Водоопреснительные установки на судне играют критически важную роль в обеспечении жизненно необходимой пресной водой, работающих в морских условиях. Необходимость в таких системах обусловлена ограниченностью запасов питьевой воды, особенно в длительных морских рейсах, а также необходимостью производства технической воды для различных судовых нужд.
В данном материале рассмотрим основные аспекты, связанные с принципами водоопреснения на судах и требования к качеству воды, производимой судовыми водоопреснительными установками. Понимание этих аспектов позволит глубже оценить значение и важность данных систем для безопасной и эффективной эксплуатации морских судов.
Схемы работы водоопреснительных установок
Схема Судовые водоопреснительные установки, виды и особенности эксплуатацииводоопреснительной установки представлена на рисунке ниже.
Установка включает три теплообменных аппарата:
- испаритель 3;
- подогреватель 4;
- конденсатор 7.
В испарителе забортная морская вода выпаривается за счет теплоты конденсирующегося в его змеевиках греющего (первичного) пара или другого источника тепла. Пройдя змеевики испарителя, сконденсировавшийся первичный пар отводится в конденсатор 7 (иногда в теплый ящик) паросиловой установки. В качестве первичного пара используется отработавший пар вспомогательных механизмов или свежий пар, сдросселированный до необходимых параметров.
Какой пар является вторичным?
Пар, образующийся в испарителе является вторичным и по трубопроводу поступает к змеевику подогревателя 4 забортной воды. Отдав свое тепло холодной забортной воде, направляемой через подогреватель в испаритель, вторичный пар, частично сконденсированный, отводится из подогревателя. На представленной схеме вторичный пар может направляться в главный конденсатор 7 и в конденсатор водоопреснительной установки (на рисунке не показан). Та часть вторичного пара, которая поступает в конденсатор 7, после конденсации вместе с конденсатом первичного пара конденсатным насосом 9 отводится в контрольные цистерны 11.
Попеременное наполнение и опорожнение этих цистерн дает возможность систематически контролировать качество всего дистиллята. В зависимости от солености (и требований к питательной воде) получаемый дистиллят из контрольных цистерн перепускается в запасную цистерну котельной воды или при повышенной солености – в цистерну мытьевой воды. Емкость каждой из контрольных цистерн 1,5 м3. Меньшая же часть вторичиого пара, поступающая в конденсатор водоопреснительной установки, превращаясь в последнем в дистиллят, отводится в цистерну пресной воды.
Для обеспечения конденсации вторичного пара через главный конденсатор 7 насосом 10 постоянно прокачивается забортная вода, отбираемая через кингстон. Постоянный уровень воды в испарителе поддерживается за счет забортной воды, которая подается из подогревателя 4 и расширителя 5 продувочной котловой воды. Продуваемая котловая вода перед расширителем проходит через редукционный клапан 6, после чего ее давление падает до 3-4 атм, которое и устанавливается в расширителе.
Так как в процессе дросселирования с уменьшением давления уменьшается теплосодержание жидкости, то освобождающееся тепло вызывает превращение в пар до 30 % продуваемой воды. Как видно из рисунка, пар, выделившийеся из продуваемой воды, отводится в главный конденсатор. Целесообразность питания испарителя продувочной котловой водой объясняется меньшей ее соленостью и большей температурой по сравнению с забортной. Вследствие ее малой солености уменьшается Накипеобразование в испарителях морской воды и методы его предотвращения на судненакипеобразование в испарителе. Использовать конденсат продувочной воды как питьевую не рекомендуется, так как при повышенной влажности вторичного пара в нее могут попасть химические присадки.
Для предупреждения вскипания и уноса рассола во время продувания котла необходимо в этот период поддерживать уровень в испарителе несколько ниже обычного. Вакуум в конденсаторе поддерживается пароструйным эжектором 8, рабочим паром, в качестве которого используется свежий пар, сдросселированный до 15 атм. Конденсат, образованный из пара паровоздушной смеси эжектора, из холодильника эжектора направляется в конденсатор. Забортная вода, охлаждающая конденсатор этого эжектора, направляется в подогреватель, а излишек ее – в магистраль, отводящую воду за борт.
В нижней части испарителя 3 имеется продувочный кран 2, через который осуществляется непрерывное продувание с помощью эжектора рассола 1, работающего от водонапорной пожарной магистрали. Чтобы получить дистиллят высокого качества, в верхней части испарителя пар осушается в сепараторе (на рисунке не показан).
Испарители мгновенного вскипания Испаритель мгновенного вскипания представляет собой сосуд, в который вводится перегретая вода с температурой выше температуры насыщения, соответствующей давлению в нем. Такие испарители иногда называют также аднабатными.x могут быть с циркуляционным контуром (одноступенчатое испарение) рассола и проточные (многоступенчатое испарение).
В проточных испарителях мгновенного вскипания имеет место многоступенчатое испарение, протекающее в тех же условиях, что и в испарителях с циркуляционным контуром. Отличие заключается в том, что многоступенчатость испарения позволяет использовать тепло вторичного пара для нагрева забортной питательной воды той же ступени. Это повышает экономичность установки по сравнению с установкой с циркуляционным контуром, так как при этом в несколько раз уменьшается расход греющего пара.
Классификация водоопреснительных установок
Водоопреснительные установки подразделяются по следующим признакам.
По назначению:
- на опреснительные – для получения питьевой воды;
- испарительные – для получения котельной воды;
- опреснительные комбинированного назначения – для получения не только питьевой и мытьевой, но и котельной воды.
Судовые водоопреснительные установки российского изготовления выполняются по нормалям:
- ОН9-26-57 По нормали ОН9-26-57 трубчатые поверхности изготовляют из раскисленной меди марки МЗС (ВТУ ЦМО 1109-56); испаритель не имеет защитного покрытия внутренней поверхности, а опреснитель покрыт внутри оловом марки 02 (ГОСТ 860-60).x;
- ОН9-472-64 (испарители типа ИВС – испаритель вертикальный судовой);
- и ОН9-472-64 (испаритель утилизационных установок).
Установки с опреснителем ИВС3 предназначены для получения питьевой и мытьевой воды, а с опреснителем ИВС3к (комбинированный испаритель) – для получения питательной и питьевой воды одновременно.
Водоопреснительные установки делятся на:
- автономные,
- неавтономные,
- и утилизационные.
Автономные водоопреснительные установки не связаны с работой Судовые газотурбинные и атомные силовые установкисудовой силовой установки. Неавтономные используют для своей работы общие для силовой установки механизмы и устройства. В утилизационных водоопреснительных установках используют для нагрева и испарения находящейся в испарителе воды тепло от двигателей внутреннего сгорания или тепло отбираемого от паровых двигателей отработавшего пара. Имеются утилизационные установки, в которых получают до 18-19 т воды в сутки с каждой 1 000 л. с. двигателя внутреннего сгорания практически без затрат топлива.
По давлению вторичного пара (в корпусе испарителя) различают установки:
- глубоковакуумные утилизационные (0,043-0,075 кгс/см2);
- низковакуумные на паре отборов (0,2-0,3 кгс/см2);
- избыточного давления (более 1 кгс/см2).
Вакуумные установки позволяют избежать интенсивного накипеобразования, имеющего место при работе установок избыточного давления. Кроме того, в последних при температуре воды более 105 °С усиливается коррозия.
По организации процесса испарения различают кипящие, мгновенного вскипания и другие испарители Имеются в виду гигроскопические (вода впитывается без соли) и пленочные испарители, не имеющие распространения.x. Поверхность нагрева в кипящих испарителях расположена в самой нагреваемой воде, поэтому испарение в них сопровождается кипением испаряемой воды во всем ее объеме. Такие испарители появились давно и наиболее распространены. В испарителях мгновенного вскипания испарение происходит не на поверхности нагрева, а в отдельной камере, где вода частично испаряется с поверхности перегретой струи. Эти испарители иногда называют бесповерхностными испарителями. Они имеют ряд преимуществ: например, на поверхности испарения отсутствует пена, что уменьшает унос капель рассола, попадание которых в дистиллят снижает его качество. По экономическим показателям эти испарители при одноступенчатом испарении (одной камере) не отличаются от кипящих, поэтому применяют многоступенчатое испарение, при котором вторичный пар используется для нагрева забортной питательной воды.
Читайте также: Судовые водоопреснительные установки и способы опреснения
Опреснение морской воды можно получить фреоном, который вступает в соединение с соленой водой и образует кристаллы при температуре 10-15 °С. При этом соли выпадают, а промытые кристаллы после подогрева разлагаются на чистую пресную воду и фреон.
По способу регенерации тепла испарители делят на:
- регенеративные (или компрессионные);
- и ступенчатые.
В регенеративных (компрессионных) установках вторичный пар сжимается компрессором и используется в качестве греющего в том же испарителе. В ступенчатых вторичный пар первой ступени используется в качестве греющего во второй ступени, вторичный пар второй ступени – в третьей и т. д.
По кратности испарения различают одно- и двукратные испарители. Почти все современные испарители предназначены для однократного испарения. При этом получают дистиллят, пригодный для питания котлов высокого давления.
Испарительные установки двукратного испарения имеют первичный испаритель, вырабатывающий воду с повышенным солесодержанием (200-500 мг/л), пригодную только для мытья. Такую воду получают в испарителях сравнительно малых размеров, но с высокой напряженностью зеркала испарения и большим паровым объемом. Качественную воду, пригодную для питания Ремонт вспомогательных паровых котлов и теплообменных аппаратовпаровых котлов, получают во вторичном испарителе путем перегонки первичного дистиллята.
По кратности питания различают испарители одно- и двукратного питания (двукратное питание применяется в двухступенчатых установках).
Классификация судовых водоопреснительных установок по способу нагрева:
- паровые (пар от котлов, промежуточный отбор пара);
- работающие от охлаждающей воды дизелей;
- с электрогрелками.
По контуру рассола различают установки:
- проточные,
- циркуляционные.
По конструктивному типу греющих батарей поверхностных испарителей установки могут быть:
- змеевиковыми;
- прямотрубными;
- пластинчатыми;
- упругими (барабанными, коробчатыми);
- горизонтальными – водотрубными и паротрубными;
- вертикальными – водотрубными.
По компоновке установки подразделяют на:
- агрегатированные,
- неагрегатированные (раздельные).
На флоте наиболее распространены вакуумные водоопреснительные установки. На теплоходах они являются утилизационными, так как используют тепло пресной охлаждающей воды замкнутой системы дизелей.
Требования, предъявляемые к водоопреснительным установкам
Водоопреснительные установки на судне предназначены для пополнения запасов воды, расходуемой на различные цели:
- для питания паровых котлов;
- приготовления пищи;
- санитарно-гигиенических нужд команды и пассажиров;
- для других технических и специальных надобностей.
Различные паровые котлы морских судов в зависимости от давления получают питательную воду, качество которой должно соответствовать требованиям, указанным в таблице ниже.
| Требования к качеству воды для паровых котлов морских судов | |||
|---|---|---|---|
| Вода | Жесткость, мл·экв/л, не более | Содержание хлоридов, мг/л, не более | |
| Питательная: | для огнетрубных котлов с Pк<20 кгс/см2 | 0,5 | 50 |
| для комбинированных и водотрубных котлов с Pк<20 кгс/см2 | 0,1 | 10 | |
| для водотрубных с Pк = 20 – 40 кгс/см2 | 0,02 | 2 | |
| для водотрубных с Pк<60 кгс/см2 | 0,01 | 0,1 | |
| Питьевая | 36-60 (6-10 °Бр) | ||
| Мытьевая | 5,4 (15 °H) | 180 (30 °Бр) | |
На судах с паровыми поршневыми машинами и паровым приводом Анализ конструкции вспомогательных механизмов на судневспомогательных механизмов расход пресной воды вследствие утечек пара и конденсата доходит до 3 % от паропроизводительности котлов. В современных паротурбинных установках утечки обычно составляют только 0,5-1 %. Расход воды на бытовые нужды и для питья на современных судах доходит до 150-200 л на одного человека в сутки. В зависимости от района плавания и продолжительности рейсов запасы воды, предназначенной для санитарно-гигиенических нужд, определяются на основании санитарных правил и требований, согласованных странами-членами СЭВ (из расчета 100 л питьевой и 60 л мытьевой воды).
Питьевая вода используется для приготовления пищи и питья. Она должна быть чистой, не иметь неприятного привкуса, запаха и болезнетворных микробов, удовлетворять требованиям ГОСТ 2874-73. Совершенно обессоленная (дистиллированная) вода неприятна на вкус и при систематическом употреблении обессоливает клетки пищеварительных органов, что отражается на здоровье. Допускаемый срок хранения питьевой воды 7 сут. Вредной для здоровья также является вода, имеющая повышенную против нормальной радиоактивность.
Мытьевая вода, используемая для бань и стирки, мытья буфетов, камбузов, посуды и т. д., может иметь большую соленость, но ограниченную жесткость. Она не должна быть мутной, иметь неприятного запаха и содержать болезнетворных микробов. Наибольший срок хранения мытьевой воды 10 сут.
Дистиллированная вода используется для доливки аккумуляторных батарей и в качестве теплоносителя в атомных энергетических установках. Повышенные требования к аккумуляторной воде обусловлены тем, что в электролит не должны попадать примеси, закупоривающие поры пластин, и примеси, которые могут вызвать электрическую саморазрядку аккумуляторов.
Предлагается к прочтению: Технико-экономическая эффективность опреснения и выбор типа опреснительной установки на судне
Требования к качеству аккумуляторной воды и правила ее хранения указаны в специальных инструкциях. Вода, применяемая в качестве теплоносителя и замедлителя в системах энергетических ядерных реакторов, должна быть более чистой, чем аккумуляторная. В связи с тем, что малейшие примеси в этой воде резко ухудшают работу реактора и повышают радиоактивность воды, ее подвергают анализам. При этом определяют:
- взвешенные вещества;
- общее солесодержание кремния;
- концентрацию газов (в основном кислорода, водорода и азота);
- а также ионов металлов, входящих в состав углеродистых и нержавеющих сталей, хромистых сплавов и др.
Запас пресной воды для месячного рейса, например, судна с паровой турбиной мощностью 10-13 тыс. э. л. с. и экипажем 50 человек, составляет 300-400 т.
Следует отметить, что количество топлива, необходимого для испарения воды, в десятки раз меньше, чем запасы воды, которые следовало бы принять на судно.
Таким образом, при использовании водоопреснительных установок за счет снижения запасов воды увеличивается полезная грузоподъемность судов. Кроме того, качество воды, получаемой судами в портах, далеко не всегда удовлетворяет предъявляемым требованиям. Вследствие этого добавочную воду к питательной воде современных паровых котлов получают путем испарения Системы охлаждения пресной и забортной водой на морских судахзабортной воды и последующей конденсации пара (реже путем испарения пресной воды из судовых запасов, т. е. полученной с берега).
Вакуумные водоопреснительные установки на судне перерабатывают океанскую и морскую воду (последняя содержит обычно меньшее количество солей). В составе солей океанской воды преобладают хлориды (до 89 %), что позволяет наиболее удобно характеризовать соленость как морской воды, так и получаемого в установках дистиллята содержанием хлор-ионов или хлористого натрия. Ранее принятая единица измерения солености воды – градус Брандта – 6,06 мг/л Cl (хлор-ионов). Наличие на судне совершенной водоопреснительной установки достаточной производительности позволяет обеспечить потребность в питательной, пресной (для технических нужд), а также мытьевой воде и тем самым свести к минимуму количество пресной воды, принимаемой в портах. Таким образом, использование водоопреснительной установки позволяет сократить расходы, в том числе валютные, на приобретение воды в портах.
Предъявляемые требования к водоопреснительным установкам следующие:
1 Установка должна быть проста по конструкции и иметь малые вес и размеры, что достигается применением более теплопроводных материалов для змеевиков, например красной меди, а также их параллельным включением. Для увеличения нагревательной поверхности используют трубы малого диаметра и предусматривают при эксплуатации искусственную циркуляцию.
2 Установка должна работать длительное время с постоянной производительностью без вывода из действия для очистки от накипи. Это требование лучше выполняется в вакуумных установках, работающих при давлениях 0,043-0,3 кгс/см2. Испарение воды при низких температурах (соответствующих указанному давлению) позволяет избежать интенсивного накипеобразования, поэтому очистка поверхности нагрева может стать необходимой не ранее чем через 3 000 ч работы. В установках с испарителями избыточного давления накипеобразование происходит настолько интенсивно, что очистка становится необходимой через 100-200 ч работы. Для обеспечения длительной работы с постоянной производительностью необходимо следить за чистотой змеевиков, так как, например, слой накипи толщиной 0,5 мм уменьшает коэффициент теплопередачи на 45 %. Отложение накипи зависит от условий испарения, солесодержания рассола и уровня технической эксплуатации водоопреснительной установки.
3 Дистиллят должен отвечать требованиям «Правил технической эксплуатации судовых вспомогательных механизмов и оборудования». Соленость дистиллята зависит от влажности вторичного пара. Нормально в отдельных типах водоопреснительных установок соленость не превышает 3-5 мг/л Cl′. Качество дистиллята зависит от насыщенности вторичного пара. При спокойном испарении воды вторичный пар оказывается более сухим, так как уменьшается капельный унос с зеркала испарения. Напряженность зеркала испарения должна составлять:
- в вакуумных испарителях – 5 000-9 000 м3/м2ч;
- при избыточном давлении вторичного пара 2 000-3 000 м3/м2ч;
- и парового объема – 3 000-10 000 м3/ч.
Должна поддерживаться достаточная высота парового пространства – 0,8-1,2 м; скорость вторичного пара должна быть меньше 1-2,5 м/с. Качество дистиллята также обеспечивается:
- размывом пены, возникающей на поверхности кипящей воды, для чего в паровое пространство испарителя подается питательная вода – струями или сплошной пеленой;
- промывкой вторичного пара с последующей его подсушкой (барботажная промывка с осушкой в пластинчатом сепараторе; расход дистиллята на промывку 3-10 % производительности испарителя);
- сепарацией всего вторичного пара в пленочных (пластинчатых и жалюзийных), циклонных (повороты потока), ударного действия (отбойные листы) и лабиринтовых сепараторах, которые обеспечивают влажность вторичного пара не более 0,01 %.
Качество дистиллята в значительной степени также зависит от температурного напора (разности температур греющей среды – пар, вода) и вторичного пара (или питательной воды на выходе):
- для установок с погружными нагревательными элементами и избыточным давлением вторичного пара ∆t ≈ 10-15 °С;
- для установок с погружными нагревательными элементами, вакуумных ∆t ≈ 25-30 °С;
- для глубоковакуумных утилизационных испарителей ∆t ≈ 20-25 °С;
- для циркуляционных установок перегретой воды ∆t ⩾ 30 °С.
4 Установка должна быть экономичной. Экономичность можно увеличить, используя вторичный пар для подогрева воды, подаваемой в испарители, и осуществляя регенеративный процесс (когда вторичный пар служит для испарения забортной воды), а также многоступенчатое испарение. Немалую роль в повышении экономичности водоопреснительных установок играет использование тепла отработавшего пара вспомогательных механизмов и главной судовой паросиловой установки, тепла отработавших газов ДВС или тепла воды, охлаждающей главные двигатели. Расход тепла на получение дистиллята зависит от параметров греющего пара, схемы испарения и утилизации тепла вторичного пара. Для автономных вакуумных одноступенчатых испарителей, включенных на отбор пара низкого давления (0,75-0,8 кгс/см2), на 1 т израсходованного топлива получают до 40 т дистиллята (⩽30 кг топлива на 1 т дистиллята); при двухступенчатом испарении – 72-74 т дистиллята. Для испарителей паротурбинных установок, включенных в тепловую схему, при двухступенчатом испарении на отборе низкого давления выход дистиллята составляет 120-130 т на 1 т топлива. При утилизации тепла охлаждающей воды дизелей на 1 т дистиллята затрачивается 1,5-2 кг топлива (на выработку электроэнергии). Для интенсификации теплообмена и повышения производительности вакуумных испарительных установок начинает применяться искусственный подсос в кипящий рассол некоторого количества воздуха.
5 Установка должна быть приспособлена к работе в судовых условиях и кроме того, обеспечивать возможность быстрой и удобной смены частей и их взаимозаменяемость. Последнее зависит от качества выполнения узлов и всей водоопреснительной установки и прилагаемых к ней заводом-изготовителем запасных частей.
6 Конструктивное выполнение испарителя, подогревателя, конденсатора и других аппаратов должно предусматривать осуществление полной автоматизации установки.
- Александров А. В. Судовые системы. Л., «Судостроение». 1966. 200 с.
- Богомольный А. Е. Судовые вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., «Судостроение», 1971. 384 с.
- Валдаев М. М. Гидравлические приводы судовых палубных механизмов. Л., «Судостроение», 1973. 295 с.
- Гурович А. Н. и др. Судовые устройства. Справочник. Л., «Судостроение», 1967. 412 с.
- Дубровский О. Н., Руфин Б. А., Артамонов М. Н. Гидравлические приводы судовых механизмов. Л., «Судостроение», 1969. 383 с.
- Ермилов В. Г. Эксплуатация испарительных установок теплоходов. М., «Транспорт», 1969. 92 с.
- Епифанов Б. С. Судовые системы. Л., «Судостроение», 1973. 136 с.
- Завиша В. В., Декин Б. Г. Судовые вспомогательные механизмы. М., «Транспорт», 1974. 392 с.
- Инструкция по химической очистке судовых испарителей. ММФ, 1968.
- Коваленко В. Ф. и др. Водоопреснительные установки морских судов. М., «Транспорт», 1964. 304 с.
- Кравченко В. С. Монтаж судовых вспомогательных механизмов. Л., «Судостроение», 1968. 219 с.
- Михайлов С. С., Мартынов Б. М. Пневматические приводы судовых механизмов и устройств. Л., «Судостроение», 1974. 190 с.
- Петрина Н. П. Судовые насосы. Л., Судпромгиз, 1962, 376 с.
- Плявин Н. И. Эксплуатация морского танкера. М., «Транспорт», 1968. 336 с.
- Правила классификации и постройки морских судов. Регистр СССР. Л., «Транспорт», 1967. 311 с.
- Правила классификации и постройки морских судов. Регистр СССР. Л., «Транспорт», 1970. 855 с.
- Правила техники безопасности на судах морского флота. М., Реклам-бюро ММФ, 1970.
- Правила технической эксплуатации судовых вспомогательных механизмов и оборудования. М., «Транспорт», 1975.
- Правила технической эксплуатации корпуса, помещений, устройств и систем судна. М., «Транспорт», 1965. 164 с.
- Положение о технической эксплуатации морского флота. М., Реклам-бюро, 1973. 151 с.
- Справочник судового механика. Т. 2. Под ред. Л. Л. Грицая. М., «Транспорт», 1974. 697 с.
- Шмаков М. Г. Рулевые устройства судов. Л., «Судостроение», 1968. 364 с.
- Ясинский А. С. Судовые паросиловые установки. М., «Транспорт», 1969. 192 с.
