Efektywność energetyczna BOSCH: Nowoczesne przygotowanie i analityka wody

Woda zasilająca i kondensat zawierają składniki o właściwościach korozyjnych, które mogą działać szkodliwie na zbiornik wody zasilającej, kocioł, a nawet cały system kondensatu. Przeważnie mamy do czynienia z korozją tlenową lub kwasowęglową. Oprócz składników o właściwościach korozyjnych w wodzie jest obecna twardość, która jest odpowiedzialna za powstawanie kamienia kotłowego odkładającego się na powierzchniach grzejnych kotła (rys. 1). Jeśli obecność kamienia kotłowego nie zostanie szybko zauważona, kamień staje się barierą dla przenoszenia ciepła, czego skutkiem jest pogorszenie sprawności kotła. Jeżeli warstwa kamienia dalej narasta, może dojść do przegrzania powierzchni grzejnych i w konsekwencji poważnego uszkodzenia, a nawet zupełnego zniszczenia kotła. Innym częstym skutkiem braku odpowiedniego przygotowania wody jest spienianie powierzchni lustra wody i porywanie cząstek wody kotłowej do instalacji pary, w następstwie czego pojawiają się problemy w dalszych procesach. Poza pogorszeniem jakości pary silnie wpłynie to na skrócenie żywotności występujących w instalacji komponentów, armatur, przewodów i podłączonych do niej odbiorników.

Z tego powodu w europejskim prawodawstwie uchwalono obszerny zbiór reguł nakazujących utrzymanie ściśle wyznaczonych parametrów wody. W normie PN-EN 12953-10 określono konkretne wymagania w odniesieniu do wyglądu, przewodności, odczynu pH, twardości całkowitej, pojemności kwasowej wody oraz zawartości w niej żelaza, miedzi, kwasu krzemowego, oleju/tłuszczu, fosforanów i tlenu. Woda ma być także wolna od substancji organicznych.

W zależności od wydajności i wielkości kotła stosuje się rozmaite techniki uzdatnienia wody. Świeża woda jest z reguły pobierana z publicznej sieci wodociągowej i odpowiada jakości wody pitnej. W celu wykorzystania jej w instalacji kotłowej musi być odpowiednio przygotowana, czemu służą metody opisane poniżej.

Zmiękczanie lub odsalanie

Do najczęściej stosowanych metod należą zmiękczanie wody przy użyciu wymienników jonowych i odsalanie w odwróconej osmozie. W przypadku mniejszych instalacji lub dużych ilości zawracanego kondensatu często stosuje się zmiękczanie wody. W procesie wymiany jonowej odpowiedzialne za twardość jony wapnia i magnezu są wymieniane na nieszkodliwe jony sodu. Zawartość soli w wodzie pozostaje podczas tego procesu prawie niezmienna. Wymiana jonowa jest prostym i skutecznym sposobem zmiękczania wody, a jedyny jej koszt to zużycie soli regeneracyjnej (NaCl) (rys. 2).

Odwrócona osmoza jest metodą kosztowniejszą i stąd stosowaną głównie w instalacjach z dużym udziałem wody uzupełniającej lub gdy z innych przyczyn (np. jakość pary) jest potrzebna woda kotłowa o niższej przewodności. Odwrócona osmoza polega na wymuszonej dyfuzji przez półprzepuszczalną membranę rozdzielającą dwa roztwory wodne o różnym stężeniu. Woda, która ma być oczyszczona, wywiera na membranę nacisk o większej wartości i skierowany przeciwnie niż ciśnienie osmotyczne, wskutek czego zostają całkowicie odrzucone z wody rozpuszczone sole i substancje organiczne. W zależności od wydajności urządzenia do osmozy może być wymagane dodatkowe zmiękczenie wody przed lub po osmozie. Zmiękczanie przed osmozą odbywa się w taki sam sposób jak zmiękczanie opisane powyżej i jest stosowane w mniejszych systemach. Gdy osmoza ma służyć odsalaniu dużych ilości wody zwykle przed wprowadzeniem wody do osmozy dozuje się określoną ilość preparatów chemicznych celem uniknięcia zablokowania modułów osmozy przez odkładający się kamień. Za urządzeniem do osmozy jest podłączony dodatkowy zmiękczacz mający wyeliminować resztki ziem alkalicznych (jonów Ca i Mg) pozostałych w wodzie.

Odsalanie częściowe, proces pomiędzy zmiękczaniem a osmozą, znane również jako dekarbonizacja, coraz częściej schodzi na dalszy plan wobec dwóch pierwszych wymienionych metod. Proces działa podobnie jak zmiękczanie techniką wymiany jonowej. Równowaga wapniowo-węglanowa zostaje zachwiana przez dodanie jonów wodorowych (H+). Dwutlenek węgla, związany w związkach węglanowych (HCO3), zostaje uwolniony. Rozpuszczone jony wapniowe i magnezowe (twardość niewęglanowa) są zastępowane sodem w kolejnym procesie wymiany jonowej. Wymieniacze jonowe są regenerowane kwasem solnym lub chlorkiem sodu (NaCl).

Odgazowanie termiczne (redukcja O2 i CO2)

Po zmiękczeniu lub odsoleniu kolejnym etapem przygotowania wody jest odgazowanie termiczne. Termiczne odgazowanie jest najlepszą metodą na trwałe utrzymanie stężeń tlenu i dwutlenku węgla w wodzie zasilającej poniżej szkodliwego poziomu. Metoda termicznego odgazowania wykorzystuje chemiczno-fizyczne zjawisko zmniejszania się rozpuszczalności gazów w wodzie wraz ze wzrostem temperatury, która spada niemal do zera w stanie wrzenia.

Ze względu na niższe koszty inwestycyjne bezciśnieniowe odgazowanie częściowe stosuje się w mniejszych instalacjach. W związku z niższą temperaturą roboczą pomiędzy 85 a 90 °C przy odgazowaniu częściowym nie trzeba stosować odgazowywacza i zbiornika wody zasilającej. Gazy obecne w wodzie w postaci rozpuszczonej są uwalniane przez ogrzewanie i opuszczają układ wraz z oparami. Ze względu na nastawione temperatury robocze proces uwalniania gazów nie jest kompletny. Nadal są obecne gazy w niewielkich stężeniach, zwłaszcza tlen i dwutlenek węgla (wykresy 1 i 2). Dodatkowa chemiczna korekcja wody jest absolutnie konieczna.

Biorąc pod uwagę oczekiwany okres użytkowania instalacji kotłowej system odgazowania całkowitego byłby zasadniczo najlepszym wyborem. Systemy częściowego odgazowania pracujące w niższym, bezciśnieniowym zakresie są lepsze dla kotłów pracujących z przerwami, szczególnie w małym zakresie wydajności do 2000 kg/h. W takim wypadku zaleca się wykonanie zbiornika wody zasilającej ze stali nierdzewnej.

W większych instalacjach oraz instalacjach z bardzo małymi ilościami zawracanego kondensatu zwykle używa się urządzeń do pełnego odgazowania. Pracują one w zakresie temperatur pomiędzy 100 a 110 °C. Kolumna odgazowująca lub odgazowywacz rozpylający umieszczony na zbiorniku wody zasilającej zwiększa powierzchnię wody uzupełniającej lub zawracanego kondensatu. Za pomocą bezpośredniego wtrysku pary woda zasilająca w zbiorniku wody zasilającej nagrzewa się do temperatury wrzenia. Produktem procesów całkowitego odgazowania termicznego są opary, z którymi są odprowadzane z wody zasilającej szkodliwe dla pracy kotła gazy: tlen (O2) i dwutlenek węgla (CO2). W wielu kotłowniach wyrzut oparów widać w postaci kłębów pary unoszących się ponad dachem. Przewód oparów musi być ułożony w taki sposób, aby również w niesprzyjających warunkach mogły być odprowadzone wszystkie uwolnione gazy. Piśmiennictwo podaje wymagany strumień oparów do 0,5 % wydajności produkcyjnej kotła. Pozostałe ilości tlenu i dwutlenku węgla są po funkcjonującym odgazowaniu całkowitym nieistotne. Dodanie niewielkiej ilości chemii należy polecić tylko z powodów pomiarów lub bezpieczeństwa.

Dozowanie chemii korekcyjnej (wiązanie O2 lub CO2)

Skład wody zasilającej zależy od różnych fizycznych i chemicznych metod przygotowania wody, dozowania środków chemicznych wiążących twardość resztkową i tlen resztkowy oraz koniecznej alkalizacji (podniesienia odczynu pH w zbiorniku wody zasilającej). Preparaty chemiczne bardzo często są dozowane w nadmiarze. Przyczyny tego stanu rzeczy leżą zasadniczo w niemożności ciągłego monitoringu jakości wody i dozowania w ilościach określonych empirycznie. Brakuje niedrogiej analityki pomiarowej zawartości tlenu resztkowego do bezpośredniego pomiaru. W związku z tym określa się nie zawartość tlenu resztkowego, ale nadmiar preparatów chemicznych w wodzie kotłowej w celu możliwości przynajmniej cyklicznego wyeliminowania z wody tlenu. Oprócz nadmiernego zużycia środków chemicznych równie niekorzystne są straty energii. Przedawkowanie chemikaliów prowadzi do wielokrotnego wzrostu przewodności (zawartość soli) i wytrącania się mułu, co powoduje straty energii potrzebnej na dodatkowe odsalanie i/lub odmulanie. Poza tym mogą pojawić się problemy w postaci spieniania powierzchni lustra wody kotłowej. Konsekwencją tego są zaburzenia w postaci braku wody czy wyłączenia z powodu zbyt wysokiego poziomu wody. Wskutek porywania cząstek wody kotłowej do instalacji pary pogarsza się jakość pary, mogą wówczas występować uderzenia hydrauliczne i uszkodzenia podłączonych do instalacji odbiorników.

Analityka pomiarowa

W celu zapewnienia odpowiedniej jakości wody kotłowej parametry wody zasilającej muszą być sprawdzane w sposób ciągły i/lub okresowo. Woda zasilająca i woda kotłowa w kotłach parowych oraz woda obiegowa w kotłach wodnych wysokotemperaturowych musi być analizowana pod kątem istotnych parametrów (odczyn pH, przewodność bezpośrednia, pojemność kwasowa, twardość i zawartość tlenu). Częstotliwość takich analiz zależy od wymagań producenta, użytkownika, przepisów i odpowiednich organów. Zazwyczaj, z wyjątkiem przewodności, analizy odbywają się ręcznie, co oczywiście wymaga odpowiednich nakładów pracy i czasu. Codziennie lub gdy kocioł jest przystosowany do pracy bez stałego nadzoru co 3 dni należy dokonywać rozmaitych analiz wody, które mają być dodatkowo notowane w książce ruchu kotła. Operator kotła może w tym celu posłużyć się analizatorem wody WA skonstruowanym przez firmę Bosch. Cyfrowy analizator wody WA dokonuje automatycznie ciągłych pomiarów określonych parametrów wody. Zmierzone wartości są zapisywane w pamięci urządzenia i przekazywane do systemu sterowania instalacją (rys. 4). Na bazie uzyskanych wyników pomiarów preparaty chemiczne są dozowane dokładnie według aktualnej potrzeby, wobec czego zmniejsza się również ilość zużywanej chemii korekcyjnej.

Miejsca poboru próbek należy przewidzieć w reprezentatywnych punktach kotła, odgazowywacza wody zasilającej, zbiornika kondensatu czy dalszych systemów. Typowymi miejscami poboru próbek są zbiornik wody zasilającej, króciec odsalania przy kotle, woda uzupełniająca po przejściu przez system przygotowania wody. Miejsca poboru próbek należy wyposażyć w odpowiednie filtry i chłodnice umożliwiające prawidłowy i bezpieczny pobór próbek wody.

Przewodność jest mierzona w sposób ciągły przez elektrodę do pomiaru przewodności zainstalowaną na powierzchni wody kotłowej.

Twardość całkowita, jak również pojemność kwasowa (wartość p) są zazwyczaj mierzone metodą miareczkowania roztworami mianowanymi lub fotometrycznie z użyciem stosownych mierników. Miareczkowanie polega na dodawaniu w postaci kropel roztworu o określonym stężeniu (mianie) do analizowanej próbki wody do momentu, gdy woda zmieni barwę. Na podstawie ilości dodanego roztworu mianowanego można określić pojemność kwasową lub twardość całkowitą. Metody fotometryczne działają podobnie, z tą różnicą, że po dodaniu określonej ilości roztworu mianowanego ocenia się różnicę barwy próbki. Jedynym parametrem wody, który jak dotąd można ustalić tylko przy pomocy bardzo drogich technik analitycznych, jest zawartość tlenu.

Cechami wspólnymi wszystkich konwencjonalnych metod analitycznych są czasochłonność i wysoki stopień obarczenia błędami.

Analizator wody WA

Nowo zaprojektowany analizator wody WA pozwala wyeliminować te problemy przez ciągłą analizę, pomiar i monitoring parametrów wody zasilającej kocioł:

– wartości pH wody zasilającej,

– zawartości O2 w wodzie zasilającej,

– wartości pH wody kotłowej,

– Softcontrol (funkcja opcjonalna).

W tym celu opracowano specjalne nowe metody pomiarowe Zaprzestaje się eliminować tlen z wody stosując nadmiar środka wiążącego tlen, a w to miejsce mierzy się faktyczną zawartość O2 na jej rzeczywistym poziomie. Jako elektroda pomiarowa służy mikrokapilara szklana wypełniona cieczą reakcyjną, która wskutek przenikania do niej tlenu generuje przepływ prądu elektrycznego.

Ten przepływ prądu jest mierzony i na podstawie

wyniku pomiaru jest określana dokładna

zawartość tlenu w istotnym dla systemu

kotłowego zakresie pomiarowym 0,001 – 0,0 mg/l. Wartość pH w wodzie zasilającej i kotłowej jest mierzona przy pomocy elektrody referencyjnej pH, która rejestruje obecność dodatnich jonów wodorowych w wodzie. Również tutaj jest indukowane niewielkie napięcie, w oparciu o które można sformułować wiarygodne wnioski co do wartości pH w zakresie pomiarowym pomiędzy 7 i 14.

Wszystkie elektrody są wyposażone w funkcję autokontroli. Bezawaryjne działanie elektrod zapewniają wykonywane w określonych cyklach automatyczne pomiary referencyjne, w stosunku do wody surowej lub w stosunku do siebie. Elektrody pomiarowe ulegają naturalnemu zużyciu. Koszty elektrod zamiennych odpowiadają w przybliżeniu kosztom roztworów wskaźnikowych i pasków testowych do ręcznych analiz wody.

Wszystkie dane są transportowane magistralą komunikacyjną do nadrzędnego systemu sterowania instalacją SCO. System SCO zawiera wszystkie ważne parametry wody łącznie z informacjami o przewodności wody w kotle oraz przewodności bądź zmętnieniach przepływającego kondensatu.

Analizator wody WA oferuje szereg zalet w porównaniu z konwencjonalnym ręcznym monitoringiem:

Mniej uszkodzeń kotła i instalacji dzięki zwiększonej niezawodności działania.

W celu uzyskania prawidłowych wyników ręczne pomiary muszą być wykonywane przez właściwie przeszkolony personel. Często są popełniane błędy przy pobieraniu próbek różnych strumieni wody lub w postępowaniu z roztworami reakcyjnymi, które powodują drastyczne zafałszowanie wyników.

Analiza próbek przez analizator wody WA odbywa się całkowicie automatycznie bez jakiejkolwiek ingerencji, czego efektem są poprawność i dokładność pomiarów. W razie przekroczenia wyznaczonych wartości granicznych parametrów wody kocioł zabezpiecza się samoczynnie. W zależności od rodzaju przekroczenia wartości granicznych następują określone reakcje ze strony sterowania. Jeżeli na przykład grozi wtrącenie twardości natychmiast zostaje zamknięty zawór wody uzupełniającej.

Zarządzanie komunikatami o zakłóceniach

Wszystkie parametry istniejące w momencie przekroczenia wartości granicznej są przekazywane do pamięci komunikatów o zakłóceniach systemu sterowania SCO (rys. 6). Przyczyny usterek można łatwiej przeanalizować.

Protokołowanie

Dane mogą być stale zapisywane w archiwum. Mogą być również wyświetlane w określonych odstępach czasu w postaci wykresów krzywych (rys. 8) na ekranie dotykowym i przesyłane magistralą do głównego systemu automatyki budynkowej. Żmudne ręczne pomiary i ręczne zapisywanie wartości wody w książce ruchu kotła nie są już konieczne.

Sterowanie i regulacja

Wyniki pomiarów parametrów wody są bazą dla sterowania pompami środków chemicznych. Można zrezygnować z dozowania nadmiarowego, ponieważ parametry wody są oznaczane metodami bezpośrednimi. Rezultatem są ogromna oszczędność zużywanej chemii korekcyjnej oraz redukcja strat energii w związku z koniecznością częstszego odsalania i odmulania.

Strumień oparów projektuje się przy tradycyjnym sposobie pracy na około 0,5 % znamionowej wydajności kotła. Występują ciągłe straty energii cieplnej uciekającej z uchodzącymi oparami. Pomiar zawartości tlenu przy pomocy analizatora WA umożliwia ukierunkowane sterowanie zaworem oparów. Zawór może być zamykany w granicach dozwolonych wartości granicznych. Tylko wtedy, gdy wymagane wartości graniczne zostaną przekroczone, czyli gdy rzeczywiście potrzebne jest odgazowanie wody zasilającej, zawór oparów otwiera się i opary zawierające tlen i dwutlenek węgla mogą opuścić system. W efekcie uzyskujemy ogromną oszczędność paliwa.

Potencjał oszczędności

Analizator wody WA kryje w sobie ogromny potencjał redukcji kosztów. W zależności od wielkości i wyposażenia systemu z oszczędności w zakresie zużycia paliwa i wody wynikają bardzo krótkie okresy amortyzacji. A do tego trzeba jeszcze dodać zwiększoną niezawodność pracy kotła dzięki ciągłemu sprawdzaniu parametrów wody z dostarczaniem analitycznie prawidłowych wyników pomiarów oraz rzadsze awarie systemu wywoływane przez używanie wody o niedostatecznej jakości.

Pomiar twardości resztkowej

Twardość jest mierzona przez elektrodę pomiarową (rys. 7) zbudowanej na bazie jonoselektywnej membrany wykonanej z polimeru. Membrana jest przepuszczalna tylko dla odpowiedzialnych za powstawanie twardości jonów Ca i Mg. W wyniku gromadzenia się jonów na membranie następuje indukowanie napięcia, które dostarcza informacji o stopniu twardości wody. W zakresie pomiarowym 0,0018 – 0,18 mmol/l (0,01 – 1 0dH) są bezbłędnie wychwytywane wszelkie odchyłki.

Podsumowanie

Opisane w pierwszej części raportu metody przygotowania wody: zmiękczanie, odsalanie, odgazowanie lub dozowanie chemii korekcyjnej bardzo wyraźnie pokazują, jakich wysiłków wymaga i jakie trudności sprawia zapewnienie prawidłowej jakości wody dla systemu kotłowego przy stosowaniu tradycyjnych ręcznych środków.

Korzystanie z analizatora wody WA przynosi w tym zakresie same korzyści:

Chemiczne środki korekcyjne są dozowane według aktualnego zapotrzebowania w zależności od faktycznej wartości pH i zawartości O2 w wodzie zasilającej – koniec z kosztownym dozowaniem w nadmiarze pociągającym za sobą większe straty związane z częstym odsalaniem i odmulaniem Automatyczny monitoring twardości resztkowej w podłączonych wcześniej zmiękczaczach na bazie wymiany jonowej
Sterowanie zaworem oparów w zależności od zawartości tlenu w wodzie znajdującej się w zbiorniku wody zasilającej pozwalające uniknąć niepotrzebnych strat energii
Zwiększona niezawodność pracy kotła dzięki ciągłemu sprawdzaniu parametrów wody z dostarczaniem analitycznie prawidłowych wyników pomiarów
Oszczędność czasu dzięki pełnej automatyce pomiarów
Mniej awarii systemu spowodowanych niedostateczną jakością wody

Wszystkie dane z ciągłej i automatycznej analizy pomiarów mogą być wyświetlane w postaci wykresów krzywych na ekranie systemu sterowania SCO lub przekazywane magistralą do rejestratora graficznego lub drukarki – można zrezygnować z ręcznego prowadzenia książki ruchu kotła.

Wymagane parametry wody zasilającej i kotłowej

Mianem „woda surowa” określa się wodę dostarczaną do instalacji uzdatniania wody. Instalacja ta jest podłączana do regionalnej sieci wodociągowej lub studni na terenie zakładu. Mianem „woda uzupełniająca” określa się wodę po wyjściu z instalacji uzdatniania wody. Niezależnie do jakości wody zasilającej systemy kotłowe mogą być eksploatowane z użyciem wody o wysokim bądź niskim stopniu zasolenia. W przypadku eksploatacji z użyciem wody całkowicie pozbawionej soli woda podlega bardziej rygorystycznym wymogom jakościowym.

Pełen raport do pobrania:

Efektywność energetyczna BOSCH: Nowoczesne przygotowanie i analityka wody.pdf