Примерами систем являются живые существа, компьютеры, экономические структуры, большинство механизмов, транспортные средства, технологические установки и т.д. Для каждого из этих примеров важным является наличие элементов, объектов, отношений, связанных между собой и вместе представляющих обособленно функционирующее единое целое.
Пароконденсатная система (ПКС) укрупненно состоит из трех частей: источник (котельная), сети (паропроводы и конденсатные линии) и потребители (технологические и/или вспомогательные систем). В ПКС так же есть элементы и подсистемы (компоненты). Это система деаэрации, основной элемент которой деаэратор. Система питания котла с питательными насосами. Собственно котел. Система поддержания уровня воды в котле. Система продувки котла. По отношению к предприятию эту часть ПКС обычно рассматривают отдельно и называют котельной. Далее можно выделить систему парораспределения, подсистемы паропотребления, систему сбора и возврата конденсата. Рассмотрим подробнее каждую из перечисленных подсистем.
Система деаэрации
Если на паропроводе при вскрытии фильтра или конденсатоотводчика внутри окажется ржавчина, как на Рис. 1А, рыжая, рыхлая, крупными фрагментами, то дела совсем плохи. Деаэратор, можно сказать, не работает – не удаляет кислород. А это его основная функция. Кислород в большом количестве с питательной водой попадает в котел.
Рис. 1. Два вида ржавчины
Из воды в барабане котла - в пар, а затем вместе с паром в паропровод. И вот весь паропровод изнутри разрушается из-за коррозии и покрывается ржавчиной. Она представляет собой трехвалентный оксид Fe2O3. На стенках трубопровода растет корка неравномерной толщины, и постепенно происходит отслоению пораженных участков от основного металла. Оторвавшиеся куски ржавчины летят по трубопроводу, забивают фильтры, клапаны, конденсатоотводчики.
Когда ржавчина имеет вид, как на Рис. 1 Б, дела несколько лучше. Скорее всего колонка в деаэраторе работает, а вот барботаж в баке не обеспечивает удаление оставшегося кислорода и углекислоты. При недостатке кислорода и высокой степени сухости пара образуется четная ржавчина, представляющая собой двухвалентный оксид железа FeO. Процесс протекает медленно, с образованием мелких частиц, вызывающих постепенный износ оборудования.
Не будет преувеличением сказать, что деаэратор, рис. 2, это тот элемент ПКС от которого во многом зависит ее «здоровье». Фильтры и сепараторы конечно, тоже важны, но начинать нужно с наладки деаэратора.
Рис. 2. Атмосферный деаэратор. Общий вид
Система питания котла
Давление питательной воды должно быть больше давления пара. Иначе она просто не попадет в котел. Это обеспечивает питательный насос. Для работы котла при определенном давлении пара, но при изменяющейся паропроизводительности необходимо, чтобы насос обеспечивал подачу в широком диапазоне и при низкой и при пиковой нагрузке.
Вода поступает в насос из деаэратора. Как правило, ее температура составляет 104 гр. Цельсия. Не каждый насос подойдет для надежной работы в таких условиях. У него должен быть вполне определенный кавитационный запас. Материал и форма рабочего колеса, частота его вращения, конструкция уплотнения вала насоса – все эти факторы имеют важное значение.
Привод насоса может иметь частотное регулирование, при котором обеспечивается работа в оптимальной точке рабочей характеристики и снижается расход электроэнергии.
В системе питания может быть регулирующий клапан. От его пропускной способности и характеристик его привода зависит устойчивость системы и качество регулирования.
Добавим к этому датчики, контроллеры, пускатели, и получим систему автоматики, которая будет частью системы питания котла.
Паровой котел
Самыми распространенными на предприятиях являются паровые котлы барабанного типа. А между тем сейчас имеется лучшая альтернатива.
Это прямоточный паровой котел, рис. 3. Его широкое применение стало возможным в настоящее время. Это связано с появлением автоматизированных промышленных систем водоподготовки на основе обратного осмоса. Обратный осмос для котельной способен решить ряд важных задач:
- Получение питательной воды и пара высокого качества.
- Снижение концентрации кислот, газов, щелочей.
- Удаление солей - фторидов, железа, хлоридов, сульфатов.
Для паровых котельных использование обратного осмоса финансово более выгодно, чем применение иных способов очистки, обессоливания, умягчения. Обратноосмотические стоки намного чище - не будет экологических проблем. А с прямоточным котлом не будет проблем с постоянной и периодической продувкой.
Рис. 3 Схема управления прямоточного котла
Особенности и преимущества прямоточного котла:
- надежная простая конструкция
- быстрый пуск и останов без ограничения числа циклов
- интегрированный экономайзер
- работа парогенератора в полностью автоматическом режиме без постоянного присутствия оператора
- эшелонированная система безопасности
- бесступенчатое управление мощностью парогенератора
- интеллектуальное управление горелкой
- частотное управление насосом подачи воды на змеевик
- автоматическая подпитка встроенного экономайзера
- управление внешними баками воды и топлива
- управление параметрами теплоносителя
- диспетчеризацию любого уровня
Продувка котла
Если используется паровой котел барабанного типа, то на дне барабана скапливаются в виде осадка выпавшие нерастворимые соли и шлам. Для удаления такого осадка используется процесс, называемый нижней или периодической продувкой котла. Нижнюю продувку можно выполнять вручную или автоматически по таймеру. Эту процедуру обычно выполняют дважды в сутки.
При испарении в котловой воде остаются и другие загрязнения в форме растворённых веществ. По мере того, как котёл производит пар, концентрация таких веществ в котловой воде увеличивается, поэтому, чтобы уменьшить их концентрацию, из котла нужно регулярно удалять часть воды. Это называется постоянной продувкой. Такой процесс может выполнять система автоматической продувки, в состав которой входит установленный внутри котла или вынесенный за его пределы датчик, контроллер и клапан. Система постоянно измеряет уровень солесодержания в котловой воде. Как только уровень достигает определённого значения, контроллер подаёт сигнал, по которому продувочный клапан открывается на определённое время. Часть воды удаляется из котла, и взамен в котёл добавляется такое же количество свежей питательной воды, содержащей гораздо меньше растворённых солей. В результате общий уровень солесодержания в котле уменьшается.
Контроль уровня
Если не обеспечить надёжный контроль уровня воды в барабанном котле, результаты могут оказаться катастрофическими. Если уровень воды ниже авариного, трубы котла перегреются, что приведёт к взрыву. Если же уровень воды поднимется слишком высоко, возникнет опасность ее попадания в паропровод, из-за чего возникнет угроза его разрушения при гидроударе.
Поэтому в котлах барабанного типа используются автоматические средства контроля уровня. Для контроля уровня воды обычно используются специальные датчики. В зависимости от уровня, контроллер подаёт сигнал системе подпитки. Датчики также настроены на уровни, на которых активируются аварийные сигналы по низкому и высокому уровню воды.
Система парораспределения
В зависимости от типа и конструкции котла влажность пара на выходе из него обычно составляет от 1 до 5%. Полученный в котле пар обычно имеет давление 13 бар. Это значение соответствует оптимальной плотности пара для его транспортировки по трубам. При конденсации пара его объем резко уменьшается, влажность растет, что приводит к локальному снижению давления. Такое падение давления в трубопроводе приводит к тому, что пар движется по трубам из-за наличия перепада давления.
Произведённый в котле пар необходимо передать по трубопроводам к месту его использования. Сначала пар попадёт в один или несколько главных паропроводов, по которым он подаётся от котла в направлении системы, для работы которой он потребуется. Затем по нескольким трубам меньшего диаметра пар распределяется по паропотребляющему оборудованию.
При высоком давлении пар занимает меньше места, так как его плотность выше. Чем выше давление, а соответственно и плотность, тем меньшего диаметра трубы нужны для транспортировки одного и того же количества пара в тоннах.
Важно чтобы вышедший из котла пар достиг потребителя в требуемом состоянии. Для этого трубы, по которым течет пар, обычно оборудуются фильтрами, сепараторами конденса- тоотводчиками.
Фильтр, рис. 4, представляет собой корпус с установленной внутри сеткой. Пар свободно протекает через ячейки этой сетки, а твёрдые частицы сеткой задерживаются. Каждый фильтр нужно регулярно чистить – иначе он засорится. Твёрдые частицы необходимо удалять из потока пара, так как они могут повредить арматуру и оборудование.
Рис. 4. Фильтр
Для того чтобы пар максимально эффективно переносил тепло, он должен быть как можно более сухим. Сепаратор, рис. 5, представляет собой установленное на трубе приспособление, изменяющее направление движения пара. Влажный пар оставляет в сепараторе содержащиеся в нем капельки влаги, которые стекают на дно и удаляются. Сухость пара на выходе сепаратора составляет 99%.
Рис. 5. Сепаратор
Когда пар попадает в главный паропровод при запуске паровой системы стенки трубы могут быть холодные, поэтому конденсация пара идет очень интенсивно и образуется большое количество конденсата. Значительно уменьшить потери тепла можно тепловой изоляцией паровых труб. Конденсация пара начинает происходить сразу, как только пар покидает котёл. Конденсат из паропровода должен удаляться. Скопившийся в трубопроводе конденсат может вызвать опасный для оборудования гидравлический удар. Конденсатооводчики, рис. 6, специально предназначены для удаления конденсата.
Рис. 6. Конденсатоотводчик
Система паропотребления
Пар в котле обычно имеет высокое давление, которое в месте использования необходимо снижать до требуемого по условиям технологического процесса или по имеющимся температурным ограничениям. Давление пара снижается при помощи редукционного клапана, рис. 7.
Рис. 7. Редукционный клапан с интегрированным сепаратором, фильтром и конденсатоотводчиком
В любой системе, которая использует пар, необходимо управлять расходом пара. Для управления расходом пара используются регулирующие клапаны с приводом. Состояние технологического процесса контролируется датчиком, который передаёт информацию контроллеру. Контроллер сравнивает условия технологического процесса с заданными значениями и и вырабатывает управляющий сигнал для привода, а привод, в свою очередь, меняет положение штока клапана.
Система возврата конденсата. Образующийся конденсат, как правило, отводится из оборудования с помощью конденсатоотводчика в конденсатную систему. Если конденсат загрязнён, то он может сливаться в дренаж. Если же конденсат чистый, содержащееся в нем тепло еще можно использовать, если вернуть его в деаэратор. Это также позволит сэкономить воду и средства, расходуемые на подготовку воды. Для возврата конденсата в котельную используют станции возврата конденсата с электрическими или механическими насосами. рис. 8.
Рис. 8. Механический насос производительностью 9 тонн в час
Внимательное отношение к каждому элементу ПКС и ко всей системе в целом – непременное условие ее надежной и эффективной работы.