, уменьшая его.
Таким образом, имеется прямая зависимость между давлением пара и температурой. Поскольку воздух и неконденсируемые газы не могут конденсироваться, они просто двигаются вместе с паром, пока не достигнут теплообменника. Воздух является хорошим изолятором. Очевидно, что если он присутствует на поверхности теплообмена, то передача энергии замедлена. Ни рис. 1 изображен этот эффект.
Любое снижение способности пара передавать энергию является проблемой. И эту угрозу необходимо исключать.
Откуда берется воздух? Как снизить риски его поступления и какими средствами его удалять, если он присутствует в паре?
Качество водоподготовки паровой котельной – это одно из первых, на что следует обратить внимание. Кислород может поступать вместе с паром, если питательная вода содержит кислород.
Хорошо работающая химическая и механическая деаэрация приводит количество кислорода к минимальному значению. Чем больше возвращается конденсата и меньше поступает подпиточной воды, тем ниже нагрузка на систему деаэрации. Что касается конденсата, то кислород обычно поступает в конденсат простым поглощением. Следовательно, закрытые пароконденсатные системы имеют меньшие риски с точки зрения насыщения конденсата кислородом. Контакт воздуха с конденсатом должен быть сведен к минимуму.
Откуда в паре появляется СО2 , если с работой деаэратора все в порядке? Это следствие остаточной карбонатной жёсткости в питательной воде. Она обусловлена наличием в воде бикарбонатов кальция и магния: Са(НСО3 ) 2 и Mg(HCО3 ) 2 . Величина карбонатной жесткости уменьшается процессе работы котла. При нагреве воды бикарбонаты распадаются, создавая нерастворимые соли. Это ни что иное, как известные всем шлам и накипь. Например, растворенный в воде бикарбонат кальция Са(НСО3 ) 2 при нагреве и кипении воды образует карбонат кальция СаСО3 , в виде отложений на поверхности нагрева.
Выделяющийся углекислый газ СО2 , в дальнейшем вызывает описанную выше углекислотную коррозию. Шлам и углекислый газ образуется непрерывно. Шлам отводится при помощи продувок котла, а углекислый газ необходимо отводить из системы паропроводов.
Небольшие утечки пара через неплотности резьбовых и фланцевых соединений могут быть невидны. Либо они могут игнорироваться. Однако после остановки системы и снятия давления в системе может образовываться небольшой вакуум. Этого достаточно, чтобы воздух извне поступал внутрь паропроводов. Также воздух поступает через прерыватели вакуума. В прерывистых процессах и большом количестве потребителей, оснащенных прерывателями, интенсивность поступления воздуха велика.
Перекачивание конденсата механическими насосами, в которых в качестве движущей среды применяется сжатый воздух, способствует насыщению конденсата кислородом. Нагрузка на средства деаэрации возрастают, качество деаэрации может снижаться. Поэтому применение перекачивающих конденсатоотводчиков вместо механических насосов является более предпочтительным. В перекачивающих конденсатоотводчиках движущей средой является пар. Это ошибка – считать механический насос перекачивающим конденсатоотводчиком. Функционально и технически это разные устройства, хотя внешне почти ничем не отличаются.
Существует отдельный класс клапанов, который называется воздухоотводчик для пара (рис. 2). В проектах часто можно увидеть, что простые вентили или шаровые краны, установленные в верхних точках паровых магистралей и/или на теплообменниках, по ошибке называют воздухоотводчиками. Да, функционально они предназначены для выпуска воздуха. Но нет никакой гарантии, что их вовремя откроют и закроют. Нет даже гарантии, что ими вообще будут пользоваться. Кроме того, сам факт применения ручного труда в виде обходчика паровых сетей является насмешкой над здравым смыслом в XXI веке.
Воздухоотводчик представляет собой автоматический клапан, работающий по принципу разницы температуры насыщения пара и содержащегося в нем воздуха. Клапаном управляет термостатический элемент в виде капсулы со спиртосодержащей жидкостью внутри. Жидкость имеет температуру насыщения несколько ниже температуры насыщения воды (рис. 3).
Термостатическая капсула приводит в движение клапан (рис. 4). Если температура рабочей среды внутри капсулы ниже, чем температура пара, воздухоотводчик идентифицирует среду как воздух и открывает клапан. Воздух выводится туда, откуда пришел, то есть в атмосферу. При повышении температуры в воздухоотводчике жидкость внутри капсулы испаряется; повышенное давление расширяет диафрагму, чтобы закрыть клапан.
Когда температура снижается, наполнитель конденсируется, в результате снижение давления позволяет диафрагме сжиматься и открывать клапан для выпуска воздуха. Важно понимать, что при любом давлении температура срабатывания клапана на выпуск воздуха всегда ниже на несколько градусов, чем температура насыщения пара. Этим достигается отвод воздуха во всем рабочем диапазоне давлений. Не нужно подбирать воздухоотводчик на какое-то определенное давление пара. Достаточно, чтобы рабочее давление входило в диапазон давлений конкретной модели воздухоотводчика.
Воздухоотводчики устанавливаются во всех потенциально опасных местах, где может присутствовать воздух (рис. 5). Это прежде всего верхние точки паропроводов, тупиковые точки и вентиляционные линии кожухотрубных теплообменников. Паровоздушные калориферы могут оснащаться воздухоотводчиками как на входе, так и на выходе. Сложные конфигурации теплообменников, такие как сосуды с паровыми рубашками, должны иметь воздухоотводчики в обязательном порядке. Если на входе в теплообменник установлен прерыватель вакуума, воздухоотводчик также должен быть рядом.
Конечно, безопасная и эффективная работа пароконденсатой системы зависит не только от средств удаления воздуха. Отвод и возврат конденсата, использование пара вторичного вскипания, регулирование давления и температуры и многое другое делают систему наиболее эффективной. А чтобы главный энергетик предприятия дышал свободно, воздух должен находиться в атмосфере. Но не в паре. Тогда вздохнут спокойно и технологи, и собственники предприятия.
Размещено в номере: Вестник арматуростроителя, №1 (70)
