Úprava vody

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:

  • z veřejné vodovodní sítě (městská voda)
  • z vlastní studně
  • z pramene

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.

Information

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:

  • koroze
  • usazeniny na straně vody
  • pěnivost kotlové vody
  • tvorba kalu

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

Obsahové látky čerstvé vody a kondenzátu

Základem pro dimenzování zařízení úpravny vody by měla vždy být detailní analýza kvality čerstvé vody.

 

Zbavení vody železa a hořčíku

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.

 

Změkčování

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

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.

Funkční princip iontového měniče ke změkčování vodyFunkční princip iontového měniče ke změkčování vody

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

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

Demineralizace

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:

 
Berechnung

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

10 000

10 000

Množství odluhu (na množství páry)1)

[%]

3,27

2,56

3,00

Podíl kondenzátu c

[%]

50

50

50

Podíl čerstvé vody

[%]

50

50

50

Hodnota v čerstvé vodě

[µS/cm]

380

7,5 [mg/l]

0,7 [mmol/l]

Limitní hodnota kotlové vody

[µS/cm]

6 000

150 [mg/l]

12 [mmol/l]

Hodnota v napájecí vodě

[µS/cm]

190

3,75

0,35

Množství odluhu

[kg/h]

327

256

300

Množství napájecí vody

[kg/h]

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 (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

Čerstvá voda

 

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

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.

 

Termické odplynění

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

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

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

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

++

velmi dobré chování při dílčím
výkonu

Porovnání tryskových a kaskádových odplyňováků
1) Doporučeno ke zpětnému získávní tepla s přídavnou vodou

Schéma potrubí a zařízení k plnému odplynění s kaskádovým odplyňovákem

Schéma potrubí a zařízení k plnému odplynění s kaskádovým odplyňovákem

LIC

převodník měření hladiny

     

PIC

převodník měření tlaku

Přídavná voda

     

Ohřívací pára

     

Pojistný ventil

Brýdová pára

 

Napájecí voda

 

Ochrana proti vakuu

Kondenzát s obsahem kyslíku

 

Vypouštění

 

Kaskádový odplyňovák

Kondenzát bez obsahu kyslíku

 

Dávkování

 

Regulační ventil ohřívací páry

Schéma potrubí a zařízení k plnému odplynění s tryskovým odplyňovákem

Schéma potrubí a zařízení k plnému odplynění s tryskovým odplyňovákem

LIC

převodník měření hladiny

     

PIC

převodník měření tlaku

Přídavná voda

     

Ohřívací pára

     

Pojistný ventil

Brýdová pára

 

Napájecí voda

 

Vakuový ventil (otevírající přívod vzduchu do kondenzátoru)

Kondenzát s obsahem kyslík

 

Vypouštění

 

Tryskový odplyňovák

Kondenzát bez obsahu kyslíku

 

Dávkování

 

Regulační ventil ohřívací páry

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

Zásobování napájecí vodou – částečné odplynění

LI

ukazatel hladiny

     

LIC

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

     

Přídavná voda

 

Potrubí napájecí vody

     

 

Chemické dávkování

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:

  • vázání zbytkového kyslíku
  • snižování koroze nastavením hodnoty pH
  • stabilizace zbytkové tvrdosti
  • zabraňování usazeninám a tvorbě kotlového kamene

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.

Odborná zpráva: Moderní úprava a analýza vody