Введение. Актуальность и задачи проектирования деаэрационной установки
Коррозионная активность растворенных в воде газов, в первую очередь кислорода (O₂) и углекислого газа (CO₂), представляет собой одну из ключевых проблем в теплоэнергетике. Их присутствие в питательной воде котлов и тепловых сетях приводит к интенсивному окислению металлических поверхностей, что снижает срок службы оборудования, провоцирует аварии и увеличивает эксплуатационные расходы. Поэтому эффективное удаление этих газов, или деаэрация, является критически важной задачей для обеспечения надежности и долговечности всей теплоэнергетической системы.
Целью данной курсовой работы является комплексное проектирование и расчет ключевого элемента системы — деаэрационной колонки для установки повышенного давления ДП-500. Для достижения этой цели необходимо последовательно решить следующие задачи:
- Изучить теоретические основы процесса термической деаэрации воды.
- Провести тепловой, гидравлический и механический расчеты основных элементов колонки, основываясь на нормативных методиках.
- На основе полученных данных разработать конструкцию внутренних устройств и корпуса аппарата.
- Сформировать итоговые технические характеристики спроектированного оборудования.
1. Теоретические основы процесса термической деаэрации воды
В основе работы большинства промышленных деаэраторов лежит термический метод. Его физический принцип базируется на фундаментальном законе Генри, согласно которому растворимость газов в жидкости прямо пропорциональна их парциальному давлению над жидкостью. При нагреве воды до температуры насыщения (кипения) давление водяного пара над ее поверхностью стремится к общему давлению в аппарате, а парциальное давление растворенных газов падает практически до нуля. Это создает условия для их интенсивного выделения из жидкости.
Для максимальной эффективности в современных деаэраторах применяется двухступенчатая схема дегазации, включающая струйную и барботажную ступени.
- Струйная ступень: Исходная вода подается в верхнюю часть колонки и через систему перфорированных тарелок стекает вниз в виде тонких струй. Навстречу этому потоку поднимается пар. В струях происходит интенсивный нагрев воды почти до температуры насыщения, что приводит к выделению основной, наиболее грубой массы растворенных газов.
- Барботажная ступень: Вода, прошедшая струйную обработку, попадает на специальную барботажную тарелку, где через слой воды пропускается пар. Этот процесс «промывки» воды паром обеспечивает тонкую доводку и удаление остаточных микроколичеств газов.
Такая комбинированная схема позволяет достичь нормативных показателей качества деаэрированной воды, при которых остаточное содержание кислорода не превышает 10-50 мкг/дм³, что является стандартом для надежной эксплуатации энергетического оборудования.
2. Описание конструкции и принципа действия деаэратора ДП-500
Объектом нашего проектирования является деаэратор повышенного давления ДП-500. Это установка с производительностью 500 тонн в час (т/ч), работающая при избыточном давлении около 0.7 МПа, что соответствует температуре насыщения примерно 164°C. Конструктивно он состоит из двух основных узлов: вертикальной деаэрационной колонки, где непосредственно происходит процесс удаления газов, и горизонтального деаэраторного бака, который служит для накопления и выдержки деаэрированной воды.
Принцип действия установки основан на противотоке воды и пара в комбинированной струйно-барботажной схеме.
Вода, подлежащая деаэрации, подается в верхнюю часть колонки, где последовательно проходит струйную и барботажную ступени. Из колонки вода стекает в бак, откуда после выдержки отводится потребителю. Основной поток греющего пара подается в паровое пространство бака, откуда поступает в колонку. Проходя сквозь отверстия барботажной тарелки, пар интенсивно обрабатывает находящуюся на ней воду. Затем пар направляется в струйный отсек, где нагревает входящую воду, конденсируется, а оставшаяся парогазовая смесь (выпар) отводится из верхней части колонки.
Эта проверенная схема обеспечивает высокую эффективность массообмена и позволяет стабильно получать воду требуемого качества при различных режимах нагрузки.
3. Формирование исходных данных для проектировочного расчета
Любой инженерный расчет начинается с определения исходных данных. Эти параметры являются фундаментом всего проекта, и от их точности зависит корректность конечных результатов. Для проектирования деаэрационной колонки ДП-500 нам потребуются следующие ключевые величины:
- Производительность установки: 500 т/ч
- Давление греющего пара: 0.7 МПа
- Температура исходной воды: (задается в соответствии с тепловой схемой, например, 104°C)
- Требуемое остаточное содержание кислорода: < 20 мкг/дм³
Вся методика дальнейших вычислений регламентируется отраслевыми нормативными документами, основным из которых является РТМ 108.030.21-78 «Деаэраторы термические. Методика расчета». Этот документ содержит все необходимые формулы, коэффициенты и рекомендации для выполнения проектировочных расчетов.
4. Выполнение тепло-гидравлического расчета струйных и барботажного отсеков
Тепло-гидравлический расчет является сердцем курсовой работы. Его цель — определить ключевые геометрические и режимные параметры, обеспечивающие заданную производительность и эффективность деаэрации. Расчет выполняется в несколько логических этапов.
1. Расчет материального и теплового баланса. На первом шаге составляются уравнения, связывающие потоки и энтальпии (теплосодержание) входящей воды, греющего пара и выходящей деаэрированной воды. Решение этих уравнений позволяет определить главный параметр — расход греющего пара, необходимого для нагрева всего объема поступающей воды до температуры насыщения.
2. Расчет струйного отсека. Основываясь на нормативных рекомендациях по скоростям потоков, определяются:
- Оптимальные скорости пара и воды в отсеке.
- Требуемая площадь живого сечения отсека.
- Расчетный диаметр струйного отсека, который и станет основой для диаметра всей колонки.
Этот этап гарантирует, что не будет ни срыва струй из-за слишком высокой скорости пара, ни их затопления.
3. Расчет барботажного отсека. Для этой ступени ключевыми параметрами являются:
- Высота слоя воды на барботажной тарелке.
- Площадь сечения и количество отверстий в тарелке для равномерного прохода пара.
Правильный расчет барботажного устройства обеспечивает эффективную «доводку» деаэрации без избыточного гидравлического сопротивления. Каждый шаг расчета использует эмпирические формулы и критерии из РТМ, что позволяет получить надежные и проверенные на практике результаты.
5. Конструирование основных элементов деаэрационной колонки
После того как тепло-гидравлический расчет дал нам ключевые цифры (диаметры, площади, расходы), мы переходим от вычислений к физической геометрии — конструированию. На этом этапе абстрактные параметры превращаются в чертежи и спецификации.
Основными элементами, которые необходимо спроектировать, являются:
- Корпус колонки: Его внутренний диаметр принимается на основе расчетного диаметра струйного отсека с учетом технологических зазоров. Общая высота определяется суммой высот струйного и барботажного отсеков, а также сепарационных зон.
- Внутренние тарелки струйного отсека: Разрабатывается конструкция верхней и нижней перфорированных тарелок. Рассчитывается количество и диаметр отверстий для равномерного распределения воды в виде струй.
- Барботажная тарелка: На основе расчета определяется ее тип (чаще всего провальная) и конструктивное исполнение, обеспечивающее стабильный слой воды на тарелке.
- Гидрозатвор пароперепускного устройства: Это важное устройство, которое позволяет части пара проходить в обвод барботажной тарелки при резком увеличении нагрузки. Его правильная конструкция обеспечивает стабильность работы деаэратора в переходных режимах.
Эффективность всего аппарата напрямую зависит от того, насколько грамотно спроектированы эти внутренние устройства, так как именно они определяют гидродинамику потоков и интенсивность массообмена.
6. Проведение механического расчета элементов, работающих под давлением
Деаэратор ДП-500 является сосудом, работающим под избыточным давлением 0.7 МПа, поэтому обеспечение его механической прочности — это вопрос безопасности. Проверочный расчет на прочность является обязательным разделом проекта.
В первую очередь, определяется расчетное давление. Оно принимается несколько выше рабочего давления с учетом коэффициента запаса прочности. Далее выполняются следующие шаги:
- Расчет прочности цилиндрической обечайки: Используя стандартную формулу для сосудов под давлением, определяется минимально допустимая толщина стенки корпуса колонки.
- Расчет прочности днища и крышки: Для деаэраторов, как правило, используются эллиптические днища. Их толщина также рассчитывается по нормативным методикам для обеспечения прочности в наиболее нагруженных зонах.
- Выбор материалов: На основе рабочего давления, температуры и коррозионной активности среды обосновывается выбор марки стали для корпуса (например, котельная сталь) и внутренних устройств (часто нержавеющая сталь).
Успешное выполнение этого расчета доказывает, что спроектированная конструкция способна безопасно выдерживать все эксплуатационные нагрузки в течение всего срока службы.
7. Расчет массы металла сухой колонки деаэратора
Оценка массы готового изделия — важный технико-экономический показатель, необходимый для планирования производства, транспортировки и монтажа. Расчет выполняется путем декомпозиции всей конструкции на простые геометрические элементы.
Сначала рассчитывается масса каждого элемента отдельно. Для этого объем элемента (полученный из его геометрических размеров) умножается на плотность материала (стали). Затем все результаты суммируются. Примерная структура расчета может быть представлена в виде таблицы.
| Элемент конструкции | Материал | Расчетный объем, м³ | Масса, кг |
|---|---|---|---|
| Цилиндрическая обечайка | Сталь 09Г2С | (значение из расчета) | (рассчитанное значение) |
| Эллиптическое днище и крышка | Сталь 09Г2С | (значение из расчета) | (рассчитанное значение) |
| Комплект тарелок и внутренних устройств | Сталь 12Х18Н10Т | (значение из расчета) | (рассчитанное значение) |
| Итоговая масса сухой колонки: | (суммарное значение) | ||
8. Формирование итоговых технических характеристик спроектированного аппарата
Завершающим этапом проектной части работы является сведение всех ключевых расчетных и конструктивных параметров в единый документ — паспорт технических характеристик. Это позволяет наглядно представить итоги проектирования.
| Параметр | Значение |
| Производительность | 500 т/ч |
| Рабочее давление | 0.7 МПа |
| Рабочая температура | 164 °C |
| Расход греющего пара | (значение из расчета) т/ч |
| Внутренний диаметр корпуса | (значение из расчета) мм |
| Высота корпуса | (значение из расчета) мм |
| Масса сухой колонки | (значение из расчета) кг |
| Остаточное содержание O₂ в деаэрированной воде | не более 20 мкг/дм³ |
Заключение. Итоги проектирования и вопросы безопасности эксплуатации
В ходе выполнения данной курсовой работы был пройден полный цикл проектирования деаэрационной колонки повышенного давления ДП-500. Начиная с анализа теоретических основ процесса деаэрации, были последовательно выполнены тепло-гидравлический, конструктивный и механический расчеты, а также определена масса изделия и его итоговые технические характеристики.
Главным выводом работы является то, что спроектированная на основе нормативной методики РТМ 108.030.21-78 конструкция деаэрационной колонки полностью соответствует заданным требованиям по производительности и обеспечивает необходимое качество деаэрации воды, что является залогом надежной защиты оборудования от газовой коррозии.
Особого внимания заслуживают вопросы безопасности. Эксплуатация сосуда под давлением требует строгого соблюдения правил и норм. Спроектированная установка должна быть оснащена всеми необходимыми защитными устройствами, включая предохранительные клапаны для защиты от превышения давления и указатели уровня для предотвращения как переполнения, так и осушения аппарата. Регулярный контроль и своевременное обслуживание этих систем являются ключевым условием безаварийной работы всего энергетического объекта.
Список использованной литературы
- Тепломеханическое и вспомогательное оборудование тепловых электростанций / сост Н.Н Галашов; Томский политехнический университет.-Томск- 2010-245 с.
- Калькулятор воды и водяного пара Water Steam Pro
- РД 34.40.502-92. Типовая инструкция по обслуживанию деаэрационных установок энергоблоков мощностью 150-800 МВт КЭС и 110-250 МВт ТЭЦ
- ГОСТ 1050-88 Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия
- РД 34.40.101. Руководящие указания по проектированию термических деаэрационных установок питательной воды котлов