Деаэратор: как он устроен, как работает и чем атмосферный отличается от вакуумного

Растворённые в питательной воде кислород и углекислый газ незаметно разрушают котлы и трубопроводы: за один-два отопительных сезона коррозия способна вывести из строя дорогостоящее оборудование котельной. Именно эту угрозу снимает деаэратор. В этом материале на инженерном уровне разберём принцип работы деаэратора: как термическая деаэрация выгоняет газы из воды, из чего состоит аппарат - деаэрационная колонка и бак-аккумулятор - и чем атмосферные модели отличаются от вакуумных. Всё это нужно для одной практической цели: грамотно выбрать деаэратор под свою котельную. Начнём с главного - что именно и почему необходимо удалять из воды перед подачей её в котёл.

Деаэратор - зачем он в котельной и что удаляет из воды

Деаэратор - это аппарат для удаления из воды растворённых газов перед подачей её в котёл. Задача узкая, но критичная. Ответ на вопрос, для чего нужен деаэратор, начинается именно здесь: аппарат убирает то, что медленно разрушает котельное оборудование изнутри и провоцирует коррозию.

Любая исходная вода несёт в себе растворённый воздух. Водопроводная вода, вода из скважины, обратный конденсат - в каждом источнике присутствует газовая составляющая. В воздухе два опасных для металла компонента - кислород и углекислый газ. Пока вода холодная, эти газы просто находятся в ней в растворённом виде и внешне никак себя не проявляют.

Проблема возникает при нагреве. Кислород становится активным окислителем и вступает в реакцию с внутренними стенками труб, барабанов и коллекторов. Начинается кислородная коррозия - точечная, с характерными язвами, которая быстро приводит к сквозным свищам. Диоксид углерода действует иначе: он образует угольную кислоту и усиливает общую коррозию поверхностей нагрева. Вместе эти газы за один-два отопительных сезона способны вывести из строя дорогостоящие паровые котлы и протяжённые участки трубопроводов.

Последствия для котельной складываются из нескольких статей:

• язвенное поражение экранных и кипятильных труб, свищи и разрывы;
• утонение стенок барабанов и коллекторов, потеря несущей способности;
• зарастание трактов продуктами окисления, рост гидравлического сопротивления;
• сокращение межремонтного ресурса паровых котлов и трубопроводов.

Отсюда требование к водоподготовке: перед котлом растворённые газы - в первую очередь кислород - необходимо снизить до нормируемых величин. Для питательной воды паровых котлов остаточное содержание кислорода измеряется микрограммами на литр, и обычная химическая очистка такой глубины не обеспечивает. Поэтому в тепловую схему котельной вводят отдельный аппарат для удаления кислорода и удаления газов - деаэратор. Он доводит воду до состояния, при котором коррозионная активность практически исключается. По этой причине деаэратор нужен на любой котельной, где вода под давлением контактирует с нагретым металлом, - от небольшой производственной установки до крупной районной.

Конструктивно деаэратор принадлежит к классу аппаратов, который в каталогах оборудования относят к разряду реакторное и химическое оборудование, - к сосудам, внутри которых протекает направленный физический процесс. В основе этого - физическая зависимость растворимости газов от температуры воды.

Термическая деаэрация: почему нагрев выгоняет газы из воды

В основе работы деаэратора лежит один физический закон: растворимость газов в воде падает с ростом температуры. Чем горячее вода, тем меньше кислорода и углекислого газа она способна удержать. Довести воду до кипения - значит вытеснить растворённые газы почти полностью. На этом и построена термическая деаэрация.

Рассмотрим механизм по шагам. Холодная вода удерживает газы за счёт равновесия между их концентрацией в жидкости и парциальным давлением над её поверхностью. При нагреве равновесие смещается: молекулы газа получают энергию и покидают жидкую фазу. Когда достигается точка насыщения - температура кипения при данном рабочем давлении - растворимость кислорода и углекислого газа падает практически до нуля. Поэтому воду в деаэраторе не просто подогревают, а доводят до кипения.

Нагрев обеспечивает пар. В деаэрационную колонку снизу подаётся пар, а навстречу ему сверху поступает вода. Пар решает две задачи одновременно. Первая - нагрев: конденсируясь на струях и плёнках воды, он отдаёт теплоту и доводит воду до температуры насыщения. Вторая - вентиляция: восходящий поток пара снижает парциальное давление газов над водой и увлекает выделившиеся молекулы вверх. Связка температуры и давления здесь принципиальна: заданному давлению в аппарате соответствует строго определённая температура кипения, и удержать её - главное условие устойчивой деаэрации.

Выделившиеся газы необходимо вывести из аппарата. Для этого в верхней части колонки предусмотрен штуцер отвода выпара. Выпар - это парогазовая смесь: небольшая доля пара, увлекающая с собой кислород, углекислый газ и часть воды в виде мельчайших капель. Расход выпара нормируется: заниженный оставит часть газов в воде, избыточный приведёт к перерасходу пара. Чтобы не терять теплоту, выпар нередко направляют в охладитель; там с выпаром уходит часть воды, которая конденсируется и возвращается в цикл как конденсат, а несконденсировавшиеся газы сбрасываются. Такое термическое удаление газов не требует реагентов и способствует эффективному удалению кислорода до нормируемых значений.

Числа здесь конкретны. В атмосферном деаэраторе воду доводят примерно до 104 градусов при небольшом избыточном давлении около 0,12 мегапаскаля - это и есть точка кипения для данного режима. Остаточное содержание кислорода при этом снижается до единиц и десятков микрограммов на литр, чего химическая очистка в одиночку не обеспечивает. Именно поэтому термическую деаэрацию закладывают в тепловую схему как основную ступень удаления газов.

Существует и альтернатива - химическая деаэрация: остаточный кислород связывают реагентами, например сульфитом натрия или гидразином. Метод рабочий, но вспомогательный. Он требует постоянного расхода реактивов, вводит в воду посторонние соединения и оправдан лишь как доочистка после основной ступени. Термическому деаэратору эти ограничения не свойственны: он не расходует реагенты и не меняет солевой состав воды. Поэтому деаэрация паром остаётся базовым способом дегазации питательной воды в котельных, а химическую деаэрацию применяют точечно. Как устроен сам аппарат - деаэрационная колонка и бак-аккумулятор - рассмотрим далее.

Устройство деаэратора: деаэрационная колонка и бак-аккумулятор

Конструктивно деаэратор состоит из двух узлов, работающих в связке: деаэрационной колонки и бака-аккумулятора. Колонка ставится вертикально, бак - горизонтально под ней. Разделять эти узлы нецелесообразно: массообмен вода-пар идёт в верхней части, а запас готовой воды хранится внизу. Именно поэтому связку колонка - бак рассматривают как единую систему, а не как два отдельных аппарата.

Деаэрационная колонка - это вертикальный цилиндрический корпус, где вода встречается с паром. Сверху в неё подаётся исходная вода: питательная в паровых котельных или подпиточная в водогрейных. Внутри установлены распределительные устройства - тарелки и струеобразующие элементы, которые дробят поток на тонкие струи и плёнки. Так растёт поверхность контакта воды с паром, и газы выделяются быстрее. Снизу навстречу воде подаётся греющий пар, а в верхней части корпуса предусмотрен штуцер отвода выпара. По сути колонка - это зона, где идёт дегазация.

Из колонки деаэрированная вода стекает вниз, в бак-аккумулятор. Горизонтальный бак решает две задачи. Первая - хранение: он держит запас деаэрированной воды, чтобы питательные насосы забирали её без перебоев при колебаниях нагрузки котельной. Вторая - выдержка: вода задерживается в объёме бака, и остаточные газы продолжают выделяться. В работе деаэратора этот резерв критичен - без него питательные насосы работали бы на грани срыва потока. Регистрируется деаэрационный бак как сосуд под давлением, поэтому к его изготовлению предъявляют требования по прочности корпуса и контролю сварных швов.

Чтобы поднять эффективность, применяют двухступенчатую схему. Первая ступень - струйная: в верхней части колонки вода дробится на струи и предварительно прогревается, здесь снимается основная масса газов. Вторая ступень - барботажная: в нижней части колонки размещают барботажный лист, и сквозь слой воды на нём продавливается пар. Такое кипение в объёме доводит остаточное содержание кислорода до нормируемых значений. В двухступенчатых деаэраторах струйная ступень и барботажная ступень дополняют друг друга: первая берёт объём, вторая - глубину доочистки. Колонка со струйной и барботажной ступенью обеспечивает глубину деаэрации, недостижимую для одноступенчатых аппаратов.

Габариты узлов подбирают под расход схемы. Деаэрационную колонку рассчитывают на паровую нагрузку, а горизонтальный бак - на необходимый запас воды в тоннах. Подобрать деаэраторные баки и деаэраторы под конкретную котельную можно, только зная эти параметры.

Собранный воедино узел - колонка сверху, бак снизу - и есть то, что монтируется в котельной как готовое изделие. Схемой деаэрационной установки задаётся расположение штуцеров: подвод воды, подвод пара, отвод выпара, линия к питательным насосам. От чёткости этой обвязки зависит устойчивая работа деаэратора. Все деаэрационные установки строятся вокруг одной логики, отличаясь производительностью и внутренними устройствами колонок.

Струйные, барботажные и тарельчатые: типы по конструкции

По давлению деаэраторы разделяют на атмосферные и вакуумные, и об этом речь пойдёт дальше. Но есть вторая классификация, которая для инженера не менее важна: типы деаэраторов по конструкции внутренних массообменных устройств. Именно от них зависит, насколько полно вода отдаст растворённые газы, пока проходит через колонку.

Массообменных устройств три основных вида: струйные, тарельчатые и барботажные. Задача у всех одна - развить поверхность контакта воды с греющим паром. Подходы при этом разные.

Струйные. Вода подаётся на распределительное устройство и дробится на множество тонких струй, свободно падающих в паровой объём. Пар движется навстречу и прогревает каждую струю по всей её поверхности. Схема простая и надёжная, к колебаниям нагрузки чувствительна меньше остальных. Как самостоятельное решение струйная ступень даёт среднюю глубину дегазации и в современных аппаратах чаще работает первой. Струйные колонки распространены в деаэраторах небольшой и средней производительности, где предельно глубокая дегазация не требуется.

Тарельчатые. Здесь вода стекает каскадом по перфорированным или переливным тарелкам, установленным одна под другой. На каждой тарелке образуется тонкий слой и завеса капель, поверхность контакта с паром растёт. По принципу это развитие струйной схемы: те же струи, но упорядоченные на струйных тарелках. Тарельчатые устройства компактнее при равной производительности, однако сильнее реагируют на перекос корпуса и загрязнение отверстий. Применяют их там, где важна компактность узла при заметном расходе воды.

Барботажные. Наиболее интенсивный способ. Пар подаётся под затопленную барботажную тарелку и проходит («барботирует») сквозь слой воды снизу вверх. На барботажной тарелке вода буквально вскипает пузырьками пара, и остаточные газы вытесняются почти полностью. Барботажная тарелка доводит воду до нормируемого остаточного содержания кислорода там, где струйной ступени уже недостаточно для эффективного удаления газов. Именно барботаж позволяет выйти на остаточное содержание кислорода порядка 10 микрограммов на килограмм воды, которое требуют паровые котлы. Плата за это - более сложная конструкция барботажных устройств и требовательность к стабильному расходу пара.

На практике чистые схемы встречаются редко. Большинство современных колонок собирают по комбинированной струйно-барботажной схеме: сначала вода проходит струйные тарелки, где снимается основная масса газов, затем поступает на барботажную тарелку для тонкой доводки. Такое сочетание тарелок - струйных сверху и барботажных ниже - обеспечивает устойчивый результат в широком диапазоне нагрузок и надёжное удаление остаточного кислорода. Разница в эффективности видна на цифрах: одноступенчатая струйная колонка снимает основную часть газов, но остаточный кислород нередко остаётся выше нормы, тогда как добавление барботажной ступени доводит воду до требований к питательной воде.

Отдельно стоит упомянуть конструкцию вихревых деаэраторов, где закрутка потока усиливает массообмен в компактном корпусе; такие аппараты применяют при малых расходах.

Практический вывод простой. Если требуется глубокая деаэрация при переменной нагрузке, ориентируйтесь на аппараты с барботажной ступенью; для стабильной схемы средней глубины достаточно струйно-тарельчатого набора.

Атмосферные и вакуумные деаэраторы: в чём разница и что выбрать

Здесь возникает главная развилка выбора. Когда инженер выбирает, какой деаэратор нужен под конкретную котельную, первый вопрос почти всегда один: атмосферный или вакуумный. От ответа зависит не только сам аппарат, но и его обвязка, состав вспомогательного оборудования и вся тепловая схема. Оба типа деаэраторов рассмотрены ниже по порядку.

Атмосферный деаэратор (ДА). Работает при давлении чуть выше атмосферного - порядка 0,12 мегапаскаля. Вода при таком давлении закипает при температуре около 104 градусов, и именно до этой отметки её доводит греющий пар. Выпар отводится в атмосферу через охладитель выпара. Схема предельно проста: не нужны ни эжектор, ни отдельный насос для поддержания разрежения. Поэтому деаэраторы атмосферные - самое распространённое решение для паровых котельных, где пар и так имеется в достатке. Обозначаются они маркой ДА с указанием производительности в тоннах в час: ДА-5, ДА-15, ДА-100 и так далее. Подавляющая часть атмосферных деаэраторов на промышленных объектах относится именно к этому ряду.

Вакуумный деаэратор (ДВ). Вакуумный деаэратор действует по обратному принципу. Аппарат работает под разрежением, ниже атмосферного давления, и за счёт этого вода вскипает при 40-90 градусах в зависимости от глубины вакуума. Высокая температура не нужна, а значит, деаэрацию можно вести за счёт тепла обратной сетевой воды, без отдельного источника пара. Плата за это - усложнение схемы: разрежение нужно чем-то создавать и постоянно поддерживать. Для этого ставят водоструйный эжектор или один из вакуумных насосов. Именно вакуумную деаэрацию применяют там, где пара нет, - в водогрейных котельных и на теплоснабжающих объектах, где готовят подпиточную воду теплосети. Обозначение - ДВ с производительностью, например ДВ-200.

Есть и третий тип, который стоит упомянуть отдельно. Деаэраторы повышенного давления (ДП) работают при 0,6-0,7 мегапаскаля и температуре около 160-170 градусов. Такие аппараты повышенного давления применяются в основном на тепловых электростанциях, в контуре питательной воды энергетических котлов; в промышленных котельных они встречаются редко.

Как не ошибиться с выбором? Ориентируйтесь на источник тепла и тип котельной. Если на объекте есть пар - паровая котельная, производство с собственным паровым хозяйством, - берите атмосферный тип. Он проще, дешевле в обвязке и надёжнее в эксплуатации. Если пара нет и котельная чисто водогрейная, разумнее вакуумный тип: он использует то тепло, которое уже есть в схеме, и не требует держать паровой котёл только ради деаэрации. Логика простая: чем выше рабочее давление и температура схемы, тем ближе выбор к ДА или ДП; чем экономичнее нужно обойтись без пара, тем обоснованнее ДВ.

На практике встречаются пограничные случаи, когда однозначного ответа нет. Тогда тип подбирают по совокупности параметров - остаточному содержанию кислорода, температуре обратной воды, наличию свободного пара. Такие расчёты лучше передавать производителю на этапе технического задания.

Приведём типичную ситуацию из практики. Для водогрейной котельной заказчик изначально закладывал атмосферный деаэратор, ориентируясь на привычную марку ДА. Но парового котла в схеме не было, и удержание давления выше атмосферного потребовало бы отдельного источника пара - лишний узел, топливо и эксплуатационные затраты. После пересчёта под вакуумную деаэрацию с эжектором схема упростилась, а остаточное содержание кислорода уложилось в норму для водогрейных котлов. Ошибка на этапе выбора типа обошлась бы дороже самого аппарата.

Мы в ООО «СПК Нефтехимсервис» изготавливаем деаэраторы атмосферного и вакуумного типа под параметры конкретной котельной - с деаэрационной колонкой и баком-аккумулятором нужной ёмкости, по собственному паспорту изделия. Тип аппарата при этом определяет не каталог, а ваша тепловая схема.

Где работают деаэраторы: котельные и тепловые схемы

Деаэратор - не автономный аппарат, а звено тепловой схемы, и разобраться в его работе проще, если увидеть, где именно он стоит. Место в схеме определить несложно: деаэратор ставят между узлом водоподготовки и котлом. Химически очищенная вода и возвращённый конденсат сначала проходят деаэрацию, и только затем питательная вода поступает на всас питательных насосов, а от них - в котёл.

В паровых котельных деаэратор готовит питательную воду для паровых котлов. Бак-аккумулятор держит рабочий запас, чтобы питательные насосы работали без срывов при колебаниях нагрузки. Производительность деаэратора подбирают по расходу питательной воды, а объём бака - по времени, на которое запаса должно хватать. Атмосферный деаэратор здесь - типовое решение.

В водогрейных котельных задача другая. Деаэратор готовит подпиточную воду теплосети: восполняет утечки в тепловых сетях и защищает водогрейные котлы и трубопроводы от кислородной коррозии. Дегазация подпиточной воды часто идёт через вакуумный деаэратор: температура обратной сетевой воды невысока, и разрежение позволяет вести деаэрацию без отдельного источника пара. Подпиточный насос подаёт её в обратный трубопровод теплосети.

На тепловых электростанциях деаэратор - обязательный узел питательного тракта. Деаэрация здесь ведётся в несколько ступеней, а бак рассчитывают на больший объём. Работают деаэраторы повышенного давления, а требования к остаточному содержанию примесей жёстче, чем в котельных установках промышленного назначения. Для эксплуатирующей организации это означает более строгий контроль параметров деаэрации.

Общий принцип для любой схемы один. Деаэратор всегда стоит перед насосами и перед котлом, принимает весь поток и отдаёт его уже без растворённых газов. От того, какая это котельная - паровая, водогрейная или энергоблок электростанции, - зависит тип деаэратора и его обвязка, но место в схеме остаётся тем же.

Обозначения и нормативы: как читать марку деаэратора

Марка деаэратора несёт полную первичную информацию об оборудовании, и читать её нужно уметь ещё на этапе подбора. Для инженера это первый фильтр: по коду сразу отсекаются аппараты не того класса. Типы деаэраторов различаются прежде всего по рабочему давлению - именно это и кодирует первая буква обозначения.

ДА - деаэратор атмосферный, работает при небольшом избыточном напоре, чуть выше атмосферного. ДВ - вакуумный, под разрежением. ДП - повышенного давления, применяется на тепловых электростанциях. Встречается и обозначение ДСА - деаэратор струйно-атмосферный, где дополнительно отражена конструкция внутренних массообменных устройств. Цифры после букв - это производительность в тоннах в час и полезная ёмкость бака-аккумулятора в кубических метрах.

Обратимся к примеру. Запись ДА-100/25 читается так: атмосферный деаэратор производительностью 100 тонн в час с полезной ёмкостью бака 25 кубических метров. Этого набора цифр достаточно, чтобы понять, подходит ли аппарат под расход питательной воды вашей схемы. Обратите внимание: производительность в марке - это номинальный расход по деаэрированной воде, а не по греющему пару. Ряд типоразмеров стандартизован, поэтому под промежуточный расход берут ближайшую большую ступень с запасом.

Геометрию, ряды производительности и порядок приёмки задаёт ГОСТ. Он же нормирует остаточное содержание газов после обработки - и термическое удаление кислорода, и удаление углекислого газа привязаны к типоразмеру и подтверждаются при испытаниях. Проверять соответствие марки стандарту стоит по паспорту и сопроводительной документации, а не по одному буквенно-цифровому коду.

Отдельно об эксплуатации. Бак-аккумулятор деаэратора работает под избыточным давлением и относится к сосудам, поднадзорным Ростехнадзору. Перед вводом в работу его необходимо поставить на учёт. Основание - паспорт изделия, оформленный заводом-изготовителем. Для эксплуатирующей организации это не формальность: без регистрации бак к работе не допускается, а при проверке отсутствие учёта грозит остановкой котельного оборудования. На практике постановку на учёт удобнее поручить изготовителю - он оформляет паспорт по своим чертежам и передаёт комплект документов, готовый к предъявлению инспектору. Поэтому регистрацию в Ростехнадзоре закладывают в проект заранее, вместе с подбором типа деаэратора.

Правильно прочитанная марка снимает половину вопросов ещё до коммерческого запроса: вы сразу видите класс аппарата, производительность и понимаете, какие документы потребуются от изготовителя.

Как подобрать и заказать деаэратор под котельную

Перейдём к практической стороне вопроса. Допустим, с типом вы уже определились - атмосферный или вакуумный. Дальше начинается подбор конкретной модели, и здесь производителю нужны исходные данные. Чем точнее вы подготовите их заранее, тем ближе к делу окажется первый же расчёт и коммерческое предложение.

Минимальный набор параметров для подбора такой:

• Производительность. Расход питательной воды в тоннах в час - главная цифра. От неё зависят типоразмер деаэрационной колонки и полезная ёмкость бака-аккумулятора.
• Тип котельной. Паровая, водогрейная или объект теплоснабжения. От этого зависит, какой источник тепла доступен для деаэрации и какой тип аппарата обоснован.
• Рабочее давление и температура схемы. Задают класс аппарата и режим его работы.
• Требования к остаточному содержанию кислорода. Норма привязана к типу котлов. Под неё подбирают число ступеней и внутренние массообменные устройства, отвечающие за эффективность деаэрации.
• Запас воды в баке. Определяется временем, в течение которого питательные насосы должны получать воду при перебоях подпитки.

Этих пунктов достаточно, чтобы производитель предложил типоразмер, оценил комплектацию и оформил спецификацию. На практике уже по одному расходу воды и типу котельной можно назвать два-три подходящих типоразмера, а остальные параметры уточняют комплектацию и обвязку. Дальше деаэратор и его бак изготавливаются под техническое задание: диаметр и длину корпуса, расположение штуцеров, исполнение внутренних устройств привязывают к вашей тепловой схеме, а не к типовому каталогу.

Деаэраторы представляют собой оборудование, поднадзорное Ростехнадзору, поэтому вместе с изделием заказчик получает комплект конструкторской документации и паспорт изделия. Паспорт - основание для постановки бака на учёт и для прохождения экспертизы. Без этого комплекта аппарат в работу не допускается, каким бы качественным он ни был по металлу и сборке.

Что подготовить перед обращением к производителю: опросный лист или техническое задание с перечисленными выше параметрами, а также сведения о схеме подключения питательных насосов и об эффективном удалении растворённых газов, которое требуется на выходе. Если части данных нет, их помогут восстановить по типу и мощности котельного оборудования.

Следующий шаг - расчёт под вашу задачу. ООО «СПК Нефтехимсервис» с 2005 года изготавливает деаэраторы и деаэраторные баки под техническое задание: собственный конструкторский отдел выпускает документацию, бак регистрируется в Ростехнадзоре по паспорту изделия, на оборудование действует гарантия 3 года. При необходимости деаэраторный бак производится как отдельный заказ на изготовление сосудов под давлением на заказ. Подготовьте исходные данные по схеме - и подбор займёт минимум времени.

Заключение

Деаэратор решает одну, но принципиальную задачу: убирает из питательной воды растворённые газы и тем самым останавливает коррозию котлов и трубопроводов ещё до её появления. В основе работы лежит термическая деаэрация - нагрев воды паром до температуры кипения, при которой кислород и углекислый газ выделяются и уходят с выпаром. Конструктивно это связка деаэрационной колонки и бака-аккумулятора, а глубину дегазации задаёт сочетание струйной и барботажной ступеней.

Главная развилка выбора - атмосферный или вакуумный тип. Атмосферный деаэратор проще и уместен там, где есть пар; вакуумный экономичнее в водогрейных схемах без парового котла. Термический принцип у обоих один, различаются рабочее давление, температура и обвязка. Правильно прочитанная марка, учтённые нормативы и регистрация бака как сосуда под давлением снимают большую часть вопросов ещё до заказа.

Практический вывод прост: тип и производительность деаэратора считают не по каталогу, а по тепловой схеме котельной - по расходу воды, источнику тепла и требуемому остаточному содержанию кислорода. Подготовленные исходные данные превращают подбор в короткий инженерный расчёт, а грамотная термическая деаэрация окупается ресурсом котлов и трубопроводов на годы вперёд.