Статьи

О применении паровых инжекторов в теплоснабжении

В последние годы фирмы, руководимые г-ном В.В.Фисенко ("Фисенко — Транссоник Корпорейшн", "ИК Фисоник", "Группа авторского надзора"), активно предлагают использовать в паровых отопительных котельных и ТЭС пароводяные струйные аппараты для нагрева и повышения давления питательной и сетевой воды. Это даёт возможность отказаться от пароводяных подогревателей и насосов и повысить эффективность использования пара.

В рекламных проспектах упомянутых фирм и в статьях, автором или соавтором которых является В.В.Фисенко, такой аппарат назван "трансзвуковым устройством — "Транссоник" [1] или устройством "Фисоник" [2].

Авторы утверждают, что ими предлагается "принципиально новое устройство". На самом деле указанное устройство является давно известным аппаратом – инжектором, что подтверждается как описанием происходящего в нём процесса, так и схематично приведённым профилем его проточной части. Аналогичный профиль проточной части характерен практически для всех пароводяных инжекторов [3]. Значительную часть статей занимает описание свойств пароводяной смеси, образующейся в камере смешения инжектора. В этом описании популярно (если не сказать — примитивно) излагаются давно известные сведения, которые были опубликованы более 30 лет назад в журнале "Теплоэнергетика" проф. С.И.Костериным и Н.И.Семёновым [4].

Далее: о скачке давления и конденсации пара в инжекторе. Это явление впервые было обнаружено ещё в 1937 году С.Ю.Келлером [5], а затем в 1939 году подтверждено во Всесоюзном теплотехническом институте (ВТИ) Н.Г.Морозовым и в 1949 году объяснено (на уровне знаний того времени) В.И.Коноваловым [6].

Характерной особенностью пароводяного инжектора, которая отличает его от других типов струйных аппаратов, является то, что он может поддерживать режим работы с давлением нагретой воды на выходе, превышающим давление пара на входе. Благодаря этому свойству инжектор использовался (и используется) в качестве насоса в схемах подачи питательной воды в паровые котлы.

Указанное явление было объяснено в МЭИ М.Е.Дейчем [7] и в лаборатории теплофикации ВТИ Е.Я.Соколовым и Н.М.Зингером [8].

Условием получения такого режима работы инжектора является определённое соотношение минимальных диаметров камеры смешения (fк)min и парового сопла (fс)min. Диапазоны этого соотношения запатентованы в трёх патентах: Великобритания: UK patent № 530, 774 1940 г. [(fк)min / (fс)min = 0.25 ~ 0.266], UK patent № 898, 171, Int. Cl. F05d, 1959 г. [(fк)min / (fс)min = 0.0833 ~ 0.10] и Россия: № 2123619, 1998 г. [(fк)min / (fс)min = 0.04 ~ 0.0833; 0.10 ~ 0.25 и 0.266 ~ 1.0] и охватывают практически весь возможный диапазон этого параматра.

Историческая справка об инжекторах.

Впервые прототип инжектора был предложен французским учёным Манури д’Энто в 1818 году. В 1852 году французский инженер Анри Жиффар использовал инжектор в паровой машине на дирижабле. Эта паровая машина имела вес 9 пудов (144 кг) и мощность 3 л.с.(2.2 кВт). Она вращала винт 11 футов (»3.3 м) в диаметре с частотой 110 оборотов в минуту. Этот винт являлся движителем дирижабля [9].

В 1858 году А.Жиффар запатентовал конструкцию инжектора, которая принципиально не изменилась до настоящего времени. Со второй половины XIX века и до середины XX века инжекторы находили широкое применение на паровозах, пароходах и в небольших стационарных и передвижных паровых котельных.

До настоящего времени инжекторы устанавливаются в передвижных котельных, используемых в армии для дезинфекции обмундирования (выпускаются в г.Пенза). О широком распространении инжекторов говорит тот факт, что до середины 50-х годов в Москве существовал завод "Инжектор". Поэтому вряд ли можно согласиться с утверждением авторов статьи о том, что они нашли "принципиально новое решение".

В централизованном теплоснабжении инжектор впервые был применён в Ленинграде. Это произошло 25 ноября 1924 года при подаче тепла с водяным паром от 3-й Ленинградской ГЭС в дом № 96 на набережной реки Фонтанка: циркуляция воды в системе отопления дома осуществлялась пароводяным инжектором. Таким образом, 25 ноября стал днем рождения в России централизованного теплоснабжения и теплофикации – энерготехнологий, которые получили широкое распространение не только в России, но и в странах бывшего СССР, а также в странах Центральной и Западной Европы. Это закономерно потому, что теплофикация обеспечивает существенную экономию топлива, снижая отрицательное воздействие энергетики на окружающую среду.

Попутно следует отметить, что этому событию были посвящены две юбилейных конференции "75 лет теплофикации в России", проходившие в Санкт-Петербурге в мае 1999 года и в Москве в ноябре 1999 года.

Теперь об использовании инжекторов в системах централизованного теплоснабжения (в системах горячего водоснабжения и в системах отопления).

Вне всякого сомнения, использование инжекторов для подогрева холодной воды паром и подачи нагретой (горячей) воды в систему горячего водоснабжения, оснащённую баком-аккумулятором, возможно. Но при этом следует иметь в виду, что используемый для нагрева воды пар по своим характеристикам должен соответствовать требованиям санитарных норм и правил. Это означает, что пар из основного контура ТЭЦ или ГРЭС, как правило, не может быть использован для подогрева воды, направляемой в систему горячего водоснабжения, потому что питательная вода на ТЭС часто подвергается обработке химреактивами, вредными для здоровья, например гидразин-гидратом. Такой нагрев воды может иметь место на объектах, которые оснащены паровыми котельными, питающимися водой питьевого качества и имеющие Na-катионитовую химводоочистку.

Использование инжекторов для нужд горячего водоснабжения довольно часто встречается на небольших предприятиях, особенно пищевой промышленности, например, на Липецком и Клинском пивоваренных заводах. Разработка и поставка инжекторов и элементов автоматизированной системы управления для этих объектов осуществлена фирмой "Струйная техника" при научной поддержке ВТИ.

Что касается применения инжектора для нагрева сетевой воды и создания циркуляции в системах централизованного теплоснабжения, то это более сложная задача. Дело в том, что характеристики инжектора очень чувствительны к изменению параметров греющего, нагреваемого и смешанного потоков. Под характеристикой инжектора понимается зависимость какого-либо режимного параметра одного из трёх взаимодействующих потоков от параметра другого потока. При этом значения других параметров всех потоков должны быть неизменны. Например, при оценке инжектора как гидравлического насоса используется характеристика вида Рс = f(Gс), где: Рс — давление воды на выходе из аппарата (противодавление), а Gc — массовый расход смешанной (сжатой) воды. Эта характеристика рассчитывается или получается экспериментально при постоянных давлениях и температурах рабочего пара (Рр, tр) и эжектируемой воды (Рн, tн).

В зависимости от формы профиля проточной части аппарата могут иметь место два вида характеристик:

1) при цилиндрической камере смешения отношение сечения камеры смешения к минимальному сечению сопла всегда больше 1.0 и характеристика состоит из двух зон, отвечающих допредельному и предельному режимам;

2) при конической камере смешения, когда отношение сечения камеры смешения к минимальному сечению сопла обычно меньше 1.0, характеристика состоит только из участка, соответствующего зоне предельного режима.

При Рс < (Рс)пр, когда реализуется предельный режим, температура смешанной воды становиться неизменной. На рисунке 1 в качестве иллюстрации приведена подобная характеристика инжектора.

Указанные на рисунке минимальный массовый расход смешанной (сжатой) воды (Gc)min определяется из условия обеспечения полной конденсации рабочего пара по уравнению теплового баланса при давлении смеси в камере смешения, а максимальный расход (Gc)max — из условия достижения критической скорости потоком в каком-либо из сечений проточной части аппарата.

При качественном регулировании система теплоснабжения требует поддержания практически постоянного гидравлического режима (небольшие колебания расхода сетевой воды (± 10%) возможны из-за переменной нагрузки горячего водоснабжения, если таковая имеется). Регулирование отпуска тепла в системе производится путём изменения температуры сетевой воды согласно принятому температурному графику [10]. Обычно небольшие системы теплоснабжения, которые присоединены к паровым котельным малой мощности, работают по температурному графику 95 — 70°С. При отсутствии нагрузки горячего водоснабжения нагретая сетевая вода на выходе из инжектора в климатических условиях, близким условиям Москвы, должна иметь температуру в диапазоне от 37°С (температура наружного воздуха +10°С) до 95°С (температура наружного воздуха -25°С). В то же время её расход в течение отопительного сезона должен сохраняться постоянным. При традиционном решении этой задачи нагрев сетевой воды и ее циркуляция обеспечиваются в водоподогревательной установке (ВПУ), состоящей из пароводяных подогревателей кожухотрубчатого типа и сетевых насосов. Такая схема ВПУ обеспечивает гидравлический режим системы теплоснабжения независящим от теплового режима системы.

Если в схеме ВПУ будет использован инжектор, совмещающий нагрев сетевой воды с повышением её напора, то гидравлический и тепловой режимы работы ВПУ и системы теплоснабжения оказываются взаимосвязанными. При повышении (понижении) температуры наружного воздуха требуемая температура сетевой воды должна снижаться (повышаться) согласно температурному графику регулирования. А это означает, что расход пара через сопло инжектора также должен уменьшаться (увеличиваться). Поскольку тепловой и гидравлический режимы в инжекторе взаимосвязаны, то давление сетевой нагретой воды на его выходе будет изменяться, а, следовательно, будет непостоянен и ее расход. В свою очередь, из-за переменного расхода воды её температура на выходе из системы теплоснабжения не будет равна значениям, которые должны соответствовать температурному графику, рассчитанному при постоянном расходе сетевой воды. В диапазоне температур наружного воздуха в течение отопительного сезона давление воды на выходе инжектора (Рс) изменяется почти в 4 раза (см. таблицу ниже).

Для того, чтобы сохранить расход сетевой воды к потребителю постоянным инжектор должен дополняться насосом с электроприводом и достаточно сложной системой автоматического регулирования. В ВТИ разработана такая схема, которая реализована на ряде объектов.

На рисунке 2 приведена принципиальная схема включения инжектора с насосом в теплопункте потребителя тепла, подключённого в паровой системе теплоснабжения. Эта схема может обеспечить требования, предъявляемые системой теплопотребления к ВПУ.

Указанные на схеме значения параметров пара и горячей воды относятся к ВПУ потребителя с расчётной тепловой нагрузкой 1.0 Гкал/ч и со средней часовой нагрузкой за отопительный период Qср = 0.493 Гкал/ч (0.58 МВт) и (tн)ср = -3.2°С (Московский регион).

Параметры теплоносителей в этой установке, которые обеспечиваются в течение отопительного периода, приведены в таблице. Расчёты размеров инжектора и его параметров работы выполнены по программе для ПЭВМ, разработанной автором.

tн – температура наружного воздуха;
tс – температура воды на выходе из инжектора;
t3 – температура воды на входе в систему отопления;
t2 – температура воды на выходе из системы отопления;
Gп – расход пара на инжектор;
Gc – расход воды на выходе из инжектора;
Pп – давление пара на инжектор;
Рс – давление воды за инжектором;
Qо — относительная нагрузка отопления;
Gб – расход воды по байпасу.
Ниже на рисунке приведена зависимость давления воды за инжектором (Рс) в течение отопительного сезона в зависимости от температуры наружного воздуха (tн).

Несколько замечаний о работе теплопункта с инжектором.

1. Приведённая выше схема теплового пункта с инжектором может быть применена при работе в закрытой системе теплоснабжения, причём обладающей высокой гидравлической плотностью, то есть практически не имеющей утечек. В противном случае возрастает нагрузка на химводоочистку на источнике тепла (котельной) и экономическая выгода от применения инжектора теряется или даже превращается в экономические потери.

2. Работа системы теплопотребления, присоединённой к теплопункту с инжектором, происходит на чистом конденсате, который после потребителей должен сливаться в конденсатный бак, а далее подаваться на деаэрационную установку. В конденсатном баке, а также в расширительных баках систем отопления зданий (при их наличии) неизбежно его "заражение" кислородом. Из за того, что значения рН конденсата относительно низкие, даже небольшое присутствие в конденсате кислорода резко повышает его коррозионную активность. Притом следует отметить, что использование существующих деаэрационных установок не позволяет полностью удалить растворённый кислород и углекислый газ. Следовательно, неизбежна коррозия труб систем теплоснабжения. В связи с этим на источнике тепла следует постоянно обеспечивать периодический химический контроль качества конденсата и его обработку химреактивами, повышающими рН.

3. Система регулирования режимов работы теплопункта с инжектором несколько сложнее, чем для теплопункта с пароводяным подогревателем (бойлером), который оснащается только одним регулятором температуры сетевой воды в подающем трубопроводе и одним регулятором давления воды в обратном трубопроводе. Поэтому надёжность автоматического поддержания теплогидравлического режима при использовании инжектора ниже, чем при использовании бойлера. Соответственно, выше требования и к квалификации персонала, обслуживающего ВПУ, что влечёт за собой и более высокие эксплуатационные затраты.

На ТЭС, в промышленных и отопительных котельных применение инжекторов взамен пароводяных подогревателей и насосов целесообразно в схемах нагрева и подачи химочищенной воды, как в деаэраторы основного контура станции, так и в деаэраторы подпитки теплосети.

В Санкт-Петербургском институте АЭП совместно с ВТИ и ООО "Струйная техника" в 1999 году был разработан проект инжекторной установки производительностью по нагретой воде 600 т/ч (3 очереди по 200 т/ч) для Норильской ТЭЦ-1. Инжекторы будут смонтированы на линии подготовки (нагрев и повышение давления) обессоленной воды перед деаэраторами основного контура ТЭЦ.

Подробно рассматривать содержание [1] и [2] вряд ли целесообразно. Статьи являются рекламными публикациями, научного содержания не имеют. Попытки изобразить наукообразие можно проиллюстрировать одним из графиков, который показывает, что вечный двигатель всё же существует: при отсутствии подвода энергии к аппарату (давление рабочего пара равно нулю) он обеспечивает прокачку 20 т/ч воды ([2], рис. 4б). Наверное из-за сомнения редакции журнала в существовании такого явления и было принято решение разместить статью д.т.н. В.В.Фисенко в разделе "Дискуссии".

Подтверждением того, что аппараты под названием "Транссоник-Фисоник" внедряются специалистами, не имеющими достаточных знаний в области струйных аппаратов и теплоснабжения являются также несколько известных автору попыток использования этих аппаратов с отрицательным результатом. Например, на заводе им. Климова в С.-Петербурге, где работниками Комитета по управлению городским хозяйством мэрии с участием специалистов Военного инженерно-строительного института в 1995 году проводились их испытания, и в котельной района Марьино в Москве.

В [2] предлагается также использование аппаратов "Фисоник" в качестве смесительных устройств для понижения температуры сетевой воды в системах отопления, присоединённых к тепловой сети по зависимой схеме. Это решение также давно известно. Аппараты, которые используются для этой цели, называются "элеваторами". Их предложил использовать проф. В.М.Чаплин еще в 20-е годы в Ленинграде. Утверждение автора о том, что в аппарате "Фисоник" происходит повышение давления нагреваемой воды, а в элеваторе этого не происходит, является заблуждением. Элеваторы повышают напор эжектируемой воды на столько, сколько требуется для компенсации гидравлических потерь в системе отопления.

Выводы:
1. Предлагаемое в [1] и [2] использование пароводяных струйных аппаратов — инжекторов, названных авторами "трансзвуковым устройством "Транссоник" или "устройствами "Фисоник", в системах теплоснабжения давно и достаточно широко известно. Это решение не является новой технологией, но в ряде случаев может дать хороший результат при условии, что разработчик владеет знаниями не только о работе инжектора, но также знает свойства оборудования, к которому этот инжектор подключён.

2. В деаэрационных установках паровых котельных и на ТЭС, а при определенных условиях и в системах горячего водоснабжения с баками-аккумуляторами, использование инжекторов может дать ощутимый экономический эффект.

3. Экономическая целесообразность применения инжектора для подготовки сетевой воды на теплопунктах потребителей, присоединённых к паровым системам теплоснабжения взамен пароводяных подогревателей с насосами, не столь очевидна. Целесообразность применения инжекторов для этой цели зависит от конкретных условий и должна рассматриваться для каждого объекта индивидуально.

Литература
И.А.Новожилов, В.В.Фисенко, Новая энергоресурсосберегающая технология, Энергетик, № 3, 1996, с. 4-5.
В.В.Фисенко, Новая энергосберегающая технология в системах отопления и горячего водоснабжения, Теплоэнергетика, № 1, 2000, с. 56-58.
В.Е.Мясников, Пароводяные инжекторы, С.-Пб., Элмор, 1997.
Н.И.Семёнов, С.И.Костерин, Результаты исследования скорости звука в движущихся газожидкостных смесях, Теплоэнергетика, № 6, 1964, с. 46-51.
С.Ю.Келлер, Инжекторы, Машгиз, 1954.
В.И.Коновалов, Некоторые вопросы теории инжектора и струйного подогревателя, Известия ВТИ, № 5, 1951.
М.Е.Дейч, Газодинамика двухфазных сред, М., Энергоиздат, 1981.
Е.Я.Соколов и Н.М.Зингер, Струйные аппараты, Энергоатомиздат, 1989.
И.И.Сикорский, Воздушный путь, YMKA-пресс, 1997.
Е.Я.Соколов, Теплофикация и тепловые сети, 1989.