Správná úprava vody je jedním z nejdůležitějších základních předpokladů pro bezpečný a dlouholetý provoz parního kotlového zařízení. Vlastnosti vody pro parní kotlová zařízení proto podléhají přísným požadavkům.
Pojmy používané v parních kotlových zařízeních a jejich synonyma pro různé toky vody jsou krátce vysvětleny níže.
Pojem
Vysvětlení
Čerstvá voda
(surová voda)
Neupravená voda, která je odebírána z následujících zdrojů:
Tato voda je přiváděna do zařízení k doplnění a nahrazení ztrát vody a obvykle vstupuje s teplotou okolo 10 °C.
Změkčená voda
(měkká voda, změkčená voda)
Voda, u které jsou z vody odváděny pomocí měniče iontů ionty vápníku (Ca2+) a hořčíku (Mg2+).
Částečně demineralizovaná voda
(permeát nebo demineralizovaná voda)
Voda, která neobsahuje již téměř žádné soli.
Tato voda má vodivost < 50 µS/cm a většinou je získávána ze změkčené vody reverzní osmózou.
Plně demineralizovaná voda
(demivoda, deionizovaná v.)
Voda, která již neobsahuje žádné soli.
Tato voda má vodivost < 1 µS/cm většinou je získávána kombinací měničů anionů a kationů.
Přídavná voda
Změkčená, částečně nebo plně demineralizovaná voda, která je přiváděna do nádrže napájecí vody k odplynění.
Kondenzát bez kyslíku
(vysokotlaký kondenzát)
Kondenzát, který se sbírá v uzavřených nádobách při tlacích > 0,2 bar.
Napájecí voda
Změkčená, odplyněná a chemicky upravená voda, která je do kotle přiváděna přes napájecí čerpadla.
Pojmy pro různé toky/ proudy vody a jejich vysvětlení
Chyby v úpravě vody, analytice k úpravě vody a nedostatečné hlídání kvality vody jsou nejčastějšími příčinami provozních poruch nebo dokonce škod na parním kotlovém zařízení.
Z tohoto důvodu byla na evropské úrovni přijata rozsáhlá norma, která vyžaduje dodržování přesně definovaných kvalit vody pro napájecí a kotlovou vodu.
V normě DIN EN 12953- 10 jsou předepsány konkrétní standardy, co se týká vzhledu, vodivosti, hodnoty pH, celkové tvrdosti, kyselinové kapacity jakož i koncentrace železa, mědi, kyseliny křemičité, oleje/ tuku, fosfátů a kyslíku. Stejně tak by měla být voda bez organických substancí.
Odborná zpráva: Moderní úprava a analýza vody
Díky těmto požadavkům na napájecí vodu přiváděnou do parních kotlů a na kotlovou vodu, jsou redukovány následující příčiny škod a chyb, nebo jim je dokonce zabraňováno:
Aby byly požadované hodnoty vody dodrženy a tak bylo zabráněno škodám z důvodu zvýšené koncentrace problematických obsahových látek ve vodě, musí být čerstvá voda upravována.
K tomu jsou v závislosti na výkonu kotlového zařízení, míře kondenzátu a obsažených látkách v čerstvé vodě, která je k dispozici, používána různá opatření úpravy vody, aby byla voda upravena pro nasazení v kotlovém provozu.
Následující zobrazení nám poskytuje přehled obsažených látek v čerstvé vodě nebo kondenzátu, nebezpečí pro parní kotel a parní kotlová zařízení, která z nich vyplývají, opatření, která musí být přijata v oblasti úpravy vody.
Obsahové látky čerstvé vody a kondenzátu
Základem pro dimenzování zařízení úpravny vody by měla vždy být detailní analýza kvality čerstvé vody.
Při zbavování vody železa a hořčíku jsou ionty železa (II) (Fe2+) a manganu (II)-Ionen (Mn2+) ve vodě nejprve zoxidovány na hodnotnější ionty. Oxidace může probíhat kyslíkem (O2), jinými oxidujícími chemikáliemi jako manganistanem draselným (KMnO4) katalýzou. Vznikající produkty mohou být následně odfiltrovány přes filtrační granulát.
Mezi látkami rozpuštěnými ve vodě je pro provoz kotlového zařízení obzvláště škodlivá tvrdost. Pod tvrdost jsou zahrnovány zejména ionty vápníku a hořčíku (Ca2+; Mg2+) Když se v napájecí vodě nachází tyto takzvané kovy alkalických zemin, mohou se při ohřevu v kotli vylučovat a tvoří pak kotlový kámen, který se usazuje jako povlak na teplosměnných plochách.
Pokud není tvorba vrstev a povlaků včas rozpoznána, dochází zabraňováním přechodu tepla ke zhoršení účinnosti. Pokud tloušťka vrstvy dále narůstá, může to vést k přehřívání teplosměnných ploch a k následným těžkým škodám až k totálnímu poškození kotle.
Aby se těmto škodám zabránilo, musí být tvrdost z vody odstraňována.
Tvorba povlaku v kotli se škodami na plamenci
Funkční princip iontoměničů
Iontová výměna je nejčastěji používaný postup ke změkčování vody. Přitom jsou látky tvořící tvrdost, vápník a hořčík, vyměňovány za neškodný sodík. Iontová výměna je jednoduchý a efektivní proces ke změkčování vody, při němž vznikají pouze malé náklady na spotřebu speciální regenerační soli.
Provozní stav A: Změkčování vody
Při změkčování vody výměnou iontů probíhá chemická rovnovážná reakce. Na iontoměničové pryskyřici v tlakové nádobě ulpívají ionty sodíku. Jakmile proudí voda s obsahem vápníku zařízením na změkčování vody, naváží se ionty vápníku a hořčíku obsažené v čerstvé vodě na pryskyřičný měnič iontů. Ten výměnou vyloučí ionty sodíku.
Provozní stav B: Začátek regenerace
Pryskyřičný měnič iontů tak dlouho pojímá nové látky způsobující tvrdost, dokud není nasycený. Pak musí být pryskyřičný měnič iontů regenerován. K tomu je třeba speciální změkčovací sůl, která se ve vodě rozpustí na solanku.
Při regeneraci se pryskyřičný měnič iontů proplachuje solankou. Přebytkem sodíku v solance pryskyřice opět odevzdá ionty vápníku a hořčíku a pojme ionty sodíku.
Provozní stav C: Konec regenerace
Protože na sebe pryskyřice váže převážně ionty vápníku a hořčíku, není ji možno kompletně regenerovat. Proto se doporučuje používat pouze změkčovadla vody s takzvaným úsporným solením.
Provozní stav D: Opakovaný začátek změkčování vody
Jakmile je proces regenerace ukončen, propláchne se iontoměnič vodou a je připraven pro další cyklus změkčování vody.
U větších zařízení na změkčování vody se doporučuje použít dvojitá zařízení. U nich je pak možný střídavý provoz.
Přitom pak může jeden iontoměnič produkovat změkčenou vodu, zatímco v druhém probíhá regenerace. Tak může být zaručena stálá disponibilita změkčené vody.
Schematické a obrazové znázornění dvojitého zařízení na změkčování vody
Provozní stav A: iontoměnič je regenerován v protiproudu
Provozní stav B: iontoměnič v provozu
Přepínací armatura: znázornění s aktuálním prouděním
Změkčená přídavná voda
Čerstvá (surová) voda
Zásobník na regenerační roztok
Odpadní voda
V kotli se voda odpařuje bez solí, které jsou v ní rozpuštěny, takže koncentrace solí ve zbylé kotlové vodě stoupá. Aby nedocházelo k překračování přípustné koncentrace soli, musí se kontinuálně „odsolovat“, resp. demineralizovat, přičemž vznikají ztráty energie a vody.
Aby se míra demineralizace snížila, je zejména u nižší míry kondenzátu < 50 % a vysoké vodivosti v čerstvé vodě smysluplná demineralizace čerstvé vody. Demineralizace je přitom zařazena po změkčování. Jako nejběžnější postup zde musíme jmenovat reverzní osmózu.
Výpočet množství odluhu
Množství odluhu lze vypočítat na základě naměřené vodivosti v napájecí vodě nebo za pomoci parametrů přídavné vody a množství kondenzátu (kondenzát zpravidla obsahuje zanedbatelně malou vodivost) následovně:
Rovnice pro výpočet množství odluhu
a
Množství odluhu z množství napájecí vody [%]
LSPW
Vodivost napájecí vody [μS/cm]
LZW
Vodivost přídavné vody [μS/cm]
LK
Přípustná vodivost kotlové vody [μS/cm]
c
Množství kondenzátu
Vedle vodivosti mohou množství odluhu určovat i další parametry vody jako obsah kyseliny křemičité SiO2 nebo (karbonátová) tvrdost s limitní hodnotou Ks 8,2. Přitom je pro velikost odluhu rozhodující vždy nejvyšší vypočtená hodnota.
Tyto parametry mohou být vypočteny analogicky jako výše uvedený vzorec pro vodivost:
Jednotka
Vodivost
SiO2
Ks 8,2
Množství páry
[kg/h]
10 000
[%]
3,27
2,56
3,00
Podíl kondenzátu c
50
Podíl čerstvé vody
Hodnota v čerstvé vodě
[µS/cm]
380
7,5 [mg/l]
0,7 [mmol/l]
Limitní hodnota kotlové vody
6 000
150 [mg/l]
12 [mmol/l]
Hodnota v napájecí vodě
190
3,75
0,35
Množství odluhu
327
256
300
Množství napájecí vody
10 327
10 256
10 300
Výpočet množství odluhu 1) Míra odluhu vyplývá z nejvyšší hodnoty. V tomto případě z vodivosti 3,27 %.
Reverzní osmóza
Princip reverzní osmózy spočívá v tom, že difuzní odpor pórů používané oddělovací membrány pro menší molekuly vody je podstatně menší, než odpor pórů větších iontů rozpuštěných ve vodě. Pokud je systém v rovnováze, je tlak na straně koncentrátu (retentátu) vyšší než na straně čisté vody (permeátu.) To se označuje také jako osmotický tlak a je viditelný jako výškový rozdíl.
Technické využití k demineralizaci vody probíhá za pomoci umělých membrán, přičemž přirozený průběh osmózy je obracen zvýšením tlaku na straně koncentrátu.Tím se téměř úplně zadržují rozpuštěné soli, ale i organické látky.
Znázornění osmotického tlaku (A) reverzní osmózy tlakovým zatížením na straně kondenzátu (B) a procesu kontinuální reverzní osmózy (C)
Znázornění osmotického tlaku
Retentát
Reverzní osmóza zvýšením tlaku na straně koncentrátu
Semipermeabilní (částečně propustná) membrána
Kontinuální proces reverzní osmózy
Nosná vrstva
Permeát
Postup separace
Filtrace sítem
Jemná filtrace
Filtrace částic
Mikro filtrace
Ultra filtrace (UF)
Nano filtrace (NF)
Reverzní osmóza (RO)
Hranice separace
> 500 µm
5 ... 500 µm
1 ... 10 µm
0,1 ... 1 µm
0,01 ... 0,1 µm
0,001 ... 0,01 µm
< 0,001 µm
Oddělitelné látky
zrnka, písek, vlákna
větší částice, řasy
malé částice, zárodky, bakterie, viry
nejmenší částice, zárodky, bakterie, viry
viry a molekulární substance
nízkomolekulární substance a huminové látky
ionty
Procesy ve vodě
sítování, cyklóny, sedimentace, čeření
tkaninové a látkové filtry
vícevrstvé rychlofiltry a membránová filtrace
vícevrstvé pomalé filtry a membránová filtrace
membránová filtrace (UF)
membránová filtrace (NF)
everzní osmóza (RO)
Technika
Obecný přehled separačních hranic a separačních postupů v úpravě vody
Upravená vyčištěná voda je kontinuálně k dispozici a vzniklý koncentrát může být bez další úpravy odveden do kanalizace.
Předpokladem pro nasazení zařízení reverzní osmózy je předřazené změkčování vody. Stejně tak musí být voda čistá a bez rozpustných cizích látek, zejména bez organických znečištění, aby bylo zabráněno zanesení membrán.
Změkčená voda je tlakem < 40 barů odváděna do modulů vybavených membránou. Vyčištěná voda a minimální podíl malých iontů soli difundují membránou a tvoří permeát (latinsky: permeare = proniknout), který je k dispozici jako částečně odsolená voda. Podíl permeátu nasazené vody činí 80 ... 95 %. Zbytek (5 ... 20 %) původního množství vody je koncentrát bohatý na sůl, také nazývaný retentát (latinsky: retinere = zadržet), který se likviduje.
Proces reverzní osmózy probíhá v kontinuálními provozu zařízení téměř bez nasazení chemikálií a je zadržováno zhruba 98 % solí, takže je v permeátu vodivost menší než 15 μS/cm. Správná funkce zařízení je přitom monitorována přes měření vodivosti v permeátu.
Aby bylo možno zařízení reverzní osmózy dimenzovat co možná nejmenší, je smysluplný sběrný zásobník permeátu. Z toho pak probíhá doplňování vody do odplyňováku zásobníku napájecí vody.
Schematické znázornění úpravy vody reverzní osmózou se zásobníkem na permeát
Filtr
Bypass
Čerpadlo permeátu
Vysokotlaké čerpadlo
Monitoring vodivosti (QIA+)
Moduly reverzní osmózy
Zásobník na permeát
Plná demineralizace
Demineralizace vody s vodivostí < 0,2 μS/cm je dosaženo úplnou iontovou výměnou s mezizařazeným skrápěním CO2, když za výměníkem aniontů je přídavně instalován ještě směsný ionexový filtr. V tomto filtru jsou nakombinovány kationty a anionty. Pro optimalizaci plné demineralizace a redukované spotřeby regeneračních prostředků jsou krokům úpravy vody přídavně předřazeny slabě kyselé a slabě zásadité měniče aniontů před silně kyselými, resp. silně zásaditými měniči. Plně demineralizovaná voda je také označována jako demi-voda.
Díky korozivním složkám v napájecí vodě nebo kondenzátu mohou zásobníky napájecí vody, kotle, ekonomizéry nebo potrubí utrpět škody. Ty jsou převážně způsobovány korozí kyslíkem nebo kyselinou uhličitou.
Koroze kyslíkem vede přitom k částečným dírám ve tvaru jizev v základním materiálu. Koroze se zažírá stále hlouběji do materiálu. Vykazuje typický obraz poškození „vyžraných děr“.
Poškození korozí kyslíkem v kotli a na potrubích
Vnější projev koroze kyselinou uhličitou (koroze CO2), je naproti tomu téměř vždy relativně rovnoměrný, plošný úbytek materiálu.
Termické odplynění je nejlépe vhodný postup k tomu, aby byly koncentrace kyslíku a oxidu uhličitého v napájecí vodě trvale udržovány pod škodlivou mírou. Přitom se využívá klesající rozpustnosti plynů ve vodě při stoupající teplotě. Tak tato rozpustnost při 100 °C klesá téměř k nule.
Hodnoty se vztahují k rovnováze rozpustnosti. Aby bylo dosaženo skutečného odplynění, musí být umožněna intenzivní výměna mezi plyny rozpuštěnými ve vodě a parním prostorem zásobníku napájecí vody, což se děje v kaskádových nebo tryskových odplyňovácích. Vytváří se zde velká hranice skupenství, aby pak bylo dosaženo rychlého transportu látky do plynného skupenství. Dále je nutná určitá doba setrvání vody v zásobníku, aby došlo k dokonalému odplynění.
Rozpustnost kyslíku a oxidu uhličitého ve vodě
Oxid uhličitý (CO2)
Kyslík (O2)
Zobrazení modulu úpravy vody skládajícího se z nádrže napájecí vody s kaskádovým odplyňovákem, modulů napájecích čerpadel, expandéru, dávkovacích zásobníků a příslušného rozvaděče
Čerstvá voda nebo kondenzát s obsahem kyslíku jsou nahoře odváděny do odplyňovacího dómu a buď tryskami, nebo kaskádově skrápěcími plechy jsou jemně rozprašovány. Ohřev na teplotu varu probíhá prostřednictvím topné páry, která proudí odplyňovákem v opačném směru nahoru. Plyny, které se uvolní ohřevem, jsou odvedeny společně s nezbytnými brýdovými párami na vrcholku odplyňovacího dómu.
Velkou část tepla z brýdových par je možno nasazením tepelného výměníku brýdových par (VC) přenést do přídavné vody a toto teplo tak zůstane v parním zařízení zachováno.
Brýdové páry - více informací
Výrobky: Chladič brýdových par VC
Úplné odplynění
Při provozním tlaku 0,1 ... 0,3 barů a tak při teplotách přes 100 °C může být spolehlivě dodržován obsah kyslíku ve vodě maximálně 0,02 mg O2/l a obsah CO2 maximálně 1 mg CO2/l takže se mluví o úplném odplynění.
Chemické prostředky vážící kyslík jsou zde nasazovány pouze v malé míře, aby zajišťovaly, že v napájecí vodě nebude přítomen žádný zbytkový kyslík.
Tryskový odplyňovák
Kaskádový odplyňovák
Výška prostoru
++
velmi kompaktní
–
Odplyňovací dóm formou nástavce směrem nahoru
Investiční náklady
+
trochu nižší
trochu vyšší
Provozní podmínky se liší v závislosti na podmínkách navrhování / dimenzování (tok kondenzátu)
dílčí výkon téměř není možný
velmi dobré chování při dílčím výkonu
Nasazení plynulé regulace přídavné vody1)
Dílčí výkon téměř není možný
Porovnání tryskových a kaskádových odplyňováků 1) Doporučeno ke zpětnému získávní tepla s přídavnou vodou
Schéma potrubí a zařízení k plnému odplynění s kaskádovým odplyňovákem
LIC
převodník měření hladiny
PIC
převodník měření tlaku
Ohřívací pára
Pojistný ventil
Brýdová pára
Ochrana proti vakuu
Kondenzát s obsahem kyslíku
Vypouštění
Kondenzát bez obsahu kyslíku
Dávkování
Regulační ventil ohřívací páry
Schéma potrubí a zařízení k plnému odplynění s tryskovým odplyňovákem
Vakuový ventil (otevírající přívod vzduchu do kondenzátoru)
Kondenzát s obsahem kyslík
Částečné odplynění
Pokud odplynění probíhá pouze při zhruba 90 °C, mluví se o částečném odplynění, neboť zbytek vázaných plynů ještě může zůstávat ve vodě. Zde je pak nezbytné zvýšené nasazení chemických prostředků vážících kyslík, aby byl chemicky navázán především zbytkový kyslík a nemohl tak způsobovat korozi v kotli a ve zbytku parního kotlového zařízení.
Zásobování napájecí vodou – částečné odplynění
LI
ukazatel hladiny
regulátor hladiny
TIC
regulátor teploty
Potrubí ohřívací páry
Dávkování chemikálií
Řídící systém
Přívodní potrubí kondenzátu
Odtokové potrubí a přepad
Zásobník napájecí vody
Potrubí brýdové páry
Přepouštění od regul. ventilu napájecí vody
Potrubí napájecí vody
Aby bylo možné spolehlivě zajišťovat a monitorovat požadovanou kvalitu vody, musí být vlastnosti napájecí a kotlové vody přídavně vylepšovány ošetřením chemikáliemi.
Toto chemické dávkování podporuje zajišťování následujících bodů:
Dávkovací prostředky jsou přitom v zásobníku napájecí vody dávkovány tak, aby byl dán dostatečný čas reakce ve vodě zhruba 30 min.
Běžně je k vázání kyslíku používán siřičitan sodný a k vázání zbytkové tvrdosti a zvýšení hodnoty pH fosforečnan sodný.
