Эффективное использование пара вторичного вскипания

 
А.Г.Шуб
технический директор
ООО «Спиракс-Сарко Инжиниринг»

А.В.Гулаков
руководитель региональных подразделений
«ЦФО», «УФО», «СФО»
ООО «Спиракс-Сарко Инжиниринг»

Образование пара вторичного вскипания
Количество пара вторичного вскипания
Сепаратор вторичного пара
Условия для эффективного использования вторичного пара
Регулирование давления вторичного пара
Последовательное использование вторичного пара
Независимое использование вторичного пара
Система рекуперации тепла продувок котлов
Способы снижения парения из конденсатных баков


Проходя по территории пищевого производства, часто можно увидеть крыши цехов и зданий, над которыми в небо поднимается пар. Это уходит пар из вентиляционных труб конденсатных баков. В настоящее время вопрос полного и эффективного использования тепловой энергии, в частности энергии пара, актуален для всех предприятий, поэтому давайте разберемся, как этот пар образуется и каким образом он может принести пользу. 

Образование пара вторичного вскипания


Естественно, что первым этапом использования насыщенного водяного пара является его полная конденсация в теплообменном оборудовании. Именно во время конденсации пар отдает основное количество тепла, которое он содержит, а именно, теплоту парообразования. Обеспечить полную конденсацию пара и исключить пролетный пар позволяют правильно подобранные и надежно работающие конденсатоотводчики. Не будем касаться вопроса исправности конденсатоотводчиков, предположив, что все они работают должным образом, а рассмотрим использование теплоты, содержащейся в конденсате.
Так как конденсация пара происходит при постоянной температуре, то конденсат представляет собой воду с той же температурой и давлением, что были у пара, из которого он образовался. Таким образом, конденсат содержит достаточно большое количество теплоты, которую можно использовать. Один из способов рекуперации этой теплоты основан на эффекте вскипания жидкости при резком падении давления. Даже вода, находящаяся у вас в стакане при комнатной температуре 20 °С, может вскипеть, если стакан моментально поднять на большую высоту или поместить в камеру с давлением ниже атмосферного. То же самое происходит и с конденсатом, который из зоны до конденсатоотводчика, т. е. из зоны с высоким давлением, мгновенно попадает в зону за конденсатоотводчиком, где давление значительно меньше. Часть конденсата при этом вскипает и превращается в пар, который обычно называют паром вторичного вскипания или вторичным паром.

Вторичный пар можно отделить от конденсата и использовать как обычный пар низкого давления. Каждый использованный килограмм пара вторичного вскипания – это сэкономленный килограмм пара, который должен был бы выработать котел в случае выбрасывания вторичного пара в атмосферу.

Рекуперация пара вторичного вскипания оправдана как с экономической точки зрения, так и с точки зрения сокращения выбросов тепла в окружающую среду.

Количество пара вторичного вскипания


Количество образующегося вторичного пара зависит от разницы давления между зонами высокого и низкого давления. Его можно найти путем расчетов. Для примера рассмотрим варочный котел с паровой рубашкой, в которую подается насыщенный пар давлением 7 бари и температурой 170 °С. Энтальпия конденсата при данных пара метрах равна 721 кДж/кг. В конденсатном трубопроводе давление составляет 0 бари. Соответственно, при этом давлении конденсат будет находиться при температуре 100 °С, и энтальпия конденсата будет равна 419 кДж/кг. Таким образом, имеется разница в 302 кДж, которая и будет затрачена на превращение части конденсата в пар.

Количество вторичного пара можно найти следующим образом:

Для получения 1 кг насыщенного пара при давлении 0 бари требуется 2257 кДж тепла.

Имея излишек тепловой энергии в 302 кДж, можно получить 302: 2257 ≈ 0,134 кг пара на 1 кг конденсата.

Таким образом, из 1 кг конденсата давлением 7 бари будет образовываться 13,4 % или 134 г пара давлением 0 бари.

Если расход пара, а соответственно и конденсата, например, составляет 250 кг/ч, то при данных параметрах мы получим: 0,134 х 250 кг/ч конденсата = 33,5 кг/ч вторичного пара.

Определить количество вторичного пара можно и с помощью графика на рис. 1. Проведя горизонтальную линию от значения давления 7 бари до кривой, соответствующей давлению 0 бари, и спроецировав точку вниз, можно найти количество вторичного пара на 1 кг конденсата высокого давления.



Рисунок 1. Определение количества пара вторичного вскипания

Данный пример идеально подходит для конденсатоотводчиков, которые отводят конденсат сразу при его образовании, например поплавковых конденсатоотводчиков.

Термостатические конденсатоотводчики отводят переохлажденный по отношению к температуре насыщения конденсат. В этом случае количество пара вторичного вскипания будет несколько меньше, чем при отводе конденсата при температуре насыщения.

Если в нашем примере будет отводиться конденсат с температурой на 15 °С ниже температуры насыщения, то получим:

температура насыщения конденсата при 7 бари = 170 °С;
степень охлаждения конденсата ниже точки насыщения = 15°С;
температура отводимого конденсата = 170 – 15 = 155 °С.

Из таблиц состояния насыщенного пара находим:

энтальпия конденсата при 155°С = 654 кДж/кг;
энтальпия конденсата при 0 бари = 419 кДж/кг;
располагаемая энергия = 654 – 419 = 235 кДж/кг;
энтальпия парообразования при 0 бари = 2257 кДж/кг.
количество вторичного пара = 235: 2257 = 0,104 (10,4 %).

Как видно, количество образующего пара на 1 кг конденсата при отводе переохлажденного конденсата составляет 10,4 % против 13,4 % при отводе конденсата с температурой насыщения.

Если конденсатный трубопровод, куда отводится конденсат, находится под давлением, ситуация будет аналогичная.

Предположим, что в нашем примере конденсат сливается в трубопровод с давлением 1 бари, тогда получим:

энтальпия конденсата при 7 бари = 721 кДж/кг;
энтальпия конденсата при 1 бари = 505 кДж/кг;
располагаемая энергия = 721 – 505 = 216 кДж/кг;
энтальпия парообразования при давлении 1 бари = 2201 кДж/кг.
количество вторичного пара = 216:2257 = 0,098 (9,8 %).

Вернуться в Содержание
 

Сепаратор вторичного пара


Для отделения вторичного пара рекомендуется использовать вертикальные сепараторы, представленные на рисунке 2.



Рисунок 2. Сепаратор 

Смесь вторичного пара и конденсата, попадая в сепаратор, разделяется. Конденсат под действием гравитации скапливается в нижней части сепаратора, откуда затем сливается в атмосферный конденсатный бак и далее перекачивается насосом обратно в котельную.

Вторичный пар из верхней части сепаратора поступает к потребителям. Для нормальной работы сепаратора вторичного пара необходимо, чтобы скорость вторичного пара внутри корпуса сепаратора не превышала 3 м/c.

Условия для эффективного использования пара вторичного вскипания


Необходимые и достаточные условия для успешной рекуперации пара вторичного вскипания следующие:
  • Для обеспечения потребителей достаточным количеством вторичного пара расход конденсата высокого давления должен быть постоянен и стабилен.
  • Теплообменное оборудование и конденсатоотводчики должны нормально работать при противодавлении, существующем в сепараторе вторичного пара.
  • Не рекомендуется в качестве источника конденсата высокого давления применять оборудование, расход пара, на котором меняется в широких пределах, например пароводяной теплообменник системы ГВС. В случае снижения тепловой нагрузки, т. е. расхода пара, количество получаемого вторичного пара также упадет.
  • Важно, чтобы потребность в паре низкого давления была равной или превышала возможности образования вторичного пара. Любой дефицит вторичного пара может быть легко компенсирован подпиткой пара высокого давления. Излишки же вторичного пара придется сбрасывать в атмосферу через специальный клапан.
  • Одно из традиционных направлений применения вторичного пара отопление цехов и производственных помещений с помощью паровоздушных калориферов. Однако это актуально только в отопительный в период, а в теплое время года остро встает вопрос об использовании вторичного пара. Более предпочтительно, если это, конечно, возможно, так называемое последовательное использование вторичного пара в том же технологическом процессе, от которого был отведен конденсат высокого давления для получения этого вторичного пара.
  • Еще одним существенным моментом может стать наличие потребителя вторичного пара вблизи источника конденсата высокого давления, так как транспортировать пар низкого давления на большое расстояние представляется проблематичным. Для этого потребуются трубопроводы большого диаметра, что может сделать экономически неоправданным утилизацию вторичного пара вообще.

Регулирование давления вторичного пара


В некоторых случаях, например при последовательном использовании вторичного пара, проблемы с регулированием давления не возникает. Вторичный пар в этом случае используется при том же давлении, при котором он имеется в наличии и в том же самом процессе, из которого отводится конденсат высокого давления. Остается только соединить трубопровод вторичного пара с потребителем низкого давления. 

На рисунке 3. приведена схема использования вторичного пара в многоступенчатом паровоздушном калорифере. Конденсат высокого давления от трех последних секций калорифера отводится в сепаратор. Вторичный пар от сепаратора поступает на первую секцию калорифера, которая играет роль секции предподогрева холодного воздуха. Достаточно большая поверхность теплообмена секции предподогрева в совокупности с низкой температурой холодного воздуха на входе в секцию обеспечат быструю и полную конденсацию вторичного пара низкого давления.



Рисунок 3. Многоступенчатый паровоздушный калорифер

В зависимости от температуры воздуха на входе в калорифер давление конденсации вторичного пара внутри секции предподогрева может оказаться очень низким, вплоть до вакуума. Поэтому, если возможно, сепаратор вторичного пара вместе с конденсатоотводчиком надо располагать как можно ниже относительно калорифера. Это обеспечит дополнительный гидростатический подпор конденсата для его продавливания через конденсатоотводчик. В том случае, если опустить сепаратор достаточно низко не удается, для отвода конденсата от сепаратора может потребоваться использование перекачивающего конденсатоотводчика, способного удалить конденсат от калорифера на любых режимах его работы, в том числе и из-под вакуума.

Если конденсация вторичного пара будет происходить при давлении ниже атмосферного, не лишней будет установка прерывателя вакуума, который располагается на паропроводе непосредственно перед калорифером. Это предотвратит возникновение в секции предподогрева разряжения и обеспечит удовлетворительный отвод конденсата под действием гравитации.

Последовательное использование вторичного пара


Последовательное использование вторичного пара позволяет наиболее полно утилизировать тепло пара. На рис. 4 представлена схема использования паровых радиаторов, применяемых для отопления. Пар высокого давления подается приблизительно к 90% радиаторов, конденсат от которых отводится в сепаратор вторичного пара. Вторичным паром запитываются остальные 10% радиаторов.  

Бывает, что количество вторичного пара недостаточно для запитки, например, двух радиаторов, но для одного радиатора его слишком много. В этом случае может все-таки оказаться выгоднее установить два радиатора и дополнительно подпитывать их паром высокого давления, чем выбрасывать излишки вторичного пара в атмосферу.



Рисунок 4. Схема использования паровых радиаторов

Независимое использование вторичного пара


На рис. 5 представлена схема, в которой вторичный пар используется для подачи независимым потребителям. Источником вторичного пара является конденсат, поступающий в сепаратор от трех варочных котлов и дренажа конденсатопровода высокого давления. Однако он не может использоваться для подогрева еще одного варочного котла просто из-за его отсутствия или слишком низкого давления вторичного пара.

Поэтому он заводится на питание потребителей низкого давления, например, радиаторов отопления. Если имеются излишки вторичного пара, то сброс их в атмосферу рекомендуется осуществлять не через обычный предохранительный клапан, а через клапан, поддерживающий давление “до себя”.

Пружинный предохранительный клапан не предназначен для работы в условиях частых срабатываний, это может привести к быстрому износу пары диск – седло и как следствие утечкам пара. Тем не менее, использование клапана, поддерживающего давление “до себя”, не исключает установку предохранительного клапана на сепараторе. Он играет роль защитного устройства и настраивается на среднее давление между давлением настройки клапана, поддерживающего давление “до себя” и рабочим давлением паровой системы.



Рисунок 5. Подача пара независимым потребителям

В некоторых случаях, например, когда в летнее время необходимость во вторичном паре мала или отсутствует вовсе, можно установить ручной запорный клапан в обвод сепаратора и отправлять смесь конденсата и вторичного пара прямо в вентилируемый в атмосферу конденсатный бак. (Байпасный клапан на схеме не показан.)

Система рекуперации тепла продувок котлов


Система непрерывной верхней продувки парового котла (рис. 6) позволяет поддерживать общее солесодержание котловой воды на заданном уровне. Вода продувки котла через регулирующий клапан системы продувки поступает в сепаратор, в котором происходит отделение вторичного пара от загрязненного конденсата. Получаемый таким способом вторичный пар является достаточно чистым для его дальнейшего использования, например, для подачи в деаэрационную головку деаэратора. Загрязненный конденсат от сепаратора можно сливать в канализацию через пластинчатый теплообменник нагрева холодной воды прошедшей водоподготовку. При такой схеме может быть утилизировано до 80% тепла, содержащегося в воде продувок котла.



Рисунок 6. Непрерывная верхняя продувка парового котла

Способы снижения парения из конденсатных баков


Теперь давайте рассмотрим случаи, когда невозможно избежать образования вторичного пара низкого давления, но не представляется возможным его использование. Вместо того чтобы просто сбрасывать вторичный пар в атмосферу, можно предложить схему, изображенную на рис. 7.

Данное применение может оказаться полезным в том случае, когда нет возможности вывести вентиляционную трубу на улицу, и где вторичный пар поступает из конденсатного бака непосредственно в помещение.

На вентиляционной трубе устанавливается легкая конструкция из нержавеющей стали, представляющая собой цилиндрическую камеру, в которой под давлением через форсунки разбрызгивается холодная вода. Регулирование расхода холодной воды осуществляется с помощью простейшей системы регулирования температуры прямого действия, настроенной таким образом, чтобы из вентиляционной трубы выходило минимально возможное количество вторичного пара. Для конденсации одного килограмма вторичного пара при атмосферном давлении требуется около 6 кг охлаждающей воды.

Если в качестве охлаждающей воды используется чистая прошедшая водоподготовку вода, то она может быть смешана с конденсатом и в дальнейшем использована для подачи в деаэратор и котел. Если же охлаждающая вода не пригодна для дальнейшего применения, может быть предложено альтернативное расположение камеры.



Рисунок 7. Снижение парения

Таким образом, вторичный пар:
  • Образуется при попадании горячего конденсата в зону пониженного давления.
  • Обладает весьма значительным теплосодержанием.       
  • Всегда имеет более низкие параметры, чем конденсат из которого он образовался.
  • Возможно утилизовать при наличии потребителей пара низких параметров, а также расположении источник вторичного пара поблизости от  потребителей.       





Обратитесь к нашим специалистам, чтобы:

  • Получить помощь в подборе оборудования
  • Организовать визит инженера Spirax Sarco на Ваше предприятие
  • Узнать об оборудовании и его применении
  • Сделать заказ