Kontrola jakości wody w kotłach parowych

Prawidłowa praca kotłów parowych wymaga zachowania w wodzie kotłowej stężenia soli poniżej wartości granicznej. Część soli (głównie sole wapnia i magnezu) łącznie z innymi wtrąceniami pozostają w wodzie jako składniki twardości powodując powstawanie osadów i kamienia kotłowego. Część natomiast jest przyczyną powstawania zjawiska pienienia wody kotłowej, co prowadzi do przerzutów wody (a wraz z nią rozpuszczonych w niej soli) do przewodów parowych. Na skutek procesu odparowania zawartość soli w wodzie kotłowej wzrasta, co sprzyja nasileniu wymienionych zjawisk. Aby temu zaradzić, oprócz odpowiedniego uzdatnienia wody uzupełniającej, należy przeprowadzać kontrolę stężenia soli oraz okresowe odsalanie i odmulanie kotłów.

Stężenie soli mineralnych można wyznaczyć pośrednio poprzez pomiar przewodności właściwej wody w kotle. Na pomiar ten jednak bardzo ważny wpływ ma temperatura badanej wody. Dysocjacja elektrolityczna w kotle powoduje drastyczny wzrost wartości mierzonej przewodności w stosunku do pomiaru w temperaturze 25 °C. Dlatego dla zapewnienia poprawności pomiaru urządzenia pomiarowe należy ręcznie wykalibrować dla temperatury wody lub też stosować układy z autokalibracją wyposażone w dodatkowy czujnik temperatury. Układy pomiarowe mogą wyświetlać wartość przewodności właściwej wyrażonej w μS/cm lub też podawać zawartość soli wyrażonej w ppm. W normalnych warunkach pracy kotła przewodność właściwa nie powinna być większa niż 2900 do 5000 μS/cm (wartość dokładna określana jest przez producenta kotła i jej dotrzymanie jest warunkiem uznania roszczeń gwarancyjnych). Wielkość tą utrzymuje się na wymaganym poziomie poprzez upuszczanie z kotła wody zasolonej i uzupełnianie powstałych w ten sposób ubytków wodą świeżą. Jest to więc proces powodujący zmniejszenie ogólnej sprawności kotłowni parowej. Proces odsalania może być wykonywany ręcznie bądź automatycznie z ciagłym upustem lub z działaniem periodycznym z ciągłą lub okresową kontrolą parametrów wody, z ręczną kalibracją regulatora lub z korektą temperaturową (autokalibracja). Z uwagi na koncentrację zanieczyszczeń w górnych warstwach wody kotłowej, miejsce upustu odsolin należy umieścić możliwie blisko powierzchni wody. Prawidłowy sposób przebiegu odsalania ręcznego w kotłach o zmiennym obciążeniu wymaga stałego dozoru oraz montażu układu pomiarowego informującego o przekroczeniu stanu granicznego zasolenia. Sposób ten jest zawodny, efektem czego jest okresowe nadmierne zasolenie wody kotłowej, bądź też nieuzasadnione straty wody wynikłe z upuszczania jej w większych ilościach niż to wynika z rzeczywistych potrzeb. Dlatego zalecane jest stosowanie układów automatycznych.
Najprostszym automatycznym układem odsalania jest układ pracujący z okresową kontrolą przewodności z ręczną kalibracją regulatora. Układ taki jest wystarczający gdy obsługuje urządzenie, w którym zmiany temperatury zachodzą w niewielkim zakresie. Przy większych wahaniach temperatury np. w wytwornicach pary zaleca się stosowanie korekcji temperaturowej. Okresowość pomiaru jest natomiast wynikiem umieszczenia czujnika przewodności w przewodzie spustowym odsolin. W związku z czym każdy pomiar wiąże się z upuszczeniem pewnej ilości wody kotłowej. Aby jednak zapobiec upustom wody z kotła znajdującego się w gotowości (przy braku rozbioru pary) okres pomiędzy pomiarem liczony jest według czasu pracy palnika. Przy ciągłe kontroli przewodności właściwej czujnik musi być umieszczony w płaszczu kotła, co czasami może powodować problemy natury technicznej. Przy kotłach o stosunkowo małej objętości wodnej okresowe upuszczanie wody może prowadzić do zakłócenia procesu parowania wewnątrz kotła. W takich przypadkach stosuje się zawory działające impulsowo. Impulsowe działanie zaworu polega na wykonywaniu przez niego sekwencji ruchów polegającej na otwieraniu i zamykaniu przelotu w kilkusekundowych odstępach czasu do momentu spadku przewodności właściwej poniżej poziomu dopuszczalnego. W przypadku, gdy strumień odsolin przekracza 5% maksymalnego strumienia pary odpływającej z kotła zaleca się stosowanie układów odsalania ciągłego. W układach tych zawór regulacyjny posiada co najmniej dwa stopnie otwarcia: pierwszy zapewnia niewielki stały upust wody gwarantujący ciągłe odświeżanie wody kotłowej, drugi stanowiący jednocześnie pełne otwarcie zaworu umożliwia usunięcie odsolin w przypadku przekroczenia dopuszczalnej przewodności właściwej wody kotłowej. Sondy pomiaru przewodności w wyniku inkrustacji powierzchni narażone są na stopniową utratę dokładności wskazań. Aby przeciwdziałać błędom pomiaru konieczna jest okresowa kontrola polegająca na poborze próbek wody i poddaniu ich badaniu urządzeniami przenośnymi. Bezpośrednie pobieranie próbki gorącej wody kotłowej niesie ze sobą niebezpieczeństwo poparzenia oraz ryzyko, że pobrana próbka nie reprezentuje rzeczywistej zawartości soli. Odparowanie, które ma miejsce podczas poboru próbki, spowoduje wzrost stężenia zanieczyszczeń w pobieranej próbce wody kotłowej. Dlatego przy zaworze odsalania należy zamontować chłodniczkę pobieranych próbek. Wielkość zaworu odsalającego dobiera się dla wymaganej przepustowości przy określonym ciśnieniu różnicowym. Wymaganą przepustowość zaworu odsalającego określić można ze wzoru:
gdzie: mu - strumień odsolin [kg/h], mp - strumień masy pary [kg/h], σu - przewodność właściwa wody uzupełniającej [μS/cm], σk - dopuszczalna przewodność właściwa wody w kotle [μS/cm]. Przy układach odsalających z okresową kontrolą przewodności wymaganą przepustowość zaworu należy powiększyć o wartość wynikającą z opóźnionej reakcji układu na przekroczenie dopuszczalnego poziomu przewodności. Część z zanieczyszczeń wprowadzanych do kotła wraz z wodą uzupełniającą wytrąca się z niej w postaci mułów i kamienia kotłowego. Muł jako cięższy opada na dno kotła, skąd należy go usunąć. Służy do tego układ odmulania. Podobnie jak w przypadku odsalania, odmulanie polega więc na upuście pewnej ilości wody kotłowej. Wodę tę jednak należy upuszczać ze strefy przydennej kotła w sposób możliwie jak najbardziej gwałtowny (uderzeniowy), stąd najczęściej wykorzystywane są do tego celu zawory kulowe. Odmulanie wykonywane może być w sposób ręczny lub automatyczny. Sposób ręczny polega na gwałtownym otwarciu zaworu na 1 do 3 sekund a następnie jego zamknięciu. Częstotliwość odmulania powinien podać producent w dokumentacji użytkowej kotła. Układy odmulania automatycznego wykorzystują sterownik czasowy uruchamiający zawór pneumatyczny odmulania. Zastosowanie zaworu z siłownikiem pneumatycznym gwarantuje odpowiednią szybkość otwarcia zaworu. Czas pomiędzy kolejnymi otwarciami zaworu odmulającego określany jest na podstawie czasu pracy palnika kotła. Zabezpiecza to instalację przed powstawaniem niepotrzebnych strat gorącej wody kotłowej. Automatyzacja procesów odmulania i odsalania oprócz gwarancji zachowania odpowiednich parametrów wody, ogranicza do minimum towarzyszące im straty energii. Z uwagi na korzyści z niej płynące jest ona juz standardem w nowoczesnych instalacjach kotłów parowych. Osobnym tematem, nie poruszanym w artykule, jest odzysk ciepła z odprowadzanych z kotła odsolin i odmulin. Wykorzystanie pary wtórnej z procesu rozprężania wód upustowych, choć nieobowiązkowe to powinno być brane pod uwagę przy projektowaniu. opracowanie: Redakcja na podstawie materiałów firm: Gestra i Spirax Sarco.