Эффективность котла показывает, сколько энергии от сгорания топлива преобразуется в энергию пара, а качество пара подразумевает, сколько воды присутствует в выработанном паре.
Преимущества использования пара
Основным преимуществом использования пара в качестве теплоносителя является большое количество тепла, выделяемого при его конденсации, а для переноса большого количества энергии необходимо очень малое количество пара, за счет скрытой теплоты парообразования (или конденсации).
Другие преимущества включают безопасные, нетоксичные и негорючие характеристики пара, а также его способность отдавать тепло при постоянной контролируемой температуре.
Другие преимущества включают безопасные, нетоксичные и негорючие характеристики пара, а также его способность отдавать тепло при постоянной контролируемой температуре. Пар также может доставляться пользователям с помощью обычных паропроводов и клапанного оборудования, которое относительно недорогое, легко доступно рынке, требует минимального обслуживания и имеет длительный срок службы.
По сравнению с другими системами доставки и распределения тепла, пар дешевле в эксплуатации и на 100% пригоден для вторичного использования.
Трудности применения
Несмотря на эти преимущества, многие потребители пара сталкиваются с проблемами безопасности системы, преждевременным выходом из строя оборудования и низкой эффективностью паровой системы. Конкретные проблемы могут включать частые остановки котла: из-за низкого уровня воды, повреждение паропроводов и клапанов из-за гидроудара, вибрации, коррозии, эрозии, снижение мощности паровых нагревателей и перегрузку конденсатоотводчиков. Эти проблемы чаще всего вызваны низким качеством пара, часто называемым «влажным паром».
Влажность пара, как одно из свойств качества пара
Пар, генерируемый котлами, не является на 100% насыщенным (сухим).
Когда в паровом котле нагревается вода, сквозь её поверхность пробиваются пузырьки, содержащие в себе крошечные капли влаги. Это приводит к тому, что подаваемый пар становится частично влажным (влажный пар).
Для определения доли воды в паре используется Коэффициент сухости пара. Если пар содержит 10% воды, он считается сухим на 90%, т.е. его коэффициент сухости равен 0.9.
Показатель сухости пара важен ещё и потому, что непосредственно влияет на общее количество передаваемой энергии, содержащейся в паре (как правило, скрытой теплоты), которая в свою очередь определяет эффективность и качество нагрева.
Последствия использования пара низкого качества
Снижение эффективности теплопередачи
Преждевременный выход из строя регулирующей и запорной арматуры
Возникновение гидроударов
Факторы, влияющие на качество пара
На качество пара котла оказывает два основных фактора:
- Конструктивные особенности парового котла и вспомогательного оборудования
- Качество питательной воды котла
Конструктивные особенности котла
Двухпозиционная работа котла (on-off)
При работе парового котла пузырьки пара образуются на теплопередающих поверхностях котла, поднимаются через воду, а затем покидают поверхность воды и попадают в паровую систему. Из-за высокой температуры воды давление на поверхности теплопередачи немного выше, чем давление на поверхности воды. Из-за этого более высокого давления пузырьки пара, образующиеся на поверхности теплопередачи, либо оставляют котел слегка перегретым, либо охлаждаются до температуры насыщения воды, когда она поднимается через воду. В нормальных условиях работы котла пузырьки пара охлаждаются до температуры насыщения по мере подъема в воде.
Когда питательная вода поступает в котел, то она проходит между поверхностью теплообмена и поверхностью кипящей воды. Несмотря на то, что питательная вода предварительно нагрета, она все же холоднее, чем вода в котле, и как следствие в котловой воде создается холодный слой. Когда пузырьки пара поднимаются с поверхности теплопередачи через этот холодный слой, они охлаждаются, и часть пара в пузырьках конденсируется. Это вызывает две серьезные проблемы.
Первая проблема связана с увеличением влажности пара. Пузырьки пара, покидающие поверхность воды и попадающие в паровую систему, содержат водяной туман. Когда в котел поступает большое количество питательной воды, паровое пространство над уровнем воды затуманивается. Образование тумана и как следствие увеличение влажности пара продолжаются до тех пор, пока вода в котле не станет достаточно изотермической.
Вторая проблема — это замедление скорости образование пара. Добавление большого количества более холодной воды замедляет образование пара до тех пор, пока вода не достигнет температуры насыщения.
Эти две проблемы можно предотвратить, если использовать непрерывную подачу воды в котел. При плавном регулировании уровня подачи вода добавляется с более низкой скоростью по сравнению с двухпозиционной подачей, поэтому вода в котле будет оставаться относительно изотермической, и «туман» не будет образовываться.
Эксплутация при пониженном давлении от расчетной величины
В то время как работа при более низком давлении может в некоторых котлах обеспечить немного более высокую энергоэффективность, тем не менее необходимо помнить, что работа при низком давлении снижает качество пара.
Более низкое давление пара от расчетного увеличивает захват паром влаги.
Когда пузырьки пара поднимаются через слой кипящей воды и достигают поверхности, они прорываются через последний верхний слой воды и попадает в паровое пространство. Этот последний действие выхода из воды вызывает унос воды несколькими способами.
Разрыв парового пузыря или разрыв тонкого слоя воды, окружающего его, вызывает начальный выброс высокоскоростного пара, который переносит небольшое количество этого тонкого слоя воды в паровое пространство. Также отрыв пузырька пара с поверхности воды на короткое время создает кратер на поверхности воды. Вода устремляется, чтобы заполнить этот кратер, сталкиваясь с водой, текущей с других сторон кратера, и производит крошечный всплеск около центра кратера. Капли воды от этих брызг легко уносятся поднимающимся паром.
Размер пузырьков напрямую зависит от давления пара. Для работы при низком давлении требуется больший объем пара для передачи необходимой тепловой энергии. Эта операция при низком давлении производит все более крупные пузырьки пара и создает большую турбулентность на поверхности воды. Эти пузыри образуют больше кратеров и кратеров большего размера, а также все больше и больше брызг, когда они покидают поверхность воды. Кроме того, работа при низком давлении приводит к более высокой скорости пара, которая в сочетании с высокой турбулентностью при работе при низком давлении имеет тенденцию переносить капли воды в паровые системы, а не позволять им выпадать под действием силы тяжести.
Решение состоит в том, чтобы эксплуатировать котел при его максимальном расчетном давлении и при необходимости использовать редукционные клапаны на месте использования.
Быстрое изменение нагрузки
В большинстве промышленных паровых системах потребность в паре колеблется в широком диапазоне. Скорость, с которой происходят эти колебания, может серьезно повлиять на качество пара. Быстрое кратковременное увеличение потребности в паре всего на 15% может вызвать резкое повышение уноса котловой воды.
Например, если процесс, в котором потребление пара составляет всего 5% от мощности котла, запускается быстро (например, с помощью двухпозиционного клапана), потребность системы может легко увеличиться на 15% или более, пока процесс не достигнет установившегося состояния.
При открытии парового клапана в паровой системы, в котле могут возникнуть следующие проблемы как резкое падение давления пара в котле. Падение давления пара само по себе вызывает дополнительный унос, как описано выше Во-вторых, повышается граница раздела между водой и паром. Это происходит вследствие того, что при работе с резким понижением давления быстрое образование пузырьков пара большого объема может привести к явлению, которое часто называют «набуханием». В этом случае уровень воды может легко подняться настолько высоко, что вода буквально может попасть в паропровод. При этом, процесс «набухания» может привести к срабатыванию сигнала аварии — низкий уровень воды в котле.
Малый объем парового пространства
Некоторые современные эффективные котлы имеют компактные размеры. Несмотря на то, что такая конструкция имеет некоторые преимущества, основным недостатком этих компактных котлов является малый объем парового пространства, что не позволяет «сгладить» резкие изменения в потребности пара. Даже при незначительном увеличении потребления пара, давление в котле может значительно упасть.
Такое сочетание, как падение давления в котле с малым расстоянием между «зеркалом» воды и выпускным паровым патрубком еще больше увеличивает унос котловой воды.
ВЫСОКИЙ УРОВЕНЬ СОЛЕСОДЕРЖАНИЯ КОТЛОВОЙ ВОДЫ
Повышенный TDS в котловой воде приводит к увеличению образования пены на поверхности воды.
Пена легко уносится вместе с паром. При быстром понижении давления пара, вызванное резким увеличением потребности, пена может попадать в паровую систему, при этом в котле уровень воды может понизиться до критического минимального уровня до того, как датчик уровня сможет определить проблему и дать команду на заполнение котла.
Наиболее распространенной мерой по предотвращению вспенивания является поддержание концентрации твердых веществ в котловой воде на достаточно низком уровне.
Также необходимо избегать высокого уровня в котле, чрезмерных паровых нагрузок на котел и внезапных изменений нагрузки.
Очень часто загрязненный конденсат, возвращаемый в котельную систему, вызывает проблемы переноса. В этих случаях конденсат следует временно сбрасывать до тех пор, пока не будет найден и устранен источник загрязнения.
Если концентрация TDS в питательной воде поддерживается на уровне 1000 частей на миллион, сухость пара снизится до 85%, что приведет к увеличению частоты продувки для поддержания уровней TDS в желаемых рабочих пределах, что, в свою очередь, приведет к увеличению тепловых потерь. Если концентрацию TDS в питательной воде поддерживать на уровне 100 частей на миллион, то степень сухости пара будет составлять около 98%, что приведет к снижению потерь на продувку.
дополнительная информация по теме
