3. PARNI KOTLOVI 3.10 Napojna voda kotla Potreban kvalitet pare Priprema vode Jonska izmena
Osnove omekšavanja vode
Dekarbonizacija vode Dekarbonizator Demineralizacija vode Blok kotlovsko postrojenje Cevno blok kotlovsko postrojenje
Zaključak
Parno kotlovsko postrojenje mora da obezbedi:
Sigurnost rada Maksimalni stepen sagorevanja i visok koeficijenat prolaza toplote
Minimalno održavanje
Dug radni vek
Kvalitet vode za proizvodnju pare u kotlu ima značajan uticaj na prethodno nabrojane parametre rada postrojenja. Potrebno je da se u radu kotla obezbedi:
Zaštita od naslaga - Ukoliko je napojna voda tvrda i nije hemijski tretirana, dolazi do taloženje naslaga na površinama za razmenu toplote ,smanjujući koeficijent i iskorišćenje prenosa toplote tako da je neo phodno periodično čišćenje zagrevnih površina. U krajnjim slučajevima, dolazi do stvaranja lokalnih pregrejanih zona koji mogu izazvati mehanička oštećenja pa i čak pregorevanje cevi. Zaštita od korozije i hemijske agresivnosti - Ukoliko voda sadrži rastvorene gasove, pogotovo kiseonik, korozija se javlja na kotlovskim
površinama, cevima i ostaloj opremi kotla.
Ako je PH vrednost mala, prisutne kiseline nagrizaće metalne površine. Ukoliko je PH vrednost velika, voda je bazične prirode, može da nastane problem penušanja vode. Oštre_______ i oštre naprsnuća moraju se sprečiti sa ciljem da se izbegnu mehanička oštećenja. Naprsnuća i _______ su posledica visoke
koncentracije natrijum hidroksida u vodi. Stariji kotlovi spojeni zakovicama su posebno osetljivi na ovu vrstu napada, međutim, paziti se mora i na krajevima cevi kod zavarenih savremenih kotlova. Potreban kvalitet pare Ukoliko primese u vodi nisu u potpunosti odstranjene, javlja se problem
odnošenja kapljica vode pre nego što se pretvori u paru . Ovo može da uzrokuje probleme drugde u parnom sistemu, kao što su:
Prljavština na površini regulacionih ventila - Korozija može da naruši rad ventila i smanji njihov kapacitet. Prljavština na površinama za razmenu toplote u parnom postrojenju- Uzrokuje porast termičkih otpora, smanjujući vrednost razmene toplote.
Ograničenje otvora za prolaz pare - Utiče na smanjenje produkcije pare, time utiče na raspodelu vode u postrojenju, smanjujući izlaznu snagu.
Uznošenje kapljica vode može biti uzrokovan na dva nači na: 1. ________- To je pretvaranje kotlovske vode u parni prostor i
generalno je određen prema jednom ili više sledećih stvari:
Rad kotla sa prevelikim nivoom vode
Rad kotla ispod proračunskog pritiska, ovo povećava zapreminu i brzinu pare nastalu isparavanjem sa vodene
površine.
2.
Prekomerna potreba za parom
Penušanje- To je oblik pene u prostoru između vodene površine i parnog prostora. Što je veće penušanje, to su veći problemi koji mogu nastati.
Indikatori i posledice penušanja su:
Voda će kapljati na priključku za manometar, teškoća je tada odrediti precizno nivo vode.
Sonde
nivoa,
plovci
i
elementi
koji
rade
na
dinferencijalnom pritisku imaju teškoća da precizno detektuju nivo vode.
Alarm se često oglašava, a gorionik može da uđe u blokadu. Ovo uslovljava ručno resetovanje na komandnoj tabli kotla pre nego što se ponovo ne uspostavi izvor napajanja.
Ovi problemi mogu biti u potpunosti ili delom uzrokovani penušanjem u kotlu. Ipak, zato što je penušanje redovna pojava u kotlovskoj vodi, poželjno j e bolje poznavanje karakteristika same pene : o
Slobodna površina - Pena u čaši piva zauzima vodeće mesto među tečnostima, i granica između pene i vode je jasno uočljiva. Vodena površina je neodređena kod kotlovskih tečnosti, kreće se od malih parnih mehurića na dnu do velikih mehurova pare na vrhu kotla.
o
Uzburkavanje vode uslovljava penušanje - Tendencija je usmerena na manje kotlove sa zadatom vrednošću parnog prostora. Manji kotlovi imaju manju vodenu površinu, tako da se srazmera primenjene pare po kvadratnom metru vodene
površine povećava. To znači da je uzburkavanje površine vode veće. Iz ovoga sledi da su manji kotlovi naklonjeni penušanju. o
o
Tvrdoća- Tvrda voda ne penuša. Ipak, kotlovska voda se namerno omekšava radi sprečavanja stvaranja naslaga, i to daje sklonost vodi da penuša. Koloidne materije- Prisustvo koloidne suspenzije u kotlovskoj
vodi, na primer, mleka, stvara silovito penušanje. Primedba: koloidni delići su manji od 0.0001 metar u prečniku, i mogu proći kroz normalan filter. o
TDS vrednost- Ukoliko se vrednost TDS kotlovske vode
povećava,parni mehurovi postaju postojaniji i manje se opiru razdvajanju i rasprskavanju.
Korektivne mere protiv odnošenja kapljica vode: Alternative koje stoje pred menadžerom da smanji proces penušanja u kotlu su :
Nesmetan rad kotla je veoma važno. Sa radom kotla ispod stalnog opterećenja i u okviru projektovanih parametara, vrednost ulazne vlage u struji odnešenih kapljica može biti manja od Opseg rada kotla-
2 %. Ako su ulazne promene brze i sa velikim oscilacijama, pritisak u
kotlu može opasti u značajnoj meri, stvarajući krajnje turbolentne uslove u kotlu i trenutno pretvaranje vode u paru. Da bi bilo još i gore, redukcija pritiska uslovljava da se specifična zapremina pare poveća, i parni mehurovi se proporcionalno povećavaju.
Ako su uslovi rada postrojenja su takvi da se bitno razlikuju od
normalnih, bilo bi pametno razmisliti o sledećem: -
Upotreba automatske regulacija nivoa kotlovske vode sa
podešenim uključeno/isključenim opcijama . - » Suvišne komande« koje će da ograniče nivo dozvoljenog pada
pritiska kotla . - Akumulator pare (detaljnije u Modulu 22 ovog predavanja). - »Napredna sprega« komadi koji će kotlu obezbediti maksimalni
radni pritisak pre nego što se optereti. - »Sporo-reagujuće« komande koje će postrojenje pustiti potpuno u pogon u određenim razmacima.
Antipenušavci mogu da se dodaju kotlovskoj vodi. Oni reaguju tako da sprečavaju nastanak parnih mehurova. Inače, ovi angensi nisu efikasni kada se primenjuju za pare nastale Hemijski agensi-
iz suspenzija.
Kontrola vrednosti TDS-
Optimalna vrednost se nalazi između:
Visoke vrednosti TDS kada se razmatra cena koštanja procesa, Niske vrednosti TDS koji minimizira penušanje.
Sigurnost rada- Opasnosti pregrevanja vode do stvaranja naslaga, korozija nastaje od rastvorenih gasova, to je lako razumljivo. U
krajnjim slučajevima, penušanje, naslage i stvaranje taloga mogu dovesti da regulatori nivoa kotlovske vode netačno očitavaju, podjednako je opasno i za opremu i za osoblje.
Priprema vode Generalno
je svuda prihvaćeno da je za parne kotlove najbolje primeniti pripremu napojne vode gde god je to moguće.
Pregled kvaliteta pripremljene vode koja se može primeniti u različitim procesima, zasnovanu na tipičnom izvoru sveže vode, pokazan je u tabeli 3.9.2. To je voda koja ulazi u postrojenje za pripremu vode.
Proces pripreme vode može se podeliti na :
To je pojava kada sveža voda prolazi kroz polupropustljivu membranu ostavljajući sa sobom određenu količinu Reversnu osmozu-
primesa, koji se prevodi u otpad.
Kreč, omekšavanje krečom/natrijum karbonatom - Sa omekšavanjem pomoću kreča, krečna voda (kalcijum hiroksid) reaguje sa kalcijumom i magnezijumom bikarbonatom i pravi talog
koji može da se odstrani. Time se smanjuje bazična (privremena) tvrdoća. Omekšavanje krečom/ natrijum karbonatom (prah natrijum karbonata) smanjuje nealkalnu (stalnu) tvrdoću pomoću hemijskih reakcija.
Jonska izmena vode – Ovo je daleko najrasprostranjenija metoda tretmana vode za blok kotlove koji proizvode zasićenu paru. Ovaj
metod se zasniva na sledećim procesima pripreme vode : Osnovama razmene, Dealkalizacija i Demineralizacija. Jonska izmena vode Jonofilter je jedan homogen materijal napravljen u obliku kuglica smole
prečnika od 0.5 do 1.0 mm. Smolaste kuglice su uobičajeno upotrebljavaju u obliku gusto pakovanih slojeva u plastičnoj ojačanoj posudi pod pritiskom. Kuglice od smole su porozne i hidroskopne- tako da one upijaju vodu. Unutar gustih slojeva su nepokretne grupe jona sa kojim su u vezi pokretni promenljivi joni suprotnog naelektrisanja. Ovi pokretni joni mogu biti zamenjeni sa jonima istog naelektrisanja, sa rastvorenih soli u vodi u sredini gde se nalaze kuglice.
Osnove omekšavanja vode Ovo je najjednostavniji vid jonske izmene i takođe najčešče korišćen. Kuglica od smole je početno aktivirana (napunjena) prolazeći kroz 7 -12 % rastvora slane vode (natrijum hlorid ili kuhinjska so), tako da je
kuglica obogaćena jonima natrijuma. Odanda, voda koja se omekšava provodi se kroz smolaste slojeve kuglica i tada nastaje jonska izmena. Joni kalcijuma i magnezijuma se zamenjuju jonima natrijuma sa kuglica
smole, ostavljajući protočnu vodu obogaćenu sa solima natrijuma. Natrijumove soli su postajane u rastvorima visokih temperatura i koncentracija i ne prave štet ne naslage u kotlu.
Sa slike 3.10.1 može se videti da se joni koji uslovljavaju tvrdoću vode se menjaju za natrijumove soli. U procesu omekšavanje vode sa natrijumovim jonima nema smanjenja veličine TDS( TDS je izražen u delićima miliona ili ppm) i nema promena PH vrednosti. Sve što se dešava je u promeni jedne grupe jona sklonih stvaranju štetnih naslaga sa drugom grupom manje štetnih, koji nisu tome skloni. Pošto nema promena vrednosti nivoa TDS, zasićenost smolastih slojeva ne može se uočiti pomoću povećanja provodljivosti (TDS i provodljivost su u vezi). Regeneracija se prema tome pokreće vremenski ili na osnovu vrednosti protoka vode.
Omekšivači su relativno jeftini za upotrebu i mogu da postojano omekšavaju vodu dugo godina. Mogu se uspešno koristiti čak u baznim sredinama velike (privremene) tvrdoće obezbeđujući da se najmanje 50% kondenzata vraća. Tamo gde nema ili malo ima povrata kondenzata, preporučuje se upotreba iskustvene vrste pripreme vode. Ponekad se koristi omekšavanje krečom/ natrijum om kao prethodna priprema za osnovnu izmenu. Time se smanjuje količina smole u procesu.
sl. 3.10.1 Šema osnova omekšavanja
Dekarbonizacija vode
Nedostatak omekšavanja jonskom izmenom je u tome što nema smanjenja TDS i bazičnosti. Ovo se može promeniti tako što se prethodno otkloni bazičnost i to se obično postiže pomoću dekarbonizatora. Postoji nekoliko tipova dekarbonizatora a najčešći je prikazan na slici 3.10.2. To je sklop tri jedinice, dekarbonizatora povezan sa degazatorom i jonofilterom.
sl. 3.10.2 A Šema dekarbonizatorskog postrojenja
Dekarbonizator
se ponekad naziva omekšavanje »razvojenog toka«. Dekarbonizator se retko može upotrebiti bez jonoizmenjivača, kao posledica reakcije je stvaranje kiselina i ona može da uzrokuje koroziju pošto voda stalne tvrdoće prolazi Sistem prikazan na slici 3.10.3
direktno kroz kotao.
Postrojenje dekarbonizatora će otkloniti privremenu tvrdoću vode kao što je prikazano na slici 3.10.3. Ovo postrojenje se upotrebljava uglavnom kada se koristi veoma velik protok sveže vode.
Sl.3.10.3 Proces dekarbonizacije
Demineralizacija
Proces demineralizacije će otkloniti uglavnom sve soli. Ona nastaje kada sveža voda prolazi kroz oba smolasta sloja katjona i anjona (sl.3.10.4). Ponekad smole se mogu nalaziti u jednoj određenoj posudi i ona se naziva »mešoviti sloj« demineralizacije. Demineralizacija otklanja uglavnom sve minerale i daje veoma visok kvalitet vode koja sadrži gotovo nerastvorljive materije. Koristi se za
kotlove
pod
velikim
termoelektranama.
pritiskom
kao
što
su
kotlovi
u
Ako sveža voda ima visoku količinu lebdećih čestica oni će veoma brzo doći u kontakt sa jono masom, drastično povećavajući troš kove eksploatacije. U tim slučajevima, neka vrsta prethodne pripreme sveže vode kao što je razbistravanje ili filtracija vode prosto je neophodno.
1
2
3
4
Ca(HCO3)2 MgCl 2 Na2SO4 Na2SiO3 pH 7.6
2H2CO3 2HCl H2SO4 H2SiO4 pH 2.0-2.5
H2O 2HCl H2SO4 H2SiO3 PH 2.0-2.5
H2O H2O H2O H2O pH 8.5-9.0
Sl 3.10.4 Demineralizacija Izbor postrojenja za hemijsku pripremu vode
Gledajući tabelu 3.10.1 , dolazi se do zaključka da bi se ovo postrojenje trebalo uvek kori stiti. Ipak, svaki sistem ima troškove investicije i troškove eksploatacije, kao što tabela 3.10.2 ilustruje , plus potreba svakog postrojenja za nadogradnjom.
Tvrdoća ppm Proces
Sveža voda Krečna voda Kreč soda Kreč jonska izmena Jonska izmena Dealkalizacija Dealkalizacija+jonska izmena Demineralizacija Reverzna osmoza
Bazna
Nealkalna
Soli koji ne stvaraju
200 30 30 5 5 5
50 50 0 0 0 50
60 58 108 133 255 60
310 138 138 138 260 115
5
0
110
115
1 20
0 5
2 6
3 31
TDS ppm
tvrdoću
Tabela 3.10.1 Kvalitet vode nasuprot pripremi vode Vrsta procesa Jonska izmena Dealkalizacija+jonska izmena Demineralizacija
Uporedna mera troškova Investicioni 1 4 8
Eksploatacioni 1 2 3
Tabela 3.10.2 Relativni odnos troškova procesa pripreme vode Blok kotlovsko postrojenje
Generalno, blok kotlovi su sposobni da tolerišu prilično visoku vrednost TDS, i relativno niska cena investicija i troškova eksploatacije postrojenja za jonsku izmenu (videti tabelu 3.10.2) uglavnom ih svrstava u prvi plan prilikom izbora vrste kotla.
Ukoliko sveža napojna voda ima visok TDS, i / ili nizak povrat kondenzata (<40%), može se razmotriti nekoliko opcija:
Prethodna priprema vode sa kreč /sodom uzrokuje da bazna tvrdoća izađe izvan rastvora kao kalcijum karbonat ili magnezijum hidroksid, i onda se odvodi iz posude.
Postrojenje za dekarbonizaciju smanjuje vrednost TDS napojne vode kotlovskog postrojenja.
Cevno kotlovsko postrojenje Cevno kotlovsko postrojenje je mnogo manje tolerantno za visok
nivo TDS, i sve je manje što se pritisak povećava. Ovo je uslovljeno sa više razloga, uključujući:
Cevno kotlovsko postrojenje ima ograničenu vodenu površinu u parnom prostoru, relativno u odnosu na brzinu isparavanja.
Ovo rezultira velikom količinom oslobođene pare u odnosu na jedinicu vodene površine, i nastankom turbulentnog strujanja.
Cevna kotlovska
postrojenja teže ka većoj produkciji, ponekad i preko 1000 tona na čas pare. Znači da i mala količina nečistoća može uzrokovati pregoravanje više cevi.
Cevna kotlovska postrojenja teže da rade na višim pritiscima, ponekad i na 150 bara. Što je viši pritisak, to je veća akumulisana energija u zagrejanoj vodi.
Viši pritisci uslovljavaju veće temperature. To znači da su materijali konstrukcije izloženi većim temperaturskim diletacijama, i rade blizu svojih gornjih mehaničkih vrednosti. Čak i mala vrednost unutrašnjih naslaga smanjuje razmenu toplote sa cevi na vodu što vodi do pregrevanja cevi.
Često se u cevna kotlovska postrojenja ugrađuje pregrejač pare.
Suvozasićena para iz parnog prostora može se direktno uputiti u cevi pregrejača koje su postavljene u zoni najvećih temperatura ložišta. Bilo koje izdvajanje kapljica iz pare zaprljane vode može napraviti naslagu na cevi pregrejača, I sprečiti razmenu toplote sa potencijalno katrostrofalnim posledicama.
Gore nabrojani faktori znače sledeće:
Kvalitetna priprema vode je neophodna za siguran rad ovog tipa postrojenja.
Možda je ekonomičnije ulagati u postrojenje za pripremu vode koje će da minimizira prekide rada postrojenja.
U svakom pogledu, često izbor pada na proces reverzne osmoze i demineralizacije.
Zaključak Kvalitet sveže vode je očigledno važan faktor kada se bira postrojenje za pripremu vode. Iako vrednost TDS utiče na radni režim rada kotla, ostali faktori, kao što je ukupna bazičnost ili sadržaj silicijuma mogu biti važniji i stoga više uticaju na izbor opreme za pripremu vode.